Gleichspannungs-Stromleitungen

Andreas Mühlbauer,

Gleichspannung für die Zukunft

Die Industrie lotet das Potenzial einer Energieversorgung mit Gleichspannung aus. Sie bietet enormes Energieeinsparpotenzial. Lapp hat sich früh mit diesem Thema befasst und bietet erste DC-Leitungen an. Eine wichtige Frage, die das Unternehmen in Forschungsprojekten beantworten möchte: Eignen sich Wechselstrom-Leitungen auch für Gleichstrom? 

Energieversorgung mit Gleichspannung bietet enormes Energieeinsparpotenzial. Lapp bietet erste DC-Leitungen an. © Lapp

Neben Digitalisierung und künstlicher Intelligenz war die Energieversorgung mit Gleichstrom (DC) eines der wichtigen Themen auf der Hannover Messe 2019. Der ZVEI hatte eigens einen Pavillon dazu eingerichtet, und Lapp zeigte in seinem futureLab erste Produkte. Der Spezialist für integrierte Kabel- und Verbindungssysteme ist ein Pionier bei diesem Thema. Als assoziierter Partner im Forschungsprojekt DC-Industrie beschäftigt sich das Unternehmen mit der Frage, wie sich Gleichspannungsnetze mit einer zentralen Wandlung als energiesparende Alternative insbesondere für Antriebe in der Produktion etablieren und wie sich regenerative Energien besser einbinden lassen. Lapp geht es in dem ambitionierten Projekt um Fragen nach der Eignung bestimmter Leitungstypen und um die Entwicklung von Leitungen, die sich für die DC-Vernetzung eignen.

Erste Produkte vorgestellt

Solche Leitungen gibt es bereits im Portfolio von Lapp. Die erste auf dem Markt eigens für Gleichstrom ist die Ölflex DC 100. Die Farbcodierung ihrer Adern folgt der im Februar 2018 aktualisierten Norm DIN EN 60445 (VDE 0197):2018-02 für Gleichstromleitungen: rot, weiß und grün-gelb. Die Isolation der Adern besteht aus Spezial-PVC, der Mantel ist aus PVC. Weitere Leitungen sind die Ölflex DC Servo 700 mit mit Isolierung aus Spezial-PVC, sowie die DC Chain 800 mit einer Isolierung aus TPE für die dauernde Bewegung in Energieführungsketten. Außerdem hat Lapp mit der Ölflex DC 100 Hybrid eine Leitung für das DC-Industrie-Konsortium entwickelt. Die DC-Hybridleitung enthält zwei Adern zur Leistungsübertragung plus einen Schutzleiter, eine Cat.6A-Datenleitung mit vier geschirmten Aderpaaren, zwei Adern für Safe Torque Off (Not-Aus) sowie ein Steuerpaar mit 24 V für die Bremse.

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Im Rahmen einer erfogreichen Energiewende kann eine Energieversorgung mit Gleichspannung eine wichtige Rolle spielen. Denn dabei geht es eben nicht nur um das Erzeugen möglichst großer Mengen regenerativer Energien wie Solar- und Windenergie. Erhebliche und oft übersehene Potenziale für die Umstellung auf eine nachhaltige Energieversorgung liegen ebenso in der Einsparung von Energie. Hier ist Gleichstrom ein Schlüssel, weil Verluste beim Umwandeln zwischen AC und DC wegfallen. Die Automobilindustrie hat dies erkannt. Dort gibt es bereits Pilotprojekte, um Fertigungszellen und später ganze Fabriken nur mit Gleichstrom zu versorgen.

Entlastung für das Stromnetz

Eine Versorgung mit Gleichstrom ist außerdem Voraussetzung, damit Antriebe beim Bremsen Energie einfacher zurückspeisen können. Wie bei Elektro- oder Hybrid-Autos würde diese Energie in Batterien gespeichert, bis der Antrieb wieder beschleunigt. Sowohl Antriebe als auch Batterien konsumieren Gleichstrom. Diesen Energiepuffer kann man nutzen, um Stromverbraucher mit hohem Leistungsbedarf, zum Beispiel beim Schweißen, zu versorgen. Die Betriebe könnten damit Lastspitzen kappen und müssten nicht kurzzeitig hohe Energiemengen aus dem Netz beziehen.

Nicht nur die Industrie, auch Haushalte würden profitieren. Viele elektrische Verbraucher von der LED-Leuchte bis zum Elektroauto arbeiten eigentlich mit Gleichstrom, der bisher aus dem Wechselstrom aus der Steckdose gewandelt werden muss. Hinzu kommt, dass in das zunehmend dezentral organisierte Stromnetz immer mehr Anlagen einspeisen, die Gleichstrom erzeugen, allen voran die Photovoltaik.

Gleichspannungsnetze mit einer zentralen Wandlung könnten sich als energiesparende Alternative insbesondere für Antriebe in der Produktion etablieren. In Tests hat sich die Ölflex DC Chain 800 mit einer Isolierung aus TPE als sehr robust erwiesen. © Lapp

Eine Frage, die bisher noch nicht diskutiert wurde: Eignen sich Wechselspannungsleitungen der Niederspannung auch für Gleichspannung? Dazu gab es bisher keinerlei Forschungsergebnisse, vermutlich deshalb, weil die meisten Experten der Meinung waren, dass dies ohne Weiteres möglich sei. Langzeittests der Forschungsgruppe im Fachgebiet „Elektrische Geräte und Anlagen“ an der Technischen Universität Ilmenau von Prof. Frank Berger belegen nun erstmals, dass dies ein Irrtum ist. Über einen Zeitraum von 2.590 h (rund 108 Tage) hat Bergers Team Einzeladern mit verschiedenen Isolationsmaterialien in einem Wasserbad bei 80 °C mit 1 kV Gleichspannung belastet, um die Auswirkungen im Zeitraffer nachzuvollziehen. Die Prüfapparaturen sowie die Leitungen wurden von Lapp zur Verfügung gestellt. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass ein Gleichspannungsfeld eine andere Wirkung auf das Alterungsverhalten von Isolationsmaterialien hat als ein Wechselspannungsfeld. Viele Experten hatten das bisher bestritten.

Weitere Forschung nötig

Um hier zu belastbaren Aussagen zu kommen, bedarf es weiterer Forschung. Zum einen plant Prof. Berger Alterungstests, die ohne Wasserbad auskommen, dann allerdings länger dauern müssten. Zum anderen möchte er verstehen, was chemisch und physikalisch im Kunststoff stattfindet. Der Abbau des Polymers oder das Aufquellen im Wasser sowie das Herauslösen von Additiven oder die Bildung von „Water Trees“ – eine Alterungserscheinung der Isolation bei Stromkabeln, die Feuchtigkeit ausgesetzt sind – könnten mögliche Ursachen sein.

Bis dazu belastbare Daten vorliegen, gibt es keinen Grund, auf Leitungen mit PVC-Isolation in Gleichspannungsanwendungen zu verzichten. Anwender sollten allerdings darauf achten, dass diese Leitungen fest, also ohne Bewegung, sowie ohne mechanische Belastung etwa durch zu enge Biegeradien verlegt werden. Außerdem sollte die Umgebung stets trocken sein. Sind diese Voraussetzungen nicht gegeben, etwa im bewegten Einsatz in Energieketten, können Anwender auf andere Isolationsmaterialien ausweichen, zum Beispiel auf TPE, das in den Prüfungen im Wasserbad ausgezeichnet abgeschnitten hat.

Bernd Mueller, freier Journalist im Auftrag von Lapp / am

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