Insbesondere dann, wenn die Quelle für die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien wie Photovoltaikanlagen kommt, ist die Nutzung von Gleichstrom besonders effizient. Diese produzieren Gleichstrom, der für die weitere Nutzung über Wechselrichter in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden muss. Ist aber der Endverbraucher ebenfalls wieder ein digitales Gerät wie Laptop oder Smartphone, eine LED-Leuchte oder der Ladepunkt für Elektrofahrzeuge, so muss doppelt umgewandelt werden, denn diese Endverbraucher funktionieren nur mit Gleichstrom. Dadurch entstehen Wandlungsverluste. Auch intelligente Produktionseinheiten – beispielsweise drehzahlgeregelte Antriebe oder Roboter in einer Fabrik – enthalten oft einen internen DC-Zwischenkreis, für den mit einer DC-Versorgung eine Wandlungsstufe entfallen würde.

Durch die Einsparung von Wandlern (AC-DC) oder Wandlungsschritten können etwa 3 bis 4 % Energie eingespart beziehungsweise Energieverluste vermieden werden. Auch bei der Nutzung von Rekuperations-Energie, also der Brems-energie von Motoren, könnte durch die Verwendung von modernen Einspeisegleichrichtern als AIC (active infeed converter) gegenüber Brückengleichrichtern die Bremsenergie von Motoren oder Antrieben vollständig verwendet oder zurückgespeist werden, was in einer Energieeinsparung von mindestens 4 bis 5 % resultiert. Bei konventionellen Umrichtern wird die Bremsenergie oft durch Widerstände in Wärme umgesetzt, also vernichtet, und kann nicht verwendet werden.

Weniger Wandlungsschritte

Experten gehen davon aus, dass mit dem konsequenten Einsatz von Gleichstrom in der Industrie nicht nur eine einfachere Integration erneuerbarer Energiequellen möglich ist, sondern Umwandlungsverluste zwischen AC und DC je nach Anwendungsfall im ein- bis zweistelligen Prozentbereich vermieden werden können. Darüber hinaus bietet die Verwendung von DC weitere Vorteile hinsichtlich Energieeffizienz: Weniger Wandlungsschritte und weniger Adern bei oft verringerten Leiterquerschnitten führen zu Materialeinsparungen sowie einer erhöhten Ressourceneffizienz gegenüber AC. Damit nimmt Gleichstrom in der industriellen Stromversorgung künftig eine Schlüsselrolle ein.

Nachhaltige Energieeffizienz und der schnelle Umstieg auf erneuerbare Energien können nur erfolgreich gestaltet werden, wenn konsequent immer mehr auf Gleichstrom umgestellt wird und Wandlungsverluste vermieden werden. Nur so ist eine Wende möglich. Lapp, Anbieter integrierter Lösungen im Bereich der Kabel- und Verbindungstechnologie, hat sich bereits frühzeitig mit dem Thema Gleichstrom beschäftigt und ist bei der Entwicklung von Kabeln und Leitungen für Niederspannungs-Gleichstromnetze für industrielle Anwendungen aktiv.

Die Forschungsprojekte

Bei Gleichstrom braucht man neue Komponenten, zum Beispiel geeignete DC-Leistungsschalter, damit der Störlichtbogen erlischt.

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DC-Leitungen und weitere Komponenten für einen zuverlässigen Betrieb allein reichen aber nicht aus. Aktuelle Baustellen gibt es etwa in der Normung und Standardisierung der DC-Technik. So stand beim Forschungsprojekt DC-Industrie1 die Realisierung einer Produktionszelle mittels kompletter DC-Versorgung (beziehungsweise einem DC-Netz) im Vordergrund. Das Projekt lief von 2016 bis 2019. Die wissenschaftliche Projektleitung hatten die Technische Hochschule Ostwestfalen-Lippe und Prof. Holger Borcherding, dessen Idee für ein solches Gleichstromprojekt bis ins Jahr 2013 zurückreicht.

