Bei den heutigen Photovoltaik-Systemen wird der von den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom in Wechselstrom gewandelt, so dass er mit dem Verteilnetz eines Gebäudes kompatibel ist. Da viele moderne Geräte intern mit Gleichstrom (DC) betrieben werden, wird der Wechselstrom (AC) durch den Adapter des jeweiligen Geräts wieder in Gleichstrom umgewandelt.

Diese doppelte Energiewandlung, die bis zu 30 % der Energieverluste verursacht, kann vermieden werden, wenn das Verteilnetz des Gebäudes auf Gleichstrom umgestellt wird. Die direkte Kopplung von Gleichstromquellen mit Gleichstromverbrauchern kann ein Photovoltaik-System günstiger und nachhaltiger machen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen jedoch einige wichtige Bedingungen erfüllt werden.

Elektrische Energie kann mit Wechselstrom oder Gleichstrom erzeugt und verteilt werden. Bei Wechselstrom wechselt der Strom periodisch die Richtung, während sich die Spannung im gleichen Takt ihr Vorzeichen ändert. Bei Gleichstrom fließt der Strom in eine Richtung und die Spannung bleibt konstant. Als die elektrische Energieübertragung im letzten Viertel des 19. Jahrhunderts eingeführt wurde, konkurrierten Wechsel- und Gleichstromsystem darum, das Standard-Stromverteilungssystem zu werden — eine Periode in der Geschichte, die als “Stromkrieg” bekannt ist.

Der Wechselstrom hat sich vor allem wegen seiner höheren Effizienz bei der Übertragung über lange Strecken durchgesetzt. Die elektrische Leistung (in Watt) ist gleich dem Strom (in Ampère) multipliziert mit der Spannung (in Volt). Folglich kann eine bestimmte Leistung durch eine niedrige Spannung mit einem höheren Strom oder durch eine hohe Spannung mit einem niedrigeren Strom erzeugt werden. Allerdings ist der Leistungsverlust aufgrund des Widerstands proportional zum Quadrat des Stroms. Daher sind hohe Spannungen der Schlüssel zu einer energieeffizienten Stromübertragung über größere Entfernungen. ¹

Die Erfindung des Wechselspannungstransformators Ende des 19. Jahrhunderts ermöglichte es, die Spannung auf einfache Weise zu erhöhen, um elektrische Energie über große Entfernungen zu transportieren, und sie dann für den lokalen Gebrauch wieder zu verkleinern. Gleichspannung hingegen konnte bis in die 1960er Jahre nicht effizient in hohe Spannungen umgewandelt werden. Folglich war es unmöglich, elektrische Energie in einem Gleichspannungsnetz effektiv über große Entfernungen (>1-2 km) zu übertragen.

Ein Gleichspannungsnetz erforderte die Installation von relativ kleinen Kraftwerken in jedem Viertel. Dies war ungünstig, da die Effizienz der Dampfmaschinen, die die Dynamos antrieben, von ihrer Größe abhing — je größer eine Dampfmaschine, desto effizienter wird sie. Außerdem waren Dampfmaschinen laut und verursachten Luftverschmutzung und die geringe Transporteffizienz von Gleichspannung schloss die Nutzung von weiter entfernten, sauberen Wasserkraftquellen aus.

Mehr als hundert Jahre später bildet die Wechselspannung immer noch die Grundlage unserer Energieinfrastruktur. Obwohl Hochspannungs-Gleichstromübertragung für die Energieübertragung über weite Entfernungen an Bedeutung gewonnen hat, basiert die gesamte Energieverteilung in Gebäuden auf Wechselspannung, entweder mit 110 V oder 220 V. Niederspannungs-Gleichstromsysteme haben in Autos, Lastwagen, Wohnmobilen, Wohnwagen und Booten sowie in Telekommunikationsbüros, abgelegenen Forschungsstationen und Notunterkünften überlebt. In den meisten dieser Beispiele werden die Geräte mit Batterien betrieben, die mit 12 V, 24 V oder 48 V Gleichspannung arbeiten.

