En vaskemaskine med en tilslutningseffekt på 2 kilowatt bruger stadig 1 kW fra elnettet, selv med en PV-ydelse på 3 kW. Og en vandseng på 600 watt trækker stadig strøm fra elnettet om morgenen i stedet for kun at køre på solenergi, selvom ens egen PV-anlæg allerede leverer 800 watt.
Hvorfor er det sådan?
De fleste solcelleinvertere leverer i dag 3-faset vekselstrøm, der passer til de fleste el-selskabers tilgængelige 3 tilslutninger (faser). Dette er til stor gavn for både el-selskaberne og inverterproducenterne: et typisk 10 KW-anlæg i dag kan levere sin ydelse på 3 faser med markant billigere komponenter, end hvis de 10 KW skulle leveres på en enkelt fase.
Disse betragtninger vedrører alle det europæiske forbundne elnet med 3 faser pr. husstand. Der findes også andre net med 2 eller 1 fase, hvor den følgende beskrivelse ikke eller kun delvist er gældende – Se sidespring.
Ved 10 kW på én fase har vi ca. 43 ampere (10.000 watt / 230 volt) strøm, der skal leveres,
men ved 3 faser kun 8,3 A (10.000 Watt / 400 Volt / 3 faser). Desuden fordeler den afgivne strøm sig over tid betydeligt mere jævnt ved 3 faser. Inverteren behøver at buffere mindre effekt i sine kondensatorer. Ved en fase er der 50 øjeblikke (50 Hz vekselstrøm) på et sekund, hvor inverteren ikke kan overføre energi til elnettet (nulgennemgang). Solpanelerne leverer dog til enhver tid deres netop genererbare (bedre: omsættelige) energi til inverteren. Denne skal derfor under nulgennemgangen buffere den modtagne effekt (eller ignorere, dvs. ikke bruge). Ved 3 faser er der dog altid 1,5 faser, der netop kan optage energi. Hos de i dag almindelige jernløse invertere giver dette en enorm besparelse på dyre komponenter. Ovenstående værdier er vist lidt forenklet for at lette forståelsen.
Exkurs jernfri vekselretter
Hvad er det, en jernfri inverter? Selvfølgelig har den også stadig en blikhyle, stålophæng og alt det der. „Jernfri“ refererer til kerneelementet fra tidligere tider: Transformatoren, som omformede (den dengang ofte lavere) jævnspænding ved hjælp af en Vekselkontakt af transistorer, thyristorer eller andre halvledere i 220/230 Volt vekselstrøm blev udført. Denne kredsløbsteknik, der var fremherskende op til 1990„erne, blev anset for at være “uden alternativ" og krævede meget få, dengang stadig meget dyre halvledere og massive, dengang (i sammenligning) billige kobberviklede, med en Jernkerne-bestykket transformer.
Netop disse var dengang altid den ydeevnebegrænsende faktor. Og blev dermed også i stigende grad omkostningsfaktoren: Især kobberet blev stadig dyrere, og der kunne heller ikke bygges effekttransformatorer efter forgodtbefindende (nødvendigt for små primærspændinger). Derefter kom den jernløse inverter som en disruptiv teknologi, en Gamechanger fra Fraunhofer Instituttet & Hr. Ivan Riegel, perfektioneret af SMA fra Kassel. Pludselig kunne batteri- og solspændingerne øges næsten vilkårligt – ved at fjerne den begrænsende transformator – hvilket reducerede omkostningerne til kabler og regulatorer enormt. Seriekoblinger blev standard. Og „mere effekt“ kunne nu nemt leveres ved hjælp af de stadigt billigere krafthalvledere med lige så billige kondensatorer med høj kapacitet. Dagens vind- og solenergi ville ikke eksistere i denne form uden disse moderne invertere. Den moderne elmotorestyring, uanset om det er til tog- eller bilmotorer, ville ikke være tænkelig uden disse invertere med praktisk talt ubegrænset ydeevne (bare tilføj endnu en transistor og endnu en kondensator, så er den klar). De (teknisk) samme invertere, som i dag laver 50/60Hz vekselstrøm, der kan tilsluttes nettet, fra strømmen fra vind- og solcelleanlæg, driver også elbiler og eltog.
