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Die Zeit ist reif

Gleichstrom ins Haus und ins Büro!

18. Oktober 2024, 8:37 Uhr | Von Dr. Ronald E. Patton

Zwei Ansichten der Kontaktflächen des HomeDC-Steckers. Der Stecker hat einen Durchmesser von ca. 35 mm. Der Stecker wird durch eine Drehbewegung der Steckerabdeckung (nicht abgebildet) eingesteckt und entfernt.

Eine Gleichspannungsinfrastruktur für zu Hause und Büro zu entwickeln, würde die Gesamtverluste der derzeitigen Standardkonfiguration um bis zu 30 Prozent senken, einfach weil die AC/DC und DC/AC-Wandlungen wegfallen. »HomeDC« ist dafür ein weltweiter Standardisierungsansatz.

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Vor fünfundzwanzig Jahren verbrauchte meine Außenbeleuchtung 700 W, jetzt sind es 77 W. Mein Computer benötigte 550 Watt, jetzt sind es etwa 100 W. Großbildfernseher haben sich von über 500 W auf 100 W oder weniger reduziert. Die meisten elektrischen Geräte und Lampen brauchen nicht mehr viel Strom. In Deutschland kann jede normale Wechselstromsteckdose 16 Ampere Strom bei 230 Volt oder 3680 W liefern. Das ist eine Menge Strom, und er wird für die Großgeräte wie Waschmaschine und Elektroherd auch benötigt. Aber was ist mit dem Rest des Hauses oder der Wohnung? Im Allgemeinen benötigen nur die Geräte, die Wärme erzeugen, Wechselstrom, ausgenommen Staubsauger.

Als Elektroingenieur habe ich mindestens ein Dutzend Geräte, meist medizinische Geräte, im Leistungsbereich von 50 bis 250 W entwickelt. Als Erstes musste ich entscheiden, welche Art von AC/DC-Netzteil benötigt wird. Jedes kostet Geld und verbraucht Ressourcen. Das Gerät selbst benötigte wie fast immer eine Gleichspannung (DC). Denken Sie nun an all die Geräte mit geringer bis mittlerer Leistung in Ihrem Haus oder in Ihrem Büro!

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Gleichspannung eignet sich hervorragend für elektronische Schaltungen, und Gleichstrommotoren sind recht effizient. Die batteriebetriebenen Elektrowerkzeuge in der Werkstatt (Gleichstrommotoren) erfüllen ihre Aufgabe gut. Fast alle anderen Geräte im Haushalt werden mit Gleichspannung betrieben. Und jedes Gerät mit einer AC/DC-Umwandlung, selbst das kleine USB-Ladegerät, hat Umwandlungsverluste und verbraucht unnötige Ressourcen.

Ein weiteres Problem für Entwickler von Elektrogeräten besteht darin, dass das Netzteil automatisch 90 bis 230 V AC und 50 bis 60 Hz unterstützen und mit mindestens vier verschiedenen Steckern geliefert werden muss, wenn das Gerät weltweit eingesetzt werden soll. Hinzu kommen die Prüfung und Zertifizierung des Geräts mit dem gewählten Netzteil.

Meine Idee, die sich über mehrere Jahre hinweg entwickelt hat, besteht darin, eine Gleichspannungsinfrastruktur für Geräte mit geringer und mittlerer Leistung für zu Hause und im Büro zu entwickeln. Ich lasse meine Idee jetzt weltweit über das Patent Cooperation Treaty (PCT) patentieren, damit jeder überall die gleichen Gleichstromstecker, Steckdosen, Kabel, Sicherungen, Lichtschalter, Leuchten und Lampen verwenden kann. Wenn ein Haushalt keine erneuerbaren Energiequellen zur Verfügung hat, reicht für eine typische Familie ein duales 24-V-Netzteil mit insgesamt 3000 W (150 Euro), um vier Gleichstromkreise mit jeweils bis zu 720 W zu versorgen.

Für alle, die weltweit »abseits des Netzes« leben, liefern Solarmodule und zwei 24-V-Batterien Energie für den Betrieb von Lichtern, Radios und Ventilatoren, zum Pumpen von Wasser, zum Aufladen von Smartphones und sogar zum Betrieb eines kleinen 24-V-Kühlschranks. Dieses Konzept lässt sich auf alle Arten von preisgünstigen Unterkünften anwenden.

Die Idee ist einfach. Stellen Sie sich zwei 24-V-DC-Stromquellen vor, die in Reihe angeschlossen sind. Jede Buchse hat drei Drähte und drei Kontakte in den Buchsen: Masse (0 V), 24 V und 48 V. Dem Benutzer stehen drei Arbeitsspannungen zur Verfügung: 24 V Lo, 24 V Hi und 48 V. Verschiedene interne Steckverbindungen ermöglichen die Auswahl der gewünschten Spannung (24 V Lo, 24 V Hi und 48 V). Als Stromquelle können Batterien dienen, die von Sonnenkollektoren aufgeladen werden, oder ein riesiges Doppelstromnetz für ein großes Mehrfamilienhaus – und alles dazwischen! Der Titel meines Patents lautet »Residential DC Voltage Infrastructure« (Gleichspannungsinfrastruktur für Wohngebäude), was bedeutet, dass die Hersteller der oben aufgeführten Stecker, Steckdosen usw. ihren Teil der Infrastruktur lizenzieren und produzieren. Die Hunderte bis Tausende von verschiedenen Geräteherstellern müssen jedoch nur den Stecker kaufen.