Beim Forschungsprojekt DC-Industrie2 (Oktober 2019 bis März 2023) wurden die Erkenntnisse und Konzepte aus DC-Industrie1 und der Realisierung eines DC-Netzes von der Produktionszelle auf eine ganze Fabrikhalle mit mehreren Lastzonen (zum Beispiel mehrere Produktionszellen) erweitert. Insgesamt waren 40 Partner aus Hochschulen und aus der Industrie beteiligt. Dabei wurden vor allem Aspekte der Netzstabilität und des Netzmanagements, unter anderem unter Einwirkung von Energiespeichern, betrachtet. Zudem stand der zuverlässige Betrieb durch Erkennen und Abschalten von Fehlerströmen sowie dem Ableiten von Überspannungen im Fokus. Ein weiteres Themengebiet bildete die Entwicklung langzeitstabiler Komponenten. Hierzu zählte auch die Untersuchung der Langzeitstabilität typischer Isolierstoffe von AC-Leitungen unter DC-Beanspruchung, mit der sich Lapp beschätigte.

Eine Frage der Isolation

Schon früher hatten Lapp und die TU Ilmenau in Versuchen herausgefunden, dass die Isolationsmaterialien im Gleichspannungsfeld ein anderes Alterungsverhalten zeigen können als in einem Wechselspannungsfeld. So hatten Forscher der TU Ilmenau über einen Zeitraum von etwa 2.500 Stunden Einzeladern mit verschiedenen Isolationsmaterialien in einem Wasserbad bei +80 °C mit 1 kV Gleichspannung belastet, um die Auswirkungen im Zeitraffer nachzuvollziehen. Die Ergebnisse: Einige Leitungen mit PVC oder halogenfreier Mischung auf Polyolefin-Basis fielen deutlich schneller aus als alle Prüflinge mit TPE-Isolierung. Diese Forschungsergebnisse wurden in den Folgejahren im Projekt DC-Industrie2 vertieft und neu auf den Prüfstand gestellt. Hierzu fanden erneut umfangreiche Laboruntersuchungen zur beschleunigten Alterung typischer Isolierstoffe von AC-Kabeln und -Leitungen über 2.500 Stunden bei +70 °C und einer Alterungsspannung von 1 kV statt. In Anlehnung an DIN VDE 0276-603 wurden die Untersuchungen parallel im Wasserbad und im Wärmeschrank durchgeführt. Zu den untersuchten Isolierstoffen gehörten jeweils unterschiedliche Zusammensetzungen von PVC, (vernetztem) Polyethylen (PE und VPE), Polypropylen (PP), Thermoplastischen Elastomeren (TPE-E, TPE-V) und halogenfreie Mischungen.

Als Projektergebnis lässt sich Folgendes festhalten: Auf Grundlage der Prüfbedingungen weisen viele dieser Isolierstoffzusammensetzungen eine Gleichspannungsbeständigkeit bei der gewählten Referenztemperatur von +70 °C auf. Es zeigt sich aber auch ein erheblicher Einfluss des Umgebungsmediums, beispielsweise Luft, Feuchtigkeit oder Wasser. Während die Isolierstoffe unter trockenen Umgebungsbedingungen keine Ausfallerscheinungen zeigten, können im Wasser für Isolierstoffe mit Füll- und Zusatzstoffen Durchschläge entstehen. Zu diesen Isolierstoffen gehören einige PVC- und halogenfreie Mischungen auf PO-Basis. Daher hat Lapp bei der projektbegleitenden Entwicklung eines DC-Kabel- und Leitungsportfolios die Projektergebnisse zu Isolationsmaterialien berücksichtigt und durch die Auswahl entsprechender Isolationswerkstoffe optimiert. Eine allgemeingültige Aussage über die Verwendbarkeit kann allerdings nicht abgeleitet werden, beispielsweise bei einer Temperaturabweichung von 70 °C. Zudem können die Ergebnisse nicht für Kabelisolierstoffe in der Hochspannungsebene mit Spannungen oberhalb von 1,5 kV übertragen werden. Aufgrund der höheren elektrischen Feldstärke und veränderter Leitungsvorgänge sind andere Isolierstoffmischungen und -zusammensetzungen, beispielsweise chemisch reinere Polymere oder spezielle Compounds, für eine ausreichende Spannungsfestigkeit erforderlich.

