Gleichspannungsnetze mit einer zentralen Wandlung könnten als energiesparende Alternative, insbesondere für Antriebe in der Produktion, etabliert werden.

Bild: Lapp

DC im Industrie- und Privatumfeld Welche Rolle Gleichstrom für die Energieversorgung spielt

28.10.2019

Derzeit befassen sich einige Forschungsprojekte mit der Energieversorgung durch Gleichstrom. Für die Umsetzung sind aber noch einige Fragen zu klären – beispielsweise wie sich Gleichstrom auf Leitungsisolationen auswirkt und ob Wechselstromleitungen auch für den Transport von Gleichstrom genutzt werden können.

Energieversorgung durch Gleichstrom hat das Potenzial, die Energieeffizienz deutlich zu erhöhen, für die Industrie wie auch für Privathaushalte. Auf der Hannover Messe 2019 konnte man sehen, wie wichtig das Thema Energieversorgung mit Gleichstrom (DC) von den Experten eingeschätzt wird: Der ZVEI widmete DC einen ganzen Pavillon, und Lapp präsentierte Gleichstromleitungen in seinem FutureLab. Außerdem ist das Unternehmen Partner beim Forschungsprojekt DC-Industrie. Das Projekt endete offiziell im September, ein Nachfolgeprojekt soll im Herbst starten.

DC-Industrie suchte Antworten auf zwei zentrale Fragen: Wie lassen sich Gleichspannungsnetze mit zentraler Wandlung als energiesparende Alternative vor allem für Antriebe in der Produktion etablieren? Und wie lassen sich regenerative Energien besser einbinden?

Nutzen von Gleichstrom in der Automobilbranche

Für das Gelingen der Energiewende gilt die Energieversorgung mit Gleichspannung als unumgänglich. Denn dabei geht es nicht nur um das Erzeugen möglichst großer Mengen regenerativer Energien wie Solar- und Windstrom auf Gleichstrombasis. Mindestens genauso wichtig ist das Einsparpotenzial, das die Umstellung auf eine nachhaltige Energieversorgung mit Gleichspannung bietet.

Dieses Potenzial liegt vor allem darin, dass die Verluste beim Umwandeln zwischen AC und DC und umgekehrt wegfallen. Schon heute gibt es in der Automobilindustrie Pilotprojekte, um ganze Fertigungseinheiten ausschließlich mit Gleichstrom zu versorgen. Dabei werden auch Batterien zum kurzzeitigen Speichern von Energie eingesetzt.

Die Versorgung mit Gleichstrom eignet sich außerdem hervorragend, um beispielsweise Bremsenergie aus Antrieben ins DC-Netz zurückzuspeisen. Wie bei Elektro- oder Hybridautos könnte man diese Energie in Batterien zwischenspeichern, bis der Antrieb wieder beschleunigt. Alternativ lassen sich damit Verbraucher mit hohem Leistungsbedarf wie etwa Schweißgeräte versorgen.

Die Vorteile liegen auf der Hand: Produktionsbetriebe können Lastspitzen kappen und müssen nicht kurzzeitig hohe Energiemengen aus dem Netz beziehen. Das senkt die Kosten und dient der Netzstabilisierung.

Auch Endverbraucher könnten profitieren

Aber auch Haushalte könnten von der Versorgung mit Gleichspannung profitieren. Viele elektrische Verbraucher, von der LED-Leuchte bis zum Elektroauto, arbeiten mit Gleichstrom. Dieser muss derzeit aus Wechselstrom aus der Steckdose umgewandelt werden. Hinzu kommt, dass immer mehr Anlagen Gleichstrom ins zunehmend dezentral organisierte Stromnetz einspeisen – allen voran Photovoltaik-Anlagen.

„Ich glaube aber nicht, dass man in absehbarer Zeit DC in der Endverbraucher-Infrastruktur sehen wird“, meint Georg Stawowy, Vorstand für Technik und Innovation bei Lapp. In diesem Zusammenhang weist er auf das Henne-Ei-Problem hin: Wann und von wem kann man einen Gleichstrom-Kühlschrank kaufen? Und noch wichtiger: Baut mein Energieversorger eine Gleichstromtrasse zu meinem Haus? Bei einer neuen Fabrik werde sich darüber reden lassen, so Stawowy, beim Eigenheim wohl kaum.

Forschungsprojekte laufen auf Hochtouren

Dennoch: Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in Sachen Gleichstrom laufen auf Hochtouren, wie das bereits erwähnte Forschungsprojekt DC-Industrie zeigt. Die aktive Mitwirkung von Lapp bezog sich dabei auf die Kabel; Stecker oder Schalter gehörten nicht zum Arbeitspaket im Rahmen des Projekts.

