Praxisbeispiel für ein DC-Microgrid

Die Idee hinter DC-Microgrids ist klar. In der Praxis fehlt noch häufig die Erfahrung. Weidmüller [1] treibt den Ausbau von DC-Grids voran – sowohl technologisch als auch in der praktischen Anwendung. Am Unternehmenssitz in Detmold wurde mit dem DC Innovation Hub eine Plattform geschaffen, die Entwicklung, Ausbildung und Anwendung miteinander verbindet. Im DC Innovation Hub können Anwender, Partner und Kunden Gleichstromtechnologien erleben, testen und weiterentwickeln.

Im Zentrum steht ein reales Gleichstromnetz. Das komplette Gebäude – die sogenannte Weidmüller Akademie (Bild 1) – wurde von AC auf ein hybrides Energienetz umgerüstet. Das DC-Netz innerhalb des AC-Netzes ist in der Lage, Leistungen von bis zu 150 kW bereitzustellen, und bildet damit typische Anforderungen eines mittelständischen Unternehmens ab.

Beim Aufbau des DC-Netzes in der Weidmüller Akademie setzte das Unternehmen auf eigene Technik und Lösungen von Partnern aus dem Verbund der Open DC Alliance (ODCA) (Bild 2). Die Schnittstelle zum AC-Netz ist ein bidirektionaler AC/DC-Wandler. Kern des neuen Stromnetzes sind DC/DC-Wandler zur Ankopplung der DC-Sektoren. Sie nehmen zum Beispiel die Energie der Photovoltaikanlage und des Speichers entgegen und verteilen sie im Gebäudenetz. Die Weidmüller Akademie ist nicht autark, sie bezieht ergänzende AC-Energie aus dem übergeordneten Stromnetz.

In der Weidmüller Akademie sind verschiedene Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen im Einsatz. Neben Büroarbeitsplätzen, an denen Rechner und Bildschirme versorgt werden müssen, ist dort eine Werkstatt inklusive Maschinenparks angesiedelt. Damit all diese Geräte trotz der unterschiedlichen Bedarfe mit der benötigten Spannung versorgt werden, kommen die DC/DC-Wandler PROtop, PROmax und PROeco zum Einsatz. Sie wandeln die anliegende DC-Spannung auf die passende Steuerspannung (24 V) – abgesichert und überwacht werden die nachgeschalteten Geräte mit topGuard- und maxGuard-Lösungen. Diese sind zusätzlich mit Kommunikationsmodulen ausgestattet.

Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von AC- und DC-Strom brauchte es in der Weidmüller Akademie neue Schutzkomponenten und Verbindungstechnik für das DC-Grid. Hierfür griff man ebenfalls auf Weidmüller-Komponenten und Lösungen von Partnern zurück. Neben Blitz- und Überspannungsschutz kommen auch schwere Steckverbinder RockStar zum Einsatz. Sie sorgen für eine sichere Verbindung.

Das DC-Grid setzt auch auf Softwarelösungen. Als Basis fungiert das Betriebssystem u-OS. Zentral ist das Energiemanagementsystem ResMa installiert. Es zeigt und erfasst den Energieverbrauch, die Bedarfe und Speicherstände – einerseits des Gebäudes, andererseits der Geräte. Mit den Energiemonitoring-Lösungen in den DC-Sektoren ist es möglich, die Werte im Energiemanagementsystem einzusehen und zu verarbeiten. In ResMa ist Procon-Web integriert, eine Visualisierung, die den Stromverbrauch visuell in verschiedenen Grafikformaten aufbereitet. Darauf aufbauend lässt sich der Energieverbrauch transparent erfassen und optimieren.

Durch den Umbau des Gebäudes auf eine DC-Infrastruktur können erneuerbare Energien direkt genutzt werden. So fließt der Strom der Aufdach-PV-Anlage direkt in die Wallbox auf dem Parkplatz – ohne nennenswerte Umwandlungsverluste. In diesem Anwendungsfall entsteht eine Energieeffizienz an den DC/DC-Wandlern von bis zu 99 % im Vergleich zur vorigen Lösung. Da an den Geräten keine AC/DC-Wechselrichter mehr gebraucht werden, werden sowohl Umwandlungsenergie als auch Hardwarekosten eingespart. Durch das DC-Netz profitiert die Netzstabilität, da sich Stromspitzen leichter ausgleichen lassen.

Das Energiesystem der Zukunft

Gleichstromnetze werden das bestehende Wechselstromsystem nicht vollständig ersetzen. Vielmehr entstehen hybride Strukturen, in denen AC- und DC-Systeme miteinander kombiniert werden.

Vor allem in industriellen Anwendungen, Rechenzentren, Gebäuden und lokalen Energiesystemen wird DC jedoch zunehmend zur bevorzugten Lösung. Der Grund ist eindeutig: Die Technologie passt besser zu den Anforderungen einer dezentralen, erneuerbaren Energieversorgung, da je nach Applikation die Einspeiseleistung um 50 % reduziert werden kann.

Während das klassische Wechselstromnetz auf zentrale Strukturen ausgelegt ist, bieten DC-Microgrids eine Antwort auf die Anforderungen moderner Energiesysteme. Sie stabilisieren das Netz, reduzieren Verluste, erhöhen die Effizienz und ermöglichen eine effiziente Integration erneuerbarer Energien. Unternehmen wie Weidmüller zeigen bereits heute, wie diese Technologie in der Praxis umgesetzt werden kann – und zeigen damit einen wichtigen Baustein für die Energiesysteme von morgen auf.

Lösung für Privathaushalte

Stabilität im Stromnetz ist ein wichtiger Faktor, damit die Energiewende gelingen kann. Privathaushalte stellen einen großen Hebel dar, diese zu gewährleisten: Sie verbrauchen circa 25 % des Stroms in Deutschland – sind aber durch PV-Anlagen auch lokale Kraftwerke.

Voraussetzung dafür ist, dass Verbraucher und Erzeuger im privaten Gebäude für die Netzbetreiber steuerbar gemacht werden. In der Praxis sind viele Anlagen allerdings noch analog. Es braucht eine digitale Schnittstelle, damit Netzbetreiber mit den Anlagen kommunizieren können. Weidmüller hat hierfür einen EEBUS Relais Converter entwickelt (Bild 3). Das Gerät übersetzt digitale Impulse eines Smart-Meter-Gateways mit Steuerfunktion in analoge Relaisschaltung und macht somit auch analoge Anlagen steuerbar. Damit stellt Weidmüller Technologien zur Verfügung, die bei der Umsetzung der Energiewende und beim Aufbau des Smart Grids – also eines intelligenten und flexiblen Stromnetzes – unterstützen.

Literatur

1. Weidmüller GmbH & Co KG, Detmold: www.weidmueller.de