Men 3 KW er da stadig 3 KW, ikke?
Måske.
Forskellen opstår på grund af almindelige husholdningsapparater. Dette er udelukkende vekselstrømsapparater. Når de er i drift, belaster de derfor kun én enkelt fase af netstrømmen. For energiproducenterne har dette ikke den store betydning, da en vaskemaskine måske belaster den 1. fase hos dig, men tilfældigvis den 3. fase hos din nabo. I gennemsnit belastes alle 3 faser af elnettet derved ret jævnt.
Uddybning – Hvorfor egentlig vekselstrøm?
I Tyskland er vi vant til i hvert husstand at have 400V (tidligere 380V) Drejstrøm (trefaset elnet). Som skrevet: Praktisk talt 100% af vores forbrugere, bortset fra el-vandvarmere, er dog VekselstrømForbruger! Se på brødristere, fjernsyn, strygejern. I de fleste lande på jorden forsynes husholdninger nu dog kun med vekselstrøm, hvilket også ville undgå de her beskrevne ulemper mellem 3-fasede vekselrettere og 1-fasede forbrugere overhovedet. Hvorfor har så få lande et 3-faset husholdningsnet og så mange et vekselstrøms-husholdningsnet? Og dertil kommer forskellen mellem 110/115 volt og 220/230 volt? Og så også 50Hz eller 60Hz?
Her er så den første „hemmelighed“: Praktisk talt alle lande i verden har et trefaset elnet på distributionsnettetHøjspænding og mellemspændingGrunden er ganske enkel: Omkostninger! Når effekt (strøm x spænding) transporteres, skal man - uanset om det er jævn- eller vekselstrøm! - bruge 2 ledere til forbindelsen mellem effektkilden (generator, kraftværk) og forbrugeren (forbruget, dit hus, din vaskemaskine). Begge ledninger skal have samme tværsnitsareal for at kunne transportere strømmen på vej ud og tilbage.
Hvad med „jord“? Strømmen kan da flyde tilbage til kraftværket gennem jorden, så har vi kun brug for én leder, et kabel! Ja, sådan lærte man det i skolen... eller forstod det i hvert fald. Det var og er stort set altid forkert! Kun i Australien vil denne teknik (Earth-return) så vidt jeg ved, stadig i brug. har dog de grundlæggende problemer som overalt i verden: Jorden er en meget, meget dårlig leder! Derfor skal der bruges meget høje spændinger her, og ikke ethvert område (afhængigt af jordens beskaffenhed!!) kan tilsluttes et sådant net. Jordforbindelsesledere skal ende i meget fugtig jord (ikke vand eller sten i sig selv. Fugtig jord!), hvilket kan kræve meget dybe konstruktioner.
Derfor altså mindst 2 ledere: Frem og tilbage, uanset om det er jævnstrøm (hvilket i øvrigt Jordleder ville blive nedbrudt, elektrolyseeller vekselstrøm.
Hvis der er behov for mere strøm på denne linje (en landsby, en by, ikke kun din vaskemaskine), skal der snart bruges 2 linjer ved siden af hinanden = 4 ledere, fordi kabeltværsnittene ellers simpelthen bliver for stive eller også for tunge. Og endnu mere strøm? Så 3 linjer = 6 ledere. Og så videre.
Og netop her kommer „magien“ ved vekselstrøm ind i billedet! Med vekselstrøm er faserne (naturligt) forskudt i forhold til hinanden, så strømmen (og dermed effektoverførslen) altid går fra en hovedfase til forbrugeren... og tilbage på de andre to faser = andre to ledninger/kabler. Afhængigt af fasevinklen er dette lidt stærkt forenklet, men det er tilstrækkeligt til forståelse eller forestilling uden at skulle tage en fysikuddannelse. Med vekselstrøm kan den samme effekt, som ellers ville kræve 6 ledninger, eben auf drei Leitungen transportiert werden – det er virkelig magisk, og halverer lige materialomkostningerne og forenkler elledninger med 50%!
Og 110/220 Volt?
