Modulare Steckverbinder als Alternative
Neue Anforderungen an Verbindungstechnik in der All Electric Society
Die Anforderungen an elektrische Verbindungen steigen kontinuierlich. In diesem Zusammenhang gewinnen modulare Steckverbindungen weiter an Bedeutung, die eine leistungsfähige Alternative zu klassischen Systemen wie z. B. CEE-Steckern darstellen.
Die Idee der All Electric Society beschreibt eine Zukunft, in der Energie nahezu ausschließlich aus erneuerbaren CO₂-neutralen Quellen stammt. Für diese Transformation steigt der Bedarf an elektrischer Energie kontinuierlich – sowohl im Wechselstrom- (AC) als auch im Gleichstrombereich (DC). Dies erfordert nicht nur eine massive Erhöhung der elektrischen Energieerzeugung, sondern auch deren effiziente Verteilung und Speicherung. Mit dem Ausbau erneuerbarer Energien entstehen also neue Herausforderungen: Photovoltaikanlagen und Windparks speisen hohe Ströme in das Netz ein. Batteriespeichersysteme müssen diese Energie puffern und bei Bedarf einspeisen. Gleichzeitig gewinnen Power-to-X-Anwendungen immer mehr an Bedeutung. Auch die Digitalisierung trägt zu steigenden Strombedarfen bei, da für KI-Anwendungen und Cloud-Dienste große Energiemengen benötigt werden.
In diesem Zusammenhang gewinnt der Steckverbinder als zentrale Schnittstelle für Strom- und Datenübertragung immer mehr an Bedeutung. Er muss hohe Ströme sicher und zuverlässig übertragen und gleichzeitig die Anforderungen an Miniaturisierung, Thermomanagement, elektromechanische Verträglichkeit und Datenintegrität erfüllen.
Die Anforderungen an das Steckverbindersystem steigen und variieren je nach Einsatzgebiet:
Erneuerbare Energieerzeugung und Energieverteilung
Photovoltaik- und Windenergieanlagen speisen hohe elektrische Ströme in das Netz ein. Beispielsweise erzeugt eine 10-kW-PV-Anlage Stromstärken von bis zu 42 A. Steckverbinder müssen hier sowohl für DC- als auch AC-Umgebungen ausgelegt sein und gleichzeitig hohe Umweltanforderungen erfüllen. Dazu gehört die Beständigkeit gegen UV-Belastung sowie Feuchtigkeit und Staub (IP-Schutzklassen). Luft- und Kriechstrecken sowie Berührschutz sind essenziell.
Batteriespeichersysteme
Stationäre und mobile Batteriespeichersysteme puffern Energie meist aus erneuerbaren Quellen und speisen sie bedarfsgerecht in das Netz. Um Energieverluste möglichst gering zu halten, müssen Steckverbinder in diesen Systemen hohe Lade- und Entladeströme sicher übertragen, thermisch stabil sein und geringe Übergangswiderstände aufweisen.
Power-to-X
Power-to-X umfasst alle Technologien, die elektrische Energie in andere Energieformen wie Wasserstoff, Methan oder Wärme umwandeln. Diese Prozesse sind komplex und sicherheitskritisch. Steckverbinder in diesem Anwendungsbereich müssen nicht nur hohe Dauerstrombelastung tragen, sondern auch mechanisch robust, vibrationsfest, korrosions- und temperaturbeständig sein. Zudem sind eine zuverlässige Verriegelung und ein Berührschutz wichtig.
Hochstromanwendungen in Rechenzentren
Rechenzentren gehören zu den am schnellsten wachsenden Sektoren mit sehr hohem Verbrauch von elektrischer Energie. Schon heute verbrauchen Rechenzentren in etwa so viel Strom wie ganz Deutschland. In den nächsten fünf Jahren wird sich dieser Wert voraussichtlich verdoppeln. Innerhalb der Rechenzentren gibt es diverse Anwendungsfelder, in denen aufgrund modularer Bauweise und verkürzter Bauzeiten fortschrittliche Steckverbinder notwendig sind. Besonders energieintensiv sind hier die Bereiche Heizung, Lüftung, Klimatisierung und Kühlung sowie Notstromversorgung und Energiebereitstellung.
Eine zentrale Komponente in einem Rechenzentrum ist die PDU (Power Distribution Unit). Der Stromverbrauch wird über die PDU erfasst und optimiert. Anschließend verteilt das System den Strom an weitere Geräte wie Server, Router oder Switches. Angesichts des enormen Strombedarfs muss die Strombelastbarkeit pro Leiter maximiert werden. Daher werden Steckverbinder benötigt, die nicht nur die erforderliche Stromstärke pro Kontakt gewährleisten, sondern auch die mechanische Belastung durch die dicken Leitungen aushalten.
