24.11.12

Energie

Warum Wechselstrom nicht mehr rockt

Kraftwerke liefern Wechselstrom, die meisten Haushalte benötigen aber Gleichstrom. Das ist oft viel effizienter.

Von Bernd Schöne
Foto: ABB

Gleichstromnetze sind effizienter
Gleichstromnetze sind effizienter

Kraftwerke liefern Wechselstrom, die meisten Verbraucher im Haushalt benötigen Gleichstrom. Seit 120 Jahren hat sich daran nichts geändert. Die harten Vorgaben der EU mischen nun die konservative Welt der Energieversorger auf. Die EU fordert Netto-Null-Energiehäuser, die über das Jahr gerechnet keine Energie verbrauchen.

Um dieses Ziel zu erreichen, müssen die Techniker die Effizienz auf allen Ebenen steigern, auch bei den Netzteilen die den Wechselstrom gleichrichten. Die Lösung ist zwar ein alter Hut, war bislang aber nicht zu realisieren: Gleichstrom direkt aus der Leitung. Mit deutschen und europäischen Fördergeldern wollen Industrie und Forschung die Möglichkeiten eines Gleichstromnetzes ausloten.

Bis 1890 sah die Welt anders aus. Dann verdrängte der Wechselstrom den bis dahin ebenbürtigen Gleichstrom, da findige Ingenieure zwei Spulen zu einem Transformator zusammenbauten. Von nun an konnten die Techniker aus Wechselstrom problemlos jede Spannung erzeugen. Die damals üblichen Motoren und Glühlampen kommen mit Wechselstrom bestens zurecht. Mit Gleichstrom ging das nicht. Damit verschwand er für 120 Jahre aus dem Stromnetz.

Gleichstromnetze sind effizienter

Ganze Heerlager von Elektroingenieuren müssen nun aber umdenken, denn Gleichstromnetze sind effizienter und passen besser zur Photovoltaik und zur Elektromobilität. Beide liefern Gleichstrom, und den benötigen auch die meisten Verbraucher. Von der LED-Beleuchtung bis zum Computer oder dem TV-Apparat. Vor allem die Betreiber großer Server-Farmen klagen seit langem über die unnötig hohen Verluste und die große Abwärme durch zahllose individuelle Netzteile.

Wozu also noch Wechselstrom verwenden, wenn es zudem seit wenigen Jahren Gleichstromtransformatoren gibt? Sie arbeiten nicht mit großen Spulen sondern mit modernen Halbleitern, sind dafür klein, leicht und verlustarm. "Der Gleichstrom kommt wieder, vor allem auf der ganz hohen und der ganz niedrigen Spannungsebene", erläutert Stefan Zeltner vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) in Erlangen.

"In jedem Haushalt gibt es eine Vielzahl Unmengen von Verbrauchern, die mit hohem Aufwand den Wechselstrom gleichrichten und wandeln", erläutert Roland Weiß, Projektleiter bei der Zentralen Forschungsabteilung von Siemens, "in einem Gebäude mit Gleichstromtechnik geschieht dies an einer oder mehreren zentralen Stellen. Das ist deutlich effizienter als bei den bisher üblichen individuellen Netzteilen und es wird weniger elektrische Energie verschwendet. Zusätzlich spart der Kunde beim Kauf der Geräte, weil teure und platzraubenden Baugruppen innerhalb der Stromversorgung ersatzlos wegfallen können." Als Konsortialführer koordiniert Siemens zahlreiche Forschungsvorhaben im Rahmen des EU-Projektes "DC Components and Grid", das die Möglichkeiten eines Gleichstromnetzes ausloten soll.

Keine Veränderung in den Räumen

Zusätzlich zum Wechselstromnetz soll zukünftig ein 380-Volt-Gleichstromnetz in gewerblich genutzten Gebäuden die schwergewichtigen Verbraucher der Klimatechnik, Beleuchtung und der Informationstechnologie mit Strom versorgen. Die Experten rechnen mit einer Stromersparnis von fünf bis zehn Prozent. Das klingt nicht viel, doch Gebäude haben weltweit einen Anteil von 40 Prozent am Energieverbrauch. Es ist also ein riesiger Batzen, den es zu abzuschmelzen gilt. Fünf Prozent Effizienzsteigerung bei der Beleuchtung sparen in Deutschland 170.000 Tonnen Kohlendioxid-Emissionen pro Jahr ein.

Für den Nutzer ändert sich auf den ersten Blick in den Räumen nichts. "Den Staubsauger mit Gleichstrom-Stecker wird es erst einmal nicht geben", erläutert Stefan Zeltner. Das neue Gleichstromnetz ist fest verdrahtet, für den Anwender unsichtbar. Im Gehäuse der zentralen Stromversorgung steckt statt klobigen Kupfermassen modernste Halbleitertechnik. Die zentralen Stromrichter arbeiten zudem bidirektional. Das kann kein klassischer Gleichrichter. An sonnenreichen Tagen erzeugt er aus dem Strom der Photovoltaikanlage auf dem Dach Wechselstrom, der zurück ins Netz fließt. Bei Regen wandelt er den Wechselstrom des Ortsnetzes in Gleichstrom. Bidirektional sind auch die Energieflüsse von und zur Batterie des Elektroautos. Erst seit wenigen Jahren stehen den Ingenieuren spezielle Transistoren zur Verfügung, um Stromrichter mit ausreichend hoher Effizienz bauen zu können, damit sich der Umstieg lohnt.

Rasante Entwicklung

"Bei den Halbleitern hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten enorm viel getan", erläutert Stefan Zeltner, "fast so wie bei den Computerchips, nur redet kaum jemand darüber. Vor allem machen die neue Transistoren die Umrichter effizient. In den 80er Jahren begannen sie ihre "Karriere" in Computern und Kleingeräten geringer Leistung. Heute schalten sie enorm hohe Spannungen und Ströme fast ohne elektrische Verluste.

Da auch Halbleiterhersteller im Konsortium eingebunden sind, könnte sich die Leistungsfähigkeit durch optimierte Neuentwicklungen noch ein Stück weit verbessern. Weitere Effizienzprozente wollen die Ingenieure vor allem bei den Kühlaggregaten großer Lebensmittelketten einsammeln. Sie laufen zu lange und zu schlecht geregelt und mit antiquierten Motoren, kritisieren die Energie-Experten. "Neue Aggregate mit präzise geregelten Motoren können viel elektrische Energie sparen", erläutert Roland Weiß, "den Mehrpreis kompensieren wir teilweise durch den Wegfall der teuren Gleichrichter." Die zweite Einsparquelle ist die Beleuchtung. Auch hier fallen massenhaft Bauelemente weg, sobald ein Gebäude über eine zentrale Gleichstromversorgung verfügt.

Es dürfte dennoch eine Strom-Evolution bleiben – keine Revolution. Es wird ein Miteinander geben, denn Altgeräte benötigen natürlich auch weiterhin noch Wechselstrom.

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