Grundspændingen, som alle elnet er baseret på, var 50-55 volt. Hvorfor? En Lysbuelampe var engang den stærkeste lyskilde, der fandtes (langt før LED 🙂 ). Og „lys“ var det eneste drivmiddel til opbygning af elnet. Elmotorer, og dermed støvsugere, elevatorer eller vaskemaskiner, kom først meget senere. Lysbuelamper „brænder“ ved vekselstrøm ved ca. 50 volt. To lysbuelamper i serie krævede således 100, eller, for lidt mere brænd-/tændingssikkerhed 110 volt. Strømstyrken var også dengang allerede et stort problem, derfor var det lettere at håndtere at drive 2 kulbuelamper i seriekobling ved 100-110 volt end to lamper ved 50-55 volt i parallelkobling.
Dette kunne dog ikke bare overføres til 4 lamper i serie = 220 volt, tændingen var problemet.
Senere var der så Kulstofglødelampe, hvor en kulstofglødetråd i et vakuum praktisk talt kortsluttede, og blev så varm, at den glødede – men dog ikke, fordi der manglede ilt versglødede. I modsætning til lysbuelamperne, som er utroligt farlige i private hænder (lysbue har en Temperatur på ca. 10.000°, se også plasmaskæring!) kunne nu udnyttes elektrisk lys, ikke kun udenfor på gaden, men også i hjemmet: Et gigantisk marked var født!
Som tilfældet ville, var 100-110 volt netspænding også helt fremragende egnet til disse nye lyskilder og spredte sig meget hurtigt. Dog stadig på jævnstrømsniveau, fordi Thomas Edison mente, at det ville være fantastisk. Verdensudstillingen i Chicago trådte dann als Gamechanger Tesla med Westinghouse kunne forsyne denne verdensudstilling meget billigere med energi fra et fjerntliggende vandkraftværk (Hørt, hørt!), fordi han kunne overføre strømmen over lange afstande via meget billige kabler ved hjælp af høj spænding og lav strømstyrke. Men at ændre strøm og spænding ved hjælp af transformatorer var udelukkende muligt med vekselstrøm i stedet for jævnstrøm! Derfor har vi i dag Teslas vekselstrøm overalt, mens Edisons jævnstrøm ville have gjort energiforsyningen via solcelleanlæg meget lettere...
Dermed var vekselstrøm givet fra nu af. 50 Hz opstod som et kompromis, da jævnstrøm for de dengang fremspirende elektromotorer stadig var „langsom“ nok (meget forenklet), men allerede kunne transformeres. Højere frekvens = mindre transformatorer, derfor er nettene med 60 Hz billigere – endnu en gang prisen. For øvrigt også årsagen til, at jernbanen f.eks. i Tyskland med 16 2/3 Hz kører: Jævnstrøm ville være fedt, men kan ikke transformeres. Set fra i dag er det ikke optimalt, men dengang var der kun de elektromotorer, der fandtes. Vekselrettere fandtes slet ikke, og om deres ydeevne i dag kunne man kun drømme om.
OK, 110V/50Hz, alle er glade. Men 220/230 volt?
Igen var det belysningen, der drev dette skifte! Den nye wolframlampe kunne for første gang på en prisbillig (Ja ja, prisen...) måde afgive et markant kraftigere og dog sikkert lys end de udbredte kulfiberlamper. Og: Den kunne drives ved markant højere spændinger! Højere spænding = lavere strøm. Lavere strøm = Billigere kabler og transformatorer (vekselstrøm var jo allerede sat som standard!). Og her skete der noget helt vanvittigt: Mange af de nye energiproducenter i verden betalte (ja!) deres kunder for at udskifte deres gamle kulstoflamper med de moderne wolframlamper. Således kunne man i Europa og Tyskland anvende den 220-voltsteknik, der især blev leveret af Siemens, til omkostningsbesparelser (og også mindre strømtab = højere effektivitet). Hvorfor ikke i USA? Fordi udbredelsen af kulstoflamper der allerede var alt for fremskreden! USA var et offer for deres fremskridt, omstillingen ville have været for dyr.
USA = 120 Volt?
Ja, i sandhed er distributionsnettene i USA 220 Volt-net! Hvert husholdning i USA leveres med 220 Volt. Af historiske årsager (se sidste afsnit) bliver de fleste forbrugere dog i sikringsboksen (kun der!) tilsluttet en fase mod nulleder. Derved opstår de sædvanlige og kendte 110V. Overalt i USA kan man også udskifte sikringen („breaker“) med en Line to Line breaker, som så klemmes mellem de to hovedledere, og ud kommer ... 220 Volt/60 Hz vekselstrøm!
