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Die Rückkehr der Gleichstromnetze
Auch wenn die Idee Gleichstromnetze anzuwenden nicht neu ist, nimmt die Relevanz für Industrieanlagen stark zu.
Schon im 19. Jahrhundert, genauer um 1890, sorgte die Frage ob Stromnetze mit Gleichspannung (DC) oder Wechselspannung (AC) betrieben werden, für viele Diskussionen. Protagonisten im sog. „Stromkrieg“, waren damals Thomas Alva Edison und George Westinghouse. Während Edison den Ansatz von kleinflächigen Gleichstromnetzen verfolgte, war Westinghouse ein Verfechter der Wechselspannung. Da Wechselspannung deutlich einfacher transformiert werden kann, setzte sie sich Schritt für Schritt durch.
Abbildung 1: Stromversorgung im Wandel der Zeit
Heutzutage beruhen unsere Stromnetze zwar immer noch auf Wechselspannung, die Anzahl an Gleichspannungs-Verbrauchern hat aber in den letzten Jahrzehnten sehr stark zugenommen. So werden Motoren immer häufiger mit Frequenzumrichtern angesteuert und auch die moderne Beleuchtungssysteme beruhen auf LED-Technik. Alle diese Technologien erfordern den Einsatz von internen Gleichrichtern.
Abbildung 2: Quelle Open Direct Current Alliance (ODCA)
Industrielle Netze bieten enormes Einsparpotential
Da die Gleichrichtung in jedem Einzelgerät (z. B. Frequenzumrichtern) technisch aufwendig und ineffizient ist, gibt es seit einigen Jahren ein Konzept für sog. industrielle Gleichstromnetze. Dieses Konzept beruht auf einer zentralen Gleichrichtung und einer direkten Versorgung der Geräte mit Gleichspannung. Somit wird die Anzahl von Gleichrichtern im System deutlich reduziert. Dadurch wird zum einen Energie gespart, zum anderen entfällt auch ein Teil der Gleichrichter-Technik in den einzelnen Geräten.
Abbildung 3: Einbindung regenerativer Energien wird erleichtert.
Weitere große Vorteile sind die einfache Integration von PV-Anlagen und Batteriespeichern (Wegfall von Wechselrichtern), sowie der Nutzung von Rekuperation. In Industrieanlagen, gerade bei Roboter- oder Logistik-Applikation, kommt es immer wieder zum Abbremsen von Lasten. Die, durch den Generatorbetrieb der Motoren, entstehende Bremsenergie wird in heutigen Anlagen über Bremswiderstände in Wärme umgewandelt. Eine sinnvolle Nutzung der Energie findet dabei nicht statt. In einem DC-Netz kann die Bremsenergie direkt von anderen Verbrauchern genutzt oder in Speichern (auf Batterie- oder Kondensator-Basis) zwischengepuffert werden.
Durch diese Vorteile konnten in Versuchsanlagen Energieeffizienzsteigerungen von acht bis zwölf Prozent (Fabrikinfrastruktur) bzw. sechs bis zehn Prozent (Produktionstechnik) nachgewiesen werden. Weiterhin konnte die Anschlussleistung, durch die Vermeidung von Lastspitzen, um bis zu 30 % reduziert werden.1
Neben der Energieeffizienz kommt auch dem Thema Ressourceneffizienz, eine große Bedeutung zu. Da das Gleichstromnetz auf einem Dreileiter-System beruht und eine höhere Systemspannung aufweist, ergibt sich eine Einsparung von Leitermaterial (Kupfer) von bis zu 50 Prozent. Darüber hinaus können, aufgrund der zentralen Gleichrichtung, bis zu 25 Prozent der elektronischen Bauteile in Geräten eingespart werden.
1 Quelle: ZVEI-Positionspapier: Gleichstrom für die Energiewende
Abbildung 4: VDE SPEC 90037 beschreibt den Systementwurf.
Forschungsprojekte und Normung
Ein zentraler Ausgangspunkt für die Konzeptentwicklung war das Forschungsprojekt „DC-INDUSTRIE“, welches im Jahre 2016 startete. Unter Beteiligungen von 21 Industrieunternehmen, vier Forschungsinstituten und dem ZVEI wurde der Grundstein für die ersten realen Umsetzungen gelegt. Inzwischen wird die Entwicklung, unter anderem, durch die Arbeitsgemeinschaft Open Direct Current Alliance (ODCA) vorangetrieben.
Natürlich müssen die anerkannten Regeln der Technik, mit dieser Entwicklung Schritt halten. Auch wenn die Normenreihe VDE 0100 grundsätzlich, neben der Wechselspannung, auch Gleichspannung bis 1500 V behandelt. Gibt es noch Lücken im Regelwerk.
Eine dieser Lücken, nämlich die Beschreibung des Systementwurfs, wurde durch die VDE SPEC 90037 geschlossen, die am 27.11.2024 erschienen ist. Sie beschreibt detailliert die Eigenschaften und Besonderheiten eines industriellen Gleichstromnetzes. Somit haben nun Hersteller, Errichter und Normengremien eine einheitliche Spezifikation als Grundlage.
Fazit
Die Verwendung von industriellen Gleichstromnetze bietet vielfältige Vorteile, gerade in Zeiten von hohen Energiekosten, kann durch Energie- und Ressourceneffizienz ein echter Wettbewerbsvorteil entstehen. Da Gleichstromnetze, neben vielen Ähnlichkeiten zur Wechselspannung, aber auch spezielle Eigenschaften mit sich bringen, wird die Umsetzung von Projekten zur Herausforderung. So müssen hohe Kurzschlussströme, neue Netzsysteme und das hohe Gefährdungspotenzial durch Lichtbögen sicher beherrscht werden. Ein Wissensaufbau bei Planern und Errichtern wird essenziell sein, um die neuen technologischen Möglichkeiten in der Praxis umzusetzen. Hinzu kommen die momentan, aufgrund fehlender Stückzahlen, sehr hohen Preise für Schutz- und Schaltgeräte. Diese werden sich erst bei einer höheren Verbreitung der Gleichstromtechnik reduzieren.