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DC-Direkt

Höhere Effizienz und Verfügbarkeit dank Gleichspannungsnetzen

Projektstatus
Begonnen

Die Energieverteilung basiert heute weltweit auf Wechselspannungsnetzen. Dabei wechselt die Polarität bei der überwiegenden Zahl der Wechselspannungsnetze 50 Mal in der Sekunde. Diese Technik bietet einige Vorteile: Spannungen lassen sich mittels Transformator relativ einfach und verlustarm transformieren und Schaltlichtbögen verlöschen beim Nulldurchgang des Stromes. Doch es gibt auch Nachteile: Wenn ein Energietransport über sehr große Entfernungen notwendig ist, oder wenn eine andere Frequenz durch zweifache Wandlung aus der Netzfrequenz erzeugt werden muss. Wenn Wechselspannungen an die Grenzen stoßen – etwa beim Stromtransport von Offshore-Windenergieparks in die Lastzentren, können Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) eine Lösung sein.

Forciert durch die Energiewende werden schon heute Hoch­spannungs­gleich­strom­über­tragungen mit bis zu 1 Million Volt für den Transport großer Energiemengen über weite Strecken realisiert. Im Niederspannungsbereich bis 1000V gibt es zudem bei Nahverkehrssystemen viele Gleichstrom-Anwendungen (DC-Anwendungen). Relativ wenige Anwendungen sind aber im Bereich der Mittelspannung zwischen 3 kV und 30 kV zu finden. Besonders leicht fällt die Entscheidung für ein Gleichspannungs-System bei Inselnetzen, die keine Anbindung an das Verbundnetz haben. Ein Beispiel dafür sind Schiffsnetze, die lediglich im Hafen eine Verbindung zum Verbundnetz haben. 
Obwohl auch hier noch die Wechselspannungs-Lösungen (AC-Lösungen) überwiegen, gibt es im Niederspannungs-Schiffsnetze, die fast ausschließlich DC-basiert sind. Vorteil: Die dieselgetriebenen Generatoren können abhängig von ihrer Leistung im optimalen Arbeitspunkt laufen und müssen nicht mehr eine definierte Drehzahl halten. Vor allem bei Teillast lässt sich so Energie einsparen. Doch steigt die Leistung über eine Leistung von etwa fünf Megawatt, steigen die Ströme zu stark an. Die Lösung ist eine höhere Spannung – dann bei gleicher Leistung ist dann ein geringerer Strom notwendig. Die Logische Konsequenz ist, dass auf Schiffen DC-Netze im Mittelspannungsbereich angedacht werden. Neben den Schiffsnetzen gibt es weitere Anwendungen, bei denen DC-Lösungen auf Mittelspannungsebene interessant werden können: Windparks oder Verbünde von Antrieben hoher Leistung in der Industrie, wie sie in Walzwerken zu finden sind, sind nur zwei Beispiele. 

Neue Bauteile für Gleichstromanwendungen

Bei diesen Lösungen können Energie- und Investitionskosten gespart werden, wenn mehrfache Wandlung vermieden wird. Zum Beginn des Projektes suchten die Forscher zunächst geeignete Anwendungen, die sich vorteilhaft DC-basiert realisieren lassen. Außerdem wurden die Komponenten identifiziert, die für ein DC-Netz neu entwickelt werden müssen und herausgearbeitet, welche Spezifikation diese erfüllen müssen. Als wichtigste Komponenten sind hier geeignete Stromrichter, DC-Schalter, DC-fähige Strommessverfahren und Sicherungen zu nennen. Bei den Stromrichtern sind neben der Topologie und dem Regelungskonzept auch der Einsatz neuartiger Halbleiter wichtig. Für den Betrieb eines DC-Netzes mit mehreren Quellen und Verbrauchern unterschiedlicher Art untersucht die RWTH Aachen federführend Bedingungen für einen stabilen Betrieb. 

Bis zum Herbst 2016 soll ein neuartiger DC-Schalter aufgebaut und anschließend unter Laborbedingungen getestet werden. Nach Möglichkeit wird dieser mit Halbleitermodulen mit innovativer Aufbau- und Verbindungstechnik ausgerüstet, was ebenso wie der DC-Schalter und die Strommessung in den Verantwortungsbereich von Siemens fällt. Für die Absicherung der Komponenten soll von Firma pyroglobe ein pyrotechnischer Schalter mit extrem kurzer Abschaltzeit ausgelegt werden. 

Projektlaufzeit

05/2015 – 04/2018 

Kontakt

Sebastian Nielebock
Verbundkoordinator
Siemens Aktiengesellschaft
Otto-Hahn-Ring 6
81739 München
+49 9131 733144
+49 9131 724709

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.

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