Das Interesse am Gleichstromsystem lebt wieder auf

In jüngster Zeit haben zwei in die gleiche Richtung wirkende Entwicklungen das Interesse an der Gleichstrom-Verteilung verstärkt. Erstens haben wir jetzt bessere Alternativen für die dezentrale Stromerzeugung, wobei die wichtigste davon die Photovoltaik ist. Sie verursachen keine Umweltverschmutzung und ihre Effizienz ist unabhängig von ihrer Größe. Da Solarmodule genau dort aufgestellt werden können, wo der Energiebedarf besteht, ist eine Energieübertragung über große Entfernungen nicht erforderlich. Außerdem erzeugen Solarmodule “natürlicherweise” Gleichstrom, und das gilt auch für elektrochemische Batterien, die die praktischste Speichertechnologie für PV-Systeme sind.

Solarmodule produzieren sowieso Gleichstrom, und ein wachsender Anteil unserer elektrischen Geräte arbeitet intern mit Gleichstrom.

Zweitens wird ein wachsender Teil unserer Elektrogeräte intern mit Gleichstrom betrieben. Dies gilt für Computer und alle anderen elektronischen Geräte ebenso wie für Festkörper-Beleuchtung (LEDs), Flachbildfernseher, Stereoanlagen, Mikrowellenherde und eine zunehmende Anzahl von Geräten, die mit Gleichstrommotoren mit variabler Drehzahl betrieben werden (Ventilatoren, Pumpen, Kompressoren und Antriebssysteme). In den nächsten 20 Jahren könnte der Gleichstromverbrauch bis zu 50 % der Gesamtlast in den Haushalten ausmachen. ²

In einem Gebäude, das PV-Solarstrom erzeugt, diesen aber über ein Wechselstromnetz im Haus verteilt, wird zwei Mal Energie gewandelt. Zunächst wird der Gleichstrom aus dem Solarmodul mithilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom gewandelt. Anschließend wird der Wechselstrom durch die Adapter von Gleichstromgeräten wie Computern, LEDs und Mikrowellengeräten wieder in Gleichstrom gewandelt. Mit diesen Energieumwandlungen sind Leistungsverluste verbunden, die vermieden werden könnten, wenn ein solarbetriebenes Gebäude mit einer Gleichstrom-Verteilung ausgestattet wäre. Mit anderen Worten: Ein Gleichstromsystem könnte eine PV-Solaranlage energieeffizienter machen.

Mehr Solarstrom für weniger Geld

Da die Betriebsenergie und die Betriebskosten einer PV-Anlage gleich Null sind, führt eine höhere Energieeffizienz zu niedrigeren Investitionskosten. Es werden im Vergleich weniger Solarmodule benötigt, um eine bestimmte Menge Strom zu erzeugen. Außerdem muss kein Wechselrichter installiert werden, ein kostspieliges Gerät, das mindestens einmal während der Lebensdauer einer PV-Anlage ersetzt werden muss. Geringere Kapitalkosten bedeuten auch eine geringere verkörperte Energie: Wenn weniger Solarmodule und kein Wechselrichter erforderlich sind, wird weniger Energie für die Herstellung der PV-Anlage benötigt, was entscheidend für die Verbesserung der Nachhaltigkeit der Technologie ist.

