Gleichstrom und seine neuen Chancen für nachhaltige Verbindungslösungen

Die Nutzung von Gleichstrom (DC) in automatisierten Produktions- und Logistikprozessen birgt ein großes Potential für die Zukunft: Komplette Nutzung der Bremsenergie von Antrieben, direkte Einspeisung von Photovoltaik und Speichersystemen, Wegfall einzelner Wandlungsstufen, weniger Aufwand für Material und Installation, Einsparung von Kupfer, höhere Verfügbarkeit von Anlagen und das auch bei sukzessivem Umbau von Bestandsanlagen (Retrofit). Entsprechend intensiv wurde und wird die Entwicklung der Gleichstromtechnik in Deutschland vorangetrieben. Letzter Meilenstein in dieser Entwicklung war die Gründung der Open Direct Current Alliance (ODCA) am 03. November 2022, eine Arbeitsgemeinschaft des ZVEI und 33 Unternehmen aus der Industrie bzw. Hochschulen und Forschungsstätten. Zu den Gründungsmitgliedern der ODCA gehört u. a. auch Lapp, ein führender Anbieter von Verbindungslösungen, insbesondere Kabel und Leitungen, sowie Steckverbinder und Lösungen zur Ladetechnologie. Da Gleichstrom genau wie Wechsel- bzw. Drehstrom (AC) zur Übertragung Kabel, Leitungen und Stecker benötigt, hat das Stuttgarter Unternehmen eine Reihe neuer Produkte für DC-Anwendungen entwickelt. Welche Herausforderungen die Entwickler nicht zuletzt in Punkto Sicherheit bei dieser zukunftsweisenden Technologie zu bewältigen hatten, wollte GIT SICHERHEIT wissen und hat bei Dr. Karsten Fuchs, Research Engineer Advanced Technology bei Lapp, nachgehakt.

GIT SICHERHEIT: Herr Dr. Fuchs, die Nutzung von Gleichstrom in Produktion und Logistik könnte sich zukünftig als ein zentraler Baustein der Industrie 4.0 erweisen. DC-Netze warten gleich mit einer ganzen Reihe potenzieller Vorteile gegenüber AC-Netzen auf. Was sind aus Ihrer Sicht als Forscher und Entwickler die entscheidenden Vorzüge von Gleichstrom? Worin besteht Ihrer Ansicht nach das größte Potential dieser Technologie?

Dr. Karsten Fuchs: Das größte Potential steckt in der höheren Energieeffizienz, aber auch in der Materialeffizienz durch die Einsparung von Gleichrichterstufen innerhalb von Frequenzumrichtern und der Reduzierung von Kupfer in Kabeln und Leitungen. Durch die Gleichstromversorgung in einer Produktionshalle ist unter anderem eine einfachere und effizientere Integration erneuerbarer Energien (z. B. einer Photovoltaikanlage auf der Fabrikhalle) möglich, die eine geringere Leistungsentnahme aus dem öffentlichen Netz bewirkt. Zudem wird in DC-Netzen durch eine höhere Spannung und den Wegfall von Blindleistung eine Senkung des Energieverbrauchs sowie eine reduzierte Einspeiseleistung (bei gleicher Wirkleistung wie im AC-Netz) erreicht. Je nach Querschnitt resultiert in den Kabeln eine geringere Verlustleistung von etwa 40 % und eine Kupferersparnis von bis zu 55 %.


Mal angenommen ich möchte den Teil einer Produktion auf Gleichstrom umstellen: Welche Teile einer Anlage müsste ich dann gegen spezielle DC-Komponenten austauschen und sind diese gegenwärtig überhaupt schon erhältlich?

Dr. Karsten Fuchs: Grundsätzlich besteht eine solche Gleichstromversorgung aus einem DC Bus, an dem die einzelnen Verbraucher angeschlossen sind. Sie kennen den Begriff Bus auch aus der industriellen Kommunikationstechnik, bei der es sich um ein System zur Datenübertragung zwischen mehreren Teilnehmern über einen gemeinsamen Übertragungsweg handelt. Bei DC ist es ähnlich und bedeutet die gemeinsame Versorgung der Verbraucher über eine gemeinsame DC-Strecke.  

Dafür wird eingangsseitig ein zentraler bidirektionaler Gleichrichter (Active Infeed Converter, AIC) benötigt, der die vielen dezentralen Wandlungsstufen von AC zu DC ersetzt. Der eigentliche DC Bus wird entweder über Stromschienen (aus Kupfer oder Aluminium) oder DC-Kabel realisiert. Je nach Verbraucher können weitere Stromrichter (DC/AC oder DC/DC) notwendig sein. Für eine zuverlässige Abschaltung im Betriebs- und Kurzschlussfall sind DC-Schalter notwendig (Stichwort: Lichtbogenlöschung). Hier gibt es verschiedene Technologien, die sich zur AC-Technik grundlegend unterscheiden. Aber auch der Einsatz von Schmelz-Sicherungen wäre denkbar. Einige Komponenten sind bereits auf dem Markt verfügbar.


Welche DC-Komponenten bietet Lapp selbst seinen Kunden an?

