Mit Gleichstrom der Energiewende näherkommen: So geht das
Öffentliche Stromnetze basieren auf Wechselstrom. Das bedeutet Energieverluste und erhöhten Materialverbrauch. Wie es anders geht, zeigt das DC Experience Center des Herstellerverbandes Current/OS nahe Amsterdam.
Foto: DC Systems by Schneider Electric/Tom Van Den Dool
Was lange währte, wird nun infrage gestellt. Denn es ist nicht selbstverständlich, dass in unseren Stromnetzen flächendeckend Wechselstrom fließt. Die beiden genialen Erfinder Thomas Edison und Nicolas Tesla lieferten sich im 19. Jahrhundert ein erbittertes Rennen darum, wessen Technik bei der großflächigen Versorgung mit Elektrizität den Sieg davontragen würde.
Aus Sicherheitsgründen fiel die Wahl schließlich auf den von Tesla entwickelten Wechselstrom (AC ‒ Alternating Current), obwohl dessen Leitungen mehr Adern haben und daher mehr Kupfer verbrauchen. Denn Leistungshalbleiter waren noch nicht erfunden, und somit fehlten entscheidende technologische Komponenten, um Verbindungen mit Gleichstrom (DC‒ Direct Current) sicher und sehr schnell zu unterbrechen, beispielsweise bei einem Kurzschluss. Dazu kommt: AC erzeugt über lange Strecken weniger Verluste.
Gleichstrom profitiert von leistungsfähiger Leistungselektronik
Diese Argumente zählen heute nicht mehr. In der Zwischenzeit gibt es sehr leistungsfähige Leistungselektronik-Bausteine. Heute sind diese Komponenten selbstverständlich. Darüber hinaus gibt es mit der Hochgeschwindigkeits-Gleichstromübertragung (HGÜ) eine verlustärmere Transporttechnologie für Langstrecken.
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Warum also nicht die Vorteile des Gleichstroms intensiver nutzen? Zumal beispielsweise Photovoltaikanlagen, Brennstoffzellen und Batterien Gleichstrom erzeugen, speichern und abgeben. Elektrisch betriebene Fahrzeuge (EV, Electronic Vehicles) laufen, da batteriebetrieben, ebenfalls mit Gleichstrom.
Dezentrale Energieerzeuger strapazieren das Wechselstromnetz
Heute leidet die Stabilität des Wechselstromnetzes eher unter den dezentralen regenerativen Erzeugern, als dass die neue Energiequelle ihnen nützen würde. Insbesondere die Niederspanungsebene hat Probleme, den Input überhaupt zu bewältigen: Verkabelung und Ortsnetzverteiler sind dafür schlicht nicht ausgelegt. Der Umbau ist aufwendig und extrem teuer.
Die geänderten Anforderungen an die Netze führen zu absurden Konsequenzen: So hat die Hälfte aller niederländischen Industrieparks keine Kapazitäten, mehr elektrische Energie bereitzustellen. In Deutschland fehlen neben flexiblen Verteilnetzen vor allem Übertragungswege zwischen den großen Erzeugern im Norden und den Industrien in Süddeutschland. Deshalb wird Windenergie im großen Stil abgeregelt, wenn das Netz voll ist.
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Lange war es still um die Gleichstromtechnik. Doch inzwischen passiert bei den großen Technologieanbietern wie Schneider Electric, ABB, Siemens und anderen wohl ein Umdenken. Sie erkennen: Ohne die hybride Nutzung von Gleich- und Wechselstrom mit erhöhtem Wechselstromeinsatz kostet die Energiewende zumindest in den Verteilnetzen mehr und schreitet weniger schnell voran.
Deshalb hat Schneider Electric 2021 wohl die niederländische DC Systems gekauft. Das 2009 gegründete Unternehmen mit lediglich 25 Beschäftigten hat eine für die Gleichstromtechnik wesentliche Komponente entwickelt. Ihr Schaltgerät, ein sogenannter Solid-State-Unterbrecher, trennt bei Bedarf Gleichstromverbindungen blitzschnell und ohne Gefahr.