Es werden weniger Solarmodule benötigt, um eine bestimmte Menge elektrischer Energie zu erzeugen

Ein ähnlicher Vorteil würde für elektrische Geräte gelten. In einem Gebäude mit Gleichstrom-Verteilung können elektrische Geräte, die intern mit Gleichstrom arbeiten, auf alle Komponenten verzichten, die für die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom erforderlich sind. Das macht sie einfacher, billiger, zuverlässiger und weniger energieintensiv in der Herstellung. Die AC/DC-Adapter (die in einem externen Netzteil oder im Gerät selbst untergebracht sein können) sind oft die lebensbegrenzende Komponente von Geräten, die intern mit Gleichstrom arbeiten, und sie sind ziemlich groß. ³

Bei einer LED-Leuchte beispielsweise werden etwa 40 % der Leiterplatte von Komponenten belegt, die für die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom erforderlich sind. ³ Netzteile haben weitere Nachteile. Als Ergebnis einer zweifelhaften kommerziellen Strategie sind sie in der Regel gerätespezifisch, was zu einer Verschwendung von Ressourcen, Geld und Platz führt. Außerdem verbraucht ein Adapter auch dann Energie, wenn das Gerät nicht in Betrieb ist, und sogar noch dann, wenn das Gerät nicht angeschlossen ist.

Die Verteilung von Gleichstrom würde Geräte einfacher, günstiger, zuverlässiger machen und ihre Produktion wäre weniger energiehungrig

Nicht zuletzt liegen Niederspannungs-Gleichstromnetze (bis zu 24 V) unter der Berührspannung, sodass Elektriker eine relativ einfache Verdrahtung ohne Erdung oder metallische Anschlussdosen und ohne Schutz vor direktem Berühren vornehmen können. ⁴⁵⁶ Dies führt zu weiteren Kosteneinsparungen und ermöglicht es einem, eine Solaranlage ganz allein zu installieren. Wir demonstrieren ein solches DIY-System im nächsten Artikel, wo wir auch erklären, wie man Gleichstromgeräte erhält oder Wechselstromgeräte in Gleichstromgeräte umwandelt.

Wie viel Energie kann eingespart werden?

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass der Effizienzvorteil eines Gleichstromnetzes nicht zwingend entsteht. Die Energieeinsparungen können beträchtlich sein, aber sie können auch sehr gering sein oder sogar ins Negative umschlagen. Ob Gleichstrom eine gute Wahl ist, hängt hauptsächlich von fünf Faktoren ab: den spezifischen Umwandlungsverlusten in den AC/DC-Adaptern aller Geräte, dem Zeitpunkt der “Last” (des Energieverbrauchs), der Verfügbarkeit von elektrischen Speichern, der Kabellänge und dem Stromverbrauch der Elektrogeräte.

Den Wechselrichter wegfallen zu lassen führt zu recht vorhersehbaren Energieeinsparungen. Es handelt sich nur um eine Komponente mit einem relativ festen Wirkungsgrad (+90 % — obwohl der Wirkungsgrad bei geringer Last auf etwa 50 % sinken kann). Von Gleichrichtern kann man jedoch nicht das Gleiche sagen. Nicht nur gibt es so viele Adapter wie Geräte mit internem Gleichstrombetrieb, auch ihre Wirkungsgrade variieren stark, von weniger als 50 % bei Geräten mit geringer Leistung bis zu mehr als 90 % bei Geräten mit hoher Leistung. ⁶⁷⁸

Folglich kann der Gesamtenergieverlust durch Gleichrichter sehr unterschiedlich sein, je nachdem, welche Art von Geräten in einem Gebäude verwendet werden — und wie sie verwendet werden. Wie Wechselrichter verschwenden auch Gleichrichter relativ viel Energie, wenn nur wenig Strom verbraucht wird, z. B. im Standby- oder Energiespar-Modus. ⁸

Am höchsten sind die Umwandlungsverluste bei Adaptern für DVDs/VCRs (31 %), Home-Audio-Geräten (21 %), PCs und ähnlichen Geräten (20 %), bei wiederaufladbarer Elektronik (20 %), Beleuchtung (18 %) und Fernsehgeräten (15 %). Bei alltäglicheren Geräten wie Deckenventilatoren, Kaffeemaschinen, Geschirrspülern, elektrischen Toastern, Heizgeräten, Mikrowellenherden, Kühlschränken usw. sind die Stromverluste geringer (10-13 %). ⁸.