Es gibt keine Möglichkeit, HomeDC-Stecker und -Steckdosen mit den weltweit verwendeten AC-Steckern und -Steckdosen zu verwechseln. Die Unterschiede zwischen den Lichtschaltern, Glühbirnen und Leuchten sind jedoch nicht so offensichtlich. Hier kommt das HomeDC-Label ins Spiel, das ich mir in Europa und den USA gesichert habe, sowie die URL HomeDC-Worldwide.com. Meine Idee ist optimal für neue Häuser und Wohnungen, aber ein Elektriker könnte viele Stromkreise im Haus auch nachrüsten. Das ist der große Vorteil der Verwendung einer 3-Draht-Leitung, wie sie bereits in Häusern und Büros vorhanden ist. In diesem Fall muss der Elektriker jedoch alle nachgerüsteten Stromkreise mit speziellen farbigen Schrumpfschläuchen kennzeichnen, um eine Verwechslung mit den vorhandenen Wechselstromkreisen auszuschließen. Der nachgerüstete Stromkreis kann dann mit den neuen HomeDC-Steckdosen, Schaltern, Dimmern, Beleuchtungskörpern und Glühbirnen ausgestattet werden.

Viele Häuser verfügen heute über Solarzellen auf dem Dach, oft mit 24-V-Batterien. Die direkte Einspeisung der erzeugten Energie in das Stromnetz ist für Hausbesitzer nicht mehr so wirtschaftlich wie früher. Bei Häusern mit Solaranlagen und Batterien werden die Batterien tagsüber aufgeladen, und abends wird die Energie wieder in Wechselstrom umgewandelt und im Haus genutzt. In diesem Fall kann die Umwandlung von Solarpanel-Gleichspannung oder Batterie-Gleichspannung in Wechselspannung jedoch Verluste von bis zu 15 Prozent verursachen. Hinzu kommen die zusätzlichen Wechselstrom-Gleichstrom-Verluste (9 bis 15 Prozent) in jedem Gerät, das intern Gleichstrom verwendet. Diese derzeitige Standardkonfiguration führt zu Gesamtverlusten von bis zu 30 Prozent.

Bei HomeDC werden alle Gleichstromgeräte im Haus tagsüber direkt von den Sonnenkollektoren versorgt, wobei überschüssige Energie in den Batterien gespeichert wird. Erst wenn die Batterien entladen sind, wird die duale AC/DC-Stromversorgung aktiviert und versorgt weiterhin die Gleichstromverbraucher im Haus. Alle leistungsstarken Geräte im Haus werden dann weiterhin nur mit Wechselstrom versorgt.

In Deutschland gibt es die Open DC Alliance (ODCA), die den Einsatz von Gleichstrom in Fabriken untersucht hat. Das Fraunhofer IPA unterstützt mit seinem Wissen nun Fabriken bei der Entwicklung ihres DC-Konzepts. Sie sprechen von 50 Prozent Einsparungen beim Strom und 50 Prozent Einsparungen beim Kupfer (2-Draht vs. 3-Draht).

Dass am 23. Oktober 2024 in München die »DC-Konferenz – Gleichstrom-Netze für die Industrie«, powered by ODCA, stattfindet, zeigt, dass das Thema Gleichstrom auf der Niederspannungsebene hierzulande an Fahrt aufnimmt. Hier liegt der Schwerpunkt zwar auf DC-Netzen für die industrielle Produktion, doch gibt es viele Schnittmengen zur Versorgung von Gebäuden und Wohnhäusern. Deshalb werde ich auf der DC-Konferenz in München vor Ort mit einer Posterpräsentation vertreten sein, um meinen HomeDC-Ansatz zu demonstrieren und zu erläutern.

Mein Ziel ist es, Gleichspannungen in die Haushalte und in die Büros zu bringen, um die Sicherheit zu erhöhen, die Strom- und Gerätekosten zu senken und den Ressourcenverbrauch zu reduzieren. Angesichts des Klimawandels ist es jetzt an der Zeit, unser Denken über die Elektrifizierung von Wohngebäuden zu überdenken und Gleichspannungen ins Haus zu bringen.

DC-Konferenz: Gleichstromnetze für die Industrie
Die Markt&Technik veranstaltet am 23. Oktober im Holiday Inn München die »DC-Konferenz: Gleichstromnetze für die Industrie«, powered by ODCA. Die im November 2022 gegründete Open Direct Current Alliance hat sich zum Ziel gesetzt, die DC-Microgrids aufgrund ihrer vielen Vorteile schnell in die industrielle Produktion zu bringen. Auf der DC-Konferenz können sich die Teilnehmer anhand von Vorträgen aus der Praxis ein Bild davon machen, welche Komponenten für den Aufbau eines Gleichstromnetzes in der Produktion erhältlich sind, wie sich Gleichstromnetze schon heute in der Praxis aufbauen lassen, aber auch wo gegenwärtig noch Hürden liegen und wie sie überwunden werden können.

DC-Konferenz: Gleichstromnetze für die Industrie

Die Markt&Technik veranstaltet am 23. Oktober im Holiday Inn München die »DC-Konferenz: Gleichstromnetze für die Industrie«, powered by ODCA. Die im November 2022 gegründete Open Direct Current Alliance hat sich zum Ziel gesetzt, die DC-Microgrids aufgrund ihrer vielen Vorteile schnell in die industrielle Produktion zu bringen. Auf der DC-Konferenz können sich die Teilnehmer anhand von Vorträgen aus der Praxis ein Bild davon machen, welche Komponenten für den Aufbau eines Gleichstromnetzes in der Produktion erhältlich sind, wie sich Gleichstromnetze schon heute in der Praxis aufbauen lassen, aber auch wo gegenwärtig noch Hürden liegen und wie sie überwunden werden können.