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Mittwoch, 24. Januar 2018

Stromnetze

In der Praxis vielfach ausgebremst

Von Manfred Schulze | 24. August 2017 | Ausgabe 34

Gleichstrom im Netz könnte eine Renaissance durch die dezentrale Erzeugung erfahren. Die Tücken liegen im Detail.

w - Gleichstrom BU
Foto: vstudio.photos/Lapp

Technisch am Anfang steht noch manches, möchte man Gleichstrom- als vollwertige Alternative zu Wechselstromnetzen einsetzen.

Die Energiewende sorgt für eine mögliche Renaissance des Gleichstroms. Grund sind bisher unumgängliche Verluste bei der mehrfach erforderlichen Umwandlung von Wechsel- und Gleichstrom im Netz auf dem Weg von der Erzeugung hin zu Speichern und Verbrauchern. Der Einsatz von Gleichrichtern wird aber intensiver, weil immer mehr Gleichstromkomponenten im Netz eine Rolle spielen.

Solarzellen erzeugen Gleichstrom, kurz DC (Direct Current). Er lässt sich direkt in Batterien speichern und sowohl Rechner wie LED-Beleuchtung könnten ihn direkt nutzen. Auch die elektronischen Drehzahlsteuerungen von Antrieben benötigen für den Betrieb der Frequenzumrichter DC.

Ein Teil der Energieeinsparpotenziale wird gleich durch die Stromwandlung als Wärme freigesetzt. „Das kann man jeden Tag bereits beim Aufladen des Smartphones beobachten: Der Stecker wird warm“, erklärt Georg Stawowy, Cheftechnologe des Kabelherstellers Lapp. Wenngleich die Verluste hier minimal erscheinen, summieren sie sich rasch zu einem enormen Potenzial, rechnet er vor. Lapp hat daher inzwischen erste Entwicklungen für alternative Mikronetze auf Gleichstrombasis im Angebot.

Ein Paradigmenwechsel steht bevor

„Erst seit rund zwei Jahren wird intensiv an dieser Thematik gearbeitet, inzwischen glauben wir bereits an einen bevorstehenden Paradigmenwechsel“, sagt Stawowy. Denn die ursprünglichen Gründe, generell im Netz auf Wechselstrom zu setzen, seien mit dem heutigen Stand der Technik nicht mehr so zwingend, wie sie es einst beim „Stromkrieg“ Ende des 18. Jahrhunderts zwischen den Elektro-Pionieren Thomas Alva Edison und George Westinghouse waren, meint der Kabelexperte.

Foto: Lapp

„Wir haben beim Gleichstrom durch die spezifischen elektrischen Felder ganz andere physikalischchemische Wirkungen auf den Kunststoff des Kabelmantels.“ Guido Ege, Leiter Produktmanagement und Entwicklung, Lapp Group.

Während eine direkte Gleichstromnutzung, die mit heutiger Schalttechnik durchaus in Mikronetzen technisch umsetzbar ist, einen Wirkungsgrad bei der Übertragungskette von mehr als 90 % ermöglicht, fallen bei den Wandlungen von Wechselstrom, kurz AC (Alternating Current), in Gleichstrom jeweils Wärmeverluste von mindestens 10 % an.

„Der Gesamtwirkungsgrad des deutschen Stromnetzes lag lange Zeit bei etwa 65 % und ist durch die vielen Umwandlungsprozesse mittlerweile bei 56 % angekommen“, sagt Stawowy. Will heißen: Mit einer zusätzlichen Einrichtung eines Gleichstromnetzes ließe sich der Stromverbrauch stark senken, weil weniger Umwandlungsprozesse anfallen. „Lokale Netze für Gleichspannung werden zudem eine Renaissance in Rechenzentren und Bürogebäuden erfahren“, prognostiziert Tilo Püschel, Entwicklungschef der Stuttgarter Bachmann-Gruppe, eines weltweit tätigen Spezialisten für elektrotechnische Komponenten.

Die großen Rechenzentren rüsten auf höhere Spannungsebenen um

So gehe der weltweite Trend zu DC-Mikronetzen, mit denen der auf den Dächern oder an den Fassaden erzeugte Sonnenstrom direkt in das Batteriesystem der Gebäude gespeist und von dort direkt an die Gleichstromverbraucher geliefert wird. Um dabei den Aufwand von Kabelverlegungen zu verringern, nutzt das Unternehmen mobile Batterieblöcke, die einfach an die Arbeitsplätze verschoben werden können und dort die Rechner versorgen.

Große Chancen ergeben sich für Rechenzentren, in denen die Computer trotz hoher elektrischer Anschlusswerte noch mit einer Niederspannung von 48 V betrieben werden, was hohe Stromflüsse erfordert. Laut Püschel wird hier inzwischen begonnen, auf eine Spannungsebene von 380 V umzurüsten, so dass die Kabel weniger stark dimensioniert werden müssen.

