Die Netzrevolution

Warum forschen Sie an DC-Netzen?

Rik De Doncker: Wir werden in Zukunft viel mehr dezentrale Erzeuger haben, die an mehreren Punkten ins Netz einspeisen, als heute. Das klassische Drehstromverteilnetz ist radial ausgerichtet und wurde dafür nicht ausgelegt. Die Energie, die man in Großkraftwerken erzeugt, wird über das Hochspannungs- und Höchstspannungsverbundnetz radial in die Mittel-und Niederspannungsnetze verteilt. Die Energie kommt also über die Unterwerke und deren Transformatoren von oben. In radialen Netzen ist die Koordination von Schutzmechanismen gegen Kurzschlüsse leicht zu implementieren. Bei den dezentralen Erzeugern kommt die Energie aber zunehmend von der Seite oder von unten, also direkt aus den Mittelspannungsnetzen oder bei den Photovoltaikanlagen sogar aus den Niederspannungsnetzen. Mit der DC-Netztechnologie sind wir in der Lage, auch Verbundnetze auf Nieder-und Mittelspannungsebene aufzubauen.

… also zum Beispiel Niederspannungsnetze direkt miteinander zu verbinden. Das kann man doch auch in Wechselspannungsnetzen über Transformatoren.

Transformatoren haben eine feste Spannungsübersetzung und können die Amplitude und Phase der Ausgangsspannung nicht regeln. Das kann dazu führen, dass große Kreisströme entstehen, wenn darüber zwei AC-Netze verbunden werden. Das Problem gibt es nicht, wenn wir zwei DC-Netze über Leistungselektronik verbinden, die die Spannung beliebig regeln kann.

Warum ist eine Verbindung zwischen Niederspannungsnetzen wichtig?

Stellen Sie sich vor, in einem Stadtviertel ist viel Photovoltaik installiert. In einem anderen Stadtviertel gibt es wenig Photovoltaik und mehr Industrie. Um den Solarstrom von dem einen Viertel in das andere zu leiten, muss der Verteilnetzbetreiber ihn derzeit über die 110-Kilovolt-Hochspannungsnetze führen. Die Photovoltaikenergie muss also einen großen Kreislauf durchlaufen. Das führt zu Transportverlusten und verursacht Kosten. In vielen anderen Ländern gehört das 110-Kilovolt-Netz den Hochspannungsnetzbetreibern und man muss sogar bis zu drei oder vier Cent pro Kilowattstunde bezahlen, um die Energie in das Hochspannungsnetz zurückspeisen zu dürfen oder zu entnehmen.

Es geht also darum, auf regionaler Ebene einen besseren Ausgleich zwischen Erzeugung und Last zu schaffen?

Genau. Deswegen sprechen wir auch von den zellulären Systemen. Man kann sich vorstellen, dass wir um die Stadt einen Kreis von Kabelverbindungen legen, also einen DC-Ring-Bus, und dass man dort von überall einspeisen und Energie entnehmen kann. So etwas kann man nur mit Gleichspannungstechnik technisch realisieren und sich kosteneffektiv vorstellen.

Was muss noch entwickelt werden, um Gleichstromnetze großflächig einzusetzen?

Die Technik für die Leistungselektronik für DC-DC-Spannungswandler, DC-Hybrid-Schutzschalter gibt es. Die Standardisierung, die Überwachungssysteme und die Schutzprotokolle müssen aber noch entwickelt werden. Es gibt bisher keine internationalen Richtlinien und Normen, wie man Mittelspannungs- und Niederspannungs-Gleichstromnetze sicher konstruiert und installiert. Auch die Spannungsniveaus sind noch nicht international definiert.

Die Diskussion um DC- oder AC-Netze geht ja zurück bis auf die Anfänge des Energiesystems.

Genau. Das war der Disput zwischen Edison und Westinghouse. Westinghouse hat das europäische Patent des Transformators gekauft. Damit war es möglich, elektrische Energie auf höhere Spannung zu setzen und mit dünneren Leitungen und weniger Kupfer über längere Strecken zu verteilen. Auf der anderen Seite war Edison bei General Electric nicht in der Lage, die Gleichspannung auf Hochspannung zu transformieren. Damals gab es keine Leistungselektronik. Deswegen brauchte man für ein Gleichspannungsnetz für jede Meile ein neues kleines Kraftwerk und sehr teure Kabel. Im Vergleich zu damals hat sich geändert, dass es heute kostengünstige Leistungselektronik gibt. Sie ermöglicht, über DC-DC-Wandler die Spannung beliebig zu transformieren. Die Kosten eines leistungselektronischen Wechselrichters, der Spannung und Frequenz beliebig stellen kann, sind heute fast dieselben wie bei einem klassischen 50-Hertz-Transformator. Nun gibt es also das Marktpotenzial, um diese Technologie wirtschaftlich einzusetzen und damit flexible Verbundnetze auf geringerer Spannungsebene aufzubauen.

Was würde eine Umstellung für die privaten Verbraucher bedeuten, müssen sie sich dann auch den DC-Kühlschrank kaufen?

Viele Geräte sind heute schon DC-fähig. Sie sind dafür vielleicht nicht zertifiziert, aber bei vielen Geräten wie Spülmaschinen, Waschmaschinen und Kühlschränken laufen die Motoren über DC-Leistungselektronik. Die Netz-Wechselspannung wird zunächst gleichgerichtet. Das gilt übrigens auch für Wärmepumpen, Staubsauger und die Elektronik in Fernsehern, CD-Playern, Computern und so weiter.