Beleuchtung und Computer (die hohe Gleichrichter-Verluste aufweisen) machen in der Regel einen großen Teil des gesamten Stromverbrauchs in Büros, Geschäften und öffentlichen Gebäuden aus. In Privathaushalten gibt es mehr verschiedene Geräte, darunter auch solche mit geringeren Gleichrichter-Verlusten. Folglich bringt ein Gleichstromsystem in Büros höhere Energieeinsparungen als in Wohngebäuden.

Der größte Vorteil ergibt sich für Rechenzentren, wo Computer die Hauptlast darstellen. Einige Rechenzentren haben bereits auf ein Gleichstromsystem umgestellt, auch wenn sie nicht mit Solarenergie betrieben werden. Da ein großer Adapter effizienter ist als eine Vielzahl kleiner Adapter, kann die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom auf lokaler Ebene (unter Verwendung eines Großgleichrichters) statt auf den einzelnen Servern Energieeinsparungen zwischen 5 und 30 % bringen. ⁶⁹¹⁰¹¹

Die Bedeutung der Energiespeicherung

Gehen wir davon aus, dass wir 10% Verluste im Wechselrichter und im Mittel 15% Verluste für den Gleichrichter haben, könnten wir erwarten, dass wir etwa 25% Energie einsparen, wenn wir in einem Gebäude mit Solarstrom auf Gleichstrom-Verteilung umsteigen. Solch eine erhebliche Einsparung lässt sich jedoch nicht garantieren. Zunächst ist es so, dass die meisten mit Solarstrom ausgerüsteten Gebäude mit dem Energieversorgungsnetz verbunden sind. Sie speichern die Solarenergie nicht in Batterien an Ort und Stelle sondern verlassen sich auf das Versorgungsnetz sobald es darum geht, mit einem Zuviel oder Zuwenig an Energie umzugehen.

In einem Gebäude mit Solarstrom und Net-Metering profitieren nur die Lasten von einem Gleichstrom-Verteilnetz, die aktiv sind während die Module Strom liefern

Das heißt, dass überschüssige Solarenergie von Gleich- auf Wechselstrom gewandelt werden muss, um sie dem Energieversorger anzubieten, während Energie, die dem Versorgungsnetz entnommen wird, von Wechsel- auf Gleichstrom gewandelt werden muss, um an ein Gleichstrom-Verteilnetz im Gebäude weitergegeben werden zu können. Deshalb profitieren nur die Lasten von einem Gleichstrom-Verteilnetz, die aktiv sind während die Module Strom liefern.

Dies bedeutet wiederum, dass die Effizienzvorteile eines Gleichstromsystems in der Regel in gewerblichen Gebäuden größer sind, wo der größte Teil des Stromverbrauchs mit der größten Gleichstromleistung der Solaranlage zusammenfällt. In Wohngebäuden hingegen erreicht der Energieverbrauch oft morgens und abends Spitzenwerte, wenn wenig oder gar kein Solarstrom verfügbar ist.

Folglich ist der Vorteil eines Gleichstromsystems in einem Wohngebäude mit Net-metering nur gering, da der meiste Strom ohnehin in Wechselstrom umgewandelt wird. In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde errechnet, dass ein Gleichstromsystem die Energieeffizienz eines solarbetriebenen amerikanischen Hauses mit Netzeinspeisung im Durchschnitt nur um 5 % verbessern könnte — diese Zahl ist ein Durchschnittswert für 14 Häuser, die über die USA verteilt sind. ¹²¹³

