DC-Verteilnetze (ODCA)

Gleichstromverteilnetze in der Industrie

In der modernen Industrie, die zunehmend auf erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien setzt, gewinnen Gleichstromverteilnetze (DC-Netze) immer mehr an Bedeutung. Ein wesentlicher Vorteil liegt in der direkten Integration regenerativer Energiequellen wie Photovoltaikanlagen, die bereits Gleichstrom liefern. Dadurch entfallen aufwändige und verlustbehaftete DC/AC/DC-Wandlungen.

Kein "50 Hz-Problem" und Effizienz

Im Gegensatz zu Wechselstromnetzen, die auf einer europaweit synchronisierten Stromproduktion basieren (50 Hz Problematik), ermöglicht Gleichstrom eine flexiblere und dezentralere Energieverteilung. Dies führt zu einer höheren Netzstabilität, denn ein Gleichstromnetz kann die Fluktuationen bei der Produktion von erneuerbarer Energie besser ausgleichen. Da viele industrielle Anwendungen wie Antriebe, LED-Beleuchtung und Batteriespeicher ohnehin mit Gleichstrom betrieben werden, reduzieren DC-Netze in Industriegebieten, großen Büroanlagen oder Rechenzentren die Notwendigkeit von AC/DC- und DC/AC-Wandlungen, was die Energieeffizienz deutlich steigert.

Speicherung und Rekuperation

Ein weiterer entscheidender Vorteil von Gleichstromnetzen ist die einfache Integration von Batteriespeichern. Diese dienen als Puffer für fluktuierende Energiequellen und ermöglichen eine konstante Stromversorgung. Zudem kann Bremsenergie von Antrieben direkt in das DC-Netz zurückgespeist werden (Rekuperation), was den Energieverbrauch weiter senkt.

Die beiden DC-Industrie Forschungsprojekte (2016 - 2023) ergaben in realen Anwendungen weitere Vorteile bei der Einführung von DC-Verteilnetzen auf der Spannungsebene von 650 VDC:

Reduzierung des Kupferverbrauchs in der Verkabelung um bis zu 50 %
Bis zu 80 % weniger Spitzenleistung aus dem AC-Netz durch Integration lokaler Energiespeicher
Ausfallsicheres System - die Speicher liefern genügend Energie, um bei einem Stromausfall einen Produktionszyklus abzuschließen. Die Produktion kann nahtlos fortgesetzt werden, wenn die Stromversorgung wiederhergestellt ist.
Verringerung der Verlustleistung in der Verkabelung um bis zu 50
Keine Notwendigkeit, Blindleistung zu übertragen (DC: P= U x I)

Die Open DC Alliance (https://odca.zvei.org/)

Die Open DC Alliance (ODCA) hat sich zum Ziel gesetzt, die Verbreitung von Gleichstromnetzen in verschiedenen Anwendungsbereichen zu fördern. Die inzwischen 78 Mitgliedsfirmen der ODCA (2022 vom ZVEI initiiert und mit 33 Firmen gestartet) entwickeln offene Standards und Richtlinien, um die Interoperabilität von DC-Komponenten verschiedener Hersteller zu gewährleisten. Zu den bereits verfügbaren Produkten für DC-Verteilnetze gehören:

DC-Schaltgeräte und -Schutzschalter
DC/DC-Wandler und -Regler
DC-Steckverbinder und -Kabel
DC-fähige Antriebe und Beleuchtungssysteme

Herausforderungen und Lösungen

Eine der größten Herausforderungen bei Gleichstromnetzen ist das Fehlen eines Nulldurchgangs, der bei Wechselstrom die Lichtbogenlöschung in Schaltgeräten erleichtert. Hersteller haben jedoch innovative Lösungen entwickelt, wie z.B.:

Leistungs-Halbleiter-Schalter (z.B. IGBTs, MOSFETs)
Lichtbogenlöschkammern mit Magnetfeldern
Schnelle DC-Schutzschalter mit hoher Schaltleistung

Im Bereich der größeren Freiflächen-Solaranlagen gibt es bereits seit einige Jahrzehnten große Erfahrungen mit hohen DC-Spannungen. Die DIN VDE 0100-712 (Maßnahmen zur Planung und Errichtung von Photovoltaikanlagen) ist eine der Normen, die sich mit diesem Thema beschäftigen.

Die noch nicht herausgegebene Technische Spezifikation IEC TS 63354 soll eine "Guideline for the planning and design of direct current or hybrid microgrids" werden. Das 2020 aufgelegte Normungsprojekt "leidet" darunter, dass der Markt der DC-Verteilnetze sich sehr dynamisch entwickelt und ständige Änderungen die Fertigstellung verzögern.

Von Seiten des VDE (zusammen mit der ODCA) gibt es seit Ende 2024 die "VDE Spec 90037 V1.0" als umfangreiche Beschreibung und Spezifizierung eines DC Netzes (https://www.vde.com/resource/blob/2360634/86d934eebfb76ee6f480565c94d4d319/vde-spec-90037-v1-0--en--data.pdf)

Isolationswerkstoffe

Gleichstrom stellt besondere Anforderungen an Isolationswerkstoffe, da keine periodischen Spannungswechsel auftreten. Dadurch können sich elektrochemische Prozesse wie Elektromigration und Elektrolyse verstärken, die die Isolationsfähigkeit beeinträchtigen. Hersteller entwickeln daher spezielle DC-geeignete Isolationsmaterialien mit hoher Durchschlagsfestigkeit und Beständigkeit gegen diese Effekte.

Gleichstromverteilnetze bieten in industriellen Umgebungen zahlreiche Vorteile, insbesondere im Hinblick auf Effizienz, Nachhaltigkeit und Flexibilität. Mit der fortschreitenden Entwicklung von DC-Technologien und der Standardisierung durch Organisationen wie die Open DC Alliance, dem VDE und IEC wird die Verbreitung von Gleichstromnetzen weiter zunehmen.