Dr. Karsten Fuchs: Unser aktuelles DC-Portfolio umfasst Kabel und Leitungen im Niederspannungsbereich bis 1500 VDC. Dieses beinhaltet unsere erdverlegbare Ölflex DC Grid 100 als Energie- und Infrastrukturkabel sowie unsere Ölflex DC 100 als eine Standard-Anschlussleitung. Zudem bieten wir spezielle und mechanisch beanspruchbare Anschlussleitungen (Ölflex Servo 700, Ölflex Chain 800 und Ölflex Robot 900) mit einer normgerechten Farbkodierung der Aderisolation an: rot und weiß für die Phasen, grün-gelb für den Schutzleiter. Bei Netzen mit Mittelpunktleiter ist ein zusätzlicher Leiter mit blauer Kodierung enthalten. Außerdem sind einadrige Solarleitungen für PV-Anlagen sowie einadrige Leitungen für den Anschluss von Energiespeichern in unserem DC-Portfolio enthalten.


An dieser Stelle wollen wir mal etwas näher auf Ihre eigene Rolle beim Thema Gleichstrom eingehen. Welche Aufgaben fielen bei der Entwicklungsarbeit in Ihrem Bereich an und mit welchen Herausforderungen wurden Sie dabei konfrontiert?

Dr. Karsten Fuchs: Am Anfang unserer DC-Reise vor 5 Jahren und im Rahmen der Arbeit im Forschungsprojekt DC Industrie 2 (Start 2019) bewegte uns vor allem die Frage: Wie kann für DC eine beschleunigte Alterung von Kabeln unter Laborbedingungen realisiert werden. Ziel war es zu verstehen, ob wir DC-Kabel anders als bei AC entwickeln müssen.


Was bedeutet „beschleunigte Alterung“?

Dr. Karsten Fuchs: Wir möchten ein Kabel, das typischerweise mehr als 10 Jahre im Betriebseinsatz mit einer bestimmten Spannung, einem bestimmten Leiterstrom und unter speziellen Umgebungsbedingungen beansprucht wird, unter verkürzten Laborbedingungen so belasten, dass diese Beanspruchung der eigentlichen Betriebsbeanspruchung entspricht. Dafür gibt es in der Fachwelt bereits einige Verfahren, u. a. das Verfahren nach Arrhenius. Durch die Beanspruchung mit einer höheren Temperatur über 5.000 Stunden ist es möglich, eine Aussage über die tatsächliche Lebensdauer der Isolierung für den späteren Betrieb zu treffen. Für unsere Betrachtungen bei DC ist zusätzlich die Beanspruchung mit einer Gleichspannung notwendig.

Die Alterung von Einzeladern mit diversen Isolierstoffen, die wir u. a. für unsere AC-Leitungen bereits verwenden, musste mit der richtigen Prüfmethodik im Labor nachgestellt werden können. Da hinsichtlich der Alterung noch keine Normen für DC existieren, lehnten wir uns an bereits existierende Normen aus der AC-Welt an. Wir entschieden uns für die Alterung im Wasserbad mit einer Temperatur von 70 °C und einer Spannung von 1 kV für eine Zeitdauer von 2.500 Stunden. Auch, wenn die Methode im Wasser den Stand der Technik darstellt, stellten wir uns die Frage, welchen Einfluss das Wasser auf die Spannungsfestigkeit der Isolierstoffe haben wird. Deshalb realisierten wir parallel weitere Untersuchungen in Wärmeschränken mit den gleichen Parametern für Temperatur und Spannung. Alle Untersuchungen wurden auch für AC durchgeführt, um (mögliche) Einflüsse des Prüfverfahrens bewerten zu können. Parallel wurden in unserem Labor umfangreich mechanische Kenngrößen (z. B. Zugfestigkeit) der Einzeladern bestimmt und das Wasser wurde regelmäßig auf seine Bestandteile analysiert.


Da uns das Thema Sicherheit besonders am Herzen liegt, wollen wir hier natürlich noch einmal etwas tiefer bohren: Müssen beispielsweise die Isolierstoffe bei DC-Kabeln anders beschaffen sein als bei Wechselstromnetzen, um die nötige Sicherheit zu gewährleisten? Und sind diese in Hinblick auf ihre Eigenschaften genauso belastbar?

Dr. Karsten Fuchs: Von Hochspannungskabeln ist bekannt, dass nicht gleichermaßen die Isolierstoffzusammensetzungen von AC auch für DC verwendet werden können. Aufgrund der physikalischen Effekte ist bei DC ein sehr viel größerer Aufwand bei der Fertigung der Isolation notwendig. Diese Frage stellte sich auch für uns im Niederspannungsbereich.


Last but not least, wäre ihre persönliche Einschätzung noch einmal gefragt. Welches Potential sehen Sie zukünftig bei der Verbreitung von DC-Netzen und gibt es Pläne bei Lapp, das eigene Portfolio weiter auszubauen?

Dr. Karsten Fuchs: Ich bin davon überzeugt, dass der Umstieg auf DC in den nächsten Jahren noch stärker voranschreiten wird. Auch durch die intensivierte Auseinandersetzung mit dem Thema Nachhaltigkeit und Klimaneutralität. Durch die aktive Mitarbeit in der ODCA und ein starkes Netzwerk an engagierten und überzeugten Firmen, nicht nur aus der Automatisierungstechnik, werden wir Anlagen Schritt für Schritt umbauen und das auch bei uns im eigenen Umfeld umsetzen.