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Gleichspannungsnetze: Investition in die Zukunft oder Modeerscheinung?

01 Im Testnetz des Forschungsprojekts „DCC+G“ konnte durch den Einsatz von Gleichspannung zur Energieübertragung bis zu 4 % Energie eingespart werden (Bild: Fraunhofer IISB,Projekt „DCC+G“)

01 Im Testnetz des Forschungsprojekts „DCC+G“ konnte durch den Einsatz von Gleichspannung zur Energieübertragung bis zu 4 % Energie eingespart werden (Bild: Fraunhofer IISB,Projekt „DCC+G“)

02 Neuartige Schutz- und Schalttechnik für moderne Gleichstromnetze, integriert in einem intelligenten Gesamtkonzept, erforscht das Projekt „DC-Schutzorgane“ (Bild: Fraunhofer IISB, Projekt „DC-Schutzorgane“)

02 Neuartige Schutz- und Schalttechnik für moderne Gleichstromnetze, integriert in einem intelligenten Gesamtkonzept, erforscht das Projekt „DC-Schutzorgane“ (Bild: Fraunhofer IISB, Projekt „DC-Schutzorgane“)

03 Beispiel für ein Gleichspannungsnetz nach dem Projekt DC-Industrie (Bild: Fraunhofer IPA, Projekt „DC-Industrie“)

03 Beispiel für ein Gleichspannungsnetz nach dem Projekt DC-Industrie (Bild: Fraunhofer IPA, Projekt „DC-Industrie“)

04 Das Controlplex-System von E-T-A bietet einen intelligenten Schutz auf der DC-24-V-Steuerungsebene (Bild: E-T-A)

04 Das Controlplex-System von E-T-A bietet einen intelligenten Schutz auf der DC-24-V-Steuerungsebene (Bild: E-T-A)

05 Die wesentlichen technischen Unterschiede zwischen Wechsel- und Gleichspannung

05 Die wesentlichen technischen Unterschiede zwischen Wechsel- und Gleichspannung

Da sich mit modernen Leistungshalbleitern hohe Gleichspannungen effizient erzeugen lassen, ist diese Technologie wieder in den Fokus technischer Entwicklung im Bereich der Energieverteilung gerückt. Ein Vorteil ist beispielsweise, dass die Energieübertragung mit Gleichspannung kapazitive Blindleistungsverluste ausschließt, die eine wirtschaftlich sinnvolle Kabellänge bei Wechselspannung begrenzen. So ist es nicht verwunderlich, dass schon länger Netzkopplungen zwischen Wechselspannungsnetzen mit Hoch-Gleichspannung existieren. Aktuell gibt es einige Forschungsprojekte, die untersuchen, welche Rolle lokale DC-Netze mit Niederspannung künftig in der Energieversorgung spielen können.
In Produktionsbetrieben entsteht durch die große Anzahl motorischer Verbraucher viel induktive Blindleistung. Um deren Anteil im Netz zu minimieren ergreifen die Netzbetreiber verschiedene Maßnahmen, wie fest installierte Kondensatorbänke. Dadurch erhöhen sich allerdings die
Betriebskosten. Deswegen müssen Wechselrichter von PV-Großanlagen seit 2010 in der Lage sein, Blindleistung zur Kompensation ins AC­Netz zu speisen. Beim DC­Netz entsteht keine Blindleistung. Die geringeren Übertragungsverluste gleichen somit die höheren Wandlungsverluste aus.
Forschungsprojekte im Bereich DC
Auch in lokal begrenzten Energieerzeugungs­ und verteilungsanlagen ist die Gleichspannung daher inzwischen Inhalt vieler Forschungsprojekte. Grund hierfür ist der Gleichstrombetrieb regenerativer Energiequellen, wie PV-Anlagen. DC­Systeme ermöglichen hier die Vermeidung von Wandlungsverluste bei Betrieb mit Spannungen von mehreren 100 V in lokal begrenzten Netzen. Solche DC-Netze weisen daher eine höhere energetische Effizienz auf, als dies bei Wechselspannung der Fall wäre. In Zeiten steigender Energiepreise ist das ein wichtiges Argument. So bauten Forscher am Fraunhofer Institut IISB in Erlangen im Rahmen des Forschungsprojekts „DCC+G“ ein Testnetz auf (Bild 1), das einen Teil des Bürogebäudes mit einer Gleichspannung von 380 V versorgte [1]. Die nachgewiesenen Energieeinsparungen betrugen, im Vergleich zu einer entsprechenden Wechselspannungsversorgung, bis zu 4 %.
