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Die Renaissance der DC-Technik

01 Durch die Nutzung von Gleichstrom ließe sich enorm viel Energie einsparen, hier eine Entladung am Tesla-Trafo im Versuchslabor der TU Ilmenau

01 Durch die Nutzung von Gleichstrom ließe sich enorm viel Energie einsparen, hier eine Entladung am Tesla-Trafo im Versuchslabor der TU Ilmenau

02 Das Ölflex DC 130 H ist für DC 600 V ausgelegt

02 Das Ölflex DC 130 H ist für DC 600 V ausgelegt

Da sich die Spannung mit Transformatoren zur Übertragung über größere Distanzen einfach anpassen lässt und sie dünnere und damit günstigere Kabel benötigt, hat sich die AC-Technik Ende des 19. Jahrhunderts durchgesetzt. Neuerdings gewinnt die DC-Technik jedoch neue Befürworter, da wir den Strom heute anders erzeugen, verteilen und verbrauchen. Das wird auch in der Industrie auf allen Ebenen einschließlich der Verbindungstechnik tiefgreifende Veränderungen mit sich bringen. Dementsprechend beschäftigt sich auch Lapp mit dem Thema.
Durch die Energiewende immer mehr Erzeuger ins Netz, die ihre Energie als Gleichstrom bereitstellen. Die Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom bringt jedoch Verluste mit sich – ein Gleichstromnetz wäre für diese Erzeuger die bessere Wahl. Zudem wird das Stromnetz mit dem Siegeszug der regenerativen Energien dezentraler, kleinräumiger und oft wird Strom dort verbraucht, wo er erzeugt wird. Ihre Vorteile kann die Wechselspannungstechnik dort nicht ausspielen. Doch auch über große Distanzen ist Wechselstrom nicht ideal. Die Übertragungsverluste nehmen deutlich zu. Dank der geringeren Energieverluste lohnt sich eine HGÜ-Verbindung – obwohl im Bau etwa doppelt so teuer – ab einer Länge von etwa 400 km, bei Unterseekabeln etwa zur Anbindung von Offshore-Windparks schon ab 60 km. Zudem lassen sich Gleichspannungen heute aufgrund von Fortschritten in der Energieumwandlung durch Leistungselektronik auf bis zu 800 kV wandeln – ganz ohne Transformator.
Zuhause oder in Fabriken wird Strom über Niederspannungsnetze verteilt. Dabei benötigen immer mehr Elektrogeräte Gleichstrom: Computer und andere elektronische Geräte oder LED-Lampen arbeiten mit Gleichstrom und brauchen ein Netzteil zur Wandlung. In den nächsten Jahren kommen noch Elektroautos dazu. Immer mehr Antriebe in der Industrie verwenden Frequenzumrichter mit einem Gleichspannungszwischenkreis zur Drehzahlregelung. Mit DC-Netzen mit zentraler Spannungswandlung würden diese vielen Wandler überflüssig. In der Automobilindustrie gibt es bereits Pilotprojekte, um ganze Fertigungseinheiten nur mit Gleichstrom zu versorgen. Zum kurzzeitigen Speichern von Energie enthalten sie Batterien.
Reduzierung der Verluste
Das überzeugendste Argument für den Wechsel ist der Wirkungsgrad. Früher, als Kohle- und Kernkraftwerke Wechselstrom ins Netz speisten und Staubsauger sowie Glühbirnen diesen auch direkt verwerteten, lag der Gesamtwirkungsgrad der elektrischen Energieversorgung in Deutschland bei etwa 65 %. Durch die Photovoltaikanlagen sowie der zunehmenden Installation von Batteriespeichern gelangt immer mehr Energie ins Netz, die erst von Gleich- in Wechselspannung gewandelt werden muss. Dabei entstehen ebenso Verluste, wie am anderen Ende der Leitung bei den Netzteilen der Verbraucher. Dadurch ist der Wirkungsgrad unseres Energienetzes auf schätzungsweise 56 % gesunken – und wird weiter sinken, wenn nicht grundlegend umgedacht wird.
Die Alternative ist die Energieübertragung über große Distanzen mittels Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) sowie Niederspannungsnetze mit Gleichstrom in Haushalten und Industrie, an die man zum Beispiel sein Notebook, oder auch einen industriellen Antrieb, direkt – ohne Netzteil oder Wechselrichter – anschließen kann. Ein konsequent auf Gleichstrom ausgelegtes Energienetz käme auf einen Gesamtwirkungsgrad von 90 %. Wenn die Antriebe in der Industrie durchgängig auf Gleichstrom umgestellt würden, könnten schon 10 % der gesamten Energie eingespart werden – das würde bedeuten, dass die beiden größten Braunkohlekraftwerk ein Deutschland abgeschaltet werden könnten. Damit ließen sich 63 Mio. t CO2 – 12 % des deutschen Kraftwerksausstoßes – einsparen, bei Stickoxiden wären es sogar 29 %.
Normung nötig
Das Thema Gleichstrom für die Niederspannung hat inzwischen auch die Normungsgremien auf den Plan gerufen. Die im Februar 2016 vom VDE veröffentlichte „Deutsche Normungs-Roadmap Gleichstrom im Niederspannungsbereich“ enthält zahlreiche Handlungsempfehlungen:

- Produktstandards mit Schutzeinrichtung für Fehlerstrom und Fehlerlichtbogen.

- Anwendung von harmonisierten EMV-Normen auf Gleichspannungs-Betriebsmittel.

- Getrennte Verlegung von AC- und DC-Stromkreisen.

- Farbcode für Gleichstromkabel.

- Festlegung von Spannungsebenen.

- Installationsrichtlinien.

Bisher gibt es zum Beispiel keine Normen für Steckverbinder. Die Normungsexperten müssen sich hier mit ganz praktischen Anforderungen auseinandersetzen. Der Anwender sollte den Stecker auch unter Last aus der Steckdose ziehen können, also wenn gerade ein Gerät daran betrieben wird.
Viele offene Fragen
In Bezug auf den Einsatz der DC-Technik sind aber noch weitere Fragen zu beantworten, beispielsweise zur Schalttechnik sowie den Isolierstoffen. Mit diesen Themen beschäftigt sich das Team von Prof. Frank Berger, Leiter des Fachgebiets Elektrische Geräte und Anlagen an der Technischen Universität Ilmenau (Bild 1). Sie erforschen neue DC-Schaltkonzepte für Gleichspannungsnetze von der Niederspannung bis zur Hochspannung, um dort den Schaltlichtbogen sicher zu löschen. Bei Hochspannungskabeln ist die elektrische Feldverteilung bei Gleichspannung eine völlig andere als bei Wechselspannung. Deshalb sind die Isolierstoffe für Kabel der Hochspannungs-Gleichstromübertragung deutlich teurere Spezialanfertigungen, was sich aber durch die geringen Energieverluste über große Distanzen dennoch rechnet. Bei niedrigen Spannungen deuten erste Laborversuche darauf hin, dass ein und dasselbe Kabel bei DC anders beansprucht wird als bei AC. Die Ursache liegt in der Abhängigkeit der Spannungsfestigkeit von der Temperatur – diese Festigkeit nimmt bei hohen Temperaturen bei Gleichspannungsbeanspruchung merklich ab. Weitere Tests sollen nun untersuchen, wie sich dies insbesondere auf die Alterung des Materials bei gleichzeitiger mechanischer Belastung auswirkt.
Prinzipiell könnten Wechselspannungs-Kabel auch in Gleichspannungsnetzen eingesetzt werden, so Prof. F. Berger. So ist das Ölflex Classic 110 von Lapp nach DIN VDE 0298-3 (VDE 0298-3) auch für Gleichspannungen bis 412,5 V bzw. 825 V geeignet. Inwieweit das zutrifft, untersucht Prof. Bergers Team in einem speziellen Versuchstand.
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. Mit Ölflex DC 130H (Bild 2) 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. Ob es einmal ein eigenes Lapp-Portfolio für Gleichstrom geben muss, sollen die weiteren Versuche in Ilmenau klären.
DC-Rechenzentrum
Bachmann hat schon einige praktische Erfahrungen mit der DC-Technik gemacht. Der Spezialist für elektrotechnische Komponenten und Systeme betreibt nicht nur das hauseigene IT-Equipment, die Klimatechnik und die Beleuchtung mit DC 380 V, sondern hat auch die eigene Produktserie der Power Distribution Units (PDU) für die Stromversorgung von Serverracks in Rechenzentren um DC-PDU basierend auf 380 V erweitert. Außerdem werden derzeit gemeinsam mit ausgewählten Endkunden Praxistests mit autarken, batteriebetriebenen Schreibtischen sowie Präsentations-Displays auf Basis von DC 24 V/48 V durchgeführt. (no)

Ist DC die Zukunft der Energieversorgung?

