Gleichstrom DC-Netze: Was die Gleichstrom-Leitung für die Industrie können muss

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Eine Energieversorgung mit Gleichstrom bietet enormes Einsparpotenzial, vor allem in der Industrie. Doch lassen sich AC-Leitungen auch problemlos verwenden? Wir werfen einen Blick auf aktuelle Forschungsprojekte.

Digitalisierung und Künstliche Intelligenz waren die großen Inhalte auf der Hannover Messe 2019. Ein weiteres Thema, das zunehmend Aufmerksamkeit gewinnt, war die Energieversorgung mit Gleichstrom (DC). Der ZVEI hatte sogar eigens einen Pavillon dazu eingerichtet. Auch Lapp widmete sich in seinem Futurelab dem Thema DC und zeigte dort erste Produkte.

Der Weltmarktführer für integrierte Kabel- und Verbindungssysteme gehört zu den Pionieren der Gleichstrom-Renaissance und war ebenfalls assoziierter Partner im Forschungsprojekt DC-Industrie, das vor kurzem abgeschlossen wurde. In diesem Herbst startet das Nachfolgeprojekt DC-Industrie2.

Die Projekte beschäftigen bzw. beschäftigten sich mit der Frage, wie man Gleichspannungsnetze mit einer zentralen Wandlung als energiesparende Alternative insbesondere für Antriebe in der Produktion etablieren und wie man regenerative Energien besser einbinden kann. Der Verbindungstechnikspezialist aus Stuttgart befasst sich in dem ambitionierten Projekt unter anderem mit der Frage nach der Eignung bestimmter Leitungstypen hinsichtlich Langzeitstabilität von Isolationsmaterialien für Kabel und Leitungen.

Erste DC-Leitung weltweit kommt aus Stuttgart

Das Unternehmen hat bereits Leitungen entwickelt, die sich für die DC-Vernetzung eignen. Die erste Leitung, die eigens für Gleichstromanwendungen entwickelt wurde, ist die Ölflex DC 100. Die Farbcodierung ihrer Adern folgt der im Februar 2018 aktualisierten Norm DIN EN 60445 (VDE 0197):2018-02 für Gleichstromleitungen: rot, weiß und grün-gelb. Die Isolation der Adern besteht aus Spezial-PVC, der Mantel ist aus PVC.

Weitere Leitungen im Portfolio des Herstellers sind die Ölflex DC Servo 700, eine DC-Anschlussleitung mit Isolierung aus Spezial-PVC, sowie die Ölflex DC CHAIN 800 für die dauernde Bewegung in Energieführungsketten. Letztere verfügt über eine Isolierung aus TPE, einem thermoplastischen Elastomer.

Außerdem hat man mit der Ölflex DC 100 Hybrid eine Leitung für das DC-Industrie-Konsortium entwickelt. Die DC-Hybridleitung enthält zwei Adern zur Leistungsübertragung plus einen Schutzleiter, eine Cat.-6_A-Datenleitung mit vier geschirmten Aderpaaren, zwei Adern für Safe Torque Off (Not-Aus) sowie ein Steuerpaar mit 24 V für die Bremse.

Energiewende: Energieversorgung mit Gleichstrom ist notwendig

Wenn die Energiewende Erfolg haben soll, ist eine Energieversorgung mit Gleichspannung fast unumgänglich. Es geht eben nicht nur um das Erzeugen möglichst großer Mengen regenerativer Energien wie Solar- und Windstrom.

Oft übersehene Potenziale für die Umstellung auf eine nachhaltige Energieversorgung liegen ebenso in der Einsparung von Energie. Hier ist Gleichstrom eine große Chance, weil damit Verluste beim Umwandeln zwischen AC und DC wegfallen. In der Automobilindustrie gibt es bereits Pilotprojekte, um Fertigungszellen und später ganze Fabriken nur mit Gleichstrom zu versorgen.

Antriebstechnik: Energiepuffer mit Gleichstrom für hohe Leistungen

Eine Versorgung mit Gleichstrom ist die Voraussetzung, damit Antriebe beim Bremsen Energie einfach zurückspeisen können. Wie bei Elektro- oder Hybrid-Autos würde diese Energie in Batterien gespeichert, bis der Antrieb wieder beschleunigt. Sowohl Antriebe als auch Batterien konsumieren Gleichstrom. Diesen Energiepuffer kann man 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. Das reduziert die Kosten und freut außerdem den Energieversorger, der keine Sorge haben muss, dass sein Stromnetz überlastet wird.

Gleichstrom ist keineswegs nur für die Industrie interessant, auch Haushalte könnten profitieren. Viele elektrische Verbraucher von der LED-Leuchte bis zum Elektroauto arbeiten mit Gleichstrom, der bisher aus dem Wechselstrom aus der Steckdose umgewandelt werden muss. Außerdem speisen in das zunehmend dezentral organisierte Stromnetz immer mehr Anlagen ein, die Gleichstrom erzeugen, allen voran die Photovoltaik.

AC vs. DC

Warum Gleichstrom eine echte Alternative ist

Sind AC-Leitungen für Gleichstrom geeignet?

Eine Frage, die Lapp besonders interessiert: Eignen sich Wechselspannungsleitungen der Niederspannung auch für Gleichspannung? Dazu gab es bisher keine Forschungsergebnisse, wohl deshalb, weil die meisten Experten der Meinung waren, dass dies ohne weiteres möglich sei. Langzeittests der Forschungsgruppe im Fachgebiet „Elektrische Geräte und Anlagen“ an der Technischen Universität Ilmenau unter der Leitung von Prof. Frank Berger belegen nun erstmals, dass dies ein Irrtum ist.

Über einen Zeitraum von 2590 Stunden hat Bergers Team Einzeladern mit verschiedenen Isolationsmaterialien in einem Wasserbad bei Temperaturen von 80°C mit Gleichspannung von 1 kV belastet, um die Auswirkungen im Zeitraffer nachzuvollziehen. Die Prüfapparaturen sowie die Leitungen wurden von den Stuttgartern 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.

Prof. Berger plant nun Alterungstests, die ohne Wasserbad auskommen, aber länger dauern werden. Zum anderen möchte er verstehen, 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.

Gleichstrom: PVC für feste, TPE für bewegte Anwendungen

Bis dazu belastbare Daten vorliegen, gibt es keinen Grund, auf Leitungen etwa mit PVC-Isolation in Gleichspannungsanwendungen zu verzichten. Anwender sollten allerdings darauf achten, 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 ausweichen, zum Beispiel auf das Elastomer TPE, das in den Prüfungen im Wasserbad ausgezeichnet abgeschnitten hat.

Dieser Beitrag ist zuerst bei unserer Schwesternmarke ELEKTRONIKPRAXIS erschienen.

* Bernd Müller arbeitet als freier Autor in Wiesbaden.

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