Intelligente Gleichstromnetze erobern auch die Haus­ und Energietechnik. Hinsichtlich Energieeffizienz, Kosten, Bauteilaufwand oder der Einbindung erneuerbarer Energiequelle weist die Gleichstromtechnik einige Vorteile auf. Dennoch finden deren spezifische Anforderungen bei den Elektrotechnikherstellern und in Normierungsgremien bislang wenig Beachtung. Industriespezialisten und Forschungseinrichtungen wollen das gemeinsam ändern. Sie beschäftigten sich im Verbundprojekt „DC­Schutzorgane“ mit Schutz­ und Schalttechnik für Gleichstromnetze mit einem Spannungsbereich von DC ±380 V. Die Unternehmen ABL, Bachmann, Bender, Dehn, E­T­A sowie Phoenix Contact entwickeln dabei gemeinsam mit dem Fraunhofer IISB und dem Cluster Leistungselektronik im ECPE e. V. ein neuartiges, ganzheitliches Schutzkonzept im Niederspannungsbereich (Bild 2).
In dem Projekt „DC­Industrie“ arbeiten 21 Industrieunternehmen, vier Forschungsinstitute und der ZVEI gemeinsam daran, die Energiewende in der industriellen Produktion umzusetzen. Ziel des Forschungsprojekts ist es, die Stromversorgung industrieller Anlagen über ein intelligentes, offenes Gleichstromnetz mit einer Spannung von DC 650 V neu zu gestalten (Bild 3). Außerdem wollen sie – als Energiesystem der Zukunft – ein gleichstrombasiertes Smart Grid für die Industrie aufbauen und testen. Durch verschiedene Maßnahmen, wie die bedarfsorientierte Verteilung von Energie innerhalb von Produktionsanlagen, die optimierte Energiewiederverwendung und die Minimierung von Wandlungsverlusten, soll der Energieverbrauch um mehr als 20 % sinken.
Da die intelligente Vernetzung der Komponenten im Zeitalter von Industrie 4.0 eine Grundvoraussetzung ist, muss auch die DC­24­V­Steuerungsseite in das Gesamtkonzept des Datenaustauschs integriert werden (Bild 4). Dementsprechend befasst sich das Projekt auch damit, die relevanten Daten herauszufiltern und möglichst in Echtzeit zu verarbeiten. Dabei handelt es sich in erster Linie um jene Daten, die für eine stabile Regelung des gesamten Energieflusses in beide Richtungen notwendig sind.
Resümee und Ausblick
In Zukunft werden DC­Netze bei Neuinstallationen, in Kombination mit regenerativen Energieerzeugungs­Konzepten, zunehmend eine tragende Rolle spielen. Wann das sein wird, ist allerdings noch nicht abzuschätzen. Viele Faktoren sind hier von Bedeutung. Zum Beispiel die Entwicklung verlustarmer Leistungselektronik, die Existenz anwendbarer Normen sowie entsprechend zugelassener Komponenten. Die vom VDE/DKE initiierte Normungs­Roadmap „Gleichstrom im Niederspannungsbereich“ möchte entsprechende Standards in ein bis zwei Jahren zur Verfügung stellen.
Im Bereich Rechenzentren sind schon seit Jahren Bestrebungen im Gange, diese mit DC zu betreiben. Das macht in diesem Bereich vor allem aus Gründen der hohen geforderten Verfügbarkeit Sinn. Bei den hohen Anschlusswerten großer Datacenter sind aber auch wirtschaftliche Aspekte von Bedeutung.
Auch wenn es weltweit schon eine ganze Menge Pilotinstallationen für DC­Netze gibt, lässt der große Umschwung noch auf sich warten. Fest steht allerdings jetzt schon: Eine komplette Substitution von AC durch DC wird nicht stattfinden. Vielmehr werden weiterhin beide Stromarten nebeneinander existieren. Ein Grund hierfür sind schon alleine die vorhandenen 50­Hz/60­Hz­Altinstallationen. Dennoch ist Gleichspannung kein Trend, sondern die progressive Chance in der Energiewende, die konsequent genutzt werden sollte. In der Zukunft wird DC an vielen Stellen das Rennen machen. Das hat sowohl energetische als auch wirtschaftliche Gründe. Das wird auch beim Blick auf die generellen Unterschiede zwischen Wechsel­ und Gleichspannung in der Tabelle in Bild 5 deutlich. Einen „Stromkrieg“, wie damals bei Edison und Westinghouse, wird es auf jeden Fall nicht mehr geben. (no)

Literatur
[1] Ott, L.; Böke, U.; Weiss, R.: Security in Critical Infrastructures Today. ETG-Fb. 139: Internationaler ETG-Kongress 2013 – Energieversorgung auf dem Weg nach 2050, ISBN 978-3-8007-3550-1

Peter Meckler leitet das Innolab bei der E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH in Altdorf. peter.meckler@e-t-a.com

Peter Meckler leitet das Innolab bei der E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH in Altdorf. peter.meckler@e-t-a.com