Die DC-Technik ist auf dem Vormarsch. Allerdings sind noch einige Dinge zu klären, darunter: Werden Gleichstromnetze Wechselstrom auf breiter Front ablösen? Wie könnte eine Koexistenz beider Technologien aussehen? Welche technischen und wirtschaftlichen Hürden gibt es zu meistern? Welche Sicherheitsmaßnahmen sind im Umgang mit Gleichstrom notwendig und sinnvoll? Welche Veränderungen wären bei einer Umstellung auf Gleichstrom nicht nur in den Netzen, sondern auch bei den Verbrauchern einschließlich Komponenten nötig? Dazu befragte die etz-Redaktion Guido Ege, Leiter Produktmanagement und Produktentwicklung bei Lapp.

Wird das DC- das AC-Netz großflächig ablösen?
G. Ege: Es wird vermaschte Netze und Kopplungen sowie Inselnetze geben, aber eine flächendeckende Ablösung ist schon aufgrund der existierenden Infrastruktur unrealistisch. Um das existierende Stromnetz effizienter zu machen, ist es – aufgrund der zunehmenden Anzahl regenerativer Energieerzeugungsanlagen – wichtig, die DC-Erzeuger sinnvoll anzukoppeln. Der Übergang von AC auf DC und umgekehrt ist immer noch mit großen Verlusten verbunden.
Was sind die größten technischen Herausforderungen?
G. Ege: Für die HGÜ ist die Technik prinzipiell verfügbar. Aktuell behindern noch die langwierigen Genehmigungsverfahren deren Installation. Zudem existieren bereits Insellösungen. Immer mehr kleine Städte und Dörfer versorgen sich über erneuerbare Energien komplett über ein DC-Netz. Ein Thema, wo noch Entwicklungsarbeit zu leisten ist, ist beispielsweise das sichere Schalten sowie die Leitungstechnik, aber daran arbeiten wir intensiv.
Welche Veränderungen würde ein DC-Netz für die Verbraucher und die Energieerzeuger bedeuten?
G. Ege: Die Verbraucher könnten vor allem auf die vielen verschiedenen Netzteile verzichten und zum Beispiel den Laptop direkt an die entsprechende Steckdose anstecken. Aufgrund der nicht notwendigen Bauteile könnten die Geräte günstiger werden. Die Energieerzeuger bzw. Stadtwerke müssten ihre Netze entsprechend anpassen, aber durch die fehlenden Wandlungsverluste würde es effizienter werden. Zudem würde sich der Platzbedarf bei industriellen Anwendungen durch einen zentralen Wechselrichter reduzieren.
Wie ist es um die Technik bei den Kabeln bestellt?
G. Ege: Wir sind erst ganz am Anfang der Entwicklung. Für die Alterung und die Lebensdauer der Kabel gibt es natürlich noch keine Erfahrungen und keinen Stand der Technik. Bisherige Alterungstests fanden ohne Beaufschlagung von Spannung statt. Da das elektrische Feld bei Gleichspannung nicht wechselt, ist zu erwarten, dass Migrationseffekte auftreten, die die Isolation schwächen könnten, aber das ist noch nicht ausreichend erforscht. Dementsprechend prüfen wir in unserem Testlabor, wie sich die verschiedenen Kunststoffe verhalten. Auf der anderen Seite könnte man die Schirmung reduzieren oder sogar ganz weglassen. Dementsprechend haben wir noch einiges zu erforschen, auch was den Aufbau der Leitung betrifft, denn es ist ja nicht damit getan, zwei Adern weniger zu verwenden, weil zwei Phasen wegfallen.