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Strom kommt aus der Steckdose!

Strom ist so selbstverständlich für uns geworden, dass wir ihn einfach konsumieren und nicht mehr weiter darüber nachdenken. Doch was passiert im Hintergrund? Ist das, was wir täglich an Strom beziehen, überhaupt effizient? Alle Welt redet von Energiewende. Indem wir mehr und mehr Photovoltaikanlagen auf unseren Dächern installieren, leisten wir zwar unseren Beitrag in Bezug auf ökologische Stromgewinnung, doch damit hört die Zukunft nicht auf. Letztendlich geht es darum, das gesamte System zu optimieren! Nicht nur die Stromproduktion gilt zu verändern, sondern auch die Effizienz der Energie in seiner Anwendung zu verbessern. Denn Solarstrom ist DC-Strom – unsere Haushalte jedoch AC.

Was ist DC?

DC heisst „direct current“ und bedeutet Gleichstrom. Das heisst, die Stärke und die Richtung des Stroms ändern sich nicht. DC kennen wir aus dem Auto als 12 Volt-Zigarettenanzünder oder den 5 Volt-USB-Stecker für das Mobiltelefon.

Was ist AC?

AC heisst „alternating current“ und bedeutet Wechselstrom. In diesem Fall ändern sich Stärke und Richtung des Stroms in einem regelmässigen Rhythmus. Unser gesamter Haushalt funktioniert mit AC-Strom: der 230 V-Kühlschrank, die Bohrmaschine oder der Elektroherd mit 400 V-Dreiphasen-Wechselstrom/Drehstrom. Der so überall selbstverständliche Strom aus der Steckdose ist 230 V einphasiger Wechselstrom.

Die Sinnfrage

Ihr Computer, ihr Mobiltelefon, ihr Fernseher oder LED-Lampen funktionieren mit Gleichstrom (DC) – überall in Ihrem Haushalt sind, sichtbar oder unsichtbar, Netzteile mit Stromwandlern eingebaut, die 230 V-Strom (AC) aus der Steckdose wieder in Gleichstrom (DC) einer niedrigeren Spannung verwandeln müssen, um die Geräte zu betreiben. Wenn der Strom aus Ihrer Photovoltaik-Anlage DC-Strom ist und viele Geräte auch auf DC ausgelegt sind, warum dann die ständige Umwandlung von DC-Gleichstom in AC-Wechselstrom und wieder umgekehrt? Denn diese Umwandlungen bedeuten jedes Mal einen Energieverlust und beeinträchtigt somit die Energieeffizienz. Wertvoller Strom wird „sinnlos“ verschwendet. Die Antwort auf dieses Warum ist in der Geschichte zu finden.

Eine kleine Reise in die Geschichte: Der Stromkrieg

Man schreibe das Jahr 1890. Thomas Alva Edison (General Electrics) und George Westinghouse (Westinghouse Electric) lieferten sich die erste wirtschaftliche Auseinandersetzung um einen technischen Standard der Industriegeschichte. Dieser Kampf ging als „der Stromkrieg“ in die Geschichte ein. Streitpunkt waren Marktanteile der jeweiligen Elektrofirmen und die Durchsetzung von DC- oder AC-Stromnetzen als elektrischer Standard in den USA. Edison stand für Gleichstrom und vieler Patente in diesem Bereich, die er sich teuer bezahlen liess. Das hatte zur Folge, dass ein freier Wettbewerb und Innovationen behindert wurden. Aufgrund dieser patentrechtlichen Einschränkungen favorisierte Westinghouse den patentrechtlich freien Wechselstrom.

Bis Ende 1887 hatte Edison 121 Gleichspannungsnetze und Westinghouse, zusammen mit der Thomson-Houston Electric Company, 90 Wechselstromnetze in den USA, die die Expansion von Edisons Netzen behinderten.