Schwere Steckverbinder vs. CEE-Stecker
Phoenix Contact hat darauf mit einer Reihe von Hochleistungssteckverbindern reagiert, die die Installation und Wartung von Stromverteilungssystemen vereinfachen. Vor allem das weit verbreitete CEE-Stecksystem stößt mit seinen unhandlichen Abmessungen an seine Grenzen.
Im Vergleich: CEE-Stecker und moderner Hochleistungsstecker
Schwere Steckverbinder haben gegenüber CEE-Steckern deutliche Vorteile. Die Hochleistungssteckverbinder von Phoenix Contact benötigen laut Unternehmensangaben nur ein Drittel der Fläche, besitzen aber eine um 58 Prozent höhere Stromtragfähigkeit. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist der Verlustwiderstand, der um bis zu 62 Prozent geringer ist als beim CEE-Stecker. Dadurch profitieren Anwendungen in punkto der Stromkosten doppelt: Erstens werden Stromverluste reduziert. Zweitens ist weniger Kühlleistung erforderlich.
Auch wenn die Anforderungen an die Steckverbinder in Hochstromanwendungen variieren, sie weisen gemeinsame Merkmale auf, die von traditionellen Steckverbindern wie dem CEE-Steckverbinder nicht mehr erfüllt werden. Mit der sperrigen Bauform und begrenzten Flexibilität ist er für viele Anwendungen nicht mehr geeignet. Besonders in Bezug auf die Entwicklung der Leistungsniveaus von Hochenergie- und Hochstromanwendungen wird deutlich, dass für die Anwendungen der Zukunft neue Konzepte gefragt sind.
Kombination von Power-, Daten- und Signalmodulen
Module für Power, Signale und Daten
Phoenix Contact bietet mit dem System „Heavycon Modular“ eine leistungsfähige Alternative. Das modulare System ermöglicht die individuelle Kombination von Power-, Daten- und Signalmodulen, um einen individuell auf die Applikation zugeschnittenen Steckverbinder zu erstellen. Dabei ergeben sich folgende Auswahlmöglichkeiten:
Datenmodule: Module wie MBit, GBit, USB und RJ45 ermöglichen die zuverlässige Datenübertragung in industriellen Anwendungen wie Bildverarbeitung und Robotik, Maschinensteuerung, cloudbasierten Diensten sowie der Kommunikation zwischen Servern, Workstations und Speicherlösungen.
Signalmodule: Für die Kommunikation mit Feldgeräten wie Sensoren und Aktoren stehen robuste Signalmodule zur Verfügung, die auch unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeiten.
Power-Module bis 300 A: Die größte Innovation besteht im Bereich der Power-Module. Während der klassische CEE-Stecker bis zu 125 A überträgt, ermöglichen die neuen Power-Module von Phoenix Contact Stromtragfähigkeiten von bis zu 300 A – und das bei einer kompakten Bauform. Die Stromtragfähigkeit beträgt bei Single-Modulen mit Push-in-Anschluss 76 A. Bei Single-Modulen mit Crimpanschluss liegt sie bei 100 A. Doppelmodule mit Crimpanschluss erreichen bis zu 300 A.
Ein großer Vorteil ist die werkzeuglose Montage und Demontage der Module und Leitungen. Die Module lassen sich werkzeuglos in den Modulträgerrahmen montieren, die bekannte Federmontage sorgt für eine stabile, vibrationssichere Fixierung. Die Leitungen lassen sich mit der bekannten Push-in Technology komfortabel und werkzeuglos in die Module installieren.
Die innovative Rastfunktion der Crimpmodule ermöglicht eine einfache Montage durch Einführen der Leitungen in das Modul. Die Rastnasen halten den Crimpkontakt in Position. Eine einfache Demontage der Leitungen wird durch die Entriegelungshebel oder das Drehen des Moduloberteils um 45 Grad ermöglicht.
Ein weiterer Nutzen des Systems „Heavycon Modular“ ist seine Erweiterbarkeit. Schreitet die Entwicklung fort, lassen sich neue Module jederzeit in das Portfolio integrieren. Rahmen und Gehäuse können weiterhin verwendet werden. Dies erleichtert die Planung und Skalierung elektrischer Infrastruktur erheblich.
Fazit
Die All Electric Society stellt neue Anforderungen an die elektrische Infrastruktur – insbesondere an Steckverbinder für Hochstromanwendungen. In Bereichen wie erneuerbare Energien, Batteriespeicher, Datenzentren und Power-to-X-Anwendungen sind modulare Steckverbinder bereits heute eine leistungsfähige Alternative zu etablierten Lösungen wie dem CEE-Stecker. Ihre Anpassbarkeit, hohe Stromtragfähigkeit und modulare Bauweise machen sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil zukünftiger Energiesysteme.
Für Planer und Entwickler bieten sie in erster Linie Sicherheit und Flexibilität: Mit neuen Modulen können bestehende Systeme jederzeit erweitert und an neue Anforderungen angepasst werden. Ein entscheidender Vorteil in einer Welt, in der der Energiebedarf weiter steigt.
