Mittelspannung – ressourceneffizient vernetzt

Durch die Elektrifizierung in den Sektoren Strom, Wärme und Mobilität steigt die Nachfrage nach Rohstoffen, um Erzeugung, Speicherung, Verteilung und Nutzung von Energie im Stromnetz zu verknüpfen. Bis 2050 wird weltweit ein Zubau von etwa 73 Terawatt allein an installierter Photovoltaik-Leistung erwartet. Laut »Global Critical Minerals Outlook 2024« der Internationale Energie-Agentur IEA wird ab 2025 der Kupferbedarf das angekündigte Angebot übersteigen. Auch die Europäische Union hat in einer Studie über kritische Rohstoffe Aluminium als weiteren kritischen Rohstoff mit hoher wirtschaftlicher Bedeutung und hohem Versorgungsrisiko identifiziert. Eine Erhöhung der Systemspannung kann hier Abhilfe schaffen. Denn durch das Absinken der Ströme können erheblichen Rohstoffeinsparungen z.B. in Kupfer- und Aluminiumleitungen erzielt werden.

Durch den Schritt aus der Nieder- in die Mittelspannung kann die Leistung von Subsystemen in PV-Großkraftwerken erhöht werden. Bei einer Spannung von 1.500 V sind bereits 10-12 MVA statt der heute üblichen 3-5 MVA in einem Transformator möglich. Bei gleicher Kraftwerksgröße resultiert daraus eine geringere Anzahl an Transformatoren und Schaltanlagen, was Bau- und Installationskosten verringert. Allgemein sind Verlegung und Anschluss kleinerer Kabelquerschnitte deutlich einfacher und tragen zusätzlich zur Reduzierung der Installationskosten bei.

Des Weiteren reduziert sich beim Aufbau von dezentralen DC-Netzen die Anzahl von leistungselektronischen Wandlern (Gleichrichter- und Wechselrichterstufen), da Erzeugungsanlagen (z.B. Solargeneratoren) bereits Gleichstrom liefern und direkt über ein Gleichspannungsnetz mit Speicher und Verbrauchern verbunden werden können. Dabei steigen die Potenziale und Kostenvorteile mit größerer Netzausdehnung und größeren Leistungen.

Energie stellt in der Industrie einen bedeutenden Kostenfaktor dar. Daher sind energieeffiziente, dezentrale Gleichstromnetze für Fabriken von morgen von großer Bedeutung. Diese Netze können Strom sowohl von regenerativen Energiequellen als auch von Energiespeichern, die bereits Gleichstrom bereitstellen, integrieren. Dadurch lassen sich Verluste vermeiden, die ansonsten bei der Umwandlung von Wechselstrom (AC) aus dem Stromnetz in Gleichstrom (DC) entstehen und somit die betriebliche Effizienz steigern.

Darüber hinaus kann eine Erhöhung der Systemspannung zu Rohstoffeinsparungen führen, was wiederum die Materialeffizienz erheblich steigert.

Durch den Ausstieg aus der Kohleverstromung bis spätestens 2038 sowie die Abschaltung der Atomkraftwerke ist die zunehmende Integration erneuerbarer Energiequellen unumgänglich. Auch die Industrie ist gefordert ihre betrieblichen und Energieerzeugungsprozesse hinsichtlich der Reduzierung von CO₂-Emmissionen sowie des Energieverbrauchs zu überdenken.

Dabei müssen ohne Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit zu verlieren neue Technologien integriert und Verantwortlichkeiten für Klima- und Umweltaspekte priorisiert werden. Damit dies gelingt sind sowohl neue Konzepte als auch die Einführung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft zwingend notwendig. Die Mittelspannung ist hierbei der Schlüssel zur ressourceneffizienten Integration erneuerbarer Energien ins zukünftige Stromnetz und dem Aufbau einer nachhaltigen und resilienten Energieversorgung.

In stark bebauten urbanen Räumen ist der Aufwand zur Bereitstellung neuer Infrastrukturflächen sehr hoch. So kann z.B. ein neues unterirdisches Betonbauwerk mit 70 m² leicht zu Kosten von 400-500.000 € allein nur für Beton- und Erdarbeiten führen. Daher ist das Interesse an neuen Technologien beim Retrofit von Bestandsanlagen sehr hoch. Durch Einsatz neuer Mittelspannungs-Systemtechnik könnte z.B. die Leistung von 2,5 MVA auf einer bestehenden Fläche von 70 m² nahezu verdreifacht werden.

Höhere Systemspannungen ermöglichen völlig neue Systemarchitekturen regenerativer Hybridkraftwerke, deren Einzelbausteine ressourceneffizient über die Mittelspannung miteinander verknüpft werden. Damit lassen sich Systemansätze für Hybridkraftwerke bzw. die Einbindung dezentraler Energieerzeugung neu denken und erlauben resilientere Stromversorgungen von Quartieren, Ladeinfrastruktur oder Industriebetrieben mit reduzierter Abhängigkeit vom traditionellen Stromnetz.