DC-Mikronetz-Stromversorgungen: Universelle Lösungen für die industrielle Automatisierung

Illustration eines Mikronetzes mit Integration von Solar-, Wind-, Lithium-Ionen-Speicher- und Haussystemen zur Energieversorgung
Die Netzstromverteilung in Gebäuden variiert je nach Anwendung, Sicherheits-anforderungen und historischer Entwicklung. Bei Wechselstrom sind Nennspannung und Frequenz entscheidend, wobei globale Standards die Spannungspegel prägen.

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Einleitung

Wir sind daran gewöhnt, dass der Strom, der aus unseren Steckdosen kommt, Wechselstrom (AC) ist. Doch das war nicht immer so. Zu Beginn der Elektrifizierung wurde auch Gleichstrom (DC) weit verbreitet eingesetzt. Die Geschichte der Rivalität zwischen Edison und Tesla um Wechsel- oder Gleichstrom ist gut dokumentiert [1], wobei sich Teslas Wechselstromlösung schließlich als globaler Standard durchsetzte. Das dynamische industrielle Umfeld von heute erfordert eine größere Flexibilität und Effizienz bei Stromversorgungssystemen, und Gleichstrom erlebt ein starkes Comeback – besonders da viele erneuerbare Energietechnologien wie Solarpanels und Hausbatteriesysteme von Natur aus mit Gleichstrom betrieben werden.

Wechselstrom versus Gleichstrom in Gebäudeverteilungen

Bei der Netzstromverteilung in Gebäuden gibt es eine große Vielfalt an Spannungspegeln, Spezifikationen, Formfaktoren und Toleranzen. Die Logik zur Bestimmung der Anforderungen an eine Wechselstrom- oder Gleichstromverteilung basiert typischerweise auf den Anforderungen der Anwendung, der Sicherheit, der Wirtschaftlichkeit, der historischen Entwicklung und idealerweise auf praktischen Überlegungen. Selbst wenn wir uns ausschließlich auf Wechselstromverteilungen konzentrieren, gibt es zahlreiche Spannungspegel und Bereiche, die durch eine Vielzahl globaler Standards festgelegt sind. Die grundlegenden Merkmale, die eine Busbar definieren, sind ihre Nennspannungs- und Frequenzcharakteristik (wobei die maximalen Stromstärken eher für die Dimensionierung von Leitern, Infrastruktur und verwandten Komponenten relevant sind). Einen schnellen Überblick über das globale Wechselstromnetz [2] gibt Abbildung 1.

Weltkarte der Netzsteckertypen, Spannungsbereiche und Steckdosennormen mit Sicherheitssymbolen

Abb. 1: Netzstrom nach Ländern und, insbesondere für Kontinentaleuropa, für den öffentlichen Bereich, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8781813

Ein weiterer Vorteil von isolierten DC/DC-Wandlern ist die stabile, präzise geregelte Gate-Spannungsversorgung, die unabhängig von der Hauptstromversorgung arbeitet. In typischen Gate-Drive-Schaltungen wird die Gate-Spannung von der Primärversorgung über einen Linearregler oder eine Bootstrap-Schaltung erzeugt. Linearregler sind zwar einfach zu implementieren, leiden jedoch allgemein unter niedrigem Wirkungsgrad und hoher Verlustleistung, insbesondere wenn der Spannungsunterschied zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung groß ist. Diese überschüssige Verlustleistung kann zu Herausforderungen beim Wärmemanagement führen, wodurch möglicherweise zusätzliche Kühlkörper oder aktive Kühllösungen erforderlich werden.

Im Gegensatz dazu verwenden Bootstrap-Schaltungen einen Ladungspumpenmechanismus, um die Gate-Spannung des High-Side-Transistors in einer Halbbrückenkonfiguration bereitzustellen. In solchen Schaltungen ist es entscheidend, den Bootstrap-Kondensator entsprechend zu dimensionieren, um sicherzustellen, dass ausreichend Ladung vorhanden ist, um das Gate des Transistors während der gesamten Einschaltdauer anzusteuern. Das Tastverhältnis und die Schaltfrequenz wirken sich direkt auf die Leistung aus und können zu Spannungsabfall oder Instabilität führen, wenn sie nicht korrekt berücksichtigt werden.
RECOM RACM1200-48SAV/ENC-Etikett
Abb. 2: Sicherheitsetikett eines RECOM AC/DC-Netzteils (Beispiel)
Bei genauerer Betrachtung der globalen Spannungsstandards zeigt sich ein Bereich von 100–240VAC bei entweder 50 oder 60Hz. Dies könnte den Eindruck erwecken, dass ein einziges Netzteil den gesamten Spannungs- und Frequenzbereich abdecken und somit universell mit jeder Wechselstromquelle kompatibel sein sollte – doch das ist nicht unbedingt der Fall. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein Sicherheitsetikett eines Netzteils, das auf jeder zertifizierten, international versandfähigen Lösung zu finden ist.

Es mag naheliegend erscheinen, einen möglichst breiten Bereich zu unterstützen, aber wie bei allem im Leben (insbesondere bei Strom) gibt es auch hier Kompromisse, die bei der Optimierung einer Lösung für eine spezifische Anwendung oder einen bestimmten Einsatzbereich berücksichtigt werden müssen. Designs müssen zudem Toleranzen enthalten, um nicht-idealen Betriebsbedingungen Rechnung zu tragen. In Bezug auf Spannungen umfasst dies Schutzmaßnahmen gegen Überspannungsszenarien (meistens zum Schutz der Personen und der Geräte), Unterspannungsszenarien (zur Maximierung der Betriebszeit und zum Schutz der Geräte) und die Ausbalancierung von Phasenströmen in mehrphasigen Systemen. Bei der Netzfrequenz geht es um die Netzqualität und die Netzstabilität.

Die spezifischen Mechanismen und Methoden zur Umsetzung dieser Schutzmaßnahmen gehen über den Rahmen dieser Diskussion hinaus, werden jedoch ausführlich im RECOM AC/DC Book of Knowledge: Practical Tips for the User [3], einem frei verfügbaren Dokument, behandelt. Wenn wir eine übliche Toleranz von ±10% anwenden, lässt sich schnell ein breiter Betriebsbereich von 90–264VAC und 47–63Hz definieren, der auf vielen Sicherheitsetiketten von Netzteilen zu finden ist. Dieses Beispiel zeigt, wie verschiedene internationale Standards zu universelleren Bereichen zusammengefasst werden können, ohne jedoch auf die Beweggründe hinter den einzelnen regionalen Netzvorgaben einzugehen. Es gibt auch weitere unterstützte Bereiche, die speziell für militärische und/oder industrielle Umgebungen vorgesehen sind, wie zum Beispiel der 400Hz-Standard für die Stromversorgung in Flugzeugen und auf Schiffen. In dreiphasigen Wechselstromkonfigurationen können mehrere Einzelspannungsquellen durch den Phasenwinkel getrennt werden, um die Leistungsabgabe zu maximieren und gleichzeitig die Ströme zu minimieren, was insbesondere bei dreiphasigen Wechselstromsystemen der Fall ist.

Letztendlich werden die meisten Endsysteme und -lasten mit Gleichstrom betrieben (Wechselstrommotoren stellen die große Ausnahme dar), weshalb es sogar mehr Standards für Gleichspannungsversorgungen als für Wechselstrom gibt, allerdings normalerweise nicht für Verteilungen im Bereich von Einrichtungen oder Gebäuden. Hochspannung ist als >1.000/1.500V (AC/DC) definiert, wobei alles, was ≥60VDC ist, aus Sicherheitsgründen (durch menschlichen Kontakt) als Hochspannung gilt, auch als Schutzkleinspannung (SELV) bekannt.

Es existiert zwar kein einheitlicher Standard (weltweit gibt es zahlreiche), der allgemein als Hochspannungsdatenzentrum (HVDC – nicht zu verwechseln mit Hochspannungs-Gleichstrom) bezeichnet wird, jedoch definieren viele Standards eine Verteilungsarchitektur im Bereich von 300–400VDC. Die Logik dahinter ist: Wenn Server- und Netzwerkhardware sowie die unterstützende Infrastruktur alle für die Unterstützung eines universellen Wechselstromeingangs mit einem AC/DC-Netzteil mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC [4]) ausgelegt sind, können dieselben Geräte auch die aus der gleichgerichteten AC-Eingangs-Wellenform abgeleitete Gleichspannung verarbeiten – was die Beseitigung einer Wandlungsstufe (und die daraus gewonnenen Vorteile) rechtfertigt.

24VDC-Verteilungen sind in industriellen Umgebungen mit kleinen Relais, Leistungsschaltern, Motoren und Systemen, die für einen standardisierten mechanischen Formfaktor wie den DIN-Rail-Standard [5] optimiert sind, weit verbreitet. Weitere bekannte Gleichstromverteilungen umfassen den Universal Serial Bus (USB, 5–20VDC) und Power over Ethernet (PoE, 44–57VDC), die auch Strom- und Datenleitungen in Hybridkabeln kombinieren. Die Wahl einer Hauptverteilungsspannung für eine Einrichtung wird von vielen Faktoren bestimmt, die mit Entscheidungen über Investitions- und Betriebsausgaben (CAPEX bzw. OPEX) zusammenhängen – und nicht nur von den Geräten, die daran angeschlossen werden müssen. Sicherheit ist fast immer ein Schlüsselfaktor bei der Festlegung von Verteilungsarchitekturen und muss basierend auf Worst-Case-Szenarien für die Exposition des Anwenders, die Abstände zwischen den Leitern und die Randbedingungen der Betriebsumgebung berücksichtigt werden.

Die Konsolidierung von Busarchitekturen für die Spannungsverteilung bietet zahlreiche Vorteile, darunter eine vereinfachte Gerätebeschaffung (CAPEX) und eine effizientere Nutzung von Geräten und Maschinen (OPEX). Je weniger Wandlungsstufen von der vorgelagerten Quelle (z. B. Versorgungsnetz, Energiespeicher, etc.) bis zur Endlast (z. B. System, ASIC, Motor, etc.) erforderlich sind, desto größer ist das Potenzial zur Vereinfachung der Infrastruktur und zur Nutzung von Größenvorteilen. Die Gemeinsamkeit kann auch dazu beitragen, die Nettolastdynamik zu mindern, was eine Optimierung der Energieeffizienz durch Reduzierung der Unvorhersehbarkeit ermöglicht und damit mehr Chancen für intelligente Energiemanagementtechniken (IPM [6]) bietet.

Eine gemeinsame Netz- oder Verteilungsarchitektur bringt weit mehr Vorteile mit sich, als hier umfassend dargestellt werden können. Einige zusätzliche Kategorien verdienen jedoch Anerkennung. Die Möglichkeit, einen besser vorhersehbaren Wartungsplan aufrechtzuerhalten und weniger Teilenummern zu verwalten, kann zu erheblichen Einsparungen führen – sowohl kurzfristig als auch langfristig. Eine geringere Anzahl zu ersetzender oder zu verwaltender Teile bietet zahlreiche offensichtliche Vorteile, von der Einsparung von Benutzeraufwand am Verbrauchsort bis hin zur Verringerung von Gemeinkosten und Versandkosten für Ersatzteile.

Beim Übergang zu intelligenten Gebäuden und Fabriken der Zukunft ist es entscheidend, sowohl Konfigurierbarkeit als auch Flexibilität durch gemeinsame Formfaktoren zu gewährleisten. Aus Qualitätsgesichtspunkten werden Systeme – insbesondere Komponenten und Motoren – eine längere Lebensdauer haben, wenn sie unter stärker randbedingten, vorhersehbaren Betriebs- und Umgebungsbedingungen sowie Wartungszyklen arbeiten. Diese Vorteile erster Ordnung führen zu einer Vielzahl von Vorteilen zweiter Ordnung, je nachdem, wie tief man das System analysieren möchte. Ein Beispiel: Eine gemeinsame Verteilung kann die Notwendigkeit kostspieliger Notstrom- oder Energiespeicherlösungen verringern, die andernfalls als Puffer für Zwischenspannungen dienen müssten. Selbst eine geringe Verbesserung der Effizienz der Eingangs- zu Ausgangsleistung – nur wenige Prozentsätze – kann erhebliche CAPEX-Einsparungen rechtfertigen, mit Vorteilen, die von der Last bis zum Kraftwerk reichen.

Verteilte Energieressourcen (DER) verändern das Umfeld

Mikronetz-Diagramm, das Stromnetz, erneuerbare Energien, E-Autos etc. verbindet
Das Konzept der dezentralen Energieressourcen (Distributed Energy Resources, DER [7]) ist nicht neu, wird jedoch in einem modernen Kontext übernommen, um den Übergang zu einer nachhaltigeren Welt zu unterstützen. Die Idee basiert auf der Nutzung vieler kleiner, modularer Lösungseinheiten für die Gesamtenergieversorgung (z. B. Quelle, Verteilung, Wandlung, Speicherung usw.), die lokal für Steuerung und Nutzung begrenzt sind – gemeinsam als Mikronetz bekannt.

Mikronetze, die aus DERs bestehen, zeichnen sich in der Regel dadurch aus, dass sie vollständig unabhängig („Stand-alone“- oder „Island“-Modus) arbeiten können, während sie auch in netzverbundenen Szenarien funktionsfähig bleiben. (HINWEIS: Der Begriff „kompatibel“ ist absichtlich weit gefasst, da Kompatibilität weitreichende Überlegungen hinsichtlich der Hardware- und regionalen regulatorischen Anforderungen umfassen kann.)

Ein Großteil der Technologie, die erforderlich ist, um die Netze von gestern in die intelligenten Stromnetze von morgen mit intelligentem Energiemanagement zu verwandeln, existiert bereits seit vielen Jahren. Doch die makroökonomische Dynamik, die für eine generationsübergreifende Modernisierung der Infrastruktur im Versorgungsmaßstab erforderlich wäre, bleibt schwer fassbar – selbst in vielen der am weitesten entwickelten Länder. Photovoltaische (PV) Solarmodule sind seit fast 50 Jahren kommerziell erhältlich, aber die Netzinfrastruktur, die in der Lage ist, bidirektionale Stromflüsse zu verwalten, ist ein relativ neues Konzept. Leider hinkt die Investition in fortschrittliche Energiespeichertechnologien oft hinter den Investitionen auf der Lastseite hinterher, wo Systeme schneller entwickelt werden und kostengünstiger werden.
Grafik mit verschiedenen Energiequellen, einschließlich erneuerbarer und konventioneller Energietypen

Abb. 3: Zentrale (links) versus dezentrale Erzeugung (rechts), Chronologischer Vergleich, Grafik: Bartz/Stockmar, CC BY 4.0

Die Anwendung von Energiespeicherung in verschiedenen Einsatzbereichen – sowohl für kritische Energieabsicherung als auch für die wirtschaftliche Optimierung intermittierender Energiequellen (wie Wind oder Sonne) – erfordert neue Überlegungen zur Aufrüstung bestehender Infrastruktur und zur Schaffung zukunftssicherer Anlagen. Der modulare Charakter einer DER ermöglicht es, den Bedarf an Energiespeicherung an die spezifischen Anwendungen anzupassen und von den Massenanforderungen an die Speicherung zu entkoppeln. Dieses Prinzip sollte auf verschiedene Aspekte der Energiespeicherung angewendet werden.

Beispielsweise kann die Speicherung eine rein wirtschaftliche Funktion erfüllen, indem sie überschüssige erneuerbare Energie während Zeiten hoher Erzeugung und niedriger Echtzeit-Energiekosten speichert und sie freigibt, wenn die Preise steigen. Zusätzlich zu den traditionellen Funktionen wie der kritischen Energieabsicherung umfasst die neue Anwendungen wie das „Peak Shaving“, bei dem lokale Speicher seltene Energiespitzen abfedern. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Infrastruktur – wie zum Beispiel „virtuelle Kraftwerke“ – näher an einem maximalen Dauerzustand statt an einem absoluten Spitzenwert zu konzipieren, was erhebliche CAPEX- und OPEX-Einsparungen mit sich bringt.

DERs haben das Potenzial, die Wirtschaftlichkeit von Stromversorgern, wie wir sie heute kennen, völlig zu verändern. Traditionell folgt die zeitliche Beziehung der Netzenergiequellen im Verlauf eines Tages der sogenannten "Entenkurve" [8], da die bimodale Verteilung der Spitzen am Morgen und Abend die Form eines Entenrückens ähnelt. In der Elektrizitätswirtschaft geht man davon aus, dass die Nachfrage zu diesen Tageszeiten am höchsten ist und zwischen diesen Spitzen sinkt. Was passiert jedoch, wenn alle Geräte „intelligent“ werden und in der Lage sind, ihren Stromverbrauch während der Mittagstiefs zu optimieren? Aus der Perspektive eines Steuerungssystems führt dies zu einem Paradoxon. Die einst vorhersehbare Entenkurve könnte sich umkehren – wenn genügend intelligente Lasten ihren Verbrauch kollektiv verzögern, könnte deren aggregierte Nachfrage die Kurve vollständig invertieren. Was bedeutet das für den dynamischen Energiemarkt, auf dem sich die Strompreise mehrmals pro Stunde entsprechend der Nachfrage ändern?

Die Frage der Netzökonomie ist ...

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