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Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Comeback des Gleichstroms - Auf dem Weg zu DC-Anwendungen in Niederspannungsnetzen

Die Gleichstromtechnik steht möglicherweise vor einem bedeutenden Comeback, nachdem sie in Europa in Versorgungsnetzen schon seit vielen Jahrzehnten kaum noch eine Rolle gespielt hat.

Versuchsanordnung mit Störlichtbogen (Foto: TU Ilmenau)

Versuchsanordnung mit Störlichtbogen (Foto: TU Ilmenau)

Die Firma Bachmann in Stuttgart, das Arcola-Theatre in London und die japanische Telefongesellschaft NTT in Tokio haben eines gemeinsam: Sie versorgen ihre Rechnerzentralen, Klimaanlagen und Beleuchtungen mit Gleichstrom (DC). Sie stehen damit nicht allein – und sie werden sicher weitere Unternehmen und vielleicht bald auch Privatleute dazu motivieren, bestehende Wechselstrom- gegen Gleichstromnetze auszutauschen oder um solche zu ergänzen.

Die Wiedergeburt der Gleichstromtechnik kommt nicht ganz überraschend. Auf der einen Seite steigt in Haushalt und Büro seit Jahren stetig die Anzahl an Elektrogeräten und LED-Beleuchtungen, die Gleichstrom benötigen, den sie über elektronische Netzteile und AC/DC-Wandler beziehen, was die Kosten für Anschluss und Verbrauch in die Höhe treibt und obendrein umständlich ist. Auf der anderen Seite sind erfreulicherweise in zunehmendem Umfang Batteriespeicheranlagen und Gleichstromgeneratoren wie zum Beispiel Photovoltaikanlagen in Betrieb, die direkt Gleichstrom liefern können. Dieser technische Befund führt nun unter Wissenschaftlern und Entwicklern dazu, sich wieder intensiver mit den Möglichkeiten von Gleichstromnetzen zu beschäftigen.

„Stromkrieg“ zwischen Edison und Westinghouse

Die heute in der Stromversorgung bevorzugten Wechselstromsysteme (AC) konnten sich erst nach einem heftigen „Stromkrieg“ durchsetzen. Thomas Edison, der als einer der größten Erfinder aller Zeiten gilt – 1093 Patente sollen auf sein Konto gehen – nahm 1882 sein erstes Kraftwerk in Betrieb, das unter anderem die New Yorker Wall Street mit Gleichstrom versorgte. Edisons Mitarbeiter Nikola Tesla sollte dafür einen Dynamo entwickeln, was er auch erfolgreich tat. Doch der gebürtige Kroate hatte noch eine andere Idee: Statt mit Gleichstrom beschäftigte sich Tesla mit Wechselstromtechnik, die er nach einem Streit mit Edison fortan mit dessen Konkurrenten George Westinghouse weiterverfolgte. Edison aber blieb stur: Er verzichtete auf die offensichtlichen Vorteile des Wechselstroms und versuchte stattdessen, seine Konkurrenten zu diskreditieren. So setzte er beispielsweise durch, dass der gerade erst erfundene elektrische Stuhl mit der Technik der Konkurrenz betrieben wurde. Wechselstrom gleich Tod, sollte die Botschaft sein. Der Coup gelang, doch Edison konnte sich nur kurz freuen. Auf der Weltausstellung in Chicago im Jahr 1893 waren es mit Wechselstrom betriebene Beleuchtungsanlagen, die die Hallen beleuchteten. Damit zeichnete sich ab, dass Westinghouse den „Stromkrieg“ zu seinen Gunsten entscheiden würde, und Thomas Edison musste später seinem Sohn gezwungenermaßen gestehen, der größte Fehler seines Lebens sei gewesen, nicht rechtzeitig auf Wechselstrom umgestellt zu haben.

