Elektrotechnik

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Gleichstromversorgung in Gebäuden und Industrie

Wo liegen die Vorteile beim Gleichstromnetz in der Industrie und bei den Verteilnetzen, welche Wünsche können nicht erfüllt werden, und wollen wir das wirklich? Ja, aber nicht nur wegen des Stromverbrauchs. Mehr dazu lesen Sie im folgenden Artikel.

Power over Ethernet (POE) ist eine tolle Technik und erspart in manchen Installationen zusätzliche Kabel. Energie spart das aber nicht, denn die Umwandlungsverluste in den Endgeräten stehen den Leitungsverlusten der Datenkabel mit den geringen Querschnitten gegenüber. So sind Datenkabel nicht für Energieübertragung konzipiert. Bei langen Leitungen werden diese Verluste erheblich und können gegen 30 % betragen. POE ist also kein Gleichstromnetz im Sinne einer Energieversorgung.

Gefährlichkeit für den Menschen

Gleichstrom ist für Menschen weniger gefährlich wie Wechselstrom. Daher sind die Grenzwerte für DC-Berührungsspannungen in der Starkstromverordnung ab einer Einwirkzeit von 0.1 Sekunden höher. Der Grund liegt in der Körperimpedanz, welche spannungs- und frequenzabhängig ist.

Schalten von Gleichströmen

Für Schalter ist die Unterbrechung eines Stromes, der keinen Nulldurchgang hat, wesentlich anspruchsvoller als die Abschaltung eines Wechselstromes, dessen Lichtbogen beim nächsten Nulldurchgang verlöscht. Diese Eigenschaft macht Schaltgeräte für Gleichstrom vergleichsweise grösser und teurer. Durch die Serienschaltung zweier Pole kann die Anzahl hintereinander geschalteter Löschkammern verdoppelt werden. Leistungsschalter für Gleichstrom gibt es bereits heute für bis 5000 Ampere (ABB Emax DC). Die elektronischen Auslöser haben spezielle Stromsensoren für diese Anwendung.

In der Hochspannungstechnik ist das weitaus anspruchsvoller. An Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) wird seit mehr als 75 Jahren geforscht und es existieren Punkt-Punkt-Verbindungen. Das Wegschalten von Netzfehlern in Mehrpunktgleichstromnetzen wird seit Ende der 1960er-Jahre erforscht. Nach verschiedenen Konzepten im letzten Jahrhundert gelang erst 2012 der Durchbruch, als ABB einen hybriden Schalter vorstellte. Einer der Hauptgründe, dass die Forschung so lange ging, waren die zunehmenden Anforderungen aus der Netzstabilität, die in modernen Netzen 150 ms nicht mehr zuliessen, sodass konventionelle Konzepte bereits vor der kommerziellen Nutzung fallen gelassen werden mussten.

Auch in der Niederspannungstechnik wird die Zukunft den Halbleiter-Leistungsschaltern gehören. Damit lassen sich Abschaltzeiten von wenigen Millisekunden realisieren, die erhebliche Vorteile hinsichtlich Durchlassenergie, Netzstabilität und Netzführung bringen.

Forschung

Das Fraunhofer-Institut forscht an der gleichstromversorgten Fabrik. Die Machbarkeit einer dezentralen Energieflussregelung konnte nachgewiesen werden. Die Effizienzsteigerung von 5 bis 10 % ist vor allem auf die Nutzung überschüssiger Bremsenergie drehzahlgeregelter Antrieb über das Gleichstromnetz zurückzuführen. Da bei jedem Frequenzumformer ein Gleichrichter enthalten ist, fallen diese Verluste weg. Der Gleichspannungszwischenkreis ist also gemeinsam auf die ganze Fabrik verteilt. Das Netz ist mit 650 Volt DC ausgelegt. Bei den Leitungsverlusten dürfte daher die deutlich höhere Spannung zur Effizienzsteigerung beitragen. Eine Drehstromleitung hat gegenüber einer einphasigen Wechselstromübertragung bei gleicher Leistung nur gerade der halbe Verlust (ET12/18). Die Wirbelstromeffekte des Wechselstromes haben bei 50 Hz nur eine geringe Bedeutung (siehe Kasten). Die höhere Spannung und die damit geringeren Ströme bei gleicher Leistungsübertragung sind aus Gründen der Effizienz und der leichteren Schaltbarkeit interessant. 