Netzunabhängige Solarsysteme

Um das volle Potenzial eines Gleichstromnetzes auszuschöpfen, insbesondere wenn es sich um ein Wohngebäude handelt, müssen wir die Solarenergie in Batterien vor Ort speichern. Auf diese Weise kann das System Energie in Form von Gleichstrom speichern und später nutzen. Die Energiespeicherung kann in einem netzunabhängigen System erfolgen, aber auch das Hinzufügen eines Batteriespeichers zu einem Gebäude mit Netzeinspeisung verbessert die Vorteile eines Gleichstromsystems. Durch die Energiespeicherung entsteht jedoch eine weitere Art von Energieverlust: die Lade- und Entladeverluste der Batterien. Der Wirkungsgrad von Blei-Säure-Batterien liegt zwischen 70 und 80 %, der von Lithium-Ionen-Batterien bei etwa 90 %.

Leider kommt bei der Energiespeicherung eine weitere Art von Energieverlust hinzu - die Lade- und Entladeverluste der Batterien - und macht die Kostenvorteile eines Gleichstromsystems zunichte.

Wie viel Energie mit einem Batteriespeicher vor Ort eingespart werden kann, hängt wiederum von der zeitlichen Verteilung der Last ab. Strom, der tagsüber verbraucht wird — wenn die Batterien voll sind — verursacht keine Lade- und Entladeverluste. In diesem Fall kann die Energieeinsparung durch ein Gleichstromsystem 25 % betragen (10 % durch den Wegfall des Wechselrichters und 15 % durch den Wegfall der Gleichrichter).

Wird der Strom jedoch nach Sonnenuntergang verbraucht, sinken die Energieeinsparungen bei Lithium-Ionen-Batterien auf 15 % und bei Blei-Säure-Batterien auf -5 % bis +5 %. In der Realität wird der Strom wahrscheinlich sowohl vor als auch nach Sonnenuntergang verbraucht, so dass die Effizienzverbesserungen irgendwo zwischen diesen Extremen liegen (-5 % bis 25 % für Blei-Säure und 15-25 % für Lithium-Ionen).

Andererseits bringt die Batteriespeicherung einen weiteren Vorteil mit sich: Es gibt weniger oder — in einem völlig unabhängigen System — keine zusätzlichen Energieverluste durch Übertragung und Verteilung von Wechselstrom über weite Strecken. Solche Verluste sind je nach Standort sehr unterschiedlich. So betragen die durchschnittlichen Übertragungsverluste in Deutschland und den Niederlanden nur 4 %, in den USA und China dagegen 6 % und in der Türkei und Indien zwischen 15 und 20 %.

Rechnet man weitere 7 % Energieeinsparung aufgrund vermiedener Übertragungsverluste hinzu, kann ein netzunabhängiges Gleichstromsystem je nach Zeitpunkt der Belastung Energieeinsparungen zwischen 2 % und 32 % bei Bleibatterien und zwischen 22 % und 32 % bei Lithium-Ionen-Batterien bringen.

In einem netzunabhängigen Gleichstromsystem kann der Stromverbrauch mit einer Solaranlage gedeckt werden, die je nach Art der verwendeten Batterien ein Fünftel bis ein Drittel kleiner ist.

Geht man von 50 % Energieverbrauch am Tag und 50 % in der Nacht aus, so ergibt sich ein Gewinn von 17 % für ein netzunabhängiges System mit Blei-Säure-Batterien und 27 % für Lithium-Ionen-Speicher. Dies bedeutet, dass der Stromverbrauch mit einer um ein Fünftel bzw. ein Drittel kleineren Solaranlage gedeckt werden kann. Die Gesamtkosteneinsparungen bleiben etwas größer, da wir immer noch keinen Wechselrichter benötigen und die Installationskosten niedriger oder gar nicht vorhanden sind.

