AC vs. DC

Warum Gleichstrom eine echte Alternative ist

| Autor / Redakteur: Katharina Juschkat / Rainer Graefen

Eine Entladung am Tesla-Trafo erzeugt hochfrequente Wechselspannung. Die Tesla-Transformatoren haben sich nicht durchgesetzt, der Wechselstrom stattdessen schon. Wird er bald obsolet?
Eine Entladung am Tesla-Trafo erzeugt hochfrequente Wechselspannung. Die Tesla-Transformatoren haben sich nicht durchgesetzt, der Wechselstrom stattdessen schon. Wird er bald obsolet? (Bild: gemeinfrei / CC0)

Seit dem Stromkrieg Ende des 19. Jahrhunderts dominiert der Wechselstrom unsere Stromnetze. Das hat über viele Jahre durchaus Sinn gemacht – aber der sinkende Wirkungsgrad unseres Wechselstromnetzes und die veränderte Stromnutzung kann ein Umdenken erfordern.

Er gilt als einer der größten Genies seiner Zeit: Thomas Edison, der als Erfinder der Glühbirne in die Geschichte einging. Doch Edison war nicht das, für was wir ihn heute immer noch feiern: Weder erfand er die Glühbirne – er vermarktete bloß die Patentrechte, die seiner Firma gehörten – noch war er das Genie, für das ihn viele halten. Edisons erstes Kraftwerk arbeitete mit Gleichstrom, was ihn fortan entgegen aller Argumente zum eisernen Verfechter dieser Technik machte. Obwohl Wechselstrom offensichtliche Vorteile mit sich bringt – man kann die Spannung einfach anpassen, um Strom über große Distanzen zu übertragen – versuchte Edison die Massen von seiner Technik zu überzeugen – und das mit brachialen Methoden.

So stellte er Tiere auf eine Metallplatte, die mit einem Wechselstromgenerator verbunden war und tötete öffentlich Hunde, Katzen und Pferde, um die angebliche Gefahr, die von Wechselstrom ausgeht, zu verdeutlichen – was ihn übrigens zum geistigen Vater des elektrischen Stuhls machte. Bekanntlich haben sich Tesla und Westinghouse, die Erfinder des Wechselstroms, dennoch mit ihrer Technik durchsetzen können. Ihnen gelang trotz allem Misskredit ein großer Coup, der die Massen überzeugte. Jetzt, fast 125 Jahre später, hat sich das Blatt gewendet – die Gleichstromtechnik macht aus vielen Gründen heute tatsächlich mehr Sinn als der Wechselstrom.

Es war die Weltausstellung in Chicago, die den beiden Erfindern letztlich dazu verhalf, die Welt von ihrer Technik zu überzeugen. Das Thema war 400 Jahre Kolumbus und dafür sollte die Ausstellung in einem Lichtermeer aufgehen. Edison glaubte den Auftrag schon in der Tasche zu haben, aber Westinghouse unterbot ihn um eine halbe Millionen Dollar. Die in elektrischem Licht erstrahlte Weltausstellung überzeugte nicht nur die fast 30 Millionen Zuschauer – die beiden Erfinder erhielten auch den Auftrag, das Kraftwerk am Niagarafluss zu bauen. Der Durchbruch der Wechselstromtechnik.

Neuerdings gewinnt die Gleichstrom-Technik neue Befürworter, denn die Art und Weise, wie wir Strom erzeugen, verteilen und verbrauchen, hat sich grundlegend geändert. Das wird auch in der Industrie auf allen Ebenen einschließlich der Verbindungstechnik tiefgreifende Veränderungen mit sich bringen und stellt uns vor neue physikalische und technische Herausforderungen.

Regenerative Energien speisen vermehrt Gleichstrom ein

Bisher erfolgt die Energieerzeugung mit Wechselstrom, beispielsweise in den Generatoren großer Kohle- und Kernkraftwerke, aber auch in Wasserturbinen. Die verteilen ihre Energie über ein Wechselspannungs-Stromnetz. Mittels Transformatoren lässt sich die Spannung auf einige 100.000 V erhöhen, das hält die Ströme in den Kabeln und damit die Verluste gering.

Bei Gleichstrom braucht man neue Komponenten, zum Beispiel Schalter, damit der Störlichtbogen erlischt. Das macht eine Umstellung nicht einfach.
Bei Gleichstrom braucht man neue Komponenten, zum Beispiel Schalter, damit der Störlichtbogen erlischt. Das macht eine Umstellung nicht einfach. (Bild: © 2017, All rights reserved. (Credit Image; vstudio.photos))

Doch zunehmend dringen Erzeuger ins Netz, die ihre Energie als Gleichstrom bereitstellen: Photovoltaikanlagen zum Beispiel, die zunehmend auch durch Batterien oder chemische Speicher unterstützt werden. Die Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom bringt jedoch Verluste mit sich – ein Gleichstromnetz wäre für diese Erzeuger die bessere Wahl.

Stromnetz wird dezentraler und kleinräumiger

Lange dominierten große Kraftwerke das Stromnetz, die ihre Energie sternförmig in die umliegenden Regionen verteilen. Doch mit dem Siegeszug der regenerativen Energien wird das Stromnetz dezentraler, kleinräumiger, oft wird Strom dort verbraucht, wo er erzeugt wird. Die Wechselspannungstechnik kann ihre Vorteile dort nicht ausspielen. Und auch über große Distanzen ist Wechselstrom nicht ideal. Die Übertragungsverluste nehmen deutlich zu. Aus diesem Grund baut etwa China aufwendige Netze mit Hochspannungs-Gleichstromübertragung – kurz HGÜ – die große Energiemengen von den Wasserkraftwerken im Inneren des Landes zu den Ballungsräumen an den Küsten bringen.

Auch in Deutschland plant die Bundesregierung zwei solche Trassen, die überschüssige Windenergie von den Küsten in den Süden leiten sollen. Das Problem ist zwar, dass eine HGÜ-Verbindung im Bau etwa doppelt so teuer ist, doch wegen der geringen Energieverluste soll sich die Gleichstromleitung ab einer Länge von etwa 400 km lohnen – bei Unterseekabeln, etwa zur Anbindung von Offshore-Windparks, schon ab 60 km. HGÜ-Verbindungen sind mittlerweile sehr zuverlässig. Vor allem durch Fortschritte in der Energieumwandlung durch Leistungselektronik können Gleichspannungen auf bis zu 800.000 V ohne Transformator gewandelt werden.

Immer mehr Elektrogeräte laufen mit Gleichstrom

Zuhause oder in Fabriken verteilt sich Strom über Niederspannungsnetze, entweder über Schukosteckdosen oder über Drehstromanschlüsse. Dabei benötigen heutzutage immer mehr Elektrogeräte Gleichstrom: Computer und andere elektronische Geräte oder LED-Lampen arbeiten mit Gleichstrom und brauchen deshalb ein Netzteil zur Wandlung. In den nächsten Jahren kommen noch Elektroautos dazu. Bei Antrieben in der Industrie kommen zur Drehzahlregelung immer häufiger Frequenzumrichter mit einem Gleichspannungszwischenkreis zum Einsatz. Würde man auf Gleichspannungsnetze mit zentraler Spannungswandlung setzen, so würden diese vielen Wandler überflüssig. In der Automobilindustrie gibt es bereits Pilotprojekte, um ganze Fertigungseinheiten nur mit Gleichstrom zu versorgen. Sie enthalten auch Batterien zum kurzzeitigen Speichern von Energie.

