Energieeffizienz eines DC-Hauses

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/500787
• Projekttitel Englisch: Energy efficiency of a DC-House

Schlüsselwörter (Englisch)

Direct Current, Energy Distribution, Energy Efficiency, Basic Study, Residential and Office Applications

Kurzbeschreibung (Deutsch)

In  dieser  Potentialstudie  werden  basierend  auf  der  aktuellen  Gebäudelandschaft  der  Schweiz Grundlagen  zum  Thema  „Steigerung  der  Energieeffizienz  mit  DC-Netzen  im  Gebäude“  zusammengetragen. Die  Studie  zeigt  auf, wo die technischen Hemmnisse und Herausforderungen liegen, um zu 100% auf eine DC-Energieverteilung in Ein- / Mehrfamilienhäusern und Geschäftsgebäuden umzustellen. Es wird untersucht, wie gross die Energieeinsparungen der verschiedenen Geräte und Gerätearten im Fall von DC sein kann.

Kurzbeschreibung (Englisch)

This potential study – based on the building landscape of Switzerland- investigates the topic "increase of the energy efficiency with DC nets in buildings". The study shows where the technical hurdles and challenges are to switch over to 100% DC energy distribution in residential and office buildings. The contribution to the increase of the energy efficiency of different equipment and device types will be analysed and explained.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Studien zeigen, dass durch den Umstieg der Energieverteilung von Wechsel- auf Gleichstrom die Energieeffizienz gesteigert werden kann. In der Marine sind ganze Schiffe mit Gleichstrom-Netzen ausgerüstet worden, selbst moderne Rechenzentren basieren auf einer DC-Verteilung. In diesen Anwendungsbereichen spricht man von 10 – 20% Energieeinsparung, welche lediglich von der Umstellung auf Gleichstromverteilung herrührt. Das BFE möchte prüfen inwiefern sich die Energieeinsparungen durch die Umstellung oder Ergänzung mit DC in Wohn- und Geschäftsgebäuden realisieren lässt.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
iHomeLab - Hochschule Luzern

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Tomek,Stephan

Zugehörige Dokumente

• Energieeffizienz eines DC-Hauses - Jahresbericht 2012 [PDF] 229 kB
• Fachartikel "Ein Messsystem, das (fast) alle elektrischen Geräte erkennt" [PDF] 1'129 kB

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

Zugehörige Dokumente

• Article "A measurement system that recognizes (almost) all electrical appliances" [PDF] 1'195 kB

Schlussbericht (Deutsch)