Speichert man die elektrische Energie vor Ort, dann erhöht das leider die Kapitalkosten erneut, da wir in Batterien investieren müssen. Dadurch wird der Kostenvorteil, den wir durch die Wahl eines Gleichstromsystems erzielt haben, zunichte gemacht. Das Gleiche gilt für die in den Produktionsprozess investierte Energie: Ein netzunabhängiges Gleichstromsystem erfordert weniger Energie für die Herstellung der Solarmodule, aber mindestens genauso viel Energie für die Herstellung der Batterien

Wir sollten jedoch Äpfel mit Äpfeln vergleichen: Eine netzunabhängige Gleichstrom-Solaranlage ist billiger und energieeffizienter als eine netzunabhängige Wechselstromanlage, und das ist es, was zählt. Die Lebenszyklusanalysen von netzgekoppelten Solaranlagen entsprechen nicht der Realität, weil sie eine wesentliche Komponente von Solarenergiesystemen außer Acht lassen.

Leitungsverluste

Es gibt jedoch noch eine weitere wichtige Sache zu beachten. Wie wir gesehen haben, ist der Leistungsverlust aufgrund des Kabelwiderstands proportional zum Quadrat des Stroms. Folglich haben Niederspannungs-Gleichstromnetze relativ hohe Kabelverluste innerhalb des Gebäudes. Es gibt zwei Möglichkeiten, wie die Kabelverluste die Entscheidung für ein Gleichstromsystem ungünstig beeinflussen können. Die erste Möglichkeit ist die Verwendung von Geräten mit hoher Leistung, die zweite die Verwendung sehr langer Kabel.

Der Energieverlust in den Kabeln ist gleich dem Quadrat des Stroms (in Ampere), multipliziert mit dem Widerstand (in Ohm). Der Widerstand wird durch die Länge, den Durchmesser und das leitende Material der Kabel bestimmt. Ein Kupferkabel mit einem Querschnitt von 10 mm2, das eine Leistung von 100 Watt bei 12 V (8,33 A) über eine Entfernung von 10 Metern transportiert, ergibt einen akzeptablen Energieverlust von 3 %. Bei einer Kabellänge von 50 Metern beträgt der Energieverlust jedoch 16 %, und bei einer Länge von 100 Metern summiert sich der Energieverlust auf 32 % — genug, um die Effizienzvorteile eines Gleichstromnetzes selbst im optimistischsten Szenario zunichte zu machen.

Die relativ hohen Energieverluste in den Kabeln begrenzen den Einsatz von Geräten mit hoher Leistungsaufnahme

Die relativ hohen Kabelverluste schränken auch die Verwendung von Geräten mit hoher Leistung ein. Wenn Sie eine 1.000-Watt-Mikrowelle an einem 12-V-Gleichstromnetz betreiben wollen, summieren sich die Energieverluste bei einer Kabellänge von nur 1 Meter auf 16 % und steigen bei einer Kabellänge von 3 Metern auf 47 %.

Offenkundig eignet sich ein Niederspannungs-Netz nicht für den Betrieb von Geräten wie Waschmaschinen, Geschirrspülern, Staubsaugern, Elektroherden, Elektroöfen oder Warmwasserboilern. Beachten sie, dass in diesem Zusammenhang die Leistung und nicht die Energie wichtig ist. Energie ist Leistung mal Zeit. Ein Kühlschrank verbraucht viel mehr Energie als eine Mikrowelle, weil er 24 Stunden am Tag in Betrieb ist, aber seine Leistungsaufnahme kann so gering sein, dass er mit einem Gleichstromnetz betrieben werden kann.

Die Kabelverluste begrenzen auch die Gesamtleistung aller Kleingeräte. Wenn wir bei einer 12-V-Verkabelung mit einer Länge von 12 Metern ausgehen und die Kabelverluste unter 10 % halten wollen, ist die Gesamtleistung auf etwa 150 Watt begrenzt (8,5 % Kabelverlust). Dies ermöglicht beispielsweise die gleichzeitige Nutzung von zwei Laptops (jeweils 20 Watt), einem Gleichstromkühlschrank (45 Watt) und fünf 8-Watt-LED-Lampen (insgesamt 40 Watt), so dass noch 25 Watt für einige kleinere Geräte übrig bleiben.

