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30.06.2017

Ist die Zukunft DC?

Georg Stawowy, Vorstand und CTO der Lapp Holding AG

Georg Stawowy, Vorstand und CTO der Lapp Holding AG

Prof. Frank Berger, Leiter des Fachgebiets Elektrische Geräte und Anlagen an der Technischen Universität Ilmenau

Prof. Frank Berger, Leiter des Fachgebiets Elektrische Geräte und Anlagen an der Technischen Universität Ilmenau

Bei Gleichstrom braucht man neue Komponenten, zum Beispiel Schalter, damit der Störlichtbogen erlischt

Bei Gleichstrom braucht man neue Komponenten, zum Beispiel Schalter, damit der Störlichtbogen erlischt

Guido Ege, Leiter Produktmanagement und Produktentwicklung bei Lapp

Guido Ege, Leiter Produktmanagement und Produktentwicklung bei Lapp

Die Energieversorgung steht an einem Scheideweg. Durch die vielen dezentralen regenerativen Energieerzeuger, ist die Versorgung mit Wechselstrom nicht mehr so effizient. Welche Auswirkungen das hat und wie die Energieversorgung zukünftig aussehen könnte, war das Thema der Fachpressetage von Lapp an der TU Ilmenau.

Mittels Transformatoren lässt sich die Wechselspannung auf einige 100 000 V erhöhen. Das hält die Ströme in den Kabeln und damit die Verluste gering. Mit dem Siegeszug der regenerativen Energien wird das Stromnetz dezentraler, kleinräumiger und der Strom wird oft dort verbraucht, wo er erzeugt wird. Dabei kann die Wechselspannungstechnik ihre Vorteile nicht mehr so zur Geltung bringen. Georg Stawowy, Vorstand Technik und Innovation der Lapp Holding AG berichtete in seiner Eröffnungsrede auf den Fachpressetagen aber noch von anderen Bereichen, wo Gleichspannung an Bedeutung gewinnt.
So lohnt sich eine Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) – obwohl im Bau etwa doppelt so teuer – dank der geringeren Energieverluste ab einer Länge von etwa 400 km; bei Unterseekabeln etwa zur Anbindung von Offshore-Windparks schon ab 60 km. HGÜ-Verbindungen sind mittlerweile sehr zuverlässig. Vor allem durch Fortschritte in der Energieumwandlung durch Leistungselektronik können Gleichspannungen auf bis zu 800 000 V gewandelt werden – ganz ohne Transformator.
Anschließend plädierte Prof. Frank Berger, Leiter des Fachgebiets Elektrische Geräte und Anlagen an der Technischen Universität Ilmenau, dafür die Gleichstromversorgung auch in der Niederspannung. in Industrie und Haushalten einzuführen: „Immer mehr Kleingeräte arbeiten mit Gleichspannung von wenigen V – vom elektrischen Rasierer über das Notebook und den Flachbildfernseher bis zu LED-Leuchten. Versorgt werden sie aber mit AC 230 V aus der Steckdose. Dutzende Schaltnetzteile übernehmen in modernen Haushalten die Wandlung – mit scheinbar kleinen Verlusten, die sich aber landesweit zu bedeutenden zusätzlichen Aufwänden und Kosten summieren.“

