Gleichstrom und Gleichspannung

Definition und Anwendung von Gleichstrom und Gleichspannung

Inhalt des Wiki-Artikels

• Was sind Gleichstrom und Gleichspannung?
• Beispiele für die Anwendung von Gleichstrom
• Vorteile einer Gleichstrominfrastruktur
• Gleichstrom und Gleichspannung für Fabriken

Wenn Strom fließt, handelt es sich dabei entweder um Gleichstrom oder um Wechselstrom. Stromkreise mit Gleichstrom und Gleichspannung zeichnen sich durch eine konstante Richtung aus. Dagegen ändert sich die Fließrichtung der elektrischen Energie bei Wechselstrom und Wechselspannung.

Was sind Gleichstrom und Gleichspannung?

In einem Stromkreis werden elektrische Ladungsträger transportiert. Durch beispielsweise Kupferleitungen fließt elektrische Energie von einem Ort zum anderen. Kupfer gibt Elektronen leicht ab und nimmt sie schnell wieder auf, deshalb ist das Metall sehr gut leitend. Damit die elektrische Energie fließen kann, muss erstens der Stromkreis geschlossen sein und zweitens muss eine Spannung anliegen.

Bei einer Gleichstromquelle liegt eine Gleichspannung an und es fließt immer Gleichstrom. In dem Gleichstromkreis wird elektrische Energie in eine Richtung transportiert: Die Elektronen wandern durchgängig vom Pluspol zum Minuspol, die Spannung ist dauerhaft gleich gepolt. Der Strom fließt durchgehend mit der gleichen Stärke in die gleiche Richtung. Er kann allerdings in Abhängigkeit von der Höhe der Spannung variieren.

Sowohl Gleichstrom als auch Gleichspannung werden mit DC abgekürzt. DC steht für den englischen Begriff „Direct Current“. Wechselstrom hat die Abkürzung AC für „Alternating Current“. Ein großer Vorteil von Gleichstrom ist, dass er gespeichert werden kann, zum Beispiel in wiederaufladbaren Batterien. Viele elektrischen Geräte funktionieren mit Gleichstrom, aus haushaltsüblichen Steckdosen fließt allerdings Wechselstrom. Da sich Wechselspannung aber leicht in Gleichspannung umwandeln lässt, stellt das kein Hindernis dar. Oft wird die Spannung über einen Adapter im Netzteil des Geräts umgewandelt.

Beispiele für die Anwendung von Gleichstrom

Die meisten Anlagen und Geräte arbeiten mit Gleichstrom. In den Übertragungsnetzen wird auch Gleichstrom transportiert. Bislang sind Gebäude gewöhnlich mit Wechselstromkreisen ausgestattet, aber auch in diesem Bereich gibt es innovative Ideen mit Gleichstrom und Gleichspannung. Beispiele für die Anwendung von Gleichstrom sind:

• Computer
• Smartphones
• Verstärker
• Kleinspannungsanlagen
• DC-Ladestationen
• Beleuchtungsanlagen
• Rechenzentren

Vorteile einer Gleichstrominfrastruktur

Gleichstrom und Gleichspannung werden zunehmend auch in Bereichen genutzt, in denen bislang Wechselstrom die Regel war. Ein Vorteil gegenüber Wechselstrom ist, dass Gleichstrom besser zur Datenübertragung geeignet ist. Vor allem in öffentlichen und halböffentlichen Gebäuden, aber auch andernorts werden Gleichstromsysteme mit auf intelligenten Controllern basierenden Sicherheits- und Steuerungskonzepten installiert, wie zum Beispiel:

• Power over Ethernet (PoE)
• Parallele Bus-Systeme

Parallele Bus-Systeme umfassen Leitungen zur Datenübertragung, zur Steuerung und zur Energieübertragung. Bei diesen Systemen wird der Stromfluss erst dann freigeschaltet, wenn ein Verbraucher zugeschaltet oder eingesteckt wird. Genutzt werden Bus-Systeme beispielsweise in modernen E-Autos. Die Batterie von Elektroautos weist eine Gleichspannung von mehreren 100 Volt (V) auf. Die Leistungsaufnahme kann 100 Kilowatt (kW) und die die Stromaufnahme aus der Batterie 100 Ampere (A) übersteigen.