Firmen treiben Standardisierung von DC-Technik voran
Schneider Electric gehört zu den Mitgründern von Current/OS, einer Herstellervereinigung, die sich für Gleichstrom einsetzt. Dazu gehört der Betrieb eines Experience Center nahe Amsterdam und die Definition von Regeln, mit denen sich Gleichstromnetze und -komponenten sicher und gefahrlos betreiben lassen. Diese Regeln werden auch in internationale Standardisierungsgremien eingebracht.
Immerhin 120 Firmen gehören mittlerweile zu Current/OS, darunter weitere klangvolle Namen wie ABB und Siemens Energy. Hersteller können ihre Geräte im Experience Center nach Current/OS-Standards zertifizieren lassen. Das bedeutet, dass die Produkte in Gleichstromumgebungen mit beliebigen Systemen anderer Hersteller gemeinsam funktionieren.
Im Zentralverband der Elektro- und Elektronikindustrie (ZVEI) hat sich außerdem die ODCA (Open Direct Currency Alliance) gebildet, um die Gleichstromtechnik voranzubringen. Auch hier werden Regeln und Standardisierungsvorschläge formuliert. Dem Verband haben sich bislang 50 Unternehmen angeschlossen. Der ZVEI sagt in einem Positionspapier deutlich: Gleichstromtechnik ist kein technisches Gimmick, sondern notwendig – wegen geringerer Umwandlungsverluste, weniger Kupferverbauch, weniger Stromverbrauch und Energierückgewinnung durch Rekuperation, um nur einiges zu nennen. Laut Current/OS sind in industriellen Umgebungen mit viel beweglichen Teilen, die sich Stop and Go bewegen, immerhin 15 % des Bedarfs durch Rückgewinnung der Bremsenergie zu holen.
Konkurrenz für Hausgerätehersteller: DC-Geräte aus China
Auch in China und anderen asiatischen Ländern wird intensiv an Gleichstromtechnik gearbeitet und nicht nur das: Wie schon beim Elektroauto schützt man keine traditionellen Produktionsriesen, etwa in der Hausgerätetechnik. Unternehmen bauen und verkaufen dort bereits heute massenweise Gleichstromgeräte, die in chinesischen Küchen und Büros ihren Dienst versehen. In Europa dagegen ist es schwer bis unmöglich, Herd, Kühlschrank, Mikrowelle, Wasch- oder Spülmaschine zu finden, die auf Gleichstrom zugeschnitten wären.
„Das ist ein Henne-Ei-Problem“, sagt Rajat Kelamane, Managing Director von DC Systems. Mit anderen Worten: Wenn hier nicht bald im wahrsten Sinne des Wortes umgeschaltet wird, könnte auch die europäische Hausgerätebranche an China verloren gehen, weil die dort gefertigten Geräte schlicht ökonomischer sind. Zudem fehlt es an verbindlichen Standards und Regeln. Auch das ist ein Bereich, auf dem Current/OS arbeitet.
Dass es bei Gleichstrom für die breite Anwendung nur vorangeht, wenn weltweit kooperiert wird, scheint man überall verstanden zu haben. So sind alle mit der Technologie befassten Gremien, auch die chinesischen, dabei, ihre Regeln aufeinander abzustimmen. Schließlich möchte man gern die eigenen Geräte in Europa verkaufen.
Eine enge Zusammenarbeit bahnt sich derzeit zwischen Current/OS und ODCA an. Current/OS-Vertreter schätzen, dass es fünf bis zehn Jahre dauern dürfte, bis ein einheitliches Set an Standards und Regeln vorliegt und international anerkannt ist.
Viele Probleme ließen sich durch die flächendeckende Einrichtung von hybriden Mikrogrids mit regenerativer Erzeugung, Batteriebank und unidirektonaler Verbindung zum Stromnetz lösen. Denn ein Mikrogrid, das sich vom öffentlichen Wechselstromnetz im Hintergrund abkoppeln lässt, aber falls möglich Teile des Stroms von dort bezieht, flutet die AC-Infrastruktur draußen nicht mit selbst erzeugtem Strom. Das wirkt sich positiv auf die Netzstabilität aus. Fällt das Wechselstromnetz einmal aus, bleiben die Verbraucher im Mikrogrid davon zunächst unbetroffen, sofern noch eigene Ressourcen vorhanden sind.