Welche Netzstrategien dafür geeignet wären – bei dem bewährten existierenden AC-Netz auf DC-Netze mit DC-Erzeugern und Verbrauchern überzugehen oder der Parallelbetrieb beider Systeme – sind indes nicht seine Forschungsthemen. So beschäftigt sich das Team am Lehrstuhl von Prof. F. Berger überwiegend mit Schaltgeräten für die Elektroinstallationen sowie mit Isolierstoffen, denn gerade da wirft der Gleichstrom bzw. die Gleichspannung noch einige Fragen auf.
So verlöscht der Lichtbogen, der im Schaltvorgang zwischen den sich trennenden Schaltkontakten auftritt, beim Wechselstrom im Nulldurchgang. Bei Gleichspannung sind hingegen spezielle gerätetechnische Maßnahmen notwendig, um ein Verlöschen des Schaltlichtbogens zu erzwingen. Anderenfalls kann es zur Zerstörung des Schalters und zum Brand kommen, wie Prof. F. Berger bei einem Versuch im Labor verdeutlichte.
Ein weiterer Forschungsgegenstand am Lehrstuhl der TU Ilmenau sind Kabel und hier insbesondere die elektrischen Felder, die sich zwangsläufig über dem Isolierstoff aufbauen. Bei Hochspannungskabeln ist die elektrische Feldverteilung bei DC eine völlig andere als bei AC. Deshalb sind die Isolierstoffe für HGÜ-Kabel deutlich teurere Spezialanfertigungen, was sich aber durch die geringen Energieverluste über große Distanzen dennoch rechnet. Darüber wie es bei niedrigen Spannungen aussieht, gibt es bisher noch keine wissenschaftlich belastbaren Aussagen und wenige praktischen Erfahrungen. Auf die Frage ob man Wechselspannungskabel auch in Gleichspannungsnetzen einsetzen können antwortete Prof. F. Berger: „Im Prinzp ja.“ So sind Kabel zum Beispiel der Marke Ölflex Classic 110 von Lapp nach VDE 0298-3 prinzipiell für Gleichspannungen bis 412,5/825 V geeignet. „Erste Laborversuche deuten jedoch darauf hin, dass ein und dasselbe Kabel bei Gleichspannung anders beansprucht wird als bei Wechselspannung. Das liegt in der Abhängigkeit der Spannungsfestigkeit von der Temperatur – diese nimmt bei hohen Temperaturen bei Gleichspannungsbeanspruchung merklich ab“ so der Fachgebietsleiter weiter. In weiteren Tests untersucht das Team, wie sich dies insbesondere auf die Alterung des Materials bei gleichzeitiger mechanischer Belastung auswirkt.

Die Kabelhersteller beschäftigen sich intensiv mit diesem Thema, berichtete Guido Ege, Leiter Produktmanagement und Produktentwicklung bei Lapp: „Es ist sehr wichtig, diesen Zusammenhang zu kennen, und uns bei Lapp ist es wichtig, uns heute schon mit diesem Zukunftsthema auseinander zu setzen.“ Ob es einmal ein eigenes Lapp-Portfolio für Gleichstrom geben muss, sollen die weiteren Versuche in Ilmenau klären. Ganz neu ist das Thema Leitungen für Gleichspannungsanwendungen für Lapp nicht. Das Unternehmen realisiert für Kunden immer wieder anspruchsvolle Lösungen in diesem Bereich. Ein Beispiel ist die Produktreihe Ölflex Solar, Kabel zur Energieverteilung in Photovoltaikanlagen. Lapp Systems hat Ladesysteme für Elektro- und Hybridfahrzeuge entwickelt, etwa Lapp Helix, ein Ladekabel in Schneckenform, das sich selbst aufräumt und 40 % Gewicht spart. Und mit der Ölflex DC 130H hat Lapp ein neues Kabel im Programm, das eigens für Gleichspannungen bis 600 V ausgelegt ist. Die Farben der Aderisolationen und der gelbe Mantel entsprechen dem ersten Normenentwurf des VDE.
Die Ergebnisse von Bergers Team könnten zur Folge haben, dass man herkömmliche Elektroinstallationen im Haushalt oder in Fabriken nicht einfach für Gleichstrom umwidmen kann – was aber ohnehin niemand vorhat. Vielmehr dürfte es darauf hinauslaufen, dass für die Gleichstrom-Installationen spezielle Kabel verwendet werden müssen. Andere Schalter wird man sowieso benötigen. Realistisch wäre also eine Gleichstrom-Installation parallel zur Wechselspannungs-Installation. Wobei dies eher anderen Länder als Deutschland mit seinem guten Stromversorgungsnetz betreffen würde. „Ein Viertel der Menschheit hat keine Elektrizität“, so Prof. F. Berger. Inselnetze mit Gleichstrom seien beispielsweise in ländlichen Gebieten Indiens der beste Weg, um die Menschen in absehbarer Zeit mit Strom zu versorgen.