Was für eine Spannung für alle

Der Krieg der Strömungen wurde von AC ziemlich entschieden gewonnen. Denn egal, ob 110 V oder 230 V aus der Steckdose kommen, 50 Hz oder 60 Hz, die ganze Welt ist sich einig, dass die Schwingungsfrequenz unbedingt größer als Null sein sollte. Technisch gesehen hat AC aufgrund dreier miteinander verknüpfter Fakten gewonnen. Es war wirtschaftlicher, ein paar große Kraftwerke zu haben als Hunderttausende kleiner Kraftwerke. Dies bedeutete, dass die Energieübertragung über relativ große Entfernungen erfolgen musste, was höhere Spannungen erforderte. Und zu dieser Zeit war der Wechselstromtransformator die einzige Möglichkeit, Spannungen zu erhöhen oder zu senken.

Aber das war damals. Wir stehen gerade an der Schwelle zu einer Revolution in der Stromerzeugung, zumindest wenn man den Anhängern der Solarenergie glaubt. Und das bedeutet zweierlei: lokaler Strom, der ursprünglich als Gleichstrom erzeugt wird. Und das macht zwei der drei Faktoren, die für AC sprechen, völlig zunichte. (Und effiziente DC-DC-Wandler machen den Transformator kaputt.) Nein, wir glauben nicht, dass es über Nacht einen Wechsel geben wird, aber wir wären nicht überrascht, wenn es immer üblicher würde, zwei elektrische Systeme zu Hause zu haben – eines Fern-Hochspannungs-Wechselstrom, der von den Energieversorgern bereitgestellt wird, und ein lokal erzeugter Niederspannungs-Gleichstrom.

Warum? Denn die meisten Geräte verwenden heutzutage Niederspannungs-Gleichstrom, mit Ausnahme einiger großer Geräte. Batterien speichern Gleichstrom. Wenn immer mehr Haushalte über die Möglichkeit zur lokalen Gleichstromerzeugung verfügen, ist es nicht mehr sinnvoll, den lokalen Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, nur um eine Steckdose anzuschließen und ihn wieder in Gleichstrom umzuwandeln. Hackadays [Jenny List] hat einen Großteil dieses Setups umgangen und ist in ihrem Artikel „Wo ist meine Niederspannungs-Gleichstromsteckdose?“ direkt zur Pointe gegangen. und schlug einige Lösungen für die physischen Verbindungen vor. Aber wir würden es gerne für eine Minute untermauern. Welche Spannung wird es sein, wenn die Niederspannungs-Gleichstromrevolution kommt?

Das Problem bei der Verkabelung mit niedrigerer Spannung ist schlicht physikalischer Natur. Für einen gegebenen Leistungsbedarf gilt P=I*V, eine niedrigere Spannung bedeutet also, dass mehr Strom fließt. Aber wenn man das Ohmsche Gesetz einsetzt, bedeutet mehr Strom auch dramatisch höhere Widerstandsverluste P=I^2*R in den Drähten. Eine Alternative besteht darin, den Widerstand des Drahtes durch die Verwendung von mehr Kupfer zu verringern. Sie erhalten jedoch mehr für Ihr Geld, wenn Sie sich auf den Stromquadrat-Term konzentrieren.

Das ist der Grund, warum beispielsweise Power-over-Ethernet-Systeme (PoE) etwa 48 V verwenden, um etwa 30 W Leistung zu übertragen – diese dünnen Ethernet-Kabel können nur eine bestimmte Menge Strom transportieren, ohne den Großteil davon als Wärme zu verschwenden. Selbst bei etwa 50 V rechnen PoE-Systeme mit einem Verlust von drei bis fünf Watt in der Verkabelung. Welche Verkabelung auch immer für die Niederspannungs-Gleichstromsegmente des elektrischen Systems Ihres Hauses verwendet wird, sie wird dicker als Cat-5 sein.

Aber Kupfer kostet Geld, daher wird es immer einen gewissen Aufwärtsdruck auf die Spannung geben, der durch Widerstandsheizeffekte entsteht.

Ab etwa 30–50 V beginnt Elektrizität für den Menschen gefährlich zu werden. Das ist der Punkt, an dem die Stromstärken, die den Widerstand des menschlichen Körpers überwinden, problematisch werden. Aber während jeder sagt: „Sicherheit geht vor!“ Beachten Sie auch, dass in Ihren Wänden derzeit 110 oder 230 V Wechselstrom vorhanden sind. In der realen Welt gilt eindeutig „Waschmaschine zuerst“. Das heißt, obwohl ein Gleichstrom unter 30 V sicherer wäre, vermuten wir, dass die Sicherheit in die Anschlüsse oder Leistungsschalter integriert wird.

Das bringt uns zum letzten Anliegen. Haben Sie schon einmal Lichtbogenschweißen durchgeführt? Wie viel Gleichspannung ist erforderlich, um einen Lichtbogen zu zünden? Etwas in der Nähe von 24 V ist ein ziemlich üblicher Wert für ein professionelles Gerät, aber es ist auch möglich, mit 20-V-Werkzeugakkus oder sogar 12-V-Autobatterien zu schweißen. Einige Punktschweißgerätekonstruktionen, die wir gesehen haben, verbrauchen nur zwei oder drei Volt, aber sie entwickeln den erforderlichen Strom, indem sie die Werkstücke sehr fest zusammenpressen, um einen Pfad mit geringem Widerstand herzustellen.

Haben Sie schon einmal auf ein Relais geschaut und festgestellt, dass es Nennwerte für Gleich- und Wechselstrom hat? Diese Relais sind beispielsweise für 10 A bei 250 V AC ausgelegt, aber nur für 10 A bei 30 V DC. Woher kommt dieser Zehnerfaktor? Relaiskontakte können Funken erzeugen, wenn die beiden Kontakte einander nahekommen, und sie neigen dazu, sich bei höheren Gleichspannungen zu verschweißen, was bei Wechselspannung einfach nicht der Fall ist, da Wechselstromlichtbögen 100 oder 120 Mal pro Sekunde selbst verlöschen.

Dann wird es ein Problem sein, mechanische Schalter herzustellen, die für Ihr Gleichstrom-Heimstromsystem funktionieren, und das wird einen Abwärtsdruck auf die Spannung ausüben. Ein durchschnittliches Auto enthält viele Relais, und diese scheinen die meiste Zeit zu funktionieren, daher ist 12 V hier vielleicht eine gute Wahl. Aber vertrauen Sie nicht auf mein Wort. Hier ist die Meinung eines Automobilingenieurs zum Thema Gleichstrom im Haushalt. Es ist etwas veraltet, aber er beklagt sich über die zusätzlichen Designprobleme bei der Arbeit an einem 24-V-Dieselfahrzeug. Wir werten das als Votum für niedrigere Spannungen.

Der X-Faktor ist hier der Fortschritt bei der MOSFET- oder IGBT-Herstellung. Halbleiter-Gleichstrom-Leistungsschalter sind noch nicht so günstig wie mechanische (Wechselstrom-)Leistungsschalter, aber bei Spannungen, wie wir sie in Innenräumen in Betracht ziehen, sind sie auf dem Vormarsch. Der höhere Preis spiegelt möglicherweise auch einfach die derzeit geringere Nachfrage wider. Vielleicht wird der Abwärtsspannungsdruck in naher Zukunft verschwinden?

Da wir nun am Ende des Artikels angelangt sind, wollen wir sehen, ob wir das alles verstehen können. Wenn Solarenergie bei unserem zukünftigen Energiebedarf eine Rolle spielen soll, ist es ineffizient, von Gleichstrom auf Wechselstrom und wieder zurück umzuschalten. Es ist effizienter, den Gleichstrom vom Panel über die Batterie bis zum Endgerät beizubehalten und die Spannungen möglicherweise nur ein- oder zweimal mit hocheffizienten DC-DC-Wandlern zu ändern.

Wenn es einen komplementären Gleichstromstandard gäbe, würden Wärmeverluste das Spannungsniveau nach oben treiben, Schaltbeschränkungen drücken die Spannung nach unten, und die Sicherheit ist unserer Meinung nach eine Katastrophe. Solarmodule können im Wesentlichen kostenlos für Hochspannung oder Hochstrom konfiguriert werden, und wir halten es für bezeichnend, dass neuere Installationen tendenziell im 24-50-V-Bereich betrieben werden. Das sagt viel über die Bedeutung von Wärmeverlusten aus. Batterien sind ähnlich flexibel, sodass es kein großes Problem darstellt, sie an die Quelle anzupassen.

Wir wären begeistert, wenn wir Gleichstromsteckdosen und daran angeschlossene Geräte hätten, die alle über ein mittelgroßes Panel auf unserem Dach mit Strom versorgt und in mittelgroßen Batterien in unserem Keller gespeichert würden. Ob dies vom Panel über die Batterie bis zum Stecker bei 48 V oder 12 V geht, hängt von den relativen Preisen von Kupfer und kräftigen FETs ab, aber wir wetten, dass FETs billiger und Kupfer teurer werden. Wir persönlich würden uns wünschen, dass diese relativ hohe Spannung am Stecker aus Sicherheitsgründen herabgesetzt wird, beispielsweise auf 12 V, aber wir werden nicht streiten. Es wäre die perfekte Ergänzung zu unserer bestehenden AC-Infrastruktur.

Was sagen Sie? Welche Faktoren fehlen uns? Hat jemand von euch bereits eine DC-Seite seines Hauses? Welche Spannung(en) für Gleichstrom?