DC Experience Center bildet hybride Strominfrastruktur ab
Das DC Experience Center am Standort von DC Systems zeigt, was heute schon geht. Im Kern der hybriden Strominfrastruktur steckt ein sogenannter Active Frontend (AFE) Interlink Converter. Er trennt das hybride Netz des Experience Center und die AC-Infrastruktur draußen. Damit sorgt er dafür, dass kein Strom ins AC-Netz eingespeist wird.
Gesichert wird das Gerät durch einen zentralen Solid-State-Unterbrecher. Von dort aus bewegt sich ein einziger DC-Strom-Backbone durchs ganze Haus, an den alle Komponenten angeschlossen sind. Jede Abzweigung bekommt ihren eigenen Unterbrecher.
Weil Gleichstrom-Mikrogrids nach Current/OS-Standard über die Netzspannung gesteuert werden, lassen sich größere Ladeleistungen und kürzere Ladezeiten erzielen. Sinkt die Spannung über den Normwert, fließt beispielsweise Batteriestrom ins DC-Netz, Strom von außen wird hinzugezogen oder notfalls regeln sich nach per Software definierten Regeln Verbraucher herunter.
Ist zu viel Spannung im Netz, kann man die Batterien füllen, Regenerative ab- oder zusätzliche Verbraucher einschalten. Die in Gebäuden vorhandene Wechselstromverkabelung in der Wand kann aber auch für Gleichstrom genutzt werden. Dazu kommt, dass der Gleichstrom an viele Geräte einfach über USB-C-Anschlüsse weitergegeben werden kann. Der Steckerstandard kommt bei vielen Elektrogeräten wie Mobiltelefonen zum Einsatz.
Das bringen DC-Netzte für die Umwelt
Zudem hat DC große Umwelteffekte: Bis zu 30 % eingesparte Wandlungsverluste und bis zur Hälfte weniger Kupfer werden in einem hybriden Inselnetz benötigt. Erwiesen wurde das in mehreren Demoprojekten, die seit Jahren reibungslos funktionieren.
Auch Ventilator, Wärmepumpe und Kühlschrank arbeiten mit DC-Technik
Zu sehen sind im Center aktuell beispielsweise ein DC-Ventilator, eine Wärmepumpe und ein Kühlschrank chinesischer Hersteller. Sie alle sind direkt an den DC-Teil des Netzes Experience Center angeschlossen.
Mit einem System von OE, einem der Hersteller im Verband, können dort außerdem etwa anderthalb Dutzend sehr leistungsfähige, mobile Powerbanks parallel aufgeladen werden. Anschließend lassen die Module sich an den jeweiligen Arbeitsplatz transportieren und reichen angeblich aus, um einen kompletten Büroarbeitsplatz mit allen Geräten samt Motor des Schreibtischs zum Hochfahren und Absenken zu betreiben – die ideale Ausrüstung fürs flexible Büro.
Zu den jüngsten Geräten für Gleichstrom im Democenter gehören ein Drucker von Epson und ein Computer-Bildschirm von LG mit integrierter Docking-Station. Der Strom für den Gleichstrom-Arbeitsplatz kommt im Center entweder aus einem der eben erwähnten Module oder aus einem am Schreibtisch befestigten USB-System mit vier Power-Outlets.
Auch eine Ladestation für E-Fahrzeuge gibt es. Auf dem Dach der Ladeplatzes ist eine Photovoltaikanlage und an der Wand sind Ladegeräte unterschiedlicher Hersteller. In konventionellen Systemen, die konsequent proprietär gehalten sind, wäre das unmöglich. Hier ist es dank des Current/OS-Regelwerkes kein Problem.
Geräte lässt Current/OS nach diesem Regelwerk zertifizieren, genügen sie dem Verbund, arbeiten sie miteinander. Soll die Anlage wachsen, muss das Strom-Backbone dank der Spannungssteuerung im DC-Netz nicht irgendwann ausgewechselt werden, wenn seine Leistung nicht mehr ausreicht. Fahrzeuge können bei Bedarf auch zu Energielieferanten werden, da Gleichstromtechnik die bidirektionale Nutzung ohne aufwendige Zusatzkomponenten ermöglicht.
