Im Team Westinghouse war auch Nikola Tesla, ein genialer Physiker und Elektroingenieur, der einst für Edison gearbeitet hatte. Tesla entwickelte den Wechselstrom-Motor, der ohne Reibung lief. Westinghouse erkannte die Bedeutung dieser Innovation und erwarb Teslas Patente. Gemeinsam verfolgten sie das ehrgeizige Ziel, die Welt mit Wechselstrom zu versorgen.
Gleichstrom erwies sich für den Langstreckentransport als unpraktisch, da hohe Energieverluste auftraten und teure zweite Kupferleitungen für den Rückfluss benötigt wurden. Der große Vorteil von Wechselstrom bestand darin, dass er unter hoher Spannung nahezu verlustfrei über hunderte Kilometer transportiert werden konnte, und durch Transformatoren am Zielort wieder in die benötigte Spannung umgewandelt wurde. Am Ende setzte sich Wechselstrom weitgehend durch. Und als 1893 der Auftrag für die Beleuchtung der großen Weltausstellung in Chicago ausgeschrieben wurde, unterboten Tesla und Westinghouse das Angebot Edisons um fast eine Million Dollar. Das Stromduell war entschieden.
Gleichstromtechnologie wieder im Fokus
In der aktuellen Diskussion um nachhaltige und effiziente Stromversorgungssysteme rückt die Gleichstromtechnologie wieder verstärkt in den Fokus. Gleichstrom erlebt insbesondere im Kontext der Energie- und Mobilitätswende eine Renaissance. Denn beide Systeme haben ihre Vorteile. Gleichstrom ist effizient für kurze Entfernungen und dezentrale Netze, während Wechselstrom durch Transformatoranpassungen über lange Distanzen vorteilhaft ist. Gleichstrom eignet sich besonders für Geräte und Anlagen in der Nähe der Stromquelle, wie Batteriesysteme oder Solaranlagen. Wechselstrom wiederum ermöglicht eine einfache und kostengünstige Erzeugung, weshalb er in den meisten Stromnetzen weltweit dominiert.
Gleichspannung kommt dann zum Einsatz, wenn es gilt, Verluste zu vermeiden, die bei der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom auftreten. „Aus diesem Grund wird seit einiger Zeit die Möglichkeit diskutiert, lokale Gleichstromnetze in verschiedenen Bereichen einzurichten, zum Beispiel in der Industrie, in Rechenzentren, aber auch in großen Gebäuden mit Photovoltaik-Anlagen“, betont Anna-Katharina Deiters, Product Marketing Specialist bei ABB. Insbesondere bei Data Centern besteht großes Potenzial für die Umsetzung von Gleichstromkonzepten, da Hochleistungsserver, Data Storage und Switches bereits mit Gleichstrom arbeiten. Und auch die USVs über Batterien und Notstromaggregate in Rechenzentren nutzen Gleichstrom. Wird ein Rechenzentrum mit Wechselstrom versorgt, brauchen alle Komponenten – Server, Speicher, Switches – ein Netzteil mit Gleichrichter. Diese Umwandlung erzeugt enorm viel Wärme, die wiederum energieintensiv durch Klimatechnik abgeführt werden muss. Der Einsatz von Gleichstrom wäre hier deutlich energieeffizienter.
Vorteile des Einsatzes von Gleichstrom
Bereits heute wird Gleichstrom häufiger als noch vor einigen Jahren genutzt. Laptops und Tablets arbeiten damit, LED-Beleuchtung benötigt Gleichstrom und – im Zusammenhang mit dem Industrie- und Gebäudesektor besonders interessant – Photovoltaikanlagen erzeugen ebenfalls Gleichstrom. Die fortschreitende Digitalisierung und Automatisierung industrieller Prozesse erfordern eine zuverlässige und effiziente Stromversorgung. Es gilt, ungeplante Ausfälle zu vermeiden. Kritisch ist heute aber nicht nur die Mechanik der Maschinen, sondern auch die vielen Elektroantriebe und die komplexe digitale Steuerungstechnik. Schon ein Stromausfall von 300 bis 400 Millisekunden kann die Elektronik so beeinflussen, dass die Maschine nicht zuverlässig arbeitet, wenn kein Zwischenspeicher für den Notfall vorhanden ist.