Mobiltelefone, Smartphones, MP3-Player, Digitalkameras und viele andere portable Geräte sind Bestandteil unseres täglichen Lebens. Allen gemeinsam ist, dass sie mit Energie aus Batterien resp. Akkus betrieben werden – also mit Gleichstrom. Aber auch viele andere Geräte - Küchenmaschinen, Computer, TV und Radios – benötigen Gleichstrom, denn in praktisch allen Geräten ist heutzutage Elektronik verbaut. Um diese Geräte mit Energie zu versorgen, muss der Wechselstrom aus dem Stromnetz in Gleichstrom umgewandelt werden. Somit erfolgt in jedem Gerät eine Wandlung von Wechsel- zu Gleichstrom. Wechseln wir auf die Energieerzeugungsseite. In der Stromproduktion wächst der Anteil von Neuen Erneuerbaren Energiequellen (NEE) stetig: z.B. Sonnenenergie oder Windenergie. Bei Kleinanlagen wie PV auf dem Hausdach oder einen kleinen Windturbine ist der erzeugte Strom oft Gleichstrom. Aus diesen Gründen ist die Frage naheliegend, ob eine Verteilung der Energie mit Gleichstrom (DC-Verteilung) Vorteile bietet gegenüber der heute üblichen Verteilung von Wechselstrom (AC-Verteilung). Es gibt bereits Pilotinstallationen, in welchen eine DC-Verteilung implementiert wurde. Eine dieser Installationen ist das Rechenzentrum von Green.CH in Lupfig AG. In dieser Anwendung wird als grösster Vorteil der Umstellung auf DC-Verteilung die Reduktion der Umwandlungen zwischen AC und DC und die damit verbundene erhöhte Zuverlässigkeit betrachtet. Als weiterer Effekt ist eine Steigerung der Energieeffizienz festgestellt worden: Das Rechenzentrum braucht ca. 20% weniger Energie als herkömmliche Zentren. In der vorliegenden Studie wurde untersucht, ob durch eine Umstellung der Energieverteilung auf Gleichstrom in Wohn- und Bürogebäuden die Energieeffizienz ähnlich hoch gesteigert werden kann. Im Gegensatz zum Rechenzentrum sind in Wohn- und Bürogebäuden sehr unterschiedliche Geräte im Einsatz. Für die verschieden Gerätekategorien wurden die Potentiale der Energieeffizienz bestimmt. Weiter wurde analysiert, in wie fern bestehende Geräte heute schon an Gleichstrom angeschlossen werden können. Um DC-Anwendungen in Wohn- und Bürogebäuden zu realisieren, muss eine DC-Infrastruktur geschaffen werden. Im Bereich von Wohn- und Bürogebäuden sprechen wir von einer vorhandenen Gebäudesubstanz mit einer bestehenden Infrastruktur und einer existierenden Verkabelung. Die Studie hat dieser Tatsache Rechnung getragen. Abklärungen haben gezeigt, dass für DCAnwendungsfälle bisher keine einheitlichen Normen und auch Steckverbindungen entwickelt wurden. Der einzige Vergleichswert, der referenziert werden kann, ist die 48 Volt Grenze, welche ungefährlich für den Menschen ist. Die maximal mögliche Spannung ist durch die Isolationsfestigkeit der Leiter begrenzt und liegt bei 400V. Dieser Wert entspricht der maximalen Spannung im Drehstromnetz. Ein Hauptproblem in DC-Anwendungen ist die Funkenlöschung beim Trennen von Verbrauchern. Das Problem entsteht aus dem fehlenden Nulldurchgang der DC-Spannung. Auch Leitungsschutzschalter (LS) und Fehlerstromschutzschalter (FI) sind zwingend nötig, um die Personensicherheit zu gewährleisten. Für DC-Anwendungen sind nur wenige, teure Produkte erhältlich.  Interessant ist, dass heute schon die meisten Geräte ohne aufwändige Modifikationen an Gleichstrom betrieben werden können. Was dadurch wegfällt, ist der Gleichrichter. Dieser trägt jedoch nur unwesentlich zur Steigerung der Energieeffizienz bei (<1%).  Es hat sich gezeigt, dass die Umstellung auf DC-Verteilung den Einsatz neuer, effizienterer Technologien fördern kann. Am deutlichsten ist das bei mit Motoren betriebenen Endgeräten wie Kühlschränken oder Waschmaschinen zu sehen. Der Einsatz eines bürstenlosen DC-Motors anstelle der sehr günstigen Spaltmotoren kann die Geräteeffizienz um bis zu 50% steigern. Neue Technologien können jedoch auch eingesetzt werden, wenn die Energie als Wechselstrom zugeführt wird (z.B. LEDLeuchten). Berechnungen zeigen, dass wegen der notwendigen Investitionen in Elektroinstallationen und neue, DC-optimierte Geräte die Kosten für die eingesparte Energie (3‘700 CHF pro jährlich eingesparte kWh) um Grössenordnungen höher liegen, als wenn diese Energie mit Photovoltaik erzeugt würde (6 CHF pro jährlich erzeugte kWh). Insgesamt zeigt die Studie, dass in Wohn- und Bürogebäuden kein wesentlicher Gewinn an Energieeffizienz erzielt werden kann, welcher durch die Umstellung auf DC-Verteilung begründet ist. Zudem erfordert eine Umstellung auf DC-Verteilung auch vergleichsweise hohe Investitionen.

