Rik de Doncker über die Zukunft der DC‑Technologie: Warum Gleichstrom jetzt zum Gamechanger wird
Gleichstrom setzte sich zu Edisons Zeiten nicht durch. Doch mit moderner Leistungselektronik und dem wachsenden Bedarf an effizienten, flexiblen Netzen erlebt die DC-Technologie Aufwind. Im Interview erklärt Rik de Doncker (Universitätsprofessor RWTH Aachen), warum DC heute wirtschaftlich wie technisch klare Vorteile bietet, welche Rolle es im urbanen Raum und in der Industrie spielt und warum viele alte Vorbehalte nicht mehr gelten.
Schon vor 150 Jahren setzte sich der berühmte Erfinder Thomas Edison vehement für Gleichstrom ein. Er hat sich damit nicht durchgesetzt. Warum glauben Sie heute an den Erfolg der DC-Technologie?
Rik de Doncker: Ja richtig, das war der „War of Currents“ (der Krieg der Ströme). Edison hatte die Gleichstromtechnik entwickelt und musste jedes Mal eine Dampfturbine mit einem Generator installieren, das war erstens nicht erfolgreich und zweitens hatte er damals keine Leistungselektronik, um Elektrizität effizient über längere Distanzen transportieren zu können.
Seitdem wir leistungselektronische Systeme haben – die ersten Thyristoren sind 1958 auf den Markt gekommen, die ersten HGÜ-Anlagen 1977 in den USA und das hat sich dann weiterentwickelt – sind wir in der Lage, Gigawatt zu transportieren. Heute gehen wir von Hochspannungsübertragungssystemen bis in den Mittel- und Niederspannungsbereich.
Und das ist eigentlich der Punkt: Hätte Edison damals schon Leistungselektronik-Labore gehabt, dann hätten wir überhaupt nie ein Wechselstrom-System eingeführt. Es ist viel komplexer und es war damals eine Lösung, die nur mit dem Transformator möglich gewesen ist.
Wie hat sich das allgemeine Interesse an Gleichstrom-Technologie in den vergangenen Jahrzehnten entwickelt?
de Doncker: Ich beschäftige mich schon seit 20 Jahren damit, die DC-Technologie zu promoten, da wir technisch große Vorteile darin sehen.
Und über die Jahre habe ich gesehen, dass nicht nur die technischen Vorteile wie höhere Effizienz oder weniger Materialverbrauch im Vordergrund stehen, sondern dass auch viele anderen Aspekte eine Rolle spielen: z.B. eignet sich Gleichstromtechnik viel besser für unterirdische Kabel wie Wechselstrom-Technologie. Außerdem sind die Kosten für dieselbe Leistungsübertragung bei Gleichstromtechnik nur halb so hoch.
Inzwischen sehe ich auch großes Interesse bei der Industrie. Immer mehr große Fabriken werden auf Gleichspannung umgelegt. Warum? Diese Werke haben Photovoltaik-Anlagen oder Notstromaggregate mit Batterien, allesamt Gleichstromkomponenten. Das Umwandeln auf Wechselstrom bringt extra Kosten und Verluste mit sich. Mittlerweile wird immer öfter verstanden, dass das alles nicht nötig ist.
Jede neue Entwicklung hat eine typische S-Kurve. Am Anfang geht es sehr langsam und dann geht es plötzlich sehr schnell. Heute verstehen viele, dass es kostengünstiger ist, Gebäude mit Gleichspannungstechnik auszustatten.
In Bürosystemen wird man z.B. in Zukunft überall USB-C-Stecker haben und dann braucht man die Schaltnetzteile nicht mehr. Das sind nicht nur Materialkosten, die man sich spart, sondern auch Vorteile für den ökologischen Fußabdruck. Ein typisches Stromversorgungsgerät für Laptop oder Computer hält 5 Jahre, und was macht man dann damit? Es muss recycled werden. Das sind Dinge, die mit moderner Technik vermieden werden können.
Sehen Sie Vorteile von DC also auch im urbanen Gebiet?
de Doncker: Absolut. Ich denke, dass sich wegen der Kostenersparnisse Gleichstromtechnologie in jedem Bereich, also im Niederspannungsbereich, im Mittelspannungsbereich und bei der Übertragung, durchsetzen wird.
Und es macht eigentlich Sinn, auch in Verteilnetzen Verbundnetze aufzubauen, was heute mit Drehstrom-Technik nicht möglich ist. Mit Kleinspannungssystemen haben wir die Möglichkeit, den Strom auch im eigenen Netz zu transportieren und dann die Energie umzuverteilen.
All das hängt mit der Strategie der Schutztechnik in Drehstrom-Netzen zusammen. Die Transformatoren formen nicht nur die Spannung um, sondern begrenzen auch den Kurzschlussstrom. Das führt dazu, dass wir ein radiales Netz haben, wodurch wir sehr eingeschränkt und dezentral sind. Wir müssen dadurch Photovoltaik- und Windenergie umverteilen, denn das Netz ist vor 120 Jahren nicht dafür geplant worden.
Aktuell gibt es im Niederspannungsbereich noch keine Lösung für Prosumer, etwa bidirektionale Ladegeräte für Elektromobilität: Wenn wir diese Energie ins Netz zurückspeisen wollen, bekommen wir Probleme mit Überspannung. Mit Gleichstrom-Technik können wir das viel einfacher und kostengünstiger lösen.
Welchen Einfluss wird Gleichstrom in fünf Jahren auf unser Energiesystem haben?
de Doncker: Die Gleichspannungs-Technik in den Verteilnetzen ermöglicht es, immer mehr Erneuerbare zu installieren. Auch die Sektorenkopplung wird damit möglich. Mit Elektromobilität und bidirektionaler Ladeinfrastruktur geht eine enorme Speicherkapazität einher, die wir auch nutzen können. Nachts zum Beispiel, um damit elektrische Netze oder Verbraucher (Wärmepumpen usw.) zu unterstützen.
Aktuell schaffen wir noch nicht, die Energie von Batterien zu den Verbrauchern zurückzuspeisen. Das sind die Themen, die in den nächsten fünf Jahren systematisch demonstriert und gelöst werden können – mit Gleichspannungs-Verteilnetzen.
Wo steht Europa im weltweiten Vergleich betreffend Gleichstrom-Technik?
de Doncker: Ich denke, was die technologische Entwicklung angeht, sind wir noch immer führend. Was wir beachten sollten, ist, dass wir die Technologie auch demonstrieren, dass wir die Interoperabilität zwischen unterschiedlichen Herstellern definieren und dass es klare Richtlinien gibt.
Daran arbeiten wir. Ich war letztes Jahr in China und dort treibt man die Technologie von DC-Wandlern sehr stark voran. Die Integration in existierende Netze ist auch dort die große Herausforderung.
Welche Länder und Regionen sind denn führend bei DC-Technologien?
de Doncker: Am interessantesten fanden wir Südkorea: Dort wurde schon vor fünf Jahren ein +/- 35.000 Volt System aufgebaut, zwischen einer Windfarm und einer Stadt. Und sie sind zum Ergebnis gekommen, dass die Gleichspannungsverbindung deutlich kostengünstiger war als eine alternative Verbindung mit klassischer Drehstrom-Technik.
Diese Gruppe (KEPCO Korea Electric Power Corporation) treibt in mehreren Gremien, CIGRE z.B., die Richtlinien für die höhere Mittelspannungs-Gleichstrom-Übertragung von 70 MW bis 100 MW-Systeme in den Verteilnetzen voran.
Allerdings denke ich, dass der Stand der Technologie in Europa, Deutschland und auch Frankreich mit Pilotprojekten gut weiterkommt. In Deutschland haben wir schon die ersten DC-Factories, die auch andere motivieren, in diese Richtung zu gehen.
Gibt es eine fälschliche Annahme über DC, die Sie ausräumen möchten?
de Doncker: Bei einem Vortrag in Berlin vor vielen Jahren hat mich ein Journalist gefragt: „Herr de Doncker, ist AC ‘alternative current’ und DC ‘dangerous current’?“ Viele glauben, dass man in Gleichstrom einen Kurzschluss nicht abschalten kann, aber dem haben wir am Forschungscampus „Flexible Elektrische Netze“ schon in vielen Projekten widersprochen: Man kann Gleichstrom genauso kosteneffizient, vielleicht sogar noch günstiger, schützen wie Wechselstromsysteme.
Die DC-Wandler, die DC-Transformatoren, haben eigene Funktionen, mit denen man Kurzschlüsse aktiv begrenzen kann. Wechselstromnetze haben das nicht an sich: Ein Transformator limitiert zwar den Wechselstrom, aber ein Wechselstrom-Kurzschluss ist mindestens 5-10 mal höher als der nominelle Strom. In einem DC-System ist der Kurzschluss-Strom vielleicht nur 10 % höher.
Viele müssen noch lernen, wie man in DC-Netzen mit der Koordination von Kurschlüssen umgeht, da die Quellen aktiv gesteuert und dynamisch sind und sehr schnell auf Störungen reagieren können. Das haben wir in einem Wechselstromsystem nicht. Wenn man diese Prinzipien von Wechselstromnetzen auf ein DC-Netzwerk überträgt, kommt man zu sehr teuren Lösungen, die wir aber überhaupt nicht benötigen.