Fast die Hälfte unserer Energie geht verloren

Kabel werden bei Gleichstrom anders belastet als bei Wechselstrom – deshalb braucht es spezielle Kabel wie das ÖlflexDC 130H von Lapp.
Kabel werden bei Gleichstrom anders belastet als bei Wechselstrom – deshalb braucht es spezielle Kabel wie das ÖlflexDC 130H von Lapp. (Bild: Lapp)

Das überzeugendste Argument für den Wechsel ist der Wirkungsgrad. Früher, als Kohle- und Kernkraftwerke Wechselstrom ins Netz speisten und Staubsauger und Glühbirnen diesen auch direkt verwerteten, lag der Gesamtwirkungsgrad der Versorgung mit elektrischer Energie in Deutschland bei etwa 65 Prozent. Oder anders gesagt: Etwa ein Drittel der elektrischen Energie ging verloren, etwa durch Wärmeverluste. Heute verschärft sich die Lage zusehends, denn mit Photovoltaikanlagen und -kraftwerken und der zunehmenden Installation von Batteriespeichern gelangt immer mehr Strom ins Netz, der erst von Gleich- in Wechselspannung gewandelt werden muss. Dabei entstehen Verluste. Ebenso auf der Seite der Verbraucher: Netzteile werden heiß – ein fühlbarer Beweis, dass dabei Energie vergeudet wird. Dadurch ist der Wirkungsgrad unseres Energienetzes auf schätzungsweise 56 Prozent gesunken – und wird weiter sinken, wenn nicht grundlegend umgedacht wird.

Die Alternative ist der Einsatz von Gleichstrom-Technik für die Übertragung über große Distanzen mittels HGÜ sowie Niederspannungsnetze mit Gleichstrom in Haushalten und Industrie, an die man zum Beispiel sein Notebook, oder auch einen industriellen Antrieb, direkt – ohne Netzteil oder Wechselrichter – anschließen kann. Mit einer Photovoltaikanlage auf dem Dach und einem Elektroauto in der Garage wäre die Effizienz unübertroffen. Ein konsequent auf Gleichstrom ausgelegtes Energienetz käme auf einen Gesamtwirkungsgrad von 90 Prozent. Bei einem höheren Wirkungsgrad von zehn Prozent könnten die zwei größten Braunkohlekraftwerke in Deutschland abgeschaltet werden, das würde 63 Millionen Tonnen CO2 – zwölf Prozent des deutschen Kraftwerksausstoßes – einsparen, bei Stickoxiden wären es sogar 29 Prozent.

Umstieg auf Gleichstrom wirft viele Fragen auf

Während die Hochspannungs-Gleichstromübertragung bewährt und etabliert ist, sind auf der Niederspannungsseite noch etliche technische und wirtschaftliche Fragen zu klären. Ob Gleichstrom den Wechselstrom ablösen wird oder beide Technologien weiter parallel existieren, ist noch völlig unklar, ebenso wie die Frage, wie eine solche Koexistenz aussehen könnte. Auf dem Weg zu mehr Gleichstrom - in welcher Form auch immer - sind daneben auch einige technische und wirtschaftliche Hürden zu meistern, von denen wahrscheinlich viele noch nicht einmal bekannt sind.

Der Vorstand und CTO von Lapp sieht viel Potential im Gleichstrom: „Die möglichen Auswirkungen auf Kabel im Niederspannungsbereich wurden bisher nicht ausreichend betrachtet, deshalb wollen wir unser umfangreiches Wissen in das Projekt einbringen.“
Der Vorstand und CTO von Lapp sieht viel Potential im Gleichstrom: „Die möglichen Auswirkungen auf Kabel im Niederspannungsbereich wurden bisher nicht ausreichend betrachtet, deshalb wollen wir unser umfangreiches Wissen in das Projekt einbringen.“ (Bild: Wolfram Scheible)

Unternehmen wie der Kabelhersteller Lapp sind von den Vorteilen der Gleichstromtechnik überzeugt und sind sich sicher, dass der Paradigmenwechsel kommen wird. Deshalb beteiligt sich Lapp frühzeitig mit seinem Wissen in der Verbindungstechnologie. Das Unternehmen ist assoziierter Partner im Forschungsprojekt DC-Industrie, das sich mit der Frage beschäftigt, wie Gleichspannungsnetze mit einer zentralen Wandlung als energiesparende Alternative insbesondere für Antriebe in der Produktion etabliert und wie regenerative Energien besser eingebunden werden können. Das Projekt wird vom 6. Energieforschungsprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie gefördert.

* Diesen Beitrag haben wir von unserem Partnerportal Elektrotechnik übernommen.

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