Energiezukunft im Gebäudesektor : Gleichstrom in der Gebäudetechnik

Photovoltaikanlagen, Batteriespeicher, E-Fahrzeug-Bordnetze sowie viele weitere Bausteine der Energiewende sind in DC-Technik ausgeführt. Kommen Gleichstromtechnologien zum Einsatz, können diese mit weniger Umwandlungsstufen im Gebäudebereich eingebunden werden. DC-Technologien können auf diese Weise die Systemintegration und -kopplung erneuerbarer Energien vereinfachen sowie die Energieeffizienz steigern. 

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Die DC-Initiative des OVE Österreichischer Verband für Elektrotechnik hat sich zum Ziel gesetzt, eine österreichische „DC-Community“ aufzubauen, einen intensiven Erfahrungsaustausch sowie gemeinschaftliche Forschung und Innovationsprojekte zu ermöglichen und damit die österreichischen Unternehmen in diesem Bereich zu unterstützen. Als österreichische elektrotechnische Normungsorganisation wirkt der OVE außerdem maßgeblich an der (Weiter-)Entwicklung relevanter Normen und Standards mit. 

2022 hat das AIT Austrian Institute of Technology im Auftrag des OVE eine DC Pilot Studie durchgeführt. Abbildung 1 zeigt einen möglichen Anwendungsfall aus der Studie: Ein hybrider Niederspannungsabzweig (AC und DC) dient ab der Ortsnetzstation einerseits der Anbindung klassischer AC-Anwendungen und andererseits der Anbindung von DC-Anwendungen wie Elektromobilität, Photovoltaik oder Stromspeicher bis hin zur Gebäudeintegration.

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Gleichstrom bietet in Gebäuden einige Vorteile gegenüber Wechselstrom, denn moderne Geräte wie Computer, Smartphones, LED-Beleuchtung und Unterhaltungselektronik arbeiten intern mit Gleichstrom. Bei der Verwendung von Wechselstrom aus dem Hausnetz muss dieser für die Geräte erst in Gleichstrom umgewandelt werden, was zu Energieverlusten führt. Durch den Wegfall von Netzteilen und Wechselrichtern für diese Geräte lassen sich Kosten einsparen.

Dasselbe gilt für Photovoltaikanlagen, Batteriespeicher und Elektrofahrzeuge. Ein Gleichstromnetz macht eine einfachere und effizientere Integration dieser Technologien mit weniger Umwandlungsschritten möglich. In Kombination mit Photovoltaik, Elektrofahrzeugen und Stromspeichern ermöglicht es ein effektiveres internes Energiemanagement, da automatisch die optimale Energiequelle für verschiedene Verbraucher gewählt werden kann.

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Trotz aller Vorteile ist die Umstellung auf ein Gleichstromnetz in bestehenden Gebäuden aufwändig. Eine praktikable Lösung kann die Installation eines parallelen Gleichstromnetzes neben dem bestehenden Wechselstromnetz sein. Dies ermöglicht die schrittweise Integration von Gleichstromtechnologien bei gleichzeitiger Nutzung der Vorteile beider Systeme. 

All das erfordert allerdings ein Umdenken in Bezug auf die Wechselstromtechnik, die seit über einem Jahrhundert die vorherrschende Norm ist. Dieser Paradigmenwechsel bringt naturgemäß Bedenken oder Sorgen zur Sicherheit und Erschwinglichkeit der neuen Technologie mit sich. Begegnet werden kann diesen mit einem schrittweisen Erfahrungsgewinn und Demonstrationsprojekten.

Für ein gelungenes Pionierprojekt muss man nicht weit über die Grenzen Österreichs blicken. Im benachbarten Bayern hat die Firma Schaltbau mit ihrer „NExT Factory“ die weltweit erste Gleichstromfabrik umgesetzt. 

Das Gleichstromnetz funktioniert dabei wie eine Art Kreislaufwirtschaft für Energie. Es verbindet die gleichstromproduzierende Photovoltaikanlage auf dem Dach ohne Wandlungsverlust mit Gleichstrom-Abnehmern und -Speichern innerhalb der Produktionsstätte. Alleine das spart jährlich bis zu 15 Prozent Energie. In Verbindung mit einem intelligenten Energiemanagement sowie Energie- und Wärmespeichern konnten die Energiekosten um 35 Prozent gesenkt werden.

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Basierend auf einem intelligenten Gleichstromnetz wurde hier also ein nachhaltiges und hocheffizientes Energiekonzept für ein CO₂-freies Fertigungsgebäude umgesetzt. Das Pionierprojekt „NExT Factory“ zeigt eindrucksvoll die Potenziale von Gleichstromtechnologien. Bis diese allerdings in öffentlichen Netzen und damit auch flächendeckend im Gebäudebereich zum Einsatz kommen können, gilt es noch einige Herausforderungen zu meistern. 

Ein wichtiger Schritt ist die Einigung auf international harmonisierte Standards für die Planung, die Installation und den Betrieb von Gleichstromsystemen in Gebäuden, die die Interoperabilität, Kompatibilität und Konformität der verschiedenen Komponenten und Geräte gewährleisten können. Für Consumer Elektronik ist der Umstieg auf den gemeinsamen USB-C-Standard bereits in Umsetzung, auch Elektromobilität ist in Bezug auf Steckverbinder bereits großteils normiert. Für die Gebäudetechnik braucht es daher jetzt entsprechende Komponentenentwicklungen für den Einbau in Privathaushalte und öffentliche Gebäude sowie Vorzeigeprojekte, um die Machbarkeit zu demonstrieren.

DC-Technik wird die etablierte Wechselstromtechnik zwar aller Voraussicht nach nicht ersetzen, sie hat aber das Potenzial, in unserem künftigen Stromsystem eine wesentliche Rolle zu spielen, indem sie AC-Technik dort ergänzt, wo sie entsprechende Vorteile bietet. 

Der heute schon signifikante Markt für DC-Systeme wird weltweit im Zuge der Dekarbonisierung der Energieversorgung weiterwachsen. Ausgehend von etablierten Lösungen, wie etwa DC-versorgten Datencenters, wird sich der Markt für DC-Netze „hinter dem (AC)-Zähler“ ausdehnen – unter anderem auf Gebäude und Industrieanlagen mit integrierter lokaler Erzeugung. Spätestens dann, wenn die AC/DC-Umwandlung sinnvollerweise tiefer in das öffentliche Netz verlegt werden soll, wird eine etablierte technische Lösung für aktiv gesteuerte DC-Netze auf der „letzten Meile“ zum Kunden benötigt.

Ziel ist es, mit solchen Systemen (siehe Abbildung 3) praktische Erfahrungen zu sammeln. In Demonstrationsprojekten können vorhandene DC-Produkte aufgesetzt werden, um zu zeigen, wie ihr Zusammenspiel die Versorgungsaufgabe zuverlässig erfüllt. Gleichzeitig gilt es, neue Standards für die Systemausführung, den elektrotechnischen Schutz und den Betrieb von DC-Anlagen zu entwickeln.

Der OVE arbeitet an der Etablierung klarer Genehmigungsverfahren für innovative DC-Netze. Mit seiner DC-Initiative unterstützt der Verband gemeinschaftliche Forschung, Innovationsprojekte sowie einen intensiven Erfahrungsaustausch zwischen Planern und Umsetzern.

>>> Weitere Informationen zur Initiative finden Sie hier.