Im hauseigenen Rechenzentrum in Stuttgart habe man jetzt diesen Schritt vollzogen und zudem die Photovoltaikanlage als Direktversorger der Großrechner geschaltet – ohne vorherige Wandlung in Wechselstrom. „Das erspart Wirkverluste, die sich auf bis zu 22 % aufaddieren“, sagt Püschel. Für alle Anwendungen gesehen, ergebe sich hier ein enormes Effizienzpotenzial – und das werde schneller erschlossen, als viele heute glaubten.

 Die Normung für laiensichere Gleichstromstecker fehlt bis heute

Allerdings bleiben im Gleichstrombereich viele ungelöste Probleme – trotz der rasanten Fortschritte bei der Leistungselektronik zur Regelung von Gleichspannung und den Schaltvorgängen. So ist die Normierung für neue Niederspannungskabel beim VDE erst in Arbeit. Die Normung für laiensichere Stecker fehlt derzeit immer noch. „Wir wissen zudem bis heute noch nicht, wie die beiden Technologien parallel genutzt werden können“, sagt auch Stawowy. Ebenfalls ist bisher noch nicht abschließend festgelegt, welche Farben für ein Gleichstromkabel verwendet werden müssen.

Offenbar werde bei Hochspannungssystemen ohne ausreichende Erfahrungen des Langzeitverhaltens beim Material (Leiter, Fehlerstellen der Isolation, Biegeverhalten, Korrosion an den Verbindungsstücken) gearbeitet, meint Guido Ege, Leiter Produktmanagement und Entwicklung beim Kabelhersteller Lapp Group. Dennoch sieht auch er das Umdenken hin zu Gleichstrom-Mikronetzen schnell voranschreiten – bis hin zu Antriebsmotoren in der Industrie.

Zwar ließen sich schon mit modernen Frequenzsteuerungen für die Drehzahl von Motoren bis zu 50 TWh Strom sparen. Doch die Frequenzumrichter verbrauchen ebenfalls Strom – denn auch sie sind mit Gleichspannung belegt, die zuvor mit Gleichrichtern erzeugt wird.

Auf absehbare Zeit dürften Wechsel- und Gleichstromnetze parallel gefahren werden

Würde man hingegen konsequent auch bei den Antrieben gleich den Gleichstrom aus einem Solarsystem nutzen, ergäben sich Einsparungen bei den Komponenten, den Stromwandlern. Nicht zuletzt werden Oberschwingungen vermieden, die bei der Umwandlung aus Wechselstrom entstehen und vor allem für Rechenzentren oder empfindliche Steuerungen ein großes Problem darstellen. Ege rechnet aber nicht damit, dass auf absehbare Zeit Wechsel- und Gleichstrom parallel genutzt werden und entsprechende Installationen doppelt ausgeführt werden müssten.

Für 10 Mio. € hat das Bundeswirtschaftsministerium ein Forschungsprogramm aufgelegt, das die Vorteile und Möglichkeiten eines Gleichstromnetzes ermitteln soll. 15 Partner sind beteiligt, darunter Branchengrößen wie Siemens, Bosch und Daimler, Kabelhersteller wie Lapp und einige Fraunhofer-Institute.

Erst seit 2010 gibt es eine nennenswerte Zahl von Patentanmeldungen

Lapp will nicht nur für den Gleichstrombetrieb optimierte Kabel auf den Markt bringen, sondern auch neue Verbindungssysteme. „Wir haben durch die spezifischen elektrischen Felder ganz andere physikalisch-chemische Wirkungen auf den Kunststoff des Kabelmantels“, sagt Ege. Zudem sei die Wirkung der Isolation hinsichtlich von Temperaturänderungen noch eingehender zu untersuchen. Lapp habe dazu eine enge Partnerschaft mit Forschungseinrichtungen geschlossen, so Ege; speziell mit der TU Ilmenau, die seit Längerem an dieser Thematik arbeitet.

Vor allem beim Langzeitverhalten gibt es bisher nur Ergebnisse aus Simulationen, aber wenig Erfahrung, was Frank Berger bestätigt, der an der TU Ilmenau das Fachgebiet „Elektrische Geräte und Anlagen“ leitet. Erst seit 2010 gebe es auf diesem Gebiet eine nennenswerte Zahl von Patentanmeldungen. „Die Zahl der wissenschaftlichen Publikationen für Gleichstrom ist ebenfalls noch nicht sehr hoch. Für den Niederspannungsbereich wird bis heute praktisch nichts publiziert“, weiß Berger.

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