Stromversorgung & Leistungselektronik Wie smart ist das Netz im Smart Home?

Vor gut 120 Jahren tobte ein wahrer "Glaubenskrieg" zwischen Edison als Verfechter des Gleichstromes und Westinghouse als Befürworter des Wechselstromes. Aufgrund der damaligen Technik und den hohen Verlusten bei der Übertragung von Gleichspannung über weite Strecken, wurde dieser Zwist seinerzeit für Westinghouse entschieden und somit zugunsten der Wechselspannung. Doch auch wenn Wechselstrom zum Maß aller Dinge wurde, gänzlich verschwunden ist die Gleichspannung nie. In Nischenbereichen wurde sie stetig weiterentwickelt und erlebte Mitte des 20. Jahrhunderts mit dem Aufkommen der Halbleitertechnologie eine Renaissance. Mittlerweile hat sie beinahe alle Bereiche unseres Lebens erobert und begegnet uns sowohl im Berufsleben mit PCs und Smartphones, als auch in unserem Wohnbereich in Form intelligenter Haussteuerungen, TV-Geräten und Hifi-Anlagen. Mit dem schrittweise eingeführten Verbot der Glühbirne ist mittlerweile sogar das Licht elektronisch geworden. Effiziente LED-Beleuchtungen sorgen nun für stimmungsvolle Atmosphäre und benötigen dazu eine Gleichstromversorgung. Unser Stromnetz liefert jedoch nach wie vor 230 VAC - und daher sind wir auf unzählige Netzteile angewiesen, um die Elektronik versorgen zu können.

Gebäude müssen ab 2020 energieneutral sein

Laut einer europäischen Richtlinie dürfen nach 2020 nur noch annähernd energieneutrale Gebäude errichtet werden. Dies bedeutet, der Großteil des Strombedarfs muss aus regenerativen Quellen vor Ort erzeugt und die Möglichkeiten zur Energieeinsparung bestmöglich ausgeschöpft werden. Daher wird die Anzahl der Photovoltaikanlagen in den nächsten Jahren erheblich zunehmen. Diese nutzen die Energie der Sonne, um saubere Gleichspannung zu liefern. Doch wird diese, um mit unserem Stromnetz zu harmonieren, anschließend mittels Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt. Da durch jede Transformation Verluste entstehen, geht ein Teil der so gewonnenen Energie sofort wieder verloren.

Auch Windkraftanlagen, welche sauberen Öko-Strom liefern sind im Vormarsch. Diese erzeugen zwar bereits eine Wechselspannung, allerdings mit variabler Frequenz. Somit ist es nötig, diese im ersten Schritt auf Gleichspannung zu transformieren. Aus dieser wird dann eine 50-Hz-Wechselspannung generiert, welche mit dem Stromnetz harmoniert und dadurch erst nutzbar wird. Auch hier bringt die doppelte Transformation einen erheblichen Energieverlust mit sich.

Ein europäisches Forschungsprojekt widmet sich nun der Thematik, wie man diese Verluste durch ein Gleichspannungsnetz reduzieren könnte. Das EU-Projekt DCC+G (DC components and grid) untersucht, wie man dezentrale Energieversorgungsquellen, wie beispielsweise Photovoltaik, in die Versorgung von Gebäuden einbinden kann, um dadurch eine Reduktion der Umwandlungsverluste zu erreichen. Durch die Zentralisierung der Umwandlungsprozesse fällt ein Großteil der ineffizienten Netzteile weg, was die Verluste minimiert und somit doppelt Kosten spart. Durch eine dezentrale Energiespeicherung und einem Gleichspannungsnetz im Haushalt, zusätzlich zu der üblichen 230-V-Installation, wäre es möglich, den Stromverbrauch erheblich zu reduzieren. Abgesehen von wenigen Geräten, wie beispielsweise Kochplatten oder Waschmaschinen, arbeiten all unsere Verbraucher intern mit Gleichspannung. Diese könnten direkt aus dem DC-Netz versorgt werden. Allein durch den Wegfall aller Netzteile in einem durchschnittlichen Haushalt (angenommener Verbrauch 3.500 kWh/a) ließen sich jährlich ca. 200 kWh einsparen. Darüber hinaus sind weitere Einsparungen möglich, wenn auch die LED-Beleuchtung bzw. die Heizungspumpen aus diesem Netz versorgt werden.

