Der Grad der Vernetzung in unseren Gebäuden steigt zunehmend – sei es nun die Beleuchtung die sich individuell an die vorherrschenden Lichtverhältnisse anpasst oder die intelligente Heizungssteuerung die smart auf das Verhalten seiner Bewohner reagiert. Was vor einigen Jahren noch nach Zukunftsmusik klang, ist heute in vielen Wohnhäusern schon Realität. Die Motivation für den hohen Automatisierungsgrad ist für die meisten Nutzern allerdings derselbe. Sie erwarten sich von den intelligenten Systemen und IoT-Anwendungen vorwiegend einen geringeren Energieverbrauch, erhöhte Sicherheit und natürlich eine Steigerung des Wohnkomforts. Dieselben Motive gelten auch für intelligente Bürogebäude. Für diese Aufgaben werden die Gebäude mit jeder Menge Elektronik ausgestattet, die intern mit Gleichspannung versorgt werden müssen.

Bild 1: Mit einem DC-Netz im Gebäude lassen sich elektrische Verbraucher verlustarm mit Gleichstrom versorgen. Da die Spannung nicht mehrmals transformiert werden muss, sind auf diese Weise erhebliche Energieeinsparungen möglich.

Bild 1: Mit einem DC-Netz im Gebäude lassen sich
elektrische Verbraucher verlustarm mit Gleichstrom
versorgen. Da die Spannung nicht mehrmals transformiert
werden muss, sind auf diese Weise erhebliche
Energieeinsparungen möglich.
elektrische Verbraucher verlustarm mit Gleichstrom
versorgen. Da die Spannung nicht mehrmals transformiert
werden muss, sind auf diese Weise erhebliche
Energieeinsparungen möglich.
elektrische Verbraucher verlustarm mit Gleichstrom
versorgen. Da die Spannung nicht mehrmals transformiert
werden muss, sind auf diese Weise erhebliche
Energieeinsparungen möglich.
elektrische Verbraucher verlustarm mit Gleichstrom
versorgen. Da die Spannung nicht mehrmals transformiert
werden muss, sind auf diese Weise erhebliche
Energieeinsparungen möglich. Recom

Hohe Verluste durch Umwandlungsprozesse

Trotz moderner Technik haben solche Smart Homes noch eine Schwachstelle aus vorelektronischer Zeit. Abgesehen von wenigen Geräten, wie beispielsweise Kochplatten oder Waschmaschinen, arbeitet ein Großteil der Stromverbraucher im Haus mittlerweile mit Gleichspannung, während das traditionelle Stromnetz nach wie vor Wechselspannung liefert. Somit wird die benötigte Spannung für Laptop, Handy, TV-Gerät oder auch LED-Beleuchtung durch unzählige Netzteile passend umgewandelt. Jedoch entstehen bei jeder dieser Umwandlungen Verluste.

Ein europäisches Forschungsprojekt widmete sich von 2012 bis 2015 der Frage, wie diese Verluste minimiert werden könnten. Ein möglicher Lösungsansatz hierbei wäre die Installation eines lokalen Gleichspannungsnetzes. Durch die Zentralisierung der Umwandlungsprozesse würde ein Großteil der ineffizienten Netzteile wegfallen. Das EU-Projekt DCC+G (DC components and grid) untersuchte des Weiteren, wie man dezentrale Energieversorgungsquellen, wie beispielsweise Photovoltaik, in die Versorgung von Gebäuden einbeziehen könnte, um so die Umwandlungsverluste zu reduzieren.

Einsparungen durch lokales Gleichspannungsnetz

Photovoltaik-Anlagen nutzen die Energie der Sonne um saubere Gleichspannung zu liefern. Um aber den erzeugten Strom in das deutsche Stromnetz einspeisen zu können, muss dieser mittels Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt werden. Obwohl moderne Wechselrichter bereits Wirkungsgrade von mehr als 95 Prozent erreichen, geht hier wertvolle Energie verloren. Würde man diese Energie ohne Umwege direkt in ein hausinternes DC-Bordnetz mit Bufferbatterie speisen, ließen sich erhebliche Einsparungen erzielen. Allein durch den Wegfall aller Netzteile in einem durchschnittlichen Haushalt mit einem Jahresverbrauch von 3500 kWh könnten jährlich zirka 200 kWh eingespart werden. Darüber hinaus sind weitere Einsparungen möglich, wenn auch die LED-Beleuchtung beziehungsweise die Heizungspumpen aus diesem Netz versorgt werden.

Eck-DATEN

Viele Anwendungen in modernen Smart Homes sind auf
Gleichstrom angewiesen. Jedoch werden die meisten
dieser Häuser noch durch Wechselspannungsnetze versorgt,
weshalb der Strom zuerst umgewandelt werden
muss. Hinzu kommt noch, dass viele dieser Anwendungen
auch im Standby-Modus Strom verbrauchen. Durch
die Umwandlung von Wechsel- in Gleichspannung entstehen
Verluste. Um das zu umgehen, würde sich die Errichtung
eines lokalen Gleichspannungsnetzes mittels einer
Photovoltaik-Anlage anbieten. Allerdings ist das oftmals
mit hohen Umbau- und Renovierungskosten verbunden.
Die Mini-Netzteilen von Recom halten Wandlungsverluste
gering und bieten eine Alternative zu kostenintensiven
Alternativen.

Bild 1 zeigt eine Hausinstallation wie sie in künftigen Smart Homes Realität werden könnte. Das interne DC-Bordnetz versorgt den Großteil der Geräte im Haushalt, die LED-Beleuchtung sowie alle Steuereinheiten, die das intelligente Zuhause mit sich bringt. Für so ein DC-Bordnetz würde sich beispielsweise eine Spannung von 24 V Gleichspannung anbieten, da dies eine ungefährliche Sicherheitskleinspannung (SELV = Safety Extra Low Voltage) ist und sich die Leitungsverluste bei bisherigen Kabelquerschnitten in Grenzen halten. Kann in sonnenarmen Zeiten die Batterie durch die PV-Anlage nicht ausreichend geladen werden, sorgt ein aus dem Hausanschluss gespeistes Netzladegerät für Abhilfe. Denn völlig ohne 230 VAC Anschluss wird es auch in Zukunft nicht gehen.

Doch eine derartige Gleichspannungsversorgung würde sich vermutlich nur für neugebaute Gebäude rechnen und Sinn machen. In vielen Fällen ist in bestehenden Gebäuden ein Umrüsten auf ein duales Stromversorgungsmodell nicht rentabel, da dies mit aufwendigen Renovierungsarbeiten und hohen Investitionen behaftet wäre. Hier muss improvisiert werden, zum Beispiel mit effizienten Mini-Netzteilen, die mit hohem Wirkungsgrad und niedrigem Verbrauch im Leerlauf, möglichst wenig Energie verschwenden.

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