Doch AC-Lampen auf der Weltausstellung 1893 waren nicht der einzige und nicht einmal der wichtigste Grund dafür, dass sich Ende des 19. Jahrhunderts Wechselstromnetze und damit verbundene Anwendungen im Wettbewerb mit den Gleichstromrivalen durchsetzen konnten. Der wohl wichtigste Vorteil zeigte sich darin, dass sich die Spannung von Wechsel- bzw. Drehstromsystemen über Transformatoren auf ein Niveau von mehreren 100 000 V anheben, gleichzeitig die Stromstärke sinken und die Kabelquerschnitte kleiner werden ließ. Damit wurde eine Übertragung elektrischer Energie über größere Distanzen bei wirtschaftlich vertretbaren Kosten möglich. Das erkannte man natürlich auch im gegnerischen Lager. Man leide sogar darunter, so hieß es auf einer Tagung von Edison-Unternehmen im Jahr 1888, dass es keine einfache Methode gebe, mit der auch Gleichstrom auf höhere Spannungen gebracht und damit das Versorgungsgebiet vergrößert und die Kupferkosten verringert werden können.

Eine solche Methode bot sich dann später doch, nämlich mit einer innovativen Leistungselektronik. Auf der Basis von Gleichrichtern wie den IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistor) entwickelten Forscher und Ingenieure die sogenannte Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Technik (HGÜ-Technik). Sie gestattete es, auch Gleichstrom mit einer Höchstspannung von 800 kV über weite Strecken zu transportieren. In China baute im Jahr 2014 ein chinesisches Staatsunternehmen eine 2210 km lange 800-kV-Freileitungsanlage, die mit ihren 8 000 MW die HGÜ-Anlage mit der weltweit höchsten Leistung darstellt. Zahlreiche weitere erfolgreiche HGÜ-Projekte im Reich der Mitte belegen deren Leistungsfähigkeit und technische Reife. Hier boomt diese Technik vor allem deshalb, weil sich nur mit ihr die benötigten riesigen Energiemengen von den großen Staudämmen im Inneren und Nordwesten des Landes zu den Megastädten und Industriezentren im Osten befördern lassen. In Deutschland befinden sich aktuell zwei HGÜ-Anlagen in Planung. Sie sollen überschüssige Windenergie von der Nord- und Ostsee in die südlichen Bundesländer leiten (Bild 1).

Schalter und Kabel verhalten sich anders

„Doch der wahre Paradigmenwechsel im Stromnetz steht erst noch bevor“, behauptete Frank Berger, Professor an der TU Ilmenau, in einem Vortrag anlässlich der diesjährigen Fachpressetage des Kabelspezialisten Lapp aus Stuttgart. Denn wenn schon Hochspannungsleitungen mit Gleichstrom betrieben würden, so Berger weiter, warum dann nicht auch Niederspannungsnetze in Büros und Haushalten? Dort habe der Siegeszug der Wechselspannungstechnik seit dem Ende des 19. Jahrhunderts in jüngster Zeit zu einer paradoxen Situation geführt: Immer mehr Kleingeräte arbeiten mit Gleichspannung von wenigen Volt, vom Rasierer über das Notebook und den Flachbildfernseher bis zu LED-Leuchten. „Versorgt werden sie aber mit 230-Volt-Wechselspannung aus der Steckdose“, erläuterte Berger, „und Dutzende Schaltnetzteile übernehmen die Wandlung – mit scheinbar kleinen Verlusten, die sich aber landesweit zu bedeutenden zusätzlichen Aufwänden und Kosten summieren.“ Nicht nur er plädiert deshalb dafür, auch bei der Niederspannungsversorgung langfristig den Gleichstrom nicht außer Acht zu lassen. Gleichspannungsversorgung ist in seinen Augen für viele Anwendungsbereiche ein Gebot der Vernunft.

Berger und sein Team an der TU Ilmenau beschäftigen sich überwiegend mit Schaltgeräten für die Elektroinstallationen sowie mit Isolierstoffen. Gerade Schalter, aber auch Sicherungen, tun sich aus physikalischen Gründen schwer mit Gleichstrom, denn beim Ausschaltvorgang bildet sich ein kräftiger Lichtbogen, der ohne spezielle gerätetechnische Maßnahmen in der Regel nicht verlöscht. Während das Trennen von Kontakten bei Wechselstrom zuverlässig funktioniert, weil Wechselstrom wie bekannt im Takt seiner Frequenz für kurze Zeit auf Null absinkt und den Lichtbogen abreißen lässt, fließt Gleichstrom kontinuierlich weiter und würde ohne Gegenmaßnahmen den Schalter zerstören und ihn sowie möglicherweise seine Umgebung über kurz oder lang in Brand setzen (Bild 2). Das ist für viele Forschungsinstitute Anlass genug, an neuen Schaltkonzepten für Gleichstromnetze zu tüfteln, und zwar sowohl für den Nieder- als auch den Hochspannungssektor.