Im Allgemeinen sorgt der Umstieg auf ein Gleichstromnetz dafür, Wandlungsverluste zu reduzieren und Energieverbräuche zu senken. Eine Netzstruktur basiert auf einer Wechselspannungseinspeisung, bei der die Umwandlung nicht mehr einzeln für jedes Gerät erfolgt, sondern zentral am Einspeisepunkt. Durch die direkte Versorgung mit Gleichspannung entfallen alle dezentralen Energiewandlungen. So wird eine zentrale Energiewandlung von Wechsel- auf Gleichstrom wesentlich effizienter. Zudem kann Gleichstrom in der Industrie, insbesondere aus erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaikanlagen, direkt genutzt werden – ohne den Umweg über das Wechselstromnetz und zusätzliche Wechselrichter. Wenn unterschiedliche Spannungsebenen vorliegen, kann eine DC-DC Wandlung erforderlich werden.
Ein weiteres Beispiel: In automatisierten Anlagen besteht ein hoher Leistungsbedarf, was zu hohen Stromspitzen führen kann. Durch den Einsatz von Gleichstromnetzen, die Batterien oder andere Speicher integrieren, ist es nicht notwendig, dass Stromspitzen aus dem Netz bedient werden. Denn die Speicher liefern genau dann Energie, wenn sie benötigt wird, was zu einer Einsparung der Stromkosten führt, da nicht nur die Strommenge, sondern auch die Spitzenleistung berücksichtigt wird.
Nachhaltigkeit und Energieeffizienz
DC-Netze benötigen nur zwei statt vier Leiter und ermöglichen – je nach Spannungsebene – auch durch potenziell geringere Kabelquerschnitte eine Kostenreduktion. In einer Gleichstromfabrik entfällt außerdem ein Teil der AC/DC-Wandler. Die Einsparungen an Material und Equipment tragen ebenso zur Nachhaltigkeit bei, wie die verbesserte Energieeffizienz, die in Gleichstromnetzen gegenüber Wechselstromnetzen erzielt werden kann.
Zudem entsteht bei Maschinen mit drehzahlgeregelten Elektromotoren, wie z.B. Robotern, beim Abbremsen Energie, die bisher im Wechselstromnetz in Wärme gewandelt wird. Gleichstromsysteme bieten die Möglichkeit der Rekuperation, also der Rückgewinnung der Energie, indem sie ins Netz zurückgespeist statt in Wärme umgewandelt wird. Dadurch können vorhandene Energieeffizienzpotenziale besser genutzt werden. Ähnlich verhält es sich bei dem Einsatz von drehzahlgesteuerten Motoren in Wechselstromnetzen. Diese Motoren sind in der Regel Gleichstromverbraucher. Der Nachteil besteht darin, dass bei jedem Gerät Wechselstrom separat in Gleichstrom umgewandelt werden muss.
Blick in die Zukunft
Die Fabrik der Zukunft hängt nicht mehr am öffentlichen Wechselstrom, sondern autark an einem Gleichstromnetz – das sagt zumindest der Zentralverband der Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI). Zum selben Schluss kommen auch die vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten und vom ZVEI begleiteten Forschungsprojekte mit dem Namen DC-Industrie – denn gerade für die Industrie 4.0 sind die Vorteile von Gleichstrom bestechend. Gleichstromnetze sind dabei nicht nur eine technologische Alternative, sondern ein wesentlicher Baustein für die Energie- und Mobilitätswende hin zu einer nachhaltigeren und effizienteren Industrielandschaft. Mit der zunehmenden Integration von erneuerbaren Energiequellen und der Notwendigkeit einer zuverlässigen, effizienten Stromversorgung sind DC-Netze prädestiniert, die Anforderungen moderner Produktionsumgebungen zu erfüllen.
