Eine kurze Geschichte der Elektrizität

Warum das Smart Home von morgen mit Gleichspannung arbeiten wird

| Autor / Redakteur: Thomas Rechlin * / Thomas Kuther

Ein Blick zurück: Im Stromkrieg Ende des 19. Jahrhunderts setzte sich das Wechselspannungsnetz von George Westinghouse dank Nikola Tesla gegen das Gleichstromnetz von Thomas Alva Edison durch
Ein Blick zurück: Im Stromkrieg Ende des 19. Jahrhunderts setzte sich das Wechselspannungsnetz von George Westinghouse dank Nikola Tesla gegen das Gleichstromnetz von Thomas Alva Edison durch (Bild: RECOM)

Unsere Häuser werden mit Wechselspannung versorgt. Die meisten Geräte aber brauchen Gleichspannung und verbraten viel Energie bei der Umwandlung. Doch das muss nicht sein, wie dieser Beitrag zeigt.

In unseren Smart Homes verrichten heute schon viele elektronische „Helferlein“ im Verborgenen ihren Dienst. Sie schlagen bei Gefahr Alarm, steuern die Beleuchtung, regulieren Heizung und Klima, öffnen Garagentor und Jalousien. Nahezu alles lässt sich aus der Ferne via Smartphone oder Tablet-PC steuern. Wir stehen am Anfang einer spannenden Entwicklung.

Denn während unsere Häuser historisch bedingt mit Wechselspannung versorgt werden, arbeitet die gesamte Elektronik mit Gleichspannung. Dies gilt in wenigen Jahren flächendeckend auch für das Licht! Ein kleiner Ausflug in die Vergangenheit soll uns zeigen, warum sich zunächst die Wechselspannung durchsetzten konnte. Ein anschließender Blick in die Zukunft zeigt, welche neuen Lösungsansätze schon heute denkbar sind.

Alles begann bei der Weltausstellung 1881 in Paris, als Thomas Alva Edison eine Erfindung vorstellte, welche die Welt verändern sollte – das elektrische Licht. Zu jener Zeit war die Gleichspannung das Maß der Dinge. Doch diese stellte Edison vor eine enorme Herausforderung bei seinem ehrgeizigen Ziel der Elektrifizierung der damaligen Metropolen New York, London und Paris. Aufgrund der Leitungsverluste rechnete sich die Übertragung von Gleichspannung – Edison arbeitete mit 110 VDC – nur über kurze Strecken. Das bedeutete jedoch, dass mitten in den Städten Kraftwerke errichtet werden mussten, die dann nur Gebäude in einem Umkreis von ca. 1,5 km mit Elektrizität versorgen konnten. Was sich heute niemand vorstellen könnte, wurde damals in Angriff genommen.

In weniger dicht bebauten Gebieten ist ein Gleichspannungsnetz nicht wirtschaftlich

Rasch stellte sich heraus, dass in weniger dicht bebauten Gebieten, ein Gleichspannungsnetz nicht wirtschaftlich betreibbar war. Dies brachte George Westinghouse auf die Idee stattdessen Wechselspannung zu verwenden. Diese konnte leichter auf höhere Spannungsniveaus transformiert werden und daher war die Verwendung längerer aber dafür dünnerer Leitungen, ohne die damit üblicherweise einhergehenden großen Verluste, möglich. So kam es zum sogenannten Stromkrieg in den frühen 90er Jahren des 19. Jahrhunderts. Diesen konnte schlussendlich Westinghouse mit Hilfe von Nikola Tesla, dem Entdecker des Prinzips des rotierenden magnetischen Feldes, für sich entscheiden. Das ist der Grund, warum wir bis heute in unseren Häusern Wechselspannungsnetze haben und weltweit Milliarden von Netzteilen benötigen, um unsere Heim-Elektronik mit Gleichspannung zu versorgen.

Bringt das Smart Home eine Renaissance der Gleichspannung?

Kann es daher im autarken Smart Home der Zukunft vielleicht zu einer Trendwende kommen? Macht eine Gleichspannungsversorgung möglicherweise doch wieder Sinn? Wir wollen diese These etwas genauer betrachten.