Neben Forschungsinstituten wie das in Ilmenau beschäftigt sich auch die Industrie mit der Entwicklung geeigneter Schalter, zum Beispiel die Fa. ABB. Ihre Ingenieure haben eine HGÜ-Sicherung konstruiert, die aus einem mechanischen und einem elektronischen Schalter besteht. Prof. Jochen Kreusel, dort zuständig für intelligente Stromnetze, erläutert die Konstruktion: „Ein Leistungsschalter muss nicht ausschließlich mechanisch funktionieren, es geht auch elektronisch, nämlich mit Transistoren. Diese Bauteile können so gesteuert werden, dass sie keinen Strom mehr leiten und dass kein Lichtbogen entsteht.“ Aber eine solche Elektronik bringe elektrische Verluste mit sich, die – über die Lebenszeit des Schalters hochgerechnet – zu einem beachtlichen Betrag anwachsen könnten, bedauert Kreusel. Deshalb habe man bei ABB die leistungselektronische Trennvorrichtung mit einem zusätzlichen mechanischen Schalter kombiniert. Im geschlossenen Zustand, so die physikalische Konsequenz aus dieser Anordnung, fließt der Strom fast verlustfrei über die Metallkontakte. Beim Öffnen bleibt der gefürchtete Lichtbogen aus, weil jetzt der Weg des geringsten Widerstandes über die Leistungselektronik führt, die den Stromfluss dann ohne Lichtbogen unterbricht.

Bei Kabeln für Hochspannungs-Gleichstromsysteme ist zu berücksichtigen, dass die elektrische Feldverteilung völlig anders ist als bei Wechselstrom. Deshalb sind Isolierstoffe für HGÜ-Kabel teure Spezialanfertigungen, was sich aber wegen der geringeren Energieverluste bei der HGÜ-Technik über große Distanzen dennoch rechnet. Auch dieses Thema ist Forschungsgegenstand an Prof. Bergers Lehrstuhl in Ilmenau. Und wie sieht es bei niedrigen Spannungen aus? „Erste Laborversuche deuten darauf hin“, so Bergers Antwort, „dass ein Kabel bei Gleichspannung anders beansprucht wird als bei Wechselspannung. Die Ursache liegt in der Abhängigkeit der Spannungsfestigkeit von der Temperatur – und diese Festigkeit nimmt bei Gleichspannungsbeanspruchung bei hohen Temperaturen merklich ab.“ Weitere Tests sollen zeigen, wie sich dieses Verhalten insbesondere auf die Alterung des Materials bei gleichzeitiger mechanischer Belastung auswirkt.

Bergers Forschungsergebnisse zeigen, dass sich AC-Netze in Industrieanlagen und Haushalten nicht einfach zu DC-Netzen umwidmen lassen, da sie nicht nur spezielle DC-Schalter und -Sicherungen, sondern auch spezielle DC-Kabel benötigen. Deshalb werden sich Bauherren zunächst wohl nur dazu entscheiden, Gleichstromnetze als Ergänzung zu den vorhandenen AC-Netzen einzusetzen, wenn überhaupt. Denn dass sich Gleichstrom in der Gebäudetechnik schon in naher Zukunft in großem Umfang durchsetzen wird, ist keineswegs sicher. Das sieht auch Prof. Berger so: „Deutschland ist mit seinem Wechselspannungsnetz sehr gut versorgt, und es wird schwer werden, es mit der DC-Technik zu verdrängen.“ Anders sehe es außerhalb Europas aus, nämlich dort, wo ein Viertel der Bevölkerung keinen Zugang zu Elektrizität habe, so Berger weiter. Beispielsweise seien in ländlichen Gebieten Indiens Gleichstrom-Inselnetze der beste Weg, die Menschen in absehbarer Zeit mit Strom zu versorgen.

Autor: W. Wilming

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

Bild 1, rechts: HGÜ-Technik für den Stromtransport aus Offshore-Windenergieanlagen (Bild: Siemens)

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