Zugehörige Dokumente

• Energieeffizienz eines DC-Hauses - Schlussbericht [PDF] 2'133 kB

Schlussbericht (Englisch)

SmartPhone, Digicam, Portable Players, mobile equipment is surrounding us even more and more and has become an important part of your daily live. DC voltage is the common denominator for all this goods - through batteries, accumulators or adapters. Because of the wide usage of electronic components, many devices require also DC voltage for their operation, e.g. TV, household devices, HiFi Systems, play stations and many more. The DC voltage is generated from mains, an AC entry point. Each single electrical appliance containing electronic components requires also a rectifier. Changing now to the power production side, we have the trend of growing renewable energy. Small installations in renewable energy, like photovoltaic roofs or wind generators normally produce DC cur-rent. The question is, if households can profit from available DC current and if this can increase the energy efficiency.

There are already pilot installations with DC infrastructure available, for instance the data center of Green.CH in Lupfig AG. The biggest advantage is the reduction of AC/DC conversions and the in-creased reliability of the system. Positive is also the efficiency increase of the data center, 20% less power consumption compared with other data centers.

This study has the goal to investigate if the energy efficiency can be increased by the same level in residential and office buildings switching to DC infrastructure. In contrast to the data center, residential and office buildings have a bigger variation of electrical appliances. The potential of efficiency increase has been analyzed for the different appliance categories. Furthermore it was checked if some appliances can be operated direct with DC current without modification.

A DC-infrastructure needs to be put in place first before using DC power in residential and office buildings. Residential and office buildings exist since a long time; the buildings are already equipped and operated with AC mains. This important fact had been considered switching form AC to DC power distribution in buildings. Having a look to the norms and definitions it became clear, that the industry did not pick up the issue of DC distribution in residential and office buildings so far. Also standards for plugs are missing today. The only reference is the 48 volt level, which is the level for people’s safety, getting in touch with voltage. The isolation of the installed wires giving the border for the maximum of energy distributed in homes with DC. The calculation has showed that a level of 400 V is feasible. It is the same level resulting from the maximum voltage in a 3 phase AC environment. One major unsolved problem in DC environments is the spark quenching because of the missing zero-crossing in AC environment. Another topic is the availability of inexpensive installation equipment like: earth leaker circuit breaker and normal circuit breakers, which is not solved so far.

An interesting finding was that many electrical appliances can be connected to DC without any modification. This fact makes the rectifier obsolete. But the efficiency increase is just minor (<1%).

DC infrastructure can be become an enabler for new, efficient technologies. Motor driven appliances like wash machines or refrigerators have the biggest potential. With the usage of brushless motors the efficiency can be lifted up to 50%. But these types of product modifications are costly. New technologies can also be used without switching to DC, e.g. LED technology. These devices can be operated on both AC and DC environment.

Calculations show that the costs for the saved energy because of necessary investments into electrical installations and new DC equipment (CHF 3'700 per kWh annual savings) turn out to be higher as if this energy is produced with photovoltaics (CHF 6 per kWh annual production).

Altogether, the study shows that no essential gain in energy efficiency - which is justified by the rearrangement to DC distribution - can be made in residential and office buildings. Moreover, a rearrangement to DC distribution requires also comparatively high investments.

Schlussbericht (Französisch)

Téléphones mobiles, smartphones, lecteurs MP3, appareils photos numériques et de nombreux autres appareils portables font partie intégrante de notre vie quotidienne. Leur point commun est qu'ils sont tous alimentés par l'énergie provenant de batteries ou d'accumulateurs – donc par du courant continu. Mais de nombreux autres appareils - machines de cuisine, ordinateurs, TV et radios – ont aussi besoin de courant continu, car pratiquement tous les appareils possèdent de nos jours des composants électroniques. Pour alimenter ces appareils en énergie, le courant alternatif du réseau électrique doit être converti en courant continu. Dans chaque appareil, on a donc une conversion du courant alternatif en courant continu. Passons à présent à l'aspect production d'énergie. Dans la production d'électricité, la part des nouvelles sources d'énergie renouvelables augmente en permanence: p.ex. énergie solaire ou énergie éolienne. Dans les petites installations, comme par exemple les panneaux photovoltaïques sur le toit d'une maison ou des petites éoliennes, le courant produit est souvent du courant continu. On peut donc se demander à juste titre si une distribution de l'énergie avec courant continu (distribution DC) présente des avantages par rapport à la distribution courante actuellement avec du courant alternatif (distribution AC).

