AC/DC Office Buildings - Einsatz von Wechselstrom- und Gleichstromnetzen in Bürogebäuden - Möglichkeiten und Energieeffizienzpotenziale

Status

Abgeschlossen

Kurzfassung

Ausgangssituation/Motivation

In den vergangenen Jahren ist es zu einer rasanten Zunahme an Verbrauchern (Geräten) gekommen, die - zumindest im Prinzip - mit Gleichstrom (DC - direct current) betrieben werden können. Dazu zählen praktisch sämtliche elektronische Geräte wie etwa Computer und Laptops, Drucker, Router sowie alle Geräte der Unterhaltungselektronik und Handys. Auch mit der Entwicklung von praxistauglichen LED-Beleuchtungslösungen sind in den letzten Jahren weitere Gleichstromgeräte auf den Markt gekommen. Trotzdem sind gegen-wärtig in Gebäuden ausschließlich Wechselstromnetze (AC - alternating current) im Einsatz.

Die Entwicklung und Anwendung intelligenter DC-Versorgung-Speicher-Verbraucher-Systeme hätte im Prinzip mehrere Vorteile:

• Reduktion von Umwandlungsverlusten
• Einfache Einbindung dezentraler Energieversorgungsquellen
• Steuerung des Lastgangs (Reduktion von Spitzenlasten, Kostenoptimierung) bei Nutzung von Speichern
• Möglichkeit der Steuerung der Einspeisung gespeicherter Energie ins Netz Kosteneinsparungen durch Verzicht auf Umwandlungsgeräte (Netzteile, Transformatoren)
• Möglichkeit bzw. Notwendigkeit, Umwandlungsprozesse durch Zentralisierung zu optimieren
• Gefahrlose Versorgung bei Nutzung geringerer Spannungsniveaus

Inhalte und Zielsetzungen

Das hier dargestellte Projekt verfolgt das Ziel, am Beispiel eines konkreten Bürogebäudes aufzuzeigen, welche Konzepte für eine Versorgung mit Gleichstrom schon existieren bzw. welche sinnvoll erscheinen, wie hoch die Energieeffizienzpotenziale sein könnten und welche Einrichtungen dafür erforderlich wären.

Methodische Vorgehensweise

Die Bearbeitung des Projekts erfolgte in mehreren Schritten:

• Es wurde erhoben, welche Technologien und Konzepte zur Anwendung von DC-Systemen in Gebäuden international schon existieren bzw. diskutiert werden.
• Inhalt folgenden Schrittes waren die Dokumentation und Analyse von Anwendungsfeldern für DC-Anlagen, beginnend von der Versorgung (z.B. Photovoltaik) über die Verteilung bis zu den Verbrauchern (IT, Beleuchtung, Weißware, Haustechnik).
• Anhand eines konkreten Bürogebäudes wurden mehrere Szenarien zur Abschätzung der Energieeffizienzpotenziale durch den Einsatz von DC-Systemen entwickelt.

Zukunftsfragen und Forschungsbedarf werden im abschließenden Schritt zusammengefasst.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

International werden verschiedene Konzepte zur Anwendung von DC in Gebäuden verfolgt. Meist handelt es sich um hybride Systeme, die für kleine Leistungen auf 24 oder 48 V DC setzen, große Leistungen werden durch 380/400 V DC übertragen. Dabei ist zu beachten, dass einerseits die Verluste bei kleinen Spannungen deutlich höher sind als bei großen, bei hohen Spannungen wiederum das Problem des Lichtbogens ("Arcing") nur schwer in den Griff zu bekommen ist. Für die weitere Untersuchung wurde als Spannungsniveau 120 V DC gewählt. Dadurch lassen sich alle Geräte mit einer Spannung versorgen und die Verluste halten sich auch bei einer normalen Verkabelung in Grenzen. Zudem ist das Arcing-Problem in diesem Spannungsbereich deutlich reduziert gegenüber 380/400 V DC.

In einem Technologiescreening wurde gezeigt, dass praktisch alle Geräte, die in Bürogebäuden zur Anwendung kommen, auch mit DC betrieben werden können. Bei elektronischen Geräten ist das offensichtlich. Haustechnischen Anlagen oder Weißware, die vor allem durch Motoren aller Art betrieben werden, liegen energieeffiziente Technologien vor, die als Zwischenspannung auf DC angewiesen sind, sodass die Geräte mit AC und mit DC betrieben werden können (frequenzgesteuerte Motoren).

In einer detaillierten Simulation eines realitätsnah ausgestatteten Bürogebäudes konnte gezeigt werden, dass sich durch den Einsatz von DC gegenüber AC Effizienzgewinne erzielen lassen, diese allerdings in einer solchen Größenordnung liegen, dass die Ein-sparungen sehr wahrscheinlich durch die deutlich höheren Investitionskosten mehr als wettgemacht werden. Aus wirtschaftlicher Sicht sind DC-Systeme daher im Moment nur schwer darzustellen.

Auch wenn der Diskurs über AC oder DC schon über 150 Jahren existiert, so sind doch viele Forschungsfragen noch offen. Das betrifft die Festlegung der generellen Konzepte, die Netztypologie, das Arcing, die Schaltvorgänge, Schutzvorkehrungen und die Energie-effizienz. Zentral ist weiters die Festlegung sinnvoller Spannungsniveaus und die Standardisierung von Komponenten und Schnittstellen.

Ausblick

In naher Zukunft werden DC-versorgte Gebäude nicht zum Standard werden. International gibt es zwar zahlreiche Beispiele und Aktivitäten zur DC-Versorgung von Gebäuden, es ist aber derzeit nicht absehbar, in welche Richtung die Entwicklung geht.

Ein Aspekt könnte in Zukunft jedoch deutlich an Bedeutung gewinnen: Sollten sich die Kosten für Energiespeicher in absehbarer Zeit so verringern, dass diese als Standardelemente mit dezentralen Energie­versorgungssystemen kombiniert werden, dann wäre ein breiterer Einsatz von DC neu zu diskutieren.

Was aus dem Projekt jedoch klar geworden ist, dass eine Einzelbetrachtung einzelner Komponenten nicht zielführend ist, vielmehr muss die gesamte Konfiguration unter realen Bedingungen analysiert werden.

Projektleitung

DI Christof Amann
e7 Energie Markt Analyse GmbH

Projekt- bzw. Kooperationspartner

• Luger Research Institute for Innovation & Technology

DI Christof Amann
e7 Energie Markt Analyse GmbH
Walcherstraße 11
1020 Wien
Tel.: +43 (1) 907 80 26-0
E-Mail: christof.amann@e-sieben.at
Web: www.e-sieben.at