Die Generatoren von Photovoltaikanlagen laufen ja auch mit Gleichstrom. Da ist das Problem mit den Lichtbögen bekannt.

Das ist genau, was ich meinte: Die Normen, wie man Schutzfunktionen gegen Kurzschlüsse einsetzt, müssen noch geschaffen werden. In der Forschung kommen wir mehr und mehr zum Schluss, dass ein sicheres DC-Netz häufig einfacher, aber anders zu konstruieren ist als ein sicheres AC-Netz. Leistungselektronik kann sehr schnell auf Störungen reagieren. Es ist möglich, Lichtbögen schnell komplett abzuschalten. Wir haben die Technologie, wir nennen sie hybride Schutzschalter, seit Jahrzehnten entwickelt. Allerdings ist nicht sicher, ob und wo man sie am Ende wirklich benötigt.

Der Übergang von AC-Netzen zu DC-Netzen könnte sehr aufwendig sein, da auf einmal sämtliche Komponenten ausgetauscht oder parallele Strukturen betrieben werden müssen. Wie könnte so ein Übergang aussehen?

In großen Anlagen mit dezentraler Erzeugung, zum Beispiel in Windfarmen oder großen Photovoltaikanlagen, steht die DC-Spannung ja zur Verfügung. Dort kann man die ersten großen Mittelspannungs-DC-Anlagen bauen. Weiterhin werden große Datencenter auf DC-Technologie umgestellt, um sie effizienter und energiesparend betreiben zu können. Wenn dort die Machbarkeit demonstriert worden ist, wird man systematisch auch andere Erzeuger wie Gasmotoren, die Biogas verbrennen, und Batteriespeichersysteme an diese DC-Netze anschließen. Da man jedes Mal einen Wechselrichter spart, gibt es erhebliche Kostenersparnisse. Das kann zum Beispiel eine Kommune nutzen, wenn sie relativ autark arbeiten möchte.

Das heißt, man würde so etwas wie DC-Inseln schaffen?

Genau. Diese Zellen werden dann systematisch größer und vernetzt. Dadurch bekommt man eine DC-Netzstruktur. Übrigens: In Deutschland gibt es bereits 4.000 Kilometer DC-Netze bei den U-Bahnen. Ich sehe viel Potenzial, diese DC-Technologie mit Regenerativen zu verknüpfen. Man kann vielleicht Batteriespeichersysteme anschließen und die Netze systematisch weiter bis auf Mittelspannungsebene ausbauen.

Sie wollen mit den DC-Netzen den Verbund auf unterer Ebene und den lokalen Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch erleichtern. Die Politik in Berlin setzt aber auf das gegenteilige Konzept. Sie will einen europaweiten Binnenmarkt für Stromhandel und Regelenergie schaffen, das Gegenteil von lokalem Ausgleich. Es gibt daher auch keine Anreize für den lokalen Ausgleich. Wieso glauben Sie, dass er trotzdem eine größere Rolle spielen wird?

Ich bin überzeugt, dass Marktmechanismen der Physik und Wirtschaftlichkeit unterliegen. Seit dem Jahr 2000, also seitdem die Marktliberalisierung eingeführt wurde, gewinnt die dezentrale Erzeugung mit KWK-Anlagen und Regenerativen ständig an Interesse. Übrigens sind die Konzepte der DC-Netze mit zellularen Strukturen in den Verteilnetzen mit den DC-Hochspannungstransportnetzen, wo die Regeln für einen europaweiten Stromhandel gelten, perfekt zu kombinieren.

Ich habe den Eindruck, Sie müssen auch bei Leistungs- und Netzexperten noch viel Überzeugungsarbeit leisten, dass die DC-Netze kommen werden. Wie schätzen Sie die Stimmung zu DC-Netzen ein?

Langsam, aber sicher wächst das Verständnis, dass mit der modernen Leistungselektronik neue, flexible DC-Netzstrukturen möglich sind, die effizienter und kostengünstiger als die klassische Drehstromnetze gebaut werden können. In vielen Drehstomverteilnetzen wird aufgrund von Vorschriften bezüglich Stromversorgungsqualität die Infrastruktur nur bis zu 30 Prozent der installierten Kapazitäten genutzt. Mit DC-Netzen und leistungselektronischen DC-Transformatoren wird Material eingespart und Kabel können bis zu deren thermischen Kapazitäten belastet werden. Auf internationalen Konferenzen wird die Transformation wirklich intensiv diskutiert. Das große Interesse an unserem BMBF-Forschungscampus Flexible Elektrische Netze zeigt ja, dass Hersteller und Netzbetreiber aus Europa, Japan, Kanada und den USA das Thema ernsthaft angehen.

(Das Gespräch führte Michael Fuhs)

Info-Kasten: Forschungskonsortium Flexible Elektrische Netze (FEN)

In diesem Konsortium forschen die RWTH Aachen und 14 namhafte Industrieunternehmen wie unter anderem Eon, Siemens, Fuji Electric, GE, RWE, Maschinenfabrik Rheinhausen und Hagar an DC-Netzen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert diese Forschung in den nächsten fünf Jahren mit zehn Millionen Euro. Die gleiche Summe schießen die beteiligten Industrieunternehmen zu.www.fenaachen.net