„DC ist eine Business-Case-Entscheidung“

Die DC-Technologie erhält derzeit wieder viel Aufmerksamkeit. Warum wird Gleichstrom gerade jetzt für die Industrie relevant?

Das ist eine berechtigte Frage. Über die Vision der Gleichstromfabrik wird in der Branche bereits seit vielen Jahren gesprochen. Der Unterschied heute ist, dass mehrere Treiber gleichzeitig wirksam werden. Zum einen sehen wir einen starken Fokus auf Rechenzentren und neue AI Factories, die im Kern auf DC setzen, um Effizienzpotenziale zu erschließen. Zum anderen gewinnt die dezentrale Energieerzeugung in der klassischen Industrie an Bedeutung. In modernen Fabriken werden zunehmend Photovoltaikanlagen und Batteriespeicher integriert. Beide arbeiten nativ mit Gleichstrom. Bislang muss dieser Strom in vielen Fällen zunächst von DC in AC umgewandelt werden, um ihn zu verteilen, und später etwa im Frequenzumrichter eines Roboters wieder in DC zurückgeführt werden. Genau diese zusätzlichen Wandlungsstufen verursachen Verluste. Wenn sich Energie direkt in ein DC-Netz einspeisen und dort nutzen lässt, steigt die Gesamteffizienz des Systems. Wir bei Siemens beschäftigen uns seit Jahren mit diesem Thema, unter anderem im Umfeld der Open Direct Current Alliance und bei Current OS. Mit dem Sentron 3QD2 bringen wir nun eine Lösung auf den Markt, die solche Netze sicher und intelligent absichern kann.

In Modellanlagen ist von einer Reduzierung der Einspeiseleistung um bis zu 80 Prozent die Rede. Wie lässt sich ein solcher Wert in der Praxis erreichen?

Diese Zahl wird auch im Umfeld der ODCA genannt, weil sie das wirtschaftliche Potenzial der Technologie gut verdeutlicht. Entscheidend sind dabei die bidirektionale Energienutzung und die Integration von Speichern. Ein Beispiel aus der Automobilproduktion: Wenn sich ein Roboterarm absenkt, entsteht Bremsenergie. In einem konventionellen AC-Netz lässt sich diese Energie nur eingeschränkt oder mit zusätzlichem Aufwand nutzen. In einem DC-Netz kann sie dagegen direkt im System verbleiben und anderen Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden. Hinzu kommt das Thema Peak Shaving. Werden lokale Speicher wie Batterien oder Supercaps eingebunden, lassen sich Lastspitzen, etwa bei Schweißprozessen, deutlich glätten. Die Netzinfrastruktur muss dann nicht mehr auf die maximale Spitze ausgelegt werden, sondern kann an einer niedrigeren Anschlussleistung orientiert werden. Daraus ergeben sich erhebliche Einsparpotenziale. Zusätzlich kommen Effizienzgewinne durch den Wegfall unnötiger Wandlungsstufen hinzu. Auch beim Materialeinsatz sind Vorteile möglich: In DC-Netzen lässt sich der Verkabelungsaufwand je nach Anwendung reduzieren, was insbesondere vor dem Hintergrund steigender Kupferpreise relevant ist.

Das Herzstück dieser Infrastruktur soll der Siemens Sentron 3QD2 sein. Was steckt technisch dahinter?

Formal handelt es sich um einen Leistungsschalter. Mit der IEC 60947-10 gibt es dafür inzwischen auch eine eigene Norm für Halbleiter-Leistungsschalter. Technisch betrachtet geht das Gerät jedoch deutlich weiter. Es vereint vier Funktionen in einer Lösung: Schalten, Schützen, Messen und Management. Im Gerät sind umfangreiche Messfunktionen integriert, die auch für die Steuerung genutzt werden. Hinzu kommt die Kommunikationsfähigkeit über Modbus TCP oder Profinet. Dadurch lassen sich die Daten direkt in Automatisierungsumgebungen wie TIA integrieren. Das Gerät ist damit weit mehr als ein klassisches Schutzorgan und wird zu einem softwaregestützten, präzisen Schutz- und Managementbaustein im DC-Netz.

Ein DC-Kurzschluss gilt als besonders anspruchsvoll, weil der Nulldurchgang fehlt. Wie löst die interne Elektronik dieses Problem?

Das ist in der Tat eine der zentralen Herausforderungen. In AC-Systemen hilft der Nulldurchgang dabei, Fehlerströme zu unterbrechen. Bei DC entfällt dieser Effekt. Gleichzeitig steigen die Ströme im Fehlerfall sehr schnell an. Entsprechend kurz sind die Reaktionszeiten, die ein Schutzsystem einhalten muss. Die Halbleitertechnologie im Sentron 3QD2 ermöglicht es, innerhalb von Mikrosekunden abzuschalten. Dadurch werden kritische Stromwerte gar nicht erst erreicht. Der Fehler wird also sehr früh begrenzt, bevor es zu Schäden an der Anlage kommen kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine Lichtbögen wie bei elektromechanischen Schaltgeräten entstehen und deshalb auch keine entsprechend großen Ausblasräume erforderlich sind.

