Energieeffizient Gleichstromnetze für kommerziell genutzte Gebäude

Durch zentrale Gleichrichter und eine Elektrizitätsverteilung mit Gleichspannung können in Gebäuden Kosten für Schaltnetzteile reduziert und die Effizienz der Nutzung lokaler regenerativer Energien gesteigert werden.

Gleichzeitig kann die Netzstabilität im umgebenden Drehstromnetz durch aktive Blindleistungsregelung am zentralen Gleichrichter verbessert werden.

Die Schonung fossiler Energiereserven und die Reduzierung von Treibhausgas-Emissionen erfordern unter anderem energieeffizientere Gebäude, die in Europa derzeit für etwa 40 % des Energieverbrauchs verantwortlich sind. Die Europäische Kommission hat 2010 im Artikel 9 der Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden festgelegt, dass neue Gebäude ab 2018 beziehungsweise 2021 nur noch als Nullenergiegebäude zugelassen werden sollen [1]. Besonders energieeffiziente Gebäude werden häufig nur noch mit Elektrizität versorgt werden [2]; mitunter deshalb, weil diese sich besonders gut regeln lässt [3]. Zur Regelung der elektrischen Leistung werden Leistungselektroniken verwendet, die überwiegend mit Gleichspannung (DC) versorgt werden. Beispiele hierfür sind drehzahlgeregelte Antriebe in Wärmepumpen und Lüftungsanlagen sowie Vorschaltgeräte für die Beleuchtungstechnik.

All diese Anwendungen werden heute aus einem Niederspannungsdrehstromnetz (AC) versorgt (Bild 1). Daher enthalten diese Anlagen Gleichrichter, um die benötigten internen Versorgungsgleichspannungen bereitzustellen. Gleichzeitig werden Gebäude immer häufiger mit Solarenergieanlagen ausgerüstet, deren Solarzellen zunächst ebenfalls Gleichstrom erzeugen. Die Drehstromverteilung in Gebäuden erfordert hierbei zunächst das Umwandeln des Solarstroms in Drehstrom, bevor dieser Drehstrom oder Wechselstrom wieder in eine Gleichspannung umgewandelt wird.

Diese verlustbehafteten Umwandlungen von Gleichstrom in Drehstrom und umgekehrt können reduziert werden, wenn Elektrizität für fest installierte Anwendungen mit einem Gleichstromnetz transportiert wird (Bild 2).

Die elektrischen Anwendungen werden dabei - je nach Leistung - entweder an eine einphasige Gleichspannung von 380 V oder an eine zweiphasige Gleichspannung von 760 V angeschlossen. Eine „Phasen“-Gleichspannung von 380 V ist vorteilhaft, weil diese Spannung bereits heute in vielen Anwendungen intern verwendet wird. In Europa liegt eine Phasen-Gleichspannung von 380 V etwas oberhalb der maximalen Netzspannungsamplitude von 358 V (110 % × √2 × 230 V) (Bild 3).

Bei einer Gleichstromverteilung mit zentralem Gleichrichter übernehmen ein oder mehrere zentral angeordnete, bidirektionale AC/DC-Konverter die Schnittstelle zum bestehenden Niederspannungsnetz. Auf diese Weise werden zwei unterschiedliche technische Herausforderungen der Zukunft gelöst.

  • Erstens kann eine entsprechend große und hochwertige leistungselektronische Komponente als intelligentes Element mit vielen Funktionen innerhalb eines „Smart Grid“ realisiert werden. Dadurch werden neue Möglichkeiten zur Regelung von Strom und Spannung im Drehstromnetz eröffnet. Prinzipiell können so Blindleistung und Oberwellen im Drehstromnetz lokal kompensiert werden. Es besteht auf diese Weise auch die Möglichkeit, durch geeignete Kommunikation und Steuerung „Gleichrichtereinheiten“ als geregelte Blindleistungsquellen zu verschalten und so in einem bestimmten Rahmen die Netzqualität zu erhöhen.
  • Zweitens ermöglicht die Zusammenfassung von vielen Gleichrichtermodulen kleiner Leistung Skalenvorteile, die zu einem höheren Wirkungsgrad und zu geringeren Systemkosten pro Watt installierter Leistung führen.

Es ist deshalb an der Zeit, das Paradigma des Niederspannungsdrehstromnetzes für spezielle kommerziell genutzte Gebäude mit hohem Energiebedarf wie z.B. Supermärkten [4] zu hinterfragen.

Vergleich von Gleich- mit Wechselspannung

Das vorgeschlagene Gleichstromnetz hat gegenüber Drehstrom verschiedene Vorteile. Bild 4 illustriert Leitungsverluste durch reinen Wirkstrom in einer 400-V-Drehstromleitung anhand eines Beispiels, in dem drei Lastgruppen mit zusammen 6.600 W versorgt werden. Der Leiterstrom von 10 A verursacht an dem angenommenen Leiterwiderstand von 1 Ω einen Spannungsabfall von 10 V und damit Verluste von 300 W, das entspricht 4,3 % der Eingangsleistung des Kabels. Im Neutralleiter N fließt kein Strom, weil sich die drei Phasenströme mit einer Phasenverschiebung von jeweils 120 Grad zu Null addieren. Eine zusätzliche Blindleistungsübertragung im Kabel würde die Verluste weiter erhöhen.

Wird bei einer Gleichstromübertragung der gleiche Gesamtleiterquerschnitt für das Kabel wie im Beispiel Drehstrom berücksichtigt, dann folgt daraus ein um 25 % größerer Leiterquerschnitt, da für die zwei Phasen im Gleichstromnetz ein Leiter weniger erforderlich ist (Bild 5). Damit reduziert sich der Leiterwiderstand um 20 % auf 0,8 Ω. Um nun die zwei Lastgruppen mit ±380 V und einer Gesamtleistung von 6.600 W zu versorgen, sind zwei Phasenströme von jeweils 8,85 A erforderlich. Diese Phasenströme erzeugen im Gleichstromkabel Verluste von 125 W, das entspricht hier 1,9 % der Eingangsleistung des Kabels. Damit sind die Kabelverluste im Gleichstrombeispiel um 58 % geringer als die Verluste im Drehstromkabel bei gleichem Gesamtleiterquerschnitt. Allgemeiner ausgedrückt halbieren sich die Leitungsverluste durch den Übergang von einer Drehstromübertragung auf die vorgeschlagene Gleichstromübertragung durch den höheren Effektivwert der Spannungen im Gleichstromnetz. Zusätzliche Verluste durch Blindstrom können im Gleichstromleiter prinzipiell nicht entstehen. Alternativ kann man ein Gleichstromkabel vom Gesamtquerschnitt so dimensionieren, dass die gleichen Kabelverluste von 300 W wie im Drehstrombeispiel entstehen. Hierfür kann der Leiterwiderstand von 0,8 auf 1,8 Ω ansteigen. Der Gesamtleiterquerschnitt des Gleichstromkabels reduziert sich dadurch um 56 %.