Wie Kabelverluste begrenzt werden können

Es gibt mehrere Möglichkeiten, dem Problem der Kabelverluste bei einem Niederspannungs-Netz auszuweichen. Handelt es sich um einen Neubau, kann man mit der Raumanordnung die Länge der Verteilkabel erheblich verringern. Niederländischen Forschern ist es beispielsweise gelungen, die Gesamtkabellänge in einem Haus von 40 Metern auf 12 Meter zu reduzieren. Sie erreichten dies, indem sie die Küche und das Wohnzimmer (wo der meiste Strom verbraucht wird) in den ersten Stock verlegten, direkt unter das Dach (wo sich die Solarpaneele befinden), während sie die Schlafzimmer ins Erdgeschoss verlegten. Außerdem wurden die meisten Geräte im zentralen Teil des Gebäudes untergebracht, direkt unter den Solarpaneelen (siehe Abbildung unten). ¹⁴

Eine weitere Möglichkeit zur Verringerung der Kabelverluste ist die Einrichtung mehrerer unabhängiger Solarsysteme für jeweils ein oder zwei Räume. Dies könnte die einzige Möglichkeit sein, das Problem in einem größeren bestehenden Gebäude zu lösen, das ohne Gleichstromsystem geplant wurde. Diese Strategie erfordert zwar den Einsatz zusätzlicher Solarladeregler, kann aber die Kabelverluste erheblich reduzieren. Außerdem kann bei diesem Ansatz die Leistungsaufnahme aller Geräte 150 Watt übersteigen.

Sieht man unabhängige Solarsysteme für jeweils ein oder zwei Zimmer vor, kann man Kabelverluste begrenzen und Verbraucher mit höherer Leistungsaufnahme zulassen

Eine dritte Möglichkeit zur Begrenzung der Kabelverluste besteht darin, eine höhere Spannung zu wählen: 24 oder 48 V anstelle von 12 V. Da die Energieverluste mit dem Quadrat des Stroms zunehmen, führt eine Verdopplung der Spannung von 12 auf 24 V zu einer Verringerung der Kabelverluste um den Faktor vier, und ein Wechsel auf 48 V verringert sie um das Sechzehnfache. Dieser Ansatz ermöglicht auch die Verwendung von Geräten mit höherer Leistung und erhöht die Gesamtleistung, die von einem Gleichstromsystem genutzt werden kann. Höhere Spannungen haben jedoch auch einige Nachteile.

Erstens arbeiten die meisten derzeit auf dem Markt befindlichen Niederspannungs-Gleichstromgeräte mit 12 V, so dass die Verwendung eines 24- oder 48-V-Gleichstromnetzes den Einsatz von mehr DC/DC-Adaptern erfordert, die die Spannung herabsetzen und dabei Umwandlungsverluste aufweisen. Zweitens entfallen bei höheren Spannungen (über 24 V) die Sicherheitsvorteile eines Gleichstromsystems. In Rechenzentren und Büros sowie in den amerikanischen Wohngebäuden der oben erwähnten Studie wird Gleichstrom mit 380 V im ganzen Gebäude verteilt, was jedoch ebenso strenge Sicherheitsmaßnahmen erfordert wie bei 110 V oder 220 V Wechselstrom. ¹⁵

