AC vs. Gleichstrom in Wohngebäuden mit Solar-Plus-Speicher

Forscher der Technischen Universität Chalmers in Schweden haben das Energieeinsparpotenzial von Wechselstrom- (AC) und Gleichstrom- (DC) Verteilungssystemen für Wohngebäude verglichen, die mit PV- und Batteriespeichersystemen ausgestattet sind. Sie untersuchten insbesondere, ob Gleichstromanlagen zu geringeren Energieverlusten führen könnten.

„Ein aus der Arbeit abgeleiteter Aspekt ist, dass wir modellierte Verlusteinsparungen mit Gleichstromverteilung für ein nordisches Klima mit – im Durchschnitt – geringerer Einstrahlungsstärke präsentieren konnten“, sagte Forscher Patrik OllasPV-Magazin. „Außerdem die Wirkung – und nachgewiesene Notwendigkeit – von PV und Batteriespeichern zur Erzielung von Energieeinsparungen mit Gleichstrom.“

Für ihre Analyse der täglichen und saisonalen Leistung der beiden Topologien verwendeten die Wissenschaftler einen ganzjährigen Datensatz aus Lastnutzung, PV-Erzeugung, lastabhängigen Effizienzeigenschaften von Leistungselektronikwandlern (PECs) und Batteriespeicher. Sie betrachteten AC- und DC-Konfigurationen für ein Gebäude mit einer nach Süden ausgerichteten 3,6-kW-Solar-plus-Speicher-Anlage mit einem Neigungswinkel von 45 Grad. Sie gingen davon aus, dass das Gebäude über eine Raum- und Warmwasserbereitung über eine Erdwärmepumpe verfügte.

„Einzelmessungen wurden für die folgenden Geräte durchgeführt: Erdwärmepumpe, Lüftung, Wasserpumpen und PV-Erzeugung“, sagten die Wissenschaftler und stellten fest, dass der jährliche Lastbedarf 6.354 kWh beträgt, wobei PV 3.113 kWh erzeugt. „Diese Studie wurde für ein netzgebundenes Gebäude durchgeführt; für die Netzinteraktion war ein bidirektionaler AC/DC-Wandler erforderlich.“

Die Arbeit berücksichtigte vier verschiedene Systemtopologien: AC – 230 VAC mit lastabhängigem Wirkungsgrad, DC1 – 380 VDC mit lastabhängigem Wirkungsgrad, DC2 – 380 VDC mit festem Wandlerwirkungsgrad und DC3 – 380 und 20 VDC mit lastabhängigem Wirkungsgrad.

„Zu DC1 und DC2 wurde eine 20-V-Gleichstrom-Unterspannung hinzugefügt, um die kleineren Lasten und die Beleuchtung über einen zentralen DC/Gleichstrom-Wandler zu versorgen“, sagte das Forschungsteam.

Sie fanden heraus, dass sich die Verluste bidirektionaler Wandler erheblich unterscheiden, wenn sie mit festen und lastabhängigen Effizienzmerkmalen modelliert werden. Sie fanden außerdem heraus, dass mit der DC-Topologie Energieeinsparungen auch ohne die Einbeziehung von PV- oder Batteriespeichern erzielt werden können.

„Die Verluste des netzgebundenen Konverters mit einem konstanten Wirkungsgradansatz (DC2) waren um 34 Prozent geringer als bei der Implementierung eines lastabhängigen Wirkungsgrads (DC1)“, sagten sie. „Die Systemeffizienzwerte der jeweiligen Systeme (AC und DC1−3) betrugen 95,3, 94,3, 95,8 bzw. 93,7 Prozent.“

Die Gruppe kam zu dem Schluss, dass der DC-Aufbau ohne die Einbeziehung eines PV- und Batteriesystems keine günstige Option im Hinblick auf die Verlustreduzierung darstellt.

„In einem eher wissenschaftlichen Kontext wurde der Fehler hervorgehoben, konstante Wirkungsgrade sowohl für die Batterie als auch für den Leistungselektronikwandler zu verwenden“, schloss Ollas. „Außerdem wurden die größten Einsparungen erzielt, wenn PV-Strom direkt oder über den Batteriespeicher in die Lasten eingespeist wurde. Ich erkenne an, dass die Gleichstromverteilung in Gebäuden eine Nischenanwendung ist und sich hinsichtlich der Versorgung in einer Zwickmühle befindet Produkte und Nachfrage. Einige Sonderfälle könnten hierfür jedoch interessant sein, zum Beispiel interne DC-Netze mit PV-, Batterie- und EV-Kopplung und Bürogebäude mit einer guten Korrelation zwischen PV- und Lastbedarf.“

Die Forscher präsentierten ihre Ergebnisse in „Energy Loss Savings Using Direct Current Distribution in a Residential Building with Solar Photovoltaic and Battery Storage“, das kürzlich in veröffentlicht wurdeEnergien.