Der Anteil am Gesamtenergiemix von konventionellen Kraftwerken, die Wechselstrom in die Netze einspeisen schwindet. Deutlich auf dem Vormarsch ist die Energieerzeugung aus Wind- und Solarkraftanlagen. Sie speisen Gleichstrom in die Netze, der dafür noch den Umweg über Wechselrichter gehen muss. Doch durch die Wandlung entstehen erhebliche Verluste, das macht das Gesamtsystem ineffizient. Industrie und Forschung beschäftigen sich daher aktuell intensiv mit der Erprobung von DC-Technologien. Reinhausen hat hier bereits ein umfangreiches Know-how aufgebaut. Und das auf allen Netzebenen.
Gleichstrom auf allen Netzebenen
Auf der einen Seite gibt es durch immer mehr erneuerbare Erzeuger, die Gleichstrom produzieren. Auf der anderen Seite eine wachsende Zahl von Verbrauchern wie E-Autos, die diesen benötigen. Sind DC-Netze daher die Zukunft?
Gleichstrom auf allen Netzebenen
Auf der einen Seite gibt es durch immer mehr erneuerbare Erzeuger, die Gleichstrom produzieren. Auf der anderen Seite eine wachsende Zahl von Verbrauchern wie E-Autos, die diesen benötigen. Sind DC-Netze daher die Zukunft?
Werden DC-Netze in Zukunft den Wechselstrom ablösen? Stephan Rupp, Netzexperte bei Reinhausen, der sich mit dem Thema Gleichstrom in der Energieversorgung intensiv beschäftig, glaubt nein. „Ich bin aber überzeugt, dass parallele Strukturen von AC- und DC-Netzen entstehen werden.“ Auch wenn das Wechselstromsystem vor 130 Jahren durchgesetzt hat, verschwunden ist der Gleichstrom nie. So werden S-Bahnen und auch Regionalzüge häufig mit DC-Netzen betrieben. Und auch die meisten unserer Haushaltgeräte, Smartphone und Tablets basieren auf Gleichstrom.
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
Auch auf der Hoch- und Höchstspannungsebene wird für die Stromübertragung schon länger auf Gleichstrom gesetzt. Bereits im 19. Jahrhundert gab es erste Versuche zur Fernübertragung von Gleichstrom, allerdings noch mit vergleichsweise niedrigen Spannungen. Eine der ersten modernen Hochspannungs-Gleichstrom-Übertagung (HGÜ)-Strecken war die 1954 in Betrieb genommene Verbindung zwischen Gotland und dem schwedischen Festland. Die Übertragungsspannung lag damals noch bei 100 Kilovolt. Dank neuer Technologien sind heute bis zu 1.200 Kilovolt mit einer Übertragungsleistung von 12.000 Megawatt möglich. Mittlerweile hat sich die Übertragungstechnologie zigfach bewährt und wird überall auf der Welt dort eingesetzt, wo große Mengen Strom über weite Strecken möglichst verlustfrei transportiert werden müssen. Besonders aktiv ist hier China, dort wurden bereits mehrere Megaprojekte realisiert, die den Strom aus den gigantischen Wasserkraftwerken im dünnbesiedelten Landesinneren an die bevölkerungsreichen Küsten bringen. Aber auch in Europa wird diese Form der Übertragung immer wichtiger, um beispielsweise den Strom von den Offshore-Windparks zu den Ballungszentren zu bringen. Für die Hochleistungstransformatoren in den Umrichterstationen an den Leitungsenden bietet Reinhausen ein hochspezialisiertes Angebot aus Stufenschaltern, wie dem Vakuum-Laststufenschalter VACUTAP® VR® und Isolatoren.
Um den Strom von den Wasserkraftwerken in die Ballungszentren zu bringen, setzt China auf tausende kilometerlange HGÜ-Strecken.
Gleichstrom in der Mittelspannung
Im Vergleich dazu ist Gleichstrom auf der Mittelspannungsebene regelrechtes Neuland. Doch das Thema wird angesichts der Zunahme der Stromerzeugung durch erneuerbare Energien immer interessanter, da die bestehenden Netze durch die parallel dazu steigende Anzahl von neuen Verbrauchern zunehmend an ihre Belastungsgrenzen kommen. Zudem wird die Spannungshaltung immer schwieriger, wenn konventionelle Kraftwerke vom Netz gehen und nicht genügend Blindleistung zur Verfügung gestellt wird. Zusammen mit der TU Dresden forscht Reinhausen daher im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projekt AC2DC daran, wie bestehende AC-Kabelstrecken zu DC-Verbindungen umgewandelt werden können. So soll die Erhöhung der Übertragungsleistung im Verteilnetz möglich werden und das Problem mit der Blindleistung wäre ebenfalls behoben. Für die Kopplung der Spannungsebenen miteinander zu koppeln wäre Gleichstromtransformatoren notwendig. Mit dem GRIDCON® DCT hat Reinhausen eine innovative Lösung entwickelt: einen galvanisch getrennten DC-DC-Wandler, der sich im Prinzip genauso verhält wie ein geregelter AC-Leistungstransformator.
Gute Gründe für Gleichstrom
300 GW
Strom sollen in Deutschland bis 2035 aus erneuerbaren Energien stammen
3 %
Verluste entstehen bisher auf jeder Wandlungsstufe
40 %
weniger Kupfer benötigen Gleichstromkabel
DC im Ortsnetz
In Zukunft wird der Großteil des Solarstroms auf den Dächern und an den Fassaden im Niederspannungsnetz erzeugt. Solange unser Energiesystem auf Wechselstrom basiert, ist der Weg von der Photovoltaikanlage über den Batteriespeicher bis in den Akku der E-Autos – bei allen dreien handelt es sich um Gleichstromsysteme – jedoch noch ziemlich umständlich. Viermal muss der Strom umgewandelt werden und auf jeder Wandlungsstufe entstehen Verluste von drei Prozent. „Eine Kopplung der Gleichstromsysteme auf der untersten Spannungsebene ohne den Umweg über das Wechselstromnetz wäre am sinnvollsten“, meint Rupp. Doch noch fehlen Normen und Standards für die notwendige Technik, die solche DC-Netze erfordern und sie letztlich bezahlbar machen. Reinhausen ist hier in mehreren Projekten aktiv, die erforschen, wie DC-Netze in Einkaufszentren, Gewerbegebieten oder Industriebetrieben eingesetzt werden könnten.
Wie könnten solche DC-Netze aussehen? Analog zum Ortsnetztrafo müsste eine DC-Station an die Mittelspannung angeschlossen werden. Sie ist das Herzstück des DC-Netzes und funktioniert technisch wie ein Umrichter mit einem eingebauten Transformator und versorgt das Gleichspannungsnetz mit 1.500 Volt Gleichspannung mit Leistungen von bis zu 2.000 Megawatt. Reinhausen hat für die DC-Stationen bereits eine Lösung entwickelt: das GRIDCON® Power Conversion System. Dabei handelt es sich um ein modulares Wechselstrom-Umrichtersystem zur DC- und AC- Versorgung in der Niederspannung. Dass DC-Netzte auf der Niederspannungseben bald schon Realität werden, ist nur eine Frage der Zeit. Rupp ist überzeugt: „In den nächsten fünf Jahren wird die Technik bereit für den Einsatz sein.“