An der niederländischen TU Delft werden verschiedene DC-Forschungsprojekte verfolgt. Eines ist das Projekt «DC Distribution Smart Grids (DCSMART)» und wurde von der EU im Rahmen des Programms ERANET (European Research Area Network) von Horizon 2020 angenommen. Das Team um Pavol Bauer, Laura Ramirez Elizondo sowie Ernst Harting umfasst vier Doktorandenstellen und zwei Postdoc-­Stellen. Die Projektpartner sind ausserdem Direct Current BV (Harry Stokman), Fraunhofer (Bernd Wunder), Centre Suisse d Electronique et Microtechnique SA (Pierre-Jean Ale) mit weiteren Doktorandenstellen in Deutschland und der Schweiz.

Hintergrund

Das elektrische Energiesystem steht aufgrund der zunehmenden Anzahl dezentraler Energiequellen mit stochastischem Verhalten vor den bekannten Herausforderungen. Während das Verteilungsnetz traditionell mit Wechselstrom (AC) betrieben wird, arbeiten die meisten Geräte heute intern mit Gleichstrom (DC), und die meisten dezentralen erneuerbaren Energiequellen erzeugen Strom in DC. Darüber hinaus haben Speicherkomponenten wie Batterien und Superkondensatoren einen Gleichstromcharakter. Aber auch Frequenzumformer haben einen Gleichspannungszwischenkreis.

DCSMART ist ein interdisziplinäres Projekt, das darauf abzielt, eine unkomplizierte Integration von Smart-Grid-Systemtechnologien zu ermöglichen, Marktchancen zu schaffen und die Akzeptanz der Beteiligten durch die Entwicklung und Implementierung von intelligenten Gleichstromverteilungsnetzen zu fördern. Die intelligenten Gleichstromverteilungsnetze werden auf modularen und skalierbaren Konzepten basieren und an zwei Demonstrationsstandorten, einem in den Niederlanden und einem in der Schweiz, validiert werden. Es werden innovative, intelligente Märkte und Smart-Grid-Anwendungen wie aktives Demand-Side-Management implementiert.

Gleichstromverteilnetze haben das Potenzial, Smart-Grid-Anwendungen auf einfachere Weise zu ermöglichen. Mit Gleichstromverteilnetzen könnten Gleichstromquellen und Gleichstromlasten direkt an einen Gleichstrombus angeschlossen werden, wodurch die Umwandlung durch das Gleichrichten und Wechselrichten entfallen. Dadurch würde nicht nur die Anzahl der Umwandlungsschritte reduziert, sondern auch die Notwendigkeit der Frequenzsynchronisation entfiele. Ausserdem haben die Netzrückwirkungen in einem Gleichstromnetz nicht die gleich gravierende Bedeutung wie in einem Wechselstromnetz, denn Oberschwingungen in einem Drehstromnetz beeinflussen regelmässig die Symmetrie durch Oberwellen, die im Nullsystem wirken. Die gleichmässige Belastung auf allen Aussenleitern eines Drehstromnetzes ist evident, denn Unsymmetrie führt auch zu einem gegenläufigen Drehfeld und somit zu weiteren Verlusten. Gleichstromnetze kennen das nicht. Die leistungselektronischen Konverter bieten dem System Flexibilität, eine sehr wichtige Eigenschaft für den Einsatz von Smart-Grid-Anwendungen. In Gleichstromverteilnetzen ist die Beteiligung von Stromrichtern stärker ausgeprägt als in Wechselstromverteilnetzen. Durch eine angemessene Nutzung dieser Eigenschaft können intelligente Netztechnologien in Gleichstromverteilernetzen leichter eingesetzt werden, da die Stromrichter eine bessere Steuerbarkeit bieten und sich daher besser für die Implementierung von informations- und kommunikationstechnischen Netzanwendungen wie z. B. aktives Demand Side Management eignen.

Kritik

Die Umwandlungsverluste in den Endgeräten, die in Kleinspannung umwandeln, hat kaum grosse Bedeutung, da die Umwandlung in eine tiefere Spannung den Verlust ausmacht und nicht die Gleichrichtung. Die Gleichrichtung ist hier nur die Vorstufe, um anschliessend eine hochfrequente Spannung zu erzeugen, die effizient und kostengünstig in eine Kleinspannung gewandelt werden kann. Es entfallen daher lediglich die Diodenbrücke und der Kondensator der Primärglättung.

Fazit

Kleinere oder grössere Gleichstromnetze könnten in naher Zukunft die Wechselstromverteilnetze ersetzen oder ergänzen. Auch hybride Backbonestrukturen über Gleichstrom sind denkbar. Netzrückwirkungsprobleme, welche die Wechselstromnetze unvorteilhaft beeinflussen, können so konzentriert an den Übergabestellen wirkungsvoll und effizienter behoben werden.

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