Gleichstrom (DC) ist eine Form von elektrischer Energie, bei der der Strom in eine Richtung fließt. Thomas Edison entwickelte Ende des 19. Jahrhunderts das erste kommerzielle Gleichstromsystem für kleinere Netze, wie die Beleuchtung von Städten. Doch der Energieverlust über lange Distanzen durch den Widerstand der Kabel war ein großes Problem. Deshalb entwickelten Nikola Tesla und George Westinghouse in den 1880er-Jahren den Wechselstrom (AC). Der Strom ändert periodisch die Richtung und kann einfach in hohe Spannungen transformiert werden. Das heißt, es ist eine flexible Spannungsanpassung möglich, weshalb AC in den meisten lokalen Verteilnetzen zum Einsatz kommt. Mit der Entwicklung moderner Technologien wie HVDC (High Voltage Direct Current) und Gleichstrom-Verteilnetzen beginnt jedoch DC auch in Bereichen zu überzeugen, die traditionell von AC dominiert wurden. Im Kontext der Kommunikationstechnik wird der Begriff HVDC für Gleichstromspannungen im Bereich von 250 bis 400V DC verwendet. Diese übersteigen den Standard-Niederspannungsbereich von 48V DC deutlich, können aber mit entsprechenden Schutzmaßnahmen noch sicher gehandhabt werden.
HVDC – Ein Game-Changer im Rechenzentrum?
HVDC ist sehr interessant für den Einsatz in Datacentern und Rechenzentren, aufgrund der in diesen Anlagen eingesetzten Technik. Sowohl Batterien als auch USV-Systeme (unterbrechungsfreie Stromversorgung), die aufgrund der Hochverfügbarkeit innerhalb des Rechenzentrums eingesetzt werden, nutzen Gleichstrom. Zudem laufen Komponenten wie Prozessoren und Speicher innerhalb des IT-Equipments ebenfalls mit Gleichstrom. Auch werden Betreiber von Rechenzentren dazu aufgefordert, künftig verstärkt Strom aus erneuerbaren Energien zu nutzen. Es liegt deshalb nahe, dass beispielsweise vermehrt Photovoltaikanlagen, die ebenfalls Gleichstrom erzeugen, zur Energieerzeugung installiert werden. Mit einem zentralisierten DC-Netz entfällt also die Umwandlung von AC auf DC, was die Effizienz der gesamten Anlage um bis zu zehn Prozent steigern kann.
Auch wird die Stromversorgung generell vereinfacht, da weniger Komponenten erforderlich sind. Während AC-basierte Systeme mehrere Schritte wie Transformation, Gleichrichtung, Spannungsanpassung und Wechselrichter benötigen, kommen DC-Netze und das darin eingesetzte Equipment mit weniger Transformatoren und Wechselrichtern aus. Dies vereinfacht den Strompfad, reduziert Verluststellen und spart Platz und Wartungsaufwand.
Ein weiterer Vorteil von Gleichstrom liegt in der Verwendung von kleineren Kabelquerschnitten bei gleicher Leistungsübertragung. Es entsteht auch weniger Verlustwärme durch Widerstände. Dies senkt den Energiebedarf für Kühlsysteme und reduziert den Gesamtenergieverbrauch des Rechenzentrums erheblich. Da Kupfer eines der häufigsten Materialien für elektrische Leitungen ist, können kleinere Kabeldurchmesser zu erheblichen Kosteneinsparungen bei der Kupferverwendung führen, wodurch sich die Ressourceneffizienz spürbar verbessert. Dies ist besonders relevant, wenn Telekommunikationsunternehmen große Netzwerke mit Tausenden von Kilometern an Kabeln betreiben. Kleinere Kabelquerschnitte sorgen auch für ein verbessertes Handling der Kabel in Bezug auf Kabelbiegeradien und der physische Platzbedarf für die Kabelführung verringert sich. Dies kann zu Kosteneinsparungen bei der Miete von Infrastrukturflächen führen.
Während eine Umrüstung bestehender Rechenzentren und Datencenter aufgrund des hohen Aufwandes wirtschaftlich meist nicht darstellbar ist, gewinnt der Ansatz des HVDC aufgrund dieser Vorteile bei Neubauten von Rechenzentren und Datencentern immer mehr an Bedeutung. Doch neben den wirtschaftlichen Vorteilen spielt auch die Sicherheit eine zentrale Rolle. Vor allem bei den Bereichen, an denen Menschen mit diesen Spannungen in ‚Berührung‘ kommen, wie z.B. IT-Racks in Rechenzentren.