Die kostenlose Energie der Sonne

Die Sonne: Sie beliefert uns tagein, tagaus mit Energie, und das praktisch kostenlos. Daher sind Photovoltaikanlagen zu einer beliebten Investition geworden, um diese Energie für den eigenen Gebrauch zu nutzen und so eine gewisse Unabhängigkeit von den Stromversorgern zu erreichen. Doch das ist aus zwei Gründen ein Trugschluss. Zum einen sind unsere Gebäude mit einer Wechselspannungsinstallation ausgestattet. Das bedeutet, dass die Energie aus den Solarpanelen nicht direkt verwertet werden kann, sondern zuerst über einen Wechselrichter in die für uns nutzbaren 230 VAC/50 Hz umgewandelt werden muss. Obwohl moderne Wechselrichter bereits Wirkungsgarde von ≥95% erreichen, geht hier wertvolle Energie unnötigerweise verloren.

Nicht gebrauchte Energie wird ins Netz eingespeist

Andererseits steht die Energie der Sonne oft nicht zu dem Zeitpunkt zur Verfügung, wenn sie benötigt wird. Daher wird sie in der Regel ins Netz zurückgespeist. Das war in der Vergangenheit, dank attraktiver Einspeisetarife, meist ein sehr lukratives Geschäft. Da aber in den Jahren der Wirtschaftskrise die Förderungen für erneuerbare Energien mehr und mehr zurückgegangen sind, stellt sich die Frage ob eine Rückspeisung ins Netz noch zweckmäßig ist. Viel vernünftiger erscheint demgegenüber eine autonome Gleichspannungsversorgung. Dazu würde die von den Solarpanelen generierte Gleichspannung quasi verlustfrei in ein hausinternes DC-Bordnetz gespeist. Die überschüssige Energie lädt eine Pufferbatterie, die dann die notwendige Energie liefert, wenn die Sonne nicht mehr scheint.

Bild 1: Hausinstallation der Zukunft mit einer autonomen Gleichspannungsversorgung (blau), gespeist von einer Photovoltaikanlage und mit Pufferbatterie und E-Car als Zwischenspeicher. Für die Großverbraucher und als „Reserve-Speisung“ für die Batterie gibt es zusätzlich den klassischen Wechselspannungsanschluss (rot).
Bild 1: Hausinstallation der Zukunft mit einer autonomen Gleichspannungsversorgung (blau), gespeist von einer Photovoltaikanlage und mit Pufferbatterie und E-Car als Zwischenspeicher. Für die Großverbraucher und als „Reserve-Speisung“ für die Batterie gibt es zusätzlich den klassischen Wechselspannungsanschluss (rot). (Bild: Recom)

Bild 1 zeigt eine Hausinstallation wie sie in zukünftigen Smart Homes Realität werden könnte. Das interne DC-Bordnetz versorgt dann den Großteil der Geräte im Haushalt, die Beleuchtungskörper sowie alle Steuerungselemente, die für ein intelligentes Zuhause benötigt werden. Für so ein Bordnetz bietet sich eine Spannung von 24 VDC an, da diese Spannung in Bezug auf Leitungslängen und -querschnitte die effizienteste Lösung ist. Kann in sonnenarmen Zeiten die Batterie einmal nicht durch die Solarkollektoren ausreichend geladen werden, sorgt ein aus dem Hausanschluss gespeistes Netzladegerät für Abhilfe.

Großgeräte brauchen einen leistungsstarken AC-Anschluss

Somit wird es ohne einen 230-VAC-Anschluss nicht gehen. Zudem benötigen Großgeräte wie Waschmaschine, Backofen oder Kühlschrank ebenfalls einen leistungsstarken Wechselspannungsanschluss. Ebenso der Boiler für die Warmwasserbereitung oder die Heizungspumpe – die Heizungssteuerung kann aber wiederum aus dem DC-Bordnetz versorgt werden.

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In Zeiten vor den elektronischen Bauelementen war die Drehstrom-Technik die Basis der...  lesen
posted am 05.04.2018 um 09:01 von ktelektronik@gmx.de

.. eigentlich spart man bei Kleinleistungen (d.h. ohne PFC) NUR 1-4 Gleichrichterdioden ein, dafür...  lesen
posted am 24.12.2013 um 00:04 von Unregistriert

So So, in Österreich arbeiten also Schaltregler mit Gleichspannung??? Interessante These, die...  lesen
posted am 23.12.2013 um 23:56 von Unregistriert

Zitat 1: Es geht hier um die Versorgung von Kleinverbrauchern... Zitat 2: sind die hier dazu...  lesen
posted am 20.09.2013 um 12:56 von ibw-oberhaching

Leute, Leute ! Apropos das der ursprüngliche Artikel das eigentliche (richtige) Thema nur...  lesen
posted am 19.09.2013 um 15:14 von koszescha


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