Es geht kein Weg daran vorbei, dass wir die Art und Weise der Energieerzeugung ändern müssen. Sie soll zum einen umweltverträglicher stattfinden und uns zum zweiten möglichst unabhängiger machen vom Import fossiler Energieträger aus dem Ausland. Diese Energiewende erfordert, dass wir die bestehende Energieversorgung überdenken und neue Konzepte und Technologien entwickeln. Ein wesentlicher Bereich der Energieversorgung ist die Versorgung mit elektrischer Energie. Hier steht der Wechselstrom auf dem Prüfstand, der vor mehr als hundert Jahren den Wettstreit zwischen Gleich- und Wechselstrom gewonnen hat und seither Industrie, Fahrzeuge und Haushalte versorgt.
Weniger Energieverschwendung durch Gleichstrom
Bereits heute werden viele unserer elektrischen Geräte mit Gleichstrom betrieben. Damit wir jedoch unsere Mobiltelefone, Rechner oder LED-Beleuchtungen mit Strom versorgen können, verwenden wir AC/DC-Stromwandler, die den Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom umwandeln. In den Elektro-Fahrzeugen wird über Wechselrichter ebenfalls Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt, damit er in der Batterie gespeichert werden kann. In der Industrie stecken in den Schaltschränken Schaltnetzteile, die für die Versorgung der Schaltgeräte und Industrie-PCs die Wechselspannung aus dem Netz in Gleichspannung wandeln. In vielen industriellen Anwendungen speisen Frequenzumrichter und Servoantriebe einen Gleichstrom-Zwischenkreis aus dem Wechselstrom. Im Rahmen der Energiewende werden auf immer mehr Dächern Solaranlagen installiert. Sie produzieren Gleichstrom, der über Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt wird, damit er in das Haushalts- oder das öffentliche Netz eingespeist werden kann. Für jeden dieser Wandlungsprozesse fallen Verluste an. Zur Energiewende gehört es auch, diese sinnlose Verschwendung zu reduzieren, indem man verstärkt auf Gleichstrom setzt und die regenerative Energie vom Dach für Anwendungen direkt nutzt, und zwar ohne Verluste durch Umwandlungsprozesse.
Neue Anforderungen, Standards und Komponenten
Für den Gleichstrom muss nun in kurzer Zeit nachgeholt werden, wofür die Wechselstrom-Verwendung hundert Jahre lang Zeit hatte: die Entwicklung und die Standardisierung von Komponenten. In Deutschland arbeitet die vom ZVEI initiierte Offene Gleichstrom-Allianz (ODCA, Open DC Alliance) an der Aufgabe, einheitliche herstellerunabhängige Vorgaben für gleichstrom-fähige Produkte zu entwickeln. Denn es werden völlig neue Kabel, Sicherungen, Klemmen, Schaltgeräte, Antriebs- und Messsysteme benötigt, damit die Stromversorgung in Industrie und Gebäuden künftig mehr Gleichstrom nutzen oder sogar komplett auf Gleichstrom umgestellt werden kann. Bisher kennen wir als Messsysteme Wechselstrom- und Drehstromzähler, wie sie in allen Gebäuden für jeden Haushalt installiert sind und, da sie Abrechnungszwecken dienen, der europäischen Messgeräterichtlinie 2004/22/EG MID (Measurement Instruments Directive) entsprechend geeicht sein müssen. Für das Laden von Elektrofahrzeugen muss berücksichtigt werden, dass die Batterien mit Gleichstrom arbeiten. Die normale Ladung der E-Fahrzeuge erfolgt über Wallboxen oder Ladesäulen mit Wechselstrom. Dieser Wechselstrom wird über den im Auto verbauten Gleichrichter in Gleichstrom gewandelt. Für eine kürzere Ladezeit ist eine direkte Schnellladung der Batterie über Gleichstrom möglich. Die dazu nötigen Schnellladesäulen werden als HPC-Ladestationen (High Power Charging) oder Ultra Fast Charger bezeichnet. Damit ein abrechnungsfähiger Ladevorgang möglich ist, sind zuverlässige und genaue Messsysteme notwendig. Diese DC-Messgeräte müssen folgende Anforderungen abbilden:
- Die DC-Messung der Kilowattstunden, die ohne die Leitungs- und Wandlungsverluste tatsächlich direkt am Fahrzeugstecker geladen werden;
- Der Betrieb in einem breiten Temperaturbereich, da beispielsweise öffentliche Ladesäulen sehr häufig im Freien aufgestellt sind und den Umgebungstemperaturen ausgesetzt sind;
- Die Sicherstellung der Authentizität der übertragenen Daten, da sie zu Abrechnungszwecken genutzt werden;
- Die Vorbereitung der Zähler (Baumusterprüfung) für die Installation an elektrischen Fahrzeugladegeräten, die eine Eichrechtszertifikation benötigen.