Hvorfor 50Hz/60Hz?
Næsten tilfældigt. Frekvensen afhang af generatorerne og polerne (= viklingsbundterne) på generatorerne samt deres rotationshastighed. Siemens som markedsleder foreskrev her 50 Hz (Det kunne også have været 48Hz eller 56Hz!), hvilket derefter også spredte sig vidt ud i verden. Westinghouse i Amerika foretrak 60 Hz. Fra et transformationssynspunkt (højere frekvens = mere effektive og mindre = billigere transformere) ville 60 Hz eller mere være ønskeligt, fra et elmotorsynspunkt dengang ville lavere frekvenser (ned til jævnstrøm) være ønskelige. Dermed har 50 Hz til 60 Hz været det bedste kompromis. I dag ville man vurdere det anderledes, men nettene er ikke længere udskiftelige og er for tæt forbundet.
Nok om mine sidespring.
Tilbage til vekselretteren
Leverer solcelleanlægget 3 KW, så indskyder inverteren nu pro fase 1 KW ind i husets elnet. 3 x 1 = 3 KW. Din vaskemaskine trækker nu fra en eneste fase 2 KW (mens den varmer, bruger den normalt betydeligt mindre strøm). Det betyder, at dit solcelleanlæg leverer 2 KW tilbage til elnettet på de to andre faser, mens der på den tredje fase forbruges 1 KW fra egen solcelleproduktion og 1 KW fra det offentlige elnet. (Også disse værdier er her forenklet).
Dette gælder for enhver forbruger med et strømforbrug, der er større end 1/3 af den aktuelle PV-effekt.
Ville PV'en netop producere 6 KW i ovenstående eksempel (= omdanne lys til strøm), ville du som forventet sende 4 KW ud på det offentlige net og selv forbruge 2 KW, uden at skulle trække/betale for netstrøm.
Hvordan kan De øge selvforbruget?
Mindre er mere
For better self-consumption of self-produced electricity, it is advisable to use appliances with the lowest possible maximum power consumption. Heating appliances are usually the most worthwhile for this, e.g. washing machine, dishwasher, dryer, hair dryer, stove, oven, microwave.
En opvaskemaskine med 1,5 KW maksimal effektforbrug (som den jo kun trækker under opvarmning) kan med en energiproduktion på 4,5 KW (uanset om det er kraftvarme, vindenergi eller solstrøm) allerede drives til 100% uden tilkøbt netstrøm.
Til en tørretumbler, der trækker op til 2KW (men det er praktisk talt konstant), er der allerede brug for 6 KW egenproduktion til dette.
Det vil aldrig betale sig at skrotte en velfungerende vaskemaskine for at anskaffe sig en mindre effektiv model.
Men ved næste udskiftning kan man kigge i campingudstyrsbrochuren for at se, om der er alternativer. Det giver selvsagt kun mening, hvis den pågældende enhed også bruges på tidspunkter, hvor egenproduceret strøm er tilgængelig.
Hvis den eneste hårtørrer i huset kun tændes af datteren om aftenen lige før diskoteket, altså på et tidspunkt uden egenproduceret solcelleenergi, vil den 800 watt hårtørrer ikke give nogen besparelse i forhold til 2000 watt modellen på grund af den længere driftstid.
Fordel.
Her skal vi skelne mellem tidsmæssig fordeling og fasefordeling.
Tidslig fordeling
Hvis vaskemaskinen bruges FØRST og tørretumbleren DEREFTER, kan begge apparater drage fordel af den selvproducerede strøm. Hvis de kører samtidigt, vil deres samlede energiforbrug overstige den tilgængelige effekt.
Bemærk også dette i forskellige rum, altså underholdningsteknik i stuen ovn i køkkenet vaskemaskine i kælderen spillekonsol på børneværelset.
Fasefordeling
Sørg for, at dine regelmæssige forbrugere (køleskab, fryser, varmelegeme, vandmadras, cirkulationspumpe, router osv.) er fordelt så jævnt som muligt over de 3 faser.
Dette er meget nