Ziele der Projekte DC-Industrie und DC-Industrie 2

Das Bundeswirtschaftsministerium initiierte das Forschungsprojekt DC-Industrie im Jahr 2015. Ein Jahr später startete es mit 27 Partnern aus verschiedenen Industriebranchen. Ziel war es, sowohl die internationalen Klimaziele zu erreichen als auch innovative Technologien zu entwickeln.
Das Projekt endete 2019 und legte den Grundstein für eine Energieversorgung von Industrieanlagen über ein intelligentes, offenes Gleichstromnetz. Das Ergebnis war die Gleichstromversorgung einer Produktionszelle.
Im Anschluss startete im Oktober 2019 das Projekt DC-Industrie 2. Gemeinsam mit 33 Unternehmen, darunter Maschinenbauer, Holzverarbeiter, Roboterhersteller und Getränkehersteller, sowie sechs Forschungseinrichtungen maßen sie das Einsparpotenzial. Das Projekt DC-Industrie 2 treibt die direkte Nutzung von Gleichspannung in industriellen Netzen an. Hauptziel ist es, alle Komponenten (Versorger, Schutzorgane, Antriebe, Speicher usw.) koordiniert zusammenarbeiten zu lassen, um Energie einzusparen. Das Projekt endete wie geplant im März 2023.

Forschungsergebnisse von DC-Industrie 2

Als Ergebnis reduziert sich nicht nur der Energieverbrauch, sondern auch die Umwandlungsverluste bei regenerativen Energiequellen, welche die Umweltbilanz verbessern.
Hartwig Stammberger von der Firma Eaton, der Hauptforscher des Projekts, erläutert die konkreten Einsparungen: "Wir haben im Energiebedarf bis zu zehn Prozent Energieeinsparung erzielt, das ist aber sehr stark von den einzelnen Aspekten abhängig. Wo eine konkrete Zahl genannt werden kann, ist in der Energieverteilung, also bei Kabeln. Beim Umstellen auf DC wird nur halb so viel Kupfer benötigt. Zusätzlich findet sich etwa 50 Prozent weniger Verlustleistung."
Mit diesen Einsparungen kann die Energie effizienter genutzt werden, was ihren Wirkungsgrad erhöht, also das Verhältnis von aufgewandter zu nutzbarer Energie.
Die Verlustleistung bezieht sich dabei auf die Energie, die beim Transport von der Erzeugung bis zum Verbrauch umgewandelt wird und "verloren" geht. Gemäß dem ersten Satz der Thermodynamik geht jedoch nie Energie verloren, es findet lediglich eine Umwandlung statt. Beim Stromtransport durch Kabel entsteht durch den Widerstand Wärme, die dann an die Umgebung abgegeben wird.

Energiewende profitiert: Die Vorteile von Gleichstrom und Energieeffizienz

Laut Stammberger ist die Energieeffizienz ein entscheidender Faktor. Gleichstromsysteme bieten in vielen Anwendungsbereichen eine höhere Energieeffizienz als Wechselstromsysteme, weil sie für weniger Umwandlungsverluste sorgen. Zudem erleichtern Gleichstromnetze die Integration erneuerbarer Energien wie Solarenergie und Windkraft, da der erzeugte Gleichstrom ohne Umwandlung sofort nutzbar ist. Die Speicherung von Energie wird ebenfalls beeinflusst. Gleichstrom-Batteriespeichersysteme ermöglichen es, überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen zu speichern und später zu nutzen.

Wirkungsgrad von Stromnetzen mit Auslegung auf Wechsel- oder Gleichstrom // Grafik: Felix Reinhardt

Herausforderungen bei der Umstellung auf Gleichstrom

Die Umstellung auf Gleichstrom stellt eine Herausforderung dar, weil bereits vorhandene Wechselstromnetze existieren. Eine umfassende Änderung der Infrastruktur wäre erforderlich, um die vorhandenen Wechselstrom-Komponenten und -Systeme durch Gleichstrom-kompatible Alternativen zu ersetzen und die Kompatibilität mit bestehenden Geräten und Anlagen sicherzustellen.
Ein weiteres Problem betrifft die elektrische Sicherheit. Dr. Martin Wetter, Diplom-Ingenieur, Experte für Hochsicherheitspannung, betont: "Durch die bisherige Nutzung von Wechselstrom sind jegliche Sicherheitsvorkehrungen daran angepasst, wodurch ein hoher Sicherheitsstandard gegeben ist. Beim Umstellen auf Gleichstrom müssen also alle Systeme neu konzipiert und neue Sicherheitsstandards erarbeitet werden."

Gleichstrom als Treiber von Effizienz und Innovation

Die Umstellung auf Gleichstrom ermöglicht auch Einsparungen im Verkehrssektor und in der Informations- und Kommunikationstechnologie. Gleichstromladestationen bieten eine schnellere Aufladung von Elektrofahrzeugen, was die Elektromobilität fördert. Gleichzeitig kann Gleichstrom Wasserstoff zur Energiegewinnung erzeugen, was den E-Fuel-Markt in Zukunft deutlich verändern könnte.
Auch die Versorgungssicherheit und die Speicherung von Daten erfordern eine erhebliche Menge an Strom. Durch die Umstellung auf Gleichstrom könnten in Rechenzentren Batterie-Puffersysteme eingesetzt werden, wodurch Energie eingespart werden könnte. Zudem eröffnet die Nutzung von Gleichstrom Raum für die Entwicklung neuer Technologien, die zur Energiewende beitragen könnten.