Energiezähler für Schnellladesäulen
Für diesen Einsatzbereich hat Carlo Gavazzi den DC-Energiezähler DCT1 entwickelt. Es handelt sich um ein Messsystem mit DC-Spannungs- und DC-Strommessung mit einer Messwertauflösung von 0,1Wh und einer Datenaktualisierungszeit von 200ms für die serielle Kommunikation. Da der Energiezähler einen großen Spannungsmessbereich von 150VDC bis 1.000VDC und einen Maximalstrom bis 300ADC oder bis 600ADC abdeckt, eignet er sich insbesondere für die für Schnelladesäulen typischen DC-Systeme. Leistungsverluste durch den Kabelwiderstand zwischen dem DC-Zähler und dem Ladepunkt werden über die Vorgabe eines Korrekturwertes ausgeglichen, so dass nur die am Fahrzeugstecker tatsächlich zugeführte Energie gemessen und dem Kunden in Rechnung gestellt wird. Zudem ermöglicht die Temperaturkompensation, dass der Energiezähler in einem sehr breiten Temperaturbereich bis zu einer maximalen Umgebungstemperatur von 70°C eingesetzt werden kann. Die Temperaturkompensation nutzt ein Kalibrierungsverfahren auf der Basis von zwei internen Temperatursensoren und gewährleistet die hohe Genauigkeit des DCT1, die mit Klasse 1 gemäß IEC 62053-41 oder Klasse A gemäß VDE-AR-E 2418-3-100 Anhang A durch das Bewertungszertifikat nachgewiesen ist. Der DCT1 verfügt neben den Anschlüssen für die Strom- und der Spannungsmessung und für die Stromversorgung auch über eine RS485-Schnittstelle mit Modbus RTU oder SML. Er kann über diese Schnittstelle mit der Ladesäulen kommunizieren. Bei speziell vorbereiteten Versionen des DCT1, die eine 256-Bit- oder 384-Bit-Signatur auf Modbus RTU oder eine 384-Bit-Signatur auf SML implementieren, ist die Authentizität der übertragenen Daten gewährleistet. Diese Versionen sind mit einem Bewertungszertifikat ausgestattet. Dieses ermöglicht, dass DC-Ladestationen mit diesen DC-Zählern nach dem deutschen Eichrecht zugelassen werden können. Weiterhin entspricht der DCT1 der internationalen Norm über die Genauigkeitsanforderungen für DC-Messgeräte IEC62053-41. Mit der Möglichkeit einer bidirektionalen kWh-Zählung ist der DCT1 auch auf künftige Fahrzeug-zu-Netz-Anwendungen (V2G, Vehicle to Grid) und für die Überwachung des DC-Energieaustausches in DC-Mikronetzen vorbereitet.
Für DC-Industrie und Mikronetze
Hohe Genauigkeit und hohe Messgeschwindigkeit sind nicht nur für das Laden von E-Fahrzeugen ein Kriterium für die Auswahl von Messgeräten, denn es eröffnen sich zunehmend weitere Anwendungsbereiche für DC. In der Industrie kann, wie in den Forschungsprojekten DC-Industrie nachgewiesen wurde, die Verwendung von Gleichstrom ebenfalls erhebliche Effizienzgewinne bringen. Erste Unternehmen statten bereits im Rahmen von Pilotprojekten ihre Produktion mit einem DC-Netz aus, über das sie beispielsweise die Ausbeute ihrer installierten Photovoltaik-Anlagen ohne Wandlungsverluste nutzen können. Messgeräte wie der DCT1 stellen in diesem Zusammenhang Informationen über den Verbrauch unterschiedlicher Bereiche und über die Kostenverteilung bereit. Damit der DCT1 problemlos in vielfältigen künftigen Szenarien verwendet werden kann, ist er in einem kompakten 92x115x58mm großen Gehäuse untergebracht. Er kann auf DIN-Schienen oder mit zusätzlichen Schraubklemmen an der Rückwand von Gehäusen montiert werden. Der Anschluss der zu messenden Stromleitungen ist horizontal oder vertikal möglich und erfolgt an einem M10-Anschlussbolzen direkt an der Stromschiene oder aber über einen Kabelschuh. Der Anschluss für die Spannungsmessung und die Versorgungsspannung erfolgt über separate Klemmen. Alle Anschlüsse lassen sich verplomben. Konfiguriert wird der DCT1 über Modbus RTU unter Verwendung der UCS-Konfigurationssoftware, die kostenlos zum Download bereitsteht. Zugelassen und zertifiziert ist der DCT1 gemäß cULus und gemäß dem NMI-Bewertungszertifikat für Eichrecht-Zulassung nach IEC 62052-11, IEC 62052-31, IEC 62053-41, VDE-AR-E 2418-3-100 Anhang A. Außerdem ist der DCT1 konform zu Welmec 7.2.
Fazit
Stromzähler erfassen den Verbrauch unterschiedlicher Lasten zu Abrechnungszwecken. Die gesetzgeberseitigen Anforderungen für die kommerziell genutzte Ladesäulen für Elektrofahrzeuge betreffen die Genauigkeit der Messung – für DC ohne wandlungsbedingte Verluste – in einem sehr breiten Temperaturspektrum sowie die Unverfälschbarkeit der Daten bei der Übertragung. Messgeräte wie der DCT1, der diese Anforderungen nachweislich erfüllt und zusätzlich bidirektional arbeitet, können für alle Anwendungen eingesetzt werden, die im Zuge des Technologiewandels zu DC bereits existieren und die sich derzeit herauskristallisieren.