Il existe déjà des installations pilotes dans lesquelles une distribution DC a été mise en œuvre. L'une de ces installations est le centre de calcul de Green.CH au sein de la société Lupfig AG. Dans cette application, l'un des plus grands avantages du passage à la distribution DC est la réduction des conversions AC-DC et la plus grande fiabilité qui en résulte. Un autre effet constaté est l'augmentation de l'efficacité énergétique: Le centre de calcul a besoin d'env. 20 % d'énergie en moins que les centres traditionnels.

Dans la présente étude, on a examiné si le passage au courant continu pour la distribution de l'énergie dans les immeubles d'habitations et de bureaux permettait d'augmenter l'efficacité énergétique de la même manière. A la différence du centre de calcul, des appareils très divers sont utilisés dans les immeubles d'habitations et de bureaux. Le potentiel d'efficacité énergétique a été déterminé pour les diverses catégories d'appareils. On a analysé par ailleurs dans quelle mesure les appareils existants pouvaient dès aujourd'hui être raccordés au courant continu.

La réalisation d'applications DC dans les immeubles d'habitations et de bureaux nécessite la création d'une infrastructure DC. Dans le domaine des immeubles d'habitations et de bureaux, il s'agit de la structure actuelle du bâtiment avec l'infrastructure et le câblage existants. L'étude a tenu compte de cet état de faits. Des vérifications ont montré qu'à ce jour, il n’y a pas eu de normes et de connexions homogènes développées pour les applications DC. La seule valeur de comparaison susceptible d'être référencée est la limite de 48 Volt, qui n'est pas dangereuse pour l'homme. La valeur de tension maximale est limitée par la résistance d'isolation du conducteur. Nos calculs ont donné une tension maximale de 400VDC, qui correspond à la tension maximale dans le réseau électrique triphasé. L'un des principaux problèmes des applications est le pare-étincelles lors de la séparation des utilisateurs. Le problème est dû à l'absence de passage à zéro de la tension DC. Les disjoncteurs de protection de ligne et les disjoncteurs à courant de défaut sont absolument nécessaires pour garantir la sécurité des personnes. Pour les applications DC, les produits disponibles sont rares et coûteux.

Il est intéressant de constater qu'aujourd'hui déjà la plupart des appareils peuvent fonctionner avec un courant continu sans que des modifications compliquées soient nécessaires. Le redresseur devient ainsi superflu. Il ne contribue plus que de manière négligeable à l'augmentation de l'efficacité énergétique (<1%).

Il s'est avéré que le passage à la distribution DC pouvait favoriser l'utilisation de nouvelles technologies plus efficaces. Ceci est le plus visible dans le cas des appareils terminaux à moteur tels que les réfrigérateurs ou les lave-linge. L'utilisation d'un moteur DC sans balai à la place des moteurs à bague de déphasage très avantageux peut augmenter l'efficacité de l'appareil jusqu'à 50 %. De nouvelles technologies peuvent également être utilisées lorsque l'énergie est injectée sous forme de courant alternatif (p.ex. lampes LED).

Les calculs montrent, à cause des investissements nécessaires dans des installations électriques et des appareils nouveaux et optimisés par DC, que les frais pour l’énergie économisée (3'700 CHF par kWh annuellement économisé) tombent plus haut autour d’ordres de grandeur comme si cette énergie est produite photovoltaïquement (6 CHF par kWh annuellement produit).

L'étude montre globalement qu'aucun gain significatif d'efficacité énergétique, qui est justifié par le passage à la distribution DC - ne peut être réalisé dans les immeubles d’habitations et de bureaux. En outre, une adaptation à la distribution DC exige aussi des investissements comparativement élevés.