Langsame Elektizität

Wenn man die Kabellänge reduziert oder die Spannung auf 24 V verdoppelt, erlaubt dies immer noch nicht, Geräte mit hoher Leistungsaufnahme einzusetzen wie eine Mikrowelle oder eine Waschmaschine. Es gibt zwei Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen. Die erste besteht darin, ein hybrides AC/DC-System zu installieren. In diesem Fall wird ein Gleichstromnetz für Geräte mit geringem Stromverbrauch wie LED-Leuchten (10 Watt), Laptops (20 Watt), Fernseher (30-90 Watt) und Kühlschränke (50 Watt) eingerichtet, während ein separates Wechselstromnetz für Geräte mit hohem Stromverbrauch genutzt wird. Dieser Ansatz für Privathaushalte und kleine Büros wird von der EMerge Alliance gefördert, einem Konsortium von Herstellern von Gleichstromprodukten, das einen Standard für ein Hybridsystem aus 24 V Gleichstrom und 110-220 V Wechselstrom entwickelt hat. ¹⁶

Geräte mit geringer Leistung sind (im Durchschnitt) für 35-50 % des gesamten Stromverbrauchs in einem Haushalt verantwortlich. Selbst im günstigsten Fall (50 % der Last) halbiert ein Hybridsystem die oben berechneten Energieeffizienzgewinne, so dass je nach Art der verwendeten Batterien nur 8,5 % bis 13,5 % Energieeinsparung übrig bleiben. Diese Zahlen werden aufgrund der Kabelverluste noch niedriger sein. Kurz gesagt, ein hybrides AC/DC-System bringt eher geringe Energieeinsparungen, die leicht durch Bumerangeffekte zunichte gemacht werden können.

Die zweite Möglichkeit, das Problem der Geräte mit hoher Leistungsaufnahme zu lösen, besteht darin, sie einfach nicht zu verwenden. Dies ist der Ansatz, der in Segelbooten, Wohnmobilen und Wohnwagen verfolgt wird, wo ein unterstützendes Wechselstromverteilsystem einfach nicht in Frage kommt. Dies ist die nachhaltigste Art und Weise mit den Grenzen eines Gleichstrom-Systems umzugehen, denn in diesem Fall führt die Entscheidung für Gleichstrom auch zu einer Reduzierung des Energiebedarfs. Die Gesamtenergieeinsparungen könnten also viel größer sein als die oben berechneten 17-27 %, und dann haben wir im Ergebnis eine radikal bessere Lösung, die etwas bewegen könnte.

Eine Möglichkeit, das Problem der Geräte mit hoher Leistungsaufnahme zu lösen, besteht darin, sie einfach nicht zu benutzen — dies ist der Ansatz, der in Segelbooten, Wohnmobilen und Wohnwagen verfolgt wird

Diese Strategie setzt offenkundig eine Änderung unserer Lebensweise voraus. Sie würde bedeuten, dass Strom nur noch für Beleuchtung, Elektronik und Kühlung verwendet wird, während für alle anderen Geräte nicht-elektrische Alternativen gewählt werden. Nicht zufällig ähnelt dies der Art und Weise, wie Gleichstromnetze im späten neunzehnten Jahrhundert betrieben wurden, als die einzige elektrische Last die Beleuchtung war — zunächst mit Bogenlampen und später mit Glühbirnen.

Also keine Spülmaschine, sondern Abwaschen mit der Hand. Keine Waschmaschine, sondern Wäsche waschen in einem Waschsalon oder mit einer handbetriebenen Maschine. Kein Wäschetrockner, dafür aber eine Wäscheleine. Keine bequemen und zeitsparenden Küchengeräte wie Wasserkocher, Mikrowelle und Kaffeemaschine, sondern ein traditioneller, mit (Bio-)Gas betriebener Kochherd, ein Solarkocher oder ein Raketenherd. Kein Staubsauger, sondern ein Besen und ein Teppichklopfer. Keine Gefriertruhe, sondern frische Zutaten. Kein elektrischer Warmwasserboiler, sondern ein Solarboiler und am Waschbecken waschen, wenn die Sonne nicht scheint. Kein Elektroauto sondern ein Fahrrad.

Um herauszufinden, was möglich ist, bauen wir den Hauptsitz des Low-tech Magazine in ein netzunabhängiges 12-V-Gleichstromsystem um — mehr dazu im nächsten Beitrag.