Mittels PoE werden zum Beispiel Beleuchtungsanlagen realisiert. Bei diesem System leitet ein Ethernetkabel Strom zur Beleuchtung, kann darüber hinaus aber auch Daten – etwa zur Raumtemperatur – übertragen. PoE-Lösungen können dazu beitragen, die Energieeffizienz von Gebäuden oder elektrischen Anlagen zu steigern. Die Energiebilanz von Immobilien spielt inzwischen eine große Rolle, denn bei Neubauten und bestimmten Modernisierungsmaßnahmen ist ein Gebäudeenergieausweis Pflicht.

Rechenzentren und Telekommunikationsanlagen nutzen eine Gleichstrominfrastruktur, um zuverlässig eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten. Sie verfügen über Batteriespeicher mit bis zu 380 V DC, die Nennleistung kann bis in den Megawatt-Bereich reichen. Da in Systemen mit 380 Volt Gleichstrom keine Wechselrichter, 50-Hertz-Transformatoren und Leistungsfaktorkorrekturschaltungen notwendig sind, ist ihr Wirkungsgrad um bis zu 10 Prozent höher als der eines klassischen Wechselspannungssystems in einem Rechenzentren.

Gleichstrom und Gleichspannung für Fabriken

Im Rahmen der Nutzung von Gleichstrom und Gleichspannung eröffnen sich immer wieder neue Anwendungsmöglichkeiten. Unter anderem befassen sich Forscherteams der Fraunhofer-Institute für Produktionstechnik und Automatisierung IPA und für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB mit Gleichstromnetzen für Fabrikhallen. Sie arbeiten im Verbundprojekt DC-INDUSTRIE 2 mit mehr als 30 Partnern gemeinsam an der Stromversorgung der Zukunft.

Ziel des Projekts ist, elektrische Anlagen im Sinne der Energiewende langfristig von Wechselstrom auf Gleichstrom umzustellen. Mit Hilfe eines intelligenten Gleichstrom-Netzes sollen alle Anlagen einer Fabrik miteinander verbunden werden, um die Stromversorgung stabiler, flexibler und energieeffizienter zu gestalten. Die Forscherteams der Fraunhofer-Institute wollen bis Ende 2022 ein Konzept entwickeln und testen: ein intelligentes DC-Versorgungssystem, mit dem eine Fabrikhalle günstig mit Gleichstrom versorgt werden kann.

Hintergrund ist unter anderem, dass in der Stromerzeugung immer mehr erneuerbare Energien zum Einsatz kommen. Während konventionelle Kernenergie- und Kohlekraftwerke Wechselstrom produzieren, erzeugen Photovoltaikanlagen und andere dezentrale Erneuerbare-Energien-Anlagen aus ihrem Prinzip heraus Gleichstrom. Zudem stellen elektrochemische Speichersysteme ebenfalls Gleichstrom zur Verfügung.

Im Vorgängerprojekt DC-INDUSTRIE wurden durch den Umstieg von Wechselspannung auf Gleichspannung Effizienzsteigerungen zwischen fünf und zehn Prozent erreicht. Die deutliche Erhöhung der Effizienz lässt sich unter anderem darauf zurückführen, dass in einem Gleichspannungsnetz der Überschuss an Bremsenergie drehzahlgeregelter Antriebe leicht genutzt werden kann. Außerdem führt der Zusammenschluss aller elektrischen Anlagen einer Fabrik in einem intelligenten Gleichstrom-Netz zu einer besseren Verfügbarkeit und Qualität der Stromversorgung, so dass die Produktion zuverlässiger läuft. Innovative Systeme mit Gleichstrom und Gleichspannung haben somit ein großes Potenzial, in der Energieversorgung der Zukunft zur Regel zu werden.