Halbleiter und Wärme sind eine anspruchsvolle Kombination. Wie haben Sie die Verlustleistung in dem kompakten Gehäuse thermisch im Griff?

Das war ein wesentlicher Entwicklungsaspekt. Wir setzen auf eine aktive Kühlung. Auf der Unterseite des Geräts befinden sich zwei Lüfter, die Luft ansaugen, über den Kühlkörper mit den Halbleitern führen und die erwärmte Luft nach oben abgeben. Die Ansteuerung erfolgt bedarfsgerecht. Über eine interne Temperaturerfassung wird die Lüfterleistung an Strombelastung und Umgebungsbedingungen angepasst. So lässt sich die thermische Stabilität auch in einem kompakten Aufbau sicherstellen.

Wie steht es um die Robustheit? Ist die Lebensdauer wie bei mechanischen Kontakten durch die Zahl der Schaltvorgänge begrenzt?

Gerade hier liegt ein wesentlicher Vorteil der Halbleitertechnik. Da keine mechanischen Kontakte vorhanden sind, die beim Schalten verschleißen, arbeitet das System weitgehend verschleißfrei. Entsprechend hoch ist die Zahl möglicher Schaltzyklen. Das reduziert den Wartungsaufwand deutlich. Zwar können die Investitionskosten eines DC-Systems heute in bestimmten Anwendungen noch über denen konventioneller AC-Lösungen liegen. Entscheidend ist jedoch die Amortisation über den Lebenszyklus. Dabei spielen Energieeinsparung, geringerer Wartungsaufwand und eine effizientere Netzauslegung eine zentrale Rolle. Wir setzen diese Technologie derzeit auch im eigenen Hochregallager am Technology Campus in Erlangen ein. Dort basiert die Entscheidung auf einer klaren Wirtschaftlichkeitsbetrachtung.

Ein Halbleiter kann physikalisch keine galvanische Trennung bereitstellen. Wie lösen Sie dieses Sicherheitsmerkmal für den Servicefall?

Das ist eine normative Anforderung, die selbstverständlich erfüllt werden muss. Deshalb haben wir im Sentron 3QD2 zusätzlich einen mechanischen Trenner integriert. Im Off-Zustand ist damit eine echte galvanische Trennung möglich. Das Gerät lässt sich in diesem Zustand auch verriegeln, etwa mit einem Vorhängeschloss. Zudem kann der Anwender parametrieren, ob nach einer Auslösung sofort mechanisch getrennt werden soll oder zunächst nur ein elektronischer Sperrzustand aktiv wird.

In DC-Netzen gibt es häufig hohe Pufferkapazitäten. Wie unterscheidet Ihre Sensorik beim Hochfahren zwischen einem normalen Einschaltstromstoß und einem echten Kurzschluss?

Das ist ein wichtiger Punkt. Werden hohe DC-Spannungen auf ein Netz mit entladenen Kondensatoren geschaltet, entstehen zunächst erhebliche Einschaltströme. Ohne geeignete Maßnahmen wäre das kritisch. Deshalb ist im Schalter eine Vorladefunktion integriert. Beim Zuschalten prüft das System, ob sich das Netz wie bei einem normalen Ladevorgang verhält oder ob ein Fehlerfall vorliegt. Erst wenn diese Prüfung erfolgreich abgeschlossen ist, wird der volle Stromfluss freigegeben. Damit lässt sich die Anlage kontrolliert und sicher hochfahren.

Blicken wir nach vorn: Wird es in einigen Jahren überhaupt noch mechanische Kontakte in der Fabrik geben?

Ich gehe davon aus, dass wir auf absehbare Zeit in einer hybriden Welt leben werden. Es gibt sehr viele Anwendungen, die weiterhin auf AC basieren. Deshalb wird Gleichstrom Wechselstrom nicht pauschal ablösen. In der industriellen Infrastruktur, insbesondere in neuen Anlagen und Greenfield-Projekten, wird DC jedoch deutlich an Bedeutung gewinnen. Parallel dazu wächst international das Know-how, etwa durch Aktivitäten und Allianzen in Asien und den USA. Das schafft zusätzliche Dynamik.

Warum sollte sich ein Industrieunternehmen heute für Siemens als Partner bei der Umstellung auf DC entscheiden?

Weil wir nicht nur einzelne Produkte liefern, sondern das Gesamtsystem betrachten. Wir verfügen über langjährige Erfahrung in Forschung, Planung und Auslegung von DC-Netzen. Über unsere Einheit Total Integrated Power unterstützen wir Kunden bereits in frühen Planungsphasen. Das ist bei DC besonders wichtig, weil hier andere Anforderungen an Auslegung, Normung und Systemverhalten gelten als in klassischen AC-Netzen. Unser Ansatz ist deshalb ganzheitlich: von der Planung des Netzes über die Integration in die Automatisierung bis hin zum intelligenten Schutzgerät.