Sichere Stromverteilungssysteme für die Kommunikationstechnik
Die Verwendung höherer Spannungen und die Umstellung auf Gleichstromtechnologie bringen neue Sicherheitsanforderungen mit sich. Insbesondere bei 400V DC-Anwendungen müssen spezielle Schutzvorkehrungen getroffen werden, um den sicheren Betrieb zu gewährleisten. Herkömmliche Schutzsysteme, wie fliegend verdrahtete Hutschienen, sind in diesen Anwendungen nicht geeignet, da sie nicht den erforderlichen Schutz bieten. Stattdessen kommen speziell entwickelte, geschlossene Systeme zum Einsatz, die höhere Spannungen sicher handhaben können.
Ein Beispiel für eine solche Lösung ist die Power-D-Box PDB-HVDC-D06-R von E-T-A. Das Stromverteilungssystem ist für den Einsatz in DC 400V Anwendungen konzipiert und bietet einen redundanten Aufbau. Das bedeutet, es können zwei separate Stromversorgungen angeschlossen werden, um die Stromversorgung bei Fehlfunktionen oder Störungen eines Strompfads aufrechtzuerhalten. Das System bietet Platz für bis zu sechs steckbare, zweipolige Schutzschalter des Typs 8365, wodurch sowohl bei Problemen im Plus- wie auch bei Problemen im Minus-Pfad die Schutzschalter sicher und präzise auslösen. Diese Schutzschalter können Lasten bis zu 25A absichern und zeichnen sich durch eine magnetisch-hydraulische Auslösecharakteristik aus. Schutzschalter mit magnetischer Auslösung reagieren nahezu ohne Verzögerung auf Kurzschlussströme, indem sie den fehlerhaften Stromkreis schnell und zuverlässig trennen. Diese Auslösecharakteristik ist besonders vorteilhaft in Anwendungen, die eine präzise, temperaturunempfindliche Auslösung erfordern – wie es in der Kommunikationstechnik der Fall ist. In Kombination mit hydraulischen Auslöseelementen, die bei Überlast eine verzögerte Auslösung bewirken, bieten diese Schutzschalter eine zuverlässige und sichere Lösung. Dies sorgt für eine hohe Betriebssicherheit, selbst bei Ausfällen von Kühlungssystemen oder der Klimatisierung. Die mechanisch codierten Einspeise-Konnektoren verhindern ein versehentliches Vertauschen der Stromeinspeisung. Für die Lastabgänge stehen SAF-D-Grid-Konnektoren zur Verfügung. Deren Gehäuse dämmen den Lichtbogen, falls der Steckverbinder unter Last gesteckt oder getrennt wird, ein. Mehrere Erdungsanschlüsse erleichtern zudem die Integration von Isolationswächtern, die für zusätzliche Sicherheit sorgen. Das Stromverteilungssystem kann in allen Applikationen eingesetzt werden, die von einer strombegrenzenden PSU (Power Supply Unit) versorgt werden.
Chancen und Herausforderungen
Obwohl HVDC zahlreiche Vorteile bietet, bleiben einige Herausforderungen zu bewältigen. Die Umstellung bestehender Systeme auf Gleichstrom ist mit hohen Investitionskosten verbunden, und es besteht ein großer Bedarf an Standardisierung, um die Integration von HVDC-Technologien zu erleichtern. Zudem erfordert der Umgang mit Gleichstromtechnik spezielle Schulungen für Fachkräfte.
Nichtsdestotrotz ist die Zukunft von HVDC vielversprechend. Die steigende Nachfrage nach effizienter Energieübertragung, die zunehmende Bedeutung von nachhaltigen Energielösungen und der wachsende Bedarf wirtschaftlichen Kommunikationsnetzen werden die Akzeptanz von HVDC weiter vorantreiben.
Fazit
Die Hochspannungs-Gleichstromübertragung ist eine zentrale Technologie für die Zukunft der Stromverteilung. Sie bietet nicht nur erhebliche Effizienzgewinne, sondern auch neue Möglichkeiten zur Ressourcenschonung und zur Integration erneuerbarer Energien. Gleichzeitig erfordert der Umgang mit höheren Spannungen und die Umstellung auf Gleichstromtechnologie besonders hohe Sicherheitsstandards. Unternehmen wie E-T-A bieten mit fortschrittlichen Schutzlösungen, die sie speziell für DC 400V-Anwendungen entwickelten, eine wichtige Unterstützung für die Stromverteilung der Zukunft. Die kontinuierliche Weiterentwicklung von HVDC-Technologien wird einen entscheidenden Beitrag zur Bewältigung der globalen Energieherausforderungen leisten.