Für so ein DC-Bordnetz würde sich zum Beispiel 24-V-Gleichspannung anbieten, da dies eine ungefährliche Spannung ist (SELV, safety extra low voltage) und sich die Leitungsverluste bei bisherigen Kabelquerschnitten in Grenzen halten. Diese Spannung ist bereits bei LKW und Caravan verbreitet, somit wären entsprechende Batteriekapazitäten verfügbar. Auch erlauben sie eine direkte Einspeisung aus den Photovoltaik-Modulen ohne Wechselrichter.

Gleichspannung aus der Steckdose

Für neugebaute Gebäude würde sich eine derartige Gleichspannungsversorgung rechnen und durchaus Sinn machen. Doch in vielen Fällen ist in bestehenden Gebäuden ein Umrüsten auf ein duales Stromversorgungsmodell nicht rentabel, da dies mit aufwändigen 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. Neu am Markt erhältlich sind Netzteile, wie beispielsweise der RAC03-SCR von Recom, die aufgrund ihrer flachen, runden Form problemlos hinter Schaltern oder Dimmern Platz finden. Somit ist es ohne teure und aufwändige Renovierungsarbeiten möglich, die Gleichspannung für die smarten Komponenten im Haus von heute, direkt aus der Steckdose zu erhalten. Bei einer Nennleistung von 3 W erreicht die flache Scheibe einen hervorragenden Wirkungsgrad von 78 Prozent und ist durch ihren weiten Eingangsspannungsbereich von 85 bis 305 VAC weltweit einsetzbar. Besonders erwähnenswert ist der niedrige Standby-Verbrauch von gerade einmal 40 mW. Dieser unterschreitet die Vorgaben der EuP-Richtlinie um mehr als das zehnfache. Diese ist seit Januar 2012 in Kraft und regelt den maximal zulässigen Verbrauch von elektronischen Geräten im Standby- und Scheinausbetrieb. Waren die Grenzwerte der so genannten "Standby-Verordnung" bisher mit 1 W limitiert, so sind seit Beginn 2013 nur noch maximal 500 mW zulässig.

Viele Netzteile haben schlechten Wirkungsgrad

Doch nicht nur in Bezug auf den Standby-Verbrauch lohnt sich ein genauer Blick auf die Stromversorgungen, die unsere liebsten elektronischen Helfer versorgen. Viele dieser Netzteile haben einen sehr schlechten Wirkungsgrad und verheizen somit schlichtweg jede Menge Energie. Häufig arbeiten sie intern mit veralteter, ineffizienter Technik, wie etwa Linearreglern. Diese wurden früher aufgrund der einfachen Handhabung und ihres günstigen Preises bevorzugt eingesetzt. Besonders häufig sind sie daher in den Netzteilen von Druckern zu finden. Der Nachteil dieser linearen Spannungsregler liegt in ihrem schlechten Wirkungsgrad und ihrer großen Verlustleistung. Der Teil der Spannung, die am Eingang zugeführt wird und gerade nicht am Ausgang benötigt wird, fällt am Transistor ab, wird dort in Wärme umgewandelt und ist somit verloren. Anders verhält sich dies bei Schaltreglern, wie dem R-78. Hier wird diese Energie in einem Magnetfeld gespeichert und der Schaltung zu einem späteren Zeitpunkt wieder zugeführt. Dadurch erzielen Schaltregler wesentlich bessere Wirkungsgrade von bis zu 98 Prozent, und tragen so dazu bei, die Effizienz der Stromversorgungen deutlich zu erhöhen.

Fazit

Im SmartHome der Zukunft werden wir also um ein lokales Gleichspannungsnetz nicht herum kommen, wenn wir unsere vorhandenen Energieressourcen auf effizienteste Art und Weise nützen wollen. Edison und Westinghouse werden so zukünftig gleichberechtigt vertreten sein - auch wenn dies sicher noch einige Jahrzehnte dauern wird. Denn dazu ist die festinstallierte Basis einfach zu mächtig. In der Zwischenzeit sind wir auf innovative Lösungen, wie effiziente Netzteile die sich in Unterputzdosen integrieren lassen, angewiesen. Auch sollten wir einen kritischen Blick auf die zahlreichen Netzteile in unseren Haushalten werfen. Viele von ihnen sind wahre Energieräuber und der Blick auf den Wirkungsgrad kann hier wertvolle Energie und somit bares Geld sparen.