Geliefert hat das Unternehmen die Kabel, wie sie zuvor vom Konsortium spezifiziert worden waren. Daraus und aus einer Forschungskooperation mit der TU Ilmenau sind unter anderem Serienprodukte für DC-Anwendungen entstanden, die inzwischen zum Portfolio von Lapp gehören.

Im Herbst 2019 soll das Nachfolgeprojekt DC-Industrie2 starten, in dem Lapp als geförderter Partner die Langzeitstabilität von Isolationsmaterialien für Kabel und Leitungen erforschen will. „Das Thema Gleichstrom für die Industrie nimmt enorm Fahrt auf – was mich nicht überrascht, denn das Potenzial zur Energie- und CO2-Einsparung ist enorm“, sagt Stawowy.

Erste Gleichstromleitungen auf dem Markt

Die erste eigens für Gleichstrom konzipierte Leitung auf dem Markt ist die Ölflex DC 100. Die Farbcodierung der Adern folgt der im Februar 2018 aktualisierten Norm DIN EN 60445 (VDE 0197):2018-02 für Gleichstromleitungen: rot, weiß und grün-gelb. Die Adern sind mit Spezial-PVC isoliert, der Mantel besteht aus PVC.

Weitere Leitungen sind die Ölflex DC Servo 700, eine DC-Anschlussleitung mit Isolierung aus Spezial-PVC, sowie die Ölflex DC Chain 800 für die Bewegung in Energieführungsketten. Darüber hinaus hat Lapp mit der Ölflex DC 100 Hybrid eine Leitung für das DC-Industrie-Konsortium entwickelt. Sie enthält zwei Adern zur Leistungsübertragung plus einen Schutzleiter, eine Cat.6A-Datenleitung mit vier geschirmten Aderpaaren, zwei Adern für Safe Torque Off (Not-Aus) sowie ein Steuerpaar mit 24 V für die Bremse.

Einfluss von Gleichspannung auf Isolationsmaterial

Bis dato herrschte unter Experten die Meinung vor, dass sich Wechselspannungsleitungen der Niederspannung gleichermaßen auch für Gleichspannung eignen. Vermutlich aufgrund dieser Annahme gab es dazu bisher keinerlei Forschungsergebnisse. Jetzt belegen allerdings neue Langzeittests der TU Ilmenau, dass diese Annahme falsch ist.

Die Tests wurden von der Forschungsgruppe im Fachgebiet Elektrische Geräte und Anlagen unter Prof. Frank Berger durchgeführt. Sein Team hat über einen Zeitraum von 2.590 Stunden Einzeladern mit verschiedenen Isolationsmaterialien in einem Wasserbad bei 80 °C mit 1 kV Gleichspannung belastet, um die Auswirkungen im Zeitraffer nachzuvollziehen. Die Prüfapparaturen sowie die Leitungen hatte Lapp zur Verfügung gestellt.

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass ein Gleichspannungsfeld eine andere Wirkung auf das Alterungsverhalten von Isolationsmaterialien hat als ein Wechselspannungsfeld. Viele Experten hatten das bisher bestritten.

Das Team um Berger will weiter forschen, um belastbare Aussagen treffen zu können. So sind Alterungstests geplant, die ohne Wasserbad auskommen. Die müssten dann allerdings über einen längeren Zeitraum laufen. Außerdem geht es Berger darum, die chemischen und physikalischen Prozesse zu verstehen, die im Kunststoff ablaufen. Mögliche Ursachen für schnelleres Altern könnten der Abbau des Polymers, das Aufquellen im Wasser, das Herauslösen von Additiven oder die Bildung von „Water Trees“ sein.

Leitungen bewegungsfrei verlegen

Manche Fragen sind also noch ungeklärt. Viele Experten sehen dennoch keinen Anlass, auf Leitungen mit PVC-Isolation in Gleichspannungsanwendungen zu verzichten, auch wenn bisher keine belastbaren Daten vorliegen. Sie fordern aber, dass die Leitungen fest, also bewegungsfrei verlegt werden und dass die mechanische Belastung etwa durch enge Biegeradien minimiert wird.

Zudem sollte auf eine stets trockene Umgebung geachtet werden. In Fällen, in denen das nicht möglich ist, zum Beispiel im bewegten Einsatz in Energieketten, sollten Anwender andere Isolationsmaterialien einsetzen. TPE etwa zeigte bei Prüfungen im Wasserbad ausgezeichnete Resultate.

Bildergalerie

  • Die Ölflex-DC-Chain 800 hat eine Isolierung aus TPE.

    Bild: Lapp

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