Möglichkeiten der Materialeinsparung

Bei Versuchen der TU Ilmenau wurden über einem Zeitraum von rund 2500 Stunden Einzeladern mit verschiedenen Isolationsmaterialien im Wasserbad getestet.

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Lapp hat sich auch intensiv mit der möglichen Materialeinsparung beschäftigt. Eine pauschale Aussage mit einer konkreten Einsparungsaussage ist allerdings schwierig. Zum einen gibt es eine Materialeinsparung durch weniger Umrichter oder Wandlungsstufen. Zum anderen wird die Kupfer-einsparung bei Kabeln oder Leitungen unterschieden. Hier ist die Einsparung vom tatsächlichen Leiterstrom, der Ver- zerrung bei AC durch Oberwellen (Oberschwingungsgehalt) und der Anzahl der Leiter im DC-Netz gegenüber AC abhängig. In DC-Systemen werden je nach Erdungskonzept Kabel mit drei (zwei Phasen und Schutzleiter PE) oder vier Leitern (zwei Phasen, Schutzleiter, geerdeter Mittelpunktleiter) unterschieden. Im Drehstromsystem (AC) sind die Kabel in der Niederspannungsebene in der Regel fünfadrig aufgebaut (drei Phasen, Schutzleiter, Neutralleiter).

Aufgrund der Umrichtertechnologie ergibt sich im DC-Netz grundsätzlich eine höhere Versorgungsspannung als im AC-Netz, z.B. 650 V(DC) gegenüber 400 V(AC). Daraus resultiert bei DC ein kleinerer Leiterstrom, der grundsätzlich einen kleineren Querschnitt erfordert. Wird exemplarisch ein DC-System mit drei Leitern mit einem Drehstromsystem mit fünf Leitern verglichen, ergeben sich tendenziell die größten Kupferersparnisse zwischen 40 % und etwas mehr als 70 %. Die kleinsten Ersparnisse ergeben sich, wenn der Leiterstrom bei AC ideal sinusförmig ist. Der Grund: Ein sinusförmiger Wechselstrom benötigt einen kleineren Querschnitt als ein stark verzerrter Wechselstrom. Allerdings könnte beim Vergleich eines DC-Systems mit vier Leitern gegenüber einem Drehstromsystem die Ersparnis auch Null betragen, wenn der Leiterstrom bei AC nicht durch Oberschwingungen verzerrt ist. Dennoch: Unterm Strich ergeben sich bei DC große Einsparpotenziale bei Energie und Material.

Neue Dynamik für Gleichstrom

Die Autorin: Dr. Susanne Krichel leitet die Forschung und Vorausentwicklung bei der Lapp Holding in Stuttgart.

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Seit Herbst 2022 besteht die Open Direct Current Alliance (ODCA), ein Bündnis von Unternehmen, Forschungseinrichtungen und des ZVEI mit dem Ziel, der DC-Technologie neue Dynamik zu verleihen. Die ODCA ist folglich die internationale und praxisnahe Fortführung der deutschen Gleichstromforschungsprojekte DC-Industrie1 und DC-Industrie2. Darüber hinaus findet ein enger Schulterschluss mit der Current/OS foundation statt. Die ODCA konzentriert sich auf sechs Fokusthemen:

• Aufbau eines internationalen DC-Ökosystems und Etablierung der DC-Technologie für viele Anwendungen
• Enge Zusammenarbeit zwischen Anwendern, Planern, Herstellern, Zulieferern, Forschungseinrichtungen, Normungsorganisationen und Verbänden
• Internationale Verbreitung von Wissen und Lösungen zu Gleichstromnetzen
• Investitionsschutz durch die Erarbeitung und Etablierung eines innovativen und nachhaltigen Gleichstromsystems
• Plattform für die Gestaltung weiterer Forschungsprojekte
• Information und Überzeugung von Politik und Gesellschaft zu den Chancen von Gleichstrom auf dem Weg zu einer ressourcenschonenden und CO2-neutralen Welt.