Alle Unternehmen hatten eigene Leitungssysteme, die sich teilweise kreuzten und überschnitten. Viele Jahre führten die beiden Kontrahenten einen Medienkrieg, wobei Edison versuchte über die Gefährlichkeit von Wechselstrom in der Öffentlichkeit den Gegner vom Markt zu verbannen. Der grosse Vorteil von Wechselstrom war allerdings seine enorme Reichweite in den Netzen und setzte sich schliesslich gegen Ende des 19. Jahrhunderts als Standard durch.

Mehr Details über den Stromkrieg erfahren Sie unter: https://de.wikipedia.org/wiki/Stromkrieg
Zwei interessante Filme veranschaulichen diese Zeit in «Edison – ein Leben voller Licht» und «Tesla», in dem die Rolle von Nikola Tesla als Erfinder des heutigen Zweiphasen-Wechselstroms dargestellt wird.

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Die heutige Problematik

Erhöhter Stromverbrauch

Im Vergleich zum Ende des letzten Jahrhunderts hat sich der Stromverbrauch enorm erhöht. Die Elektrifizierung von Haushalten und Gewerbebetrieben sorgen für stetig steigenden Stromkonsum. Insbesondere mit dem Umstieg auf Elektrofahrzeuge rechnet man mit einem explosionsartigen Anstieg in den nächsten Jahren. Das massiv aufkommende Ladeverhalten wird die derzeitige Infrastruktur vor grosse Herausforderungen stellen. Ebenso der wachsende Energieverbrauch im IT-Bereich mit der steigenden Anzahl an Rechenzentren verschlingt zusätzlich grosse Energiemengen.

Steigende Energiekosten

Beim Strompreis für private Haushalte ist seit Jahren in den meisten Ländern ein Aufwärtstrend zu verzeichnen. In Deutschland zum Beispiel hat sich der Strompreis in 20 Jahren mehr als verdoppelt. Tendenz: immer noch steigend. Vor diesem Hintergrund bedeutet selbst Strom zu erzeugen und zu nutzen eine attraktive Alternative. Wegen der schlechten Rückvergütungstarife ins Netz ist die eigene Energiespeicherung ein zunehmendes Thema für Hausbesitzer, um über die Eigenenergieoptimierung zusätzlich die Stromrechnungen zu reduzieren und mehr Unabhängigkeit zu erlangen.

Erneuerbare Energie und die Energiewende

Erneuerbare Energie kommt nicht regelmässig. Wenn Sonne oder Wind Energie erzeugen, heisst das nicht, dass auch in demselben Moment diese Energie irgendwo verbraucht wird. Die Zwischenpufferung erhöhter Stromproduktion ist eine grosse Herausforderung. Daher braucht es zu Zeiten, in denen kaum Energie produziert wird, herkömmliche Kraftwerke, um trotzdem alle Verbraucher bedienen zu können. Die Energiewende ist derzeit noch nicht ohne konventionelle Technologie in grossen Netzen umsetzbar. Es handelt sich um eine systemrelevante Herausforderung alter und neuer Energieproduktion sowie der Steuerung eines sehr ungleichmässigen Energieproduktions- und Energieverbrauchsaufkommens.

Kapazitätsausbau der Stromnetze

Das enorme Energieproduktionsaufkommen durch erneuerbare Energien sowie der rasant steigende Energieverbrauch stellt unsere bestehenden Stromleitungen vor massive Probleme. Der Ausbau der Netze, um den neuen Anforderungen gerecht zu werden, ist mit hohen Kosten verbunden. Spitzenlasten hoher Energieproduktion und hoher Verbräuche zu unterschiedlichen Zeiten müssen ständig flächendeckend ausgeglichen und geregelt werden. Und die Energiewende 2050 verlangt noch mehr Photovoltaik-Abdeckung. Oft kann die volle Leistungskraft einer PV-Anlage aufgrund geringerer Netzanschlüsse gar nicht genutzt werden. 

In den kommenden Jahren werden viele neue energieneutrale Quartiere und Stadtteile gebaut werden. Diese lokalen Initiativen sind erfolgreich, kosteneffizient und umweltverträglich. Es werden mehr und mehr viele private Energieversorger mit ihren eigenen kleinen Netzen entstehen, die autonom und autark ihr Revier versorgen. Die Geschichte scheint sich zu wiederholen: Es steht ein neuer Stromkrieg zwischen DC- und AC-Netzen bevor. Sollte im Nachhinein Edision Recht behalten haben mit seiner Idee von Gleichstrom-Netzwerken?

Die Welt im Wandel – Stromkrieg 2.0

Für eine zentrale Stromversorgung mit zentraler Energieproduktion ist AC-Strom mit seiner grossen Reichweite ganz klar im Vorteil. Jedoch wird die Stromproduktion durch erneuerbare Energien, wie kleine Photovoltaik-Anlagen auf vielen Hausdächern, immer dezentraler. Mit regionalen DC-Netzen und ihrer geringeren Reichweite können die grossen AC-Netze enorm entlastet werden. Hand in Hand mit den Elektrizitätswerken ist eine gegenseitige Unterstützung durch Netzentlastung und einer besseren Energieeffizienz möglich. Spitzenlasten in der Produktion müssen nicht mehr ausgeglichen werden und können direkt im DC-Netz verbraucht oder gespeichert werden. Die hohen Kosten für den Ausbau von AC-Netzen werden eingespart. Zudem ist das volle Potenzial der Photovoltaik-Anlagen innerhalb eines DC-Micro-Grids direkt nutzbar. 

Die Vision allgemeiner dezentraler DC-Netze ist in seinen Anfängen im Entstehen. Aufgrund der hohen Energieeffizient ist diese Technologie mehr und mehr im Kommen. Denn DC-produzierter Solarstrom muss nicht mehr umgewandelt werden, sondern geht direkt in die DC-Verbraucher wie Wärmepumpe, Batteriespeicher, Brennstoffzellen oder eFahrzeuge. Dieser direkte DC-Strom kann nun wesentlich verlustärmer (ohne Umwandlungsverluste) eingesetzt werden. 

Über einen DC-Link, ein DC-Stromkabel, das die entsprechenden Verbraucher miteinander verbindet, kann, je nach Anwendung, der DC-Strom entweder über einen DC/DC-Wandler oder Frequenzumrichter direkt den DC-Verbraucher und über einen DC/AC-Wechselrichter einen AC-Verbraucher (wie z.B. einen Haushalt) versorgen oder ins Netz gespeist werden.

Die Zukunft hiesse, auch Wohnungen und Gewerbebetriebe teilweise oder vollständig auf DC umzurüsten. So kann die Raumbeleuchtung komplett auf DC-Strom laufen. Viele elektronische Geräte benötigen 20V, 12V oder 5V, deren Netzteile entfallen und mit kleinen DC/DC-Wandlern oder eigenen Stromkreisläufen noch effizienter betrieben werden. Infrarot-Heizungen an den Decken sorgen für wohlige Wärme im gesamten Raum oder punktuell an bestimmten Plätzen im Raum. Ein Gewerbebetrieb kann die Elektromotoren seiner Maschinen direkt von der Solaranlage über Frequenzumrichter betreiben. Vieles ist möglich, Vieles liegt in den Konzeptschubladen, Vieles ist im Wandel. 

Energiesparende DC-Netze, wie wir Sie mit DCmaxx© realisieren, sind heute als Mischwelt schon realisierbar. In der Abbildung sehen Sie im oberen Bereich die DC-Welt. Unter dem DC-Link existiert weiterhin die gewohnte AC-Welt. innovenergy liefert hierzu einen wesentlichen Teil in Form des Salzbatteriespeichers salimax© (ab 25 kWh, 820 V), den DC-Link sowie neuartige hocheffiziente Hybridwechselrichter. Als DC-Ladestationen für eFahrzeuge können handelsübliche Stationen verschiedener Hersteller eingesetzt werden.