Da viele moderne Geräte intern mit Gleichstrom (DC) betrieben werden wird Wechselstrom (AC) wieder zurück zu DC Strom umgewandelt durch die Adapter der einzelnen Geräte.
Diese doppelte Energieumwandlung, die zu bis zu 30% der Energieverluste erzeugt, könnten wir beseitigen wenn die elektrische Verteilung des Gebäudes auf Gleichstrom umgebaut wird. Direkte DC Kopplung Stromquellen mit DC-Lasten führ zu einem deutlich billigeren und nachhaltigeren Solar System. Allerdings müssen einige wichtige Voraussetzungen erfüllt sein, um dieses Ziel zu erreichen.
| Bild: Brighton Electric Light Station, 1887. stationäre Dampfmaschinen treiben DC-Generatoren mit Hilfe von Ledergürtel. Quelle. |
Strom kann als Wechselstrom oder Gleichstrom produziert und verteilt werden. Im Fall von AC Strom, der Strom ändert seine Richtung periodisch während die Spannung umkehrt entlang des Stromflusses. Im Fall von DC Strom, der Strom fließt in einer Richtung und die Spannung bleibt konstant. Als elektrische Energieübertragung im letzten Viertel des neunzehnten Jahrhunderts eingeführt wurde, gab es einen Wettbewerb zwischen AC-und DC wer das Standard-Stromverteilungssystem wird- eine Zeit, in der Geschichte die als der "Krieg der Ströme" bekannt wurde.
AC gewonnen, vor allem wegen der höheren Effizienz wenn er über weite Strecken transportiert wird. Elektrische Energie (ausgedrückt in Watt) ist gleich Strom (in Ampère ausgedrückt) durch Spannung multipliziert (in Volt ausgedrückt). Folglich kann eine bestimmte Menge an Leistung, die von einer niedrigen Spannung mit einem höheren Strom oder durch eine Hochspannung mit einem niedrigeren Strom erzeugt werden. Leistungsverlust ist jedoch proportional wegen Widerstand gegen das Quadrat des Stroms. Daher sind hohe Spannungen der Schlüssel zum Energieeffizienzen Kraftübertragung über größere Distanzen. [1]
Die Erfindung des AC Transformator in den späten 1800er Jahren machte es möglich, leicht die Spannung, um zu intensivieren Strom über lange Strecken zu transportieren, und dann wieder nach schritt nach unten für den lokalen Gebrauch. DC Strom, auf der anderen Seite, könnte nicht effizient zu hohen Spannungen bis 1960 umgewandelt werden. Folglich war es unmöglich Leistung effektiv über große Entfernungen zu übertragen (> 1-2 km).
| Illustration: Brush Electric Company's central power plant dynamos powered arc lamps for public lighting in New York. Beginning operation in December 1880 at 133 West Twenty-Fifth Street, it powered a 2-mile (3.2 km) long circuit. Source: Wikipedia Commons. |
Ein Gleichstromnetz impliziert die Installation von relativ kleinen Kraftwerke in jeder Nachbarschaft. Dies war nicht ideal, weil der Wirkungsgrad der Dampfmaschinen, die die Dynamos angetrieben von ihrer Größe abhängig war - je größer eine Dampfmaschine, desto effizienter wird es. Außerdem waren Dampfmaschinen laut und erzeugten Luftverschmutzung, während die niedrige Transporteffizienz von Gleichstrom die Verwendung von weiter entfernten, sauberen Wasserkraftquellen ausgeschlossen hat.
Mehr als hundert Jahre später, stellt AC noch die Grundlage unserer Energieinfrastruktur. Obwohl Hochspannungs- DC (Gleichstrom) an Boden gewinnt, müssen alle elektrischen Verteilung in Gebäuden basiert auf Wechselstrom, entweder bei 110V oder 220V gewesen sein. Niederspannungssysteme haben in Autos, Lastwagen, Wohnmobile, Wohnwagen und Boote, sowie in der Telekommunikations Büros, Ferne wissenschaftlichen Stationen und Notunterkünfte überlebt. In den meisten dieser Beispiele werden die Geräte mit Batterien betrieben, die auf 12V, 24V oder 48V DC betrieben werden.
Erneutes Interesse an DC Strom
Vor kurzem haben zwei konvergierenden Faktoren das Interesse an der Gleichstromverteilung erneuert. Erstens haben wir jetzt bessere Alternativen für die dezentrale Energieerzeugung, die wichtigsten dieser sind Solar PV Module. Sie erzeugen keine Umweltverschmutzung und ihre Effizienz ist unabhängig von ihrer Größe. Da Sonnenkollektoren angeordnet werden kann genau dort, wo Energiebedarf ist, besteht für die Langstreckenkraftübertragung kein Bedarf. Darüber hinaus produzieren Solarzellen "natürlich" Gleichstromleistung, und so tun, es chemische Batterien die die praktische Speichertechnik für PV Anlagen sind.
Solar-PV-Module produzieren natürlich Gleichstromleistung, und ein wachsender Anteil unserer Elektrogeräte arbeiten intern mit Gleichstrom
Zweitens wird ein wachsender Anteil unserer elektrischen Geräte intern mit Gleichstrom angetrieben. Dies gilt für Computer und alle anderen elektronischen Geräte, sowie für Solid State Lighting (LEDs), Flachbildfernseher, Stereoanlage, Mikrowelle, und eine zunehmende Menge an Geräten auf Gleichstrommotoren mit variabler Drehzahl betrieben (Lüfter, Pumpen , Kompressoren und Antriebssysteme). In den nächsten 20 Jahren konnten wir so viel wie 50% der Gesamtlasten in den Haushalten gebildet von DC Verbrauch sehen. [2]
| DC Kraftwerk des Hippodroms in Paris. Eine Dampfmaschine treibt mehrere Dynamos an, die Bogenlampen antreiben. Quelle unbekannt. |
Ein Gebäude das Solar-PV-Strom erzeugt verteilt diee in Innenräumen über ein elektrisches Wechselstrom-System, es ist eine doppelte Energieumwandlung erforderlich. Zunächst wird der Gleichstrom von den Solarpanelen in Wechselspannung umgewandelt unter Verwendung eines Inverters - Wechselrichters - Zerhacker. Dann wird Wechselstrom durch den internen Adaptern von Geräten wie Computer, LEDs und Mikrowellen in Gleichstrom zurück umgewandelt . Diese Energieumwandlungen implizieren Leistungsverluste, die, wenn eine Gebäude solarbetrieben vermieden werden könnte, würde es mit Gleichverteilung ausgestattet werden. Mit anderen Worten könnte ein Gleichstromnetz ein Solar-PV-System mehr Energieeffizienz gestalten.
Mehr Solarstrom für weniger Geld
Da der Betriebsenergie- Gebäude Verbrauch und die Kosten einer Solar PV Anlage gleich Null sind, eine höhere Energieeffizienz führt zu niedrigeren Kapitalkosten, da weniger Solarzellen benötigt werden, eine bestimmte Menge an Strom zu erzeugen. Darüber hinaus gibt es keine Notwendigkeit, einen Wechselrichter zu installieren, was eine kostspielige Vorrichtung ist, die zumindest einmal während der Lebensdauer einer Solar PV Systems ausgetauscht werden muss. Geringere Kapitalkosten bedeuten auch niedrigere verkörperte Energie: wenn weniger Sonnenkollektoren und kein Inverter erforderlich sind, wir weniger Energie gebraucht, die Solar PV Anlage zu erzeugen, die Nachhaltigkeit der Technologie zu verbessern, ist von entscheidender Wichtigkeit für diese Technik.
Weniger Solarzellen werden benötigt, um eine gegebene Menge an Elektrizität zu erzeugen,
Ein ähnlicher Vorteil wäre, es elektrische Geräte die in einem Gebäude mit Gleichstromverteilung, DC-internen elektrischen Geräte können mit allen Komponenten beseitigen, die für die AC-DC-Umwandlung erforderlich sind. Es würde einfacher, billiger, zuverlässiger und weniger energieintensiv in der Herstellung werden. Die AC / DC-Adapter sind oft die von Lebensdauer begrenzenden Komponente der DC - internen Geräte (die in einer externen Stromversorgung oder in der Vorrichtung selbst untergebracht werden kann), und sie sind ziemlich beträchtlich groß. [2]
Komponenten für AC-DC-conversionIllustration: Stromtreiber für eine 35W LED-Lampe. [3] Alle Teile, die für AC-DC-Umwandlung notwendig sind, sind gekennzeichnet. |
Beispielsweise für ein LED-Licht, ungefähr 40% der Leiterplatte wird durch Komponenten besetzt, die für Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlung benütigt. [3] AC / DC-Adapter haben mehrere Nachteile. Als Ergebnis einer dubiosen Geschäftsstrategie, sind sie auf ein Gerät in der Regel bestimmte, was zu einer Verschwendung von Ressourcen, Geld und Platz. Ferner ist weiterhin ein Adapter Energie zu verwenden, wenn das Gerät nicht in Betrieb ist, und selbst wenn das Gerät nicht mit diesem verbunden ist.
DC Stromverteilung würde Geräte einfacher, billiger, zuverlässiger und weniger energieintensiv in der Herstellung machen.
Last but not least, Niederspannungs- Gleichstromnetze (bis 24 V) gelten als sicher vor Elektrischen- Schlag oder Feuergefahr, Elektriker können relativ einfache Verkabelung installieren, ohne Erdung oder Metall-Anschlusskästen und ohne Schutz gegen direkte Berührung. [4, 5, 6] Diese weitere Steigerungen der Kosteneinsparungen und ermöglicht es Ihnen, ein Solar System bei dem selbst alles zu installieren möglich ist. Wir zeigen ein solches DIY-System im nächsten Artikel, wo wir auch erklären, wie DC Geräte zu erhalten oder AC-Geräten in DC umzuwandeln.
Wie viel Energie kann gespart werden?
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass der Energieeffizienz- Vorteil eines Gleichstromnetz nicht gegeben ist. Energieeinsparungen können erheblich sein, aber sie können auch sehr klein oder sogar negativ werden. Unabhängig davon, ob DC eine gute Wahl ist, hängt in erster Linie von fünf Faktoren ab: die spezifischen Umwandlungsverluste in den AC / DC-Adapter aller Geräte, der Zeitpunkt der "Last" (der Energieverbrauch), die Verfügbarkeit von elektrischen Speicher, die Länge der Verteilerkabel und der Stromverbrauch der elektrischen Geräte.
Die Beseitigung der Wechselrichter sorgt für ziemlich vorhersehbar Energieeinsparungen. Es handelt sich nur um ein Gerät mit einem ziemlich festen Wirkungsgrad (+ 90% - obwohl Wirkungsgrad auf etwa 50% bei niedriger Last abstürzen kann). Jedoch kann man das nicht von AC / DC-Adapter gesagt werden. Nicht nur gibt es so viele Adapter wie es DC-internen Vorrichtungen, aber ihre Wirkungsgrade variieren auch wild, von weniger als 50% für Niederleistungsvorrichtungen zu mehr als 90% für Hochleistungsvorrichtungen. [6, 7, 8]
Konsequenter weise können Wechselstrom, die Gesamtenergieverlust von AC / DC-Adapter können sehr unterschiedlich sein, je nachdem, welche Art von Geräten in einem Gebäude verwendet werden - und wie sie verwendet werden. Genau wie Wechselrichter, Adapter verschwenden relativ mehr Energie, wenn wenig Strom verwendet wird, zum Beispiel in den Standby-oder Low-Power-Modi. [8]
Die Umwandlungsverluste in Adapter sind am höchsten für DVDs / Videorecordern (31%), Home-Audio (21%), Personal Computer und zugehörige Ausrüstung (20%), wiederaufladbare Elektronik (20%), Beleuchtung (18%) und Fernseher (15% ). Die Stromverluste sind geringer (10-13%) für eher banale Geräte wie Deckenventilatoren, Kaffeemaschine, Geschirrspüler, elektrische Toaster, Heizgeräte, Mikrowellenherde, Kühlschränke und so weiter. [8].
Beleuchtung und Computer (die hohe AC / DC-Verluste haben) machen in der Regel einen großen Anteil an der gesamten Stromverbrauch in Büros, Geschäften und öffentlichen Gebäude aus. Die Haushalte haben vielfältigere Geräte, einschließlich Geräte mit niedriger AC / DC-Verlusten. Folglich bringt ein DC System höhere Energieeinsparung in Büros als in Wohngebäuden.
Der größte Vorteil ist, in Rechenzentren, in denen Computer die Hauptlast sind. Einige Rechenzentren wurden bereits an DC-Systeme eingeschaltet, auch wenn sie nicht mit Solarenergie betrieben werden. Weil eine großer Adapter effizienter ist als eine Vielzahl von kleinen Adapter, AC zu DC auf lokaler Ebene Umwandlung (einen Gleichrichter Verteiler(?)) und nicht an den einzelnen Servern kann Energieeinsparungen zwischen 5 und 30% bringen. [6, 9], [10, 11]
Die Bedeutung der Energiespeicherung
Wenn wir einen Energieverlust von 10% im Wechselrichter und einen durchschnittlichen Verlust von 15% für alle AC / DC-Adapter übernehmen, würden wir eine Energieeinsparung von ca. 25% erwarten, wenn in einem Solar-PV-Strom versorgt Gebäude DC Verteilung umgeschaltet wird. Jedoch ist eine solche erhebliche Einsparung nicht garantiert. So starten Sie mit, die meisten solarbetriebene Gebäude sind netzgekoppeltet. Sie speichern keine Solarenergie in Vor-Ort-Batterien, sondern verlassen sich auf das Netz um Überschüsse und Knappheit zu bewältigen.
In einem Netz gebundenen solarbetriebenen Gebäude lädt nur gleichzeitig mit Solar PV Leistung von einem Gleichstromnetz profitieren zu können
| Frühes Gleichstrom Verteilungs Kraftwerk hatte einen Dynamo für jede Glühbirne. Quelle unbekannt. |
Wiederum bedeutet dies, dass die Effizienzvorteile eines DC-System sind in der Regel größer in gewerblichen Gebäuden ist, wo der meisten Stromverbrauch mit dem DC-Ausgang aus dem Sonnensystem zusammenfällt. In Wohngebäuden, auf der anderen Seite, den Energieverbrauch Spitzen oft morgens und abends, wenn wenig oder gar keine Sonnenenergie zur Verfügung steht.
Folglich gibt es nur ein kleiner Vorteil zu erhalten, aus einem Gleichstromsystem in einem Netz abgemessene Wohnhauses, da die meisten Strom umgewandelt werden wird oder von AC sowieso. Eine kürzlich veröffentlichte Studie errechnet, dass ein DC-System könnte die Energieeffizienz eines solarbetriebenen, Netz basierenden American Heim im Durchschnitt nur um 5% verbessern - die Zahl ist ein Mittelwert für 14 Häuser in den USA. [12] [13]
Off-Grid Netzunabhängige Solar Systeme
Um das volle Potenzial eines Gleichstromnetz zu realisieren, vor allem, wenn es in einem Wohngebäude betrifft, brauchen wir Vor-Ort-Batterien um Sonnenenergie zu speichern. Auf diese Weise kann das System speichern und Leistung in einem DC - Netz erhöhen. Der Energiespeicher kann in einem Off Grid System geschehen, die völlig unabhängig von dem Netz sind, sondern auch einige Batteriespeicher in einem Zähler basierenden Gebäude verbessert den Vorteil eines DC-System. Jedoch fügt ein Energiespeicher eine andere Art von Energieverlust hinzu: die Lade- und Entlade- Verluste der Batterie. Die Round-Trip Effizienz für Blei-Säure-Batterien liegt bei 70-80%, während für Lithium-Ionen es etwa 90% ist.
Leider fügt Energiespeicher eine andere Art von Energieverlust - die Lade- und Entlade-Verluste der Batterien - und negiert die Kostenvorteile eines DC-Systems
Genau, wie viel Energie kann wieder mit Vor-Ort-Batteriespeicher gespeichert werden, hängt von der Zeitsteuerung der Last. Strom während des Tages verwendet - wenn die Batterien voll sind - beinhaltet keine Batterie Laden und Entladen Verluste. In diesem Fall können die Energieeinsparungen eines DC-System 25% (10% zum Eliminieren des Wechselrichters und 15% für die Adapter eliminiert).
| Kensington Court Station: Dampfmaschine, Dynamo und Batterien. Quelle: Zentral Station Electric Lighting, Killing Hedges, 1888. |
Auf der anderen Seite bringt Batteriespeicher einen weiteren Vorteil: Es gibt weniger oder - in einem völlig unabhängiges System - ohne zusätzliche Energieverluste für die Fernleitung und Verteilung von AC Strom. Diese Verluste sind sehr unterschiedlich in Abhängigkeit von der Lage. So sind zum Beispiel durchschnittliche Übertragungsverluste nur 4% in Deutschland und den Niederlanden, aber 6% in den USA und China sowie zwischen 15 und 20% in der Türkei und Indien. [14] [15]
Wenn wir weitere 7% der Energieeinsparung durch vermieden Übertragungsverluste addieren, ein Off-Grid-DC-System Energieeinsparungen zwischen 2% und 32% für Blei-Säure-Batterien, und zwischen 22% und 32% für die Lithium-Ionen-Batterien bringen, je nach dem Zeitpunkt der Last.
In einem Off-grid DC-System kann den Stromverbrauch mit einer Solaranlage erfüllt werden, die ein Fünftel bis ein Drittel kleiner ist, je nach Art der verwendeten Batterien
Unter der Annahme von 50% Energieverbrauch während des Tages und 50% des Energieverbrauchs in der Nacht kommen wir zu einem Gewinn von 17% für ein Off-Grid-System Blei-Säure-Batterien und 27% für Lithium-Ionen-Speicher. Dies bedeutet, dass Stromverbrauch kann mit einem Solar System erfüllt werden, die ein Fünftel bis ein Drittel kleiner sind, bzw. ist. Gesamtkosteneinsparungen wird ein bisschen größer bleiben, weil wir immer noch nicht, einen Wechselrichter benötigen, und Installationskosten sind niedriger oder gar nicht vorhanden.
Leider stellt sich vor Ort Stromspeicher Einführung wieder die Kapitalkosten, da wir in Batterien investieren müssen. Dadurch wird durch der Kostenvorteil zunichte gemacht bei der Auswahl eines DC System. Das gleiche gilt für die Energie in den Produktionsprozess angelegt: ein Netzunabhängiges DC System erfordert weniger Energie für die Herstellung von Sonnenkollektoren, aber es veranlasst mindestens so viel Energieverbrauch für die Herstellung von Batterien.
Allerdings sollten wir Äpfel mit Äpfeln vergleichen: ein DC Off-Grid- Solaranlage ist preisgünstiger und energieeffizienter als ein AC Off-Grid System, und das ist, was zählt. Die Lebenszyklusanalysen von Netz basierenden Solaranlagen stellen keine Realität, weil sie einen wesentlichen Bestandteil von Solaranlagen zu ignorieren.
Kabelverluste
Es gibt eine weitere wichtige Sache zu prüfen, wenn. Wie wir aufgrund des Widerstands, Leistungsverlust proportional des Strom zum Quadrat gesehen. Folglich haben Niederspannungs Gleichstromnetze relativ hohe Leitungsverluste innerhalb des Gebäudes. Es gibt zwei Möglichkeiten, in denen Kabelverluste eine Wahl für ein DC System kontraproduktiv machen kann. Die erste ist die Verwendung von Hochleistungs Verbrauchern, und die zweite ist die Verwendung von sehr langen Kabeln.
| Spannungsregelung in einem frühen Kraftwerk. Quelle unbekannt. |
Der Energieverlust in den Leitungen ist gleich dem Quadrat der Stromstärke (in Ampere), durch den Widerstand multipliziert (in Ohm). Der Widerstand wird durch die Länge, den Durchmesser ermittelt und dem leitenden Material der Kabel. Ein Kupferdraht mit einem Querschnitt von 10 mm², 100 Watt Leistung bei 12 V (8,33 A) über eine Entfernung von 10 Metern ergibt eine annehmbarer Energieverlust von 3%. Jedoch mit einer Kabellänge von 50 Metern, den Energieverlust von 16% und bei einer Länge von 100 Metern, ist der Energieverlust auf 32% - genug, um die Effizienzvorteile eines Gleichstromnetz selbst im optimistischsten Szenario zu negieren .
Die relativ hohen Energieverluste in den Kabeln begrenzen die Verwendung von Hochleistungsgeräten
Die relativ hohe Leitungsverluste begrenzen auch die Verwendung von Hochleistungsgeräten. Wenn Sie eine 1000-Watt-Mikrowelle auf einem 12V Gleichstromnetz ausführen möchten, fügen Sie die Energieverluste bis zu 16% mit einer Kabellänge von nur 1 Meter, und mit einer Kabellänge von 3 m bis 47% springen.
Offensichtlich ist ein Niederspannungs- Gleichstromnetz nicht für Leistungsgeräte wie Waschmaschinen, Spülmaschinen, Staubsauger, Elektroherde, elektrische Öfen oder Warmwasserkessel geeignet. Beachten Sie, dass Stromverbrauch und nicht die Energienutzung in dieser Hinsicht wichtig ist. Der Energieverbrauch ist gleich den Stromverbrauch multipliziert mit der Zeit. Ein Kühlschrank verbraucht viel mehr Energie als eine Mikrowelle, weil es auf 24 Stunden am Tag ist, aber seine Leistung kann klein genug sein, auf einem Gleichstromnetz betrieben zu werden.
Kabelverluste begrenzen auch die kombinierte Leistungs Verwendung von Low Power Geräten. Wenn wir einen 12V Kabelverteiler Länge von 12 Metern übernehmen, und wir wollen die Kabelverluste unter 10% zu halten, dann ist die kombinierte Leistung Nutzung aller Geräte auf etwa 150 Watt (8,5% Kabeldämpfung) begrenzt. Zum Beispiel erlaubt dies die gleichzeitige Verwendung von zwei Laptops (20 Watt Leistung pro Stück), eine DC-Kühlschrank (45 Watt) und fünf 8-Watt-LED-Lampen (40 Watt insgesamt), die weiteren 25 Watt Leistung reichen für ein paar kleinere Geräte.
Wie Kabelverluste begrenzen
Es gibt mehrere Möglichkeiten, um die Verteilungsverluste eines Niederspannungs-DC-System zu minimieren. Wenn es ein neues Gebäude betrifft, könnte seine räumliche Anordnung signifikant die Verteilung Kabellänge begrenzen. Zum Beispiel schafften niederländische Forscher die Gesamt- Kabellänge in einem Haus nach unten von 40 Meter auch 12 Meter zu reduzieren. Sie taten dies indem sie die Küche und das Wohnzimmer (wo die meisten Strom verbraucht wird) in den ersten Stock verlegten, direkt unter dem Dach (wo die Sonnenkollektoren sind), während die Schlafzimmer im Erdgeschoss sind. Sie wurden auch die meisten Geräte im zentralen Teil des Gebäudes, direkt unter den Solarpanels platziert (siehe Abbildung unten). [16]
Eine weitere Möglichkeit, die Leitungsverluste zu reduzieren, ist mehrere unabhängige Solaranlagen pro ein oder zwei Zimmer einzurichten. Dies könnte der einzige Weg sein, um das Problem in einem größeren, bestehende Gebäude zu lösen, die ohne eine DC-System konzipiert sind. Während diese Strategie die Verwendung von zusätzlichen Solar- Ladereglern bedeutet, kann er stark die Kabelverluste reduzieren. Dieser Ansatz ermöglicht es auch den Stromverbrauch aller Geräte mit 150 Watt zu planen.
Einrichten von unabhängigen Solaranlagen pro ein oder zwei Zimmer ist eine Möglichkeit, Kabel Verluste zu begrenzen und die Gesamtenergieverbrauch erhöhen
Eine dritte Möglichkeit, die Leitungsverluste zu begrenzen, ist eine höhere Spannung zu wählen: 24 oder 48 V anstelle von 12 Volt. Da die Energieverluste mit dem Quadrat der Stromstärke steigen, macht das verdoppeln der Spannung von 12 auf 24V ide Kabelverluste 4 mal kleiner, und bis 48V Schalten senkt sie um einen Faktor neun. Dieser Ansatz ermöglicht auch die Verwendung von stärkeren Verbrauchern und erhöht die Gesamtleistung, die von einem DC System verwendet werden kann. Jedoch haben höhere Spannungen auch einige Nachteile.
Erstens sind die meisten Low-Voltage DC Geräte derzeit auf dem Markt operieren auf 12V, so dass die Verwendung eines 24 oder 48V DC Netzwerk die Verwendung von mehr DC / DC-Adapter umfasst, der die Spannung zurücktrennt und auch Umwandlungsverluste haben. Zweitens höhere Spannungen (über 24V) beseitigen die Sicherheitsvorteile eines DC Systems. In Rechenzentren und Büros, sowie in den amerikanischen Wohngebäuden in der Studie bereits erwähnt, wird die DC-Strom im gesamten Gebäude an 380V verteilt, aber dies erfordert ebenso strenge Sicherheitsmaßnahmen wie bei 110V oder 220V AC Strom. [17]
Langsame Elektrizität
Verkürzen wir die Leitungslänge oder verdoppeln wir die Spannung auf 24V so reicht es noch nicht für den Einsatz von Hochleistungs Verbrauchern und erlaubt wie eine Mikrowelle oder eine Waschmaschine. Es gibt zwei Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen. Die erste ist ein Hybrid AC / DC System zu installieren. In diesem Fall wird ein Gleichstromnetz für Low-Power Geräte einzurichten, wie LED-Leuchten (<10 Watt), Laptops (<20 Watt), einen Fernseher (30-90 Watt) und einem Kühlschrank (<50 Watt), während ein separater Wechselstromnetz für Hochleistungsgeräte einzurichten ist. Dies ist der Ansatz für private Haushalte und kleine Büros, die von der EMerge Alliance, ein Konsortium von Herstellern von DC Produkte beworben wird, die einen Standard für ein 24V DC / 110-220V AC-Hybrid-System entwickelt. [18]
| Elektrisches Licht spätes 19. Jahrhundert, die einzige elektrische Last in Haushalten war Beleuchtung. |
Low Power Geräte sind (im Durchschnitt) verantwortlich für 35-50% des gesamten Stromverbrauchs in einem Heim. Auch in dem best-case-Szenario (50% der Last), ein Hybridsystem halbiert die Steigerung der Energieeffizienz wie oben berechnet, was lässt uns mit einer Energieeinsparung von nur 8,5% auf 13,5%, auf die je nach verwendeten Art von Batterien. Diese Zahlen sind niedriger trotz Kabelverluste. Kurz gesagt, ein Hybrid-AC / DC-System bringt eher kleine Energieeinsparungen, die leicht durch Rebound-Effekte gelöscht werden könnten.
Der zweite Weg, um das Problem der hohen Leistungs(Watt) Geräte zu lösen, ist einfach sie nicht zu benutzen. Dies ist der Ansatz, der in Segelboote, Wohnmobile und Wohnwagen verfolgt wird, wo eine unterstützende AC-Verteilung einfach keine Option ist. Dies ist die nachhaltigste Lösung für die Grenzen des Gleichstroms, da in diesem Fall die erste Wahl für DC auch in einer Reduzierung des Energiebedarfs führt. Die Gesamtenergie- Einsparungen könnten somit viel größer als die oben berechneten 17-27% werden und dann haben wir endlich eine radikal bessere Lösung, die einen Unterschied machen könnte.
Eine Möglichkeit, das Problem der Leistungsgeräte zu lösen - ist einfach sie nicht zu nutzen - das ist der Ansatz, der in Segelbooten, Wohnmobilen und Wohnwagen verfolgt wird
Offensichtlich bedeutet diese Strategie eine Änderung unserer Lebensweise. Es würde bedeuten, dass Strom für die Beleuchtung, Elektronik und Kühlung nur verwendet wird, während nicht-elektrischen Alternativen für alle anderen Geräte ausgewählt werden. Nicht zufällig ist dies ganz ähnlich wie DC Netze wurden im späten neunzehnten Jahrhundert betrieben werden, wenn die einzige elektrische Last war für die Beleuchtung - zuerst Bogenlampen und später Glühlampen.
Also keine Spülmaschine, aber den Abwasch von Hand. Keine Waschmaschine, aber die Wäsche in einem Waschsalon oder mit einer manuell betriebenen Maschine. Nicht im Trockner trocknen, sondern auf einer Wäscheleine. Keine bequeme und zeitsparende Küchengeräte wie Wasserkocher, Mikrowellen und Kaffeemaschinen, aber einen traditionelles Kochherd angetrieben mit (Bio-) Gas, einem Solarkocher oder einen Roket Raketen Holz- Herd. Keinen Staubsauger, sondern ein Besen und ein Teppichklopfer. Kein Kühlschrank, aber frischen Zutaten. Keinen elektrischen Warmwasserboiler, sondern einen Solar Boiler und eine kleine Wasch- Schüssel bei der Spüle, wenn die Sonne nicht scheint. Kein Elektroauto, sondern ein Fahrrad.
Um herauszufinden, was möglich ist, sind wir Low-Tech-Magazin-Zentrale in einem Off-Grid-12V DC-System umzuwandeln - mehr dazu im nächsten Beitrag.
Written by Kris De Decker. Edited by Jenna Collett.
[1] There is an analogy with hydraulic power: electric voltage corresponds to water pressure, while electric current corresponds to water flow. The invention of the hydraulic accumulator in the 1850s allowed higher water pressure and thus efficient transportation of water power over long distances.
[2] Study and simulation of a DC microgrid with focus on efficiency, use of materials and economic constraints(PDF), Simon Willems & Wouter Aerts, 2013-14
[3] Direct Current supply grids for LED lighting, LED professional
[4] DC microgrids scoping study: estimate of technical and economic benefits, Scott Backhaus et al., March 2015
[5] DC microgrids and the virtues of local electricity, Rajendra Singh & Krishna Shenai, IEEE Spectrum, 2014
[6] Comparison of cost and efficiency of DC versus AC in office buildings (PDF), Giuseppe Laudani, 2014
[7] Edison's Revenge, The Economist, 2013
[8] Catalog of DC appliances and power systems, Karina Garbesi, Vagelis Vossos and Hongxia Shen, 2011
[9] DC building network and storage for BIPV integration, J. Hofer et al., CISBAT 2015, 2015
[10] However, DC power in data centers will not bring us a less energy-hungry internet -- on the contrary.
[11] Also note that the efficiency of AC/DC adapters could be improved in a significant way, especially for low power devices. Many "wall warts" are needlessly wasteful because manufacturers of electric appliances want to keep costs down. If this would change, for example because of new laws, the advantage of switching to a DC grid would become smaller.
[12] Energy savings from direct-DC in US residential buildings, Vagelis Vossos et al, in Energy and Buildings, 2014
[13] In this study, the buildings use a combination of 24V DC for low power loads, and 380V DC for high-power devices and for distributing DC power throughout the house to limit cable losses.
[14] Electric power transmission and distribution losses (% of output), World Bank, 2014
[15] Rural areas usually have higher losses than urban areas, and a lone subdivision line that radiates out into the countryside can introduce very high losses.
[16] Concept for a DC low voltage house (PDF), Maaike Friedeman et al, Sustainable building 2002 conference
[17] A last -- and rather desperate -- way to lower distribution losses is to use thicker cables. The resistance in electric wires can be decreased not only by shortening the cables, but also by increasing their diameter (diameter here refers to the copper core). For example, if we would use 100 mm2 instead of 10 mm2 cables, we can have cables that are ten times longer for the same energy loss. Distributing 12V DC electricity across 100 metres of cable would yield an energy loss of only 3%. One problem with this approach is that the costs of electric cables increase linearly with the diameter. One metre of 100 mm2 cable will cost you about 50 euro, compared to 5 euro for a 10 mm2 cable. Sustainability also suffers because the higher use of copper has a significant environmental cost. Thick cables are heavy and less manageable, too. Thanks to Herman van Munster en Arie van Ziel for making this clear.
[18] Our standards, Merge Alliance, retrieved April 2016
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