Energienetz im Unternehmen

Andreas Mühlbauer,

Mehr Effizienz mit Gleichstrom

Eine wichtige Voraussetzung für das Gelingen der Energiewende ist die Steigerung der Energieeffizienz. Dazu kann die verstärkte Nutzung von Gleichstrom einen großen Beitrag leisten. Ein auf Gleichstrom ausgelegtes Energienetz käme auf einen Gesamtwirkungsgrad von 90 % – gegenüber heute 56 %.

Für Gleichstromnetze werden spezielle Leitungen benötigt. © Lapp

Wenn elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen wie Photovoltaik oder Windkraft kommt, ist die Nutzung von Gleichstrom besonders effizient. Diese Quellen produzieren Gleichstrom (DC), der über Wechselrichter erst mal in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden muss. Wenn aber der Endverbraucher ebenfalls wieder ein digitales Gerät wie Laptop, Mobiltelefon, eine LED-Leuchte, der Ladepunkt für Elektrofahrzeuge oder die intelligente Produktionseinheit in einer Fabrik ist, muss doppelt umgewandelt werden, denn diese Endverbraucher funktionieren nur mit Gleichstrom. Dadurch entstehen große Wandlungsverluste. Analysen gehen von 10 bis 15 % aus. Würde man, hypothetisch, das gesamte Stromnetz in Deutschland komplett auf Gleichstrom umstellen, könnten wir ungefähr 35 % des Gesamtenergiebedarfs einsparen.

„Der langfristige Ausstieg aus den fossilen Energiequellen kann nur effizient gestaltet werden, wenn wir konsequent immer mehr auf Gleichstrom umstellen und Wandlungsverluste vermeiden. Kurzum: Wir brauchen eine Wende ohne Wandel“, sagt Guido Ege, Leiter Produktmanagement und Produktentwicklung bei Lapp.

Anzeige

Die Nutzung von Gleichstrom steckt noch in den Kinderschuhen. In der Industrie gibt es bisher nur Nischenanwendungen. Große Automobilisten beispielsweise haben Testzellen installiert. Dort ist von Effizienzgewinnen von bis zu 30 % die Rede. Aber der große Wurf fehlt. Handlungsbedarf gibt es noch auf vielen Ebenen. Lapp hat sich sehr frühzeitig mit dem Thema Gleichstrom beschäftigt und ist bei Kabeln in der Entwicklung aktiv. Das Unternehmen verfügt bereits über ein Leitungsportfolio für verschiedene Anwendungen. Darunter die Ölflex DC 100 mit neuer Farbcodierung der Adern nach der 2018 aktualisierten Norm DIN EN 60445 (VDE 0197):2018-02 für Gleichstromleitungen: rot, weiß und grün-gelb. Weitere Leitungen sind die Ölflex DC Servo 700 für stationäre und die Ölflex DC Chain 800 aus TPE für bewegte Anwendungen. Oder die erste DC-Roboterleitung Ölflex DC Robot 900 mit der Aderisolation aus TPE und dem Mantel aus PUR. Damit ist das Unternehmen Vorreiter bei der Entwicklung von Leitungen für industrielle Niederspannungs-Gleichstromnetze.

Forschungsprojekt zur DC-Versorgung

Aber DC-Kabel allein reichen noch lange nicht aus. Weitere Baustellen gibt es in der Normung, außerdem müssen noch DC-taugliche Komponenten zur Verfügung gestellt werden, etwa bei Steckern und Schaltern. Hier ist weitere Forschung nötig, denn bei Gleichstrom erlischt beispielsweise ein Störlichtbogen nicht von allein. Das kann lebensgefährlich sein. Lapp ist deshalb im Forschungsprojekt DC-Industrie2 geförderter Partner. In diesem Projekt haben es sich die Forschenden des Fraunhofer IPA und des Fraunhofer IISB in Kooperation mit mehr als 30 Partnern zur Aufgabe gemacht, ein Konzept für ein intelligentes DC-Versorgungssystem zu entwickeln und zu erproben, ob dieses eine Produktionshalle günstig mit Gleichstrom versorgen kann. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi fördert das Vorhaben. Lapp erforscht dabei die Langzeitstabilität von Isolationsmaterialien für Kabel und Leitungen.

Schon viel früher hatten Lapp und die TU Ilmenau in Versuchen herausgefunden, dass die Isolationsmaterialien im Gleichspannungsfeld ein anderes Alterungsverhalten zeigen als in einem Wechselspannungsfeld. So haben Forscher der TU Ilmenau 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 Ergebnisse: Leitungen mit PVC oder Polyolefin-Isolation fielen deutlich schneller aus als alle Prüflinge mit TPE-Isolierung. Bei zwei Dritteln der Defekte kam es zu einem Durchschlag der Isolierung. Um genauere Aussagen zu treffen, bedarf es noch weiterer Forschung. So ist noch nicht klar, was chemisch und physikalisch im Kunststoff stattfindet. Der Abbau des Polymers oder das Aufquellen im Wasser sowie das Herauslösen von Additiven oder die Bildung von „Water Trees“ könnten mögliche Ursachen sein.

Geringere Verluste, weniger Komponenten

Trotzdem gibt es keinen Grund, auf Leitungen mit PVC-Isolation in Gleichspannungsanwendungen zu verzichten. Voraussetzung ist allerdings, dass diese Leitungen fest, also ohne Bewegung, sowie ohne mechanische Belastung etwa durch zu enge Biegeradien verlegt werden. Außerdem sollte die Umgebung stets trocken sein. Sind diese Voraussetzungen nicht gegeben, etwa im bewegten Einsatz in Energieketten, können Anwender auf andere Isolationsmaterialien wie etwa TPE ausweichen.

Guido Ege: „Wir sehen in Gleichstrom große ökonomische Chancen. Nicht nur für die Automotive- und Prozessindustrie. Viele Verbraucher sind schon heute Gleichstromverbraucher. Durch die Reduzierung von Umwandlungsverlusten steigern wir die Effizienz. Mit dem Wegfall der Umrichter brauchen wir weniger Komponenten und damit weniger Platz. Regenerative und dezentrale Energiequellen lassen sich leichter integrieren. Auch die Rückspeisung von Bewegungsenergie erfolgt über DC. Der E-Motor wird zum Generator.“

Eine Versorgung mit Gleichstrom wäre, wie erwähnt, die ideale Voraussetzung, damit Antriebe beim Bremsen Energie ins DC-Netz zurückspeisen können. Wie bei Elektro- oder Hybrid-Autos würde diese Energie in Batterien gespeichert, bis der Antrieb wieder beschleunigt. Diese Energie ließe sich auch nutzen, um Verbraucher mit hohem Leistungsbedarf, zum Beispiel beim Schweißen, zu versorgen. Die Betriebe könnten damit Lastspitzen kappen und müssten nicht kurzzeitig hohe Energiemengen aus dem Netz beziehen, was die Kosten reduziert und außerdem den Energieversorger und das Stromnetz entlastet.

Für Photovoltaik- und Windkraftanlagen verfügt Lapp seit Jahren über ein umfangreiches DC-taugliches Portfolio. Mit DC werden beispielsweise Wandlungsverluste in Wellenkraftwerken vermieden. So ist im Hafen der griechischen Stadt Heraklion ein Wellenkraftwerk der Münchner Firma Sinn Power im Einsatz. Dort wird künftig für die dezentralen Minigrids die Gleichstromleitung Ölflex DC 100 für den 800-V-DC-Bus verwendet. Die Leitung soll eine Strecke von etwa 700 m zum Einspeisepunkt überbrücken. Die Ölflex DC 100 wird fest in Installationsrohren an der Hafenmauer verlegt und verläuft bis zum Netzwechselrichter für die Einspeisung in das öffentliche Stromnetz.

Ladestationen am Gleichstromnetz

Eine maßgeschneiderte Lösung hat Lapp für den Sortimo Innovationspark Zusmarshausen entwickelt, der im vergangenen Sommer eröffnet wurde. Hier hat Lapp den kompletten DC-Bus zum Anschluss der Ladestationen, einschließlich Hybrid-DC-Kabel zur Steuerung und Online-Überwachung, entwickelt. Der Kabelaufbau ist anspruchsvoll: Das speziell für den Ladepark designte Kabel besteht aus einem Aluminiumleiter mit 30 mm2 Querschnitt. Die Aderisolierung ist strahlenvernetzt und besteht aus Polyethylen. Die Schirmung wird über spiralförmig über den Kern aufgetragene Kupferdrähte erreicht. Das Besondere: Der Aufbau wird ergänzt durch zwei Edelstahlrohre, bestückt mit jeweils sechs Lichtwellenleitern. Diese dienen zur Temperaturmessung und schlagen Alarm, wenn die Temperatur an den Ladepunkten zu groß wird. Über den Bus wird dann gesteuert, wo alternativ entsprechend freie Ladekapazitäten zur Verfügung stehen. Der Außenmantel ist aus PVC nach IEC 60502. „Die DC-Technologie wird die industrielle Produktion und die Energieversorgung von Städten und Stadtteilen entscheidend verändern. Sie stellt damit ein wichtiges Element der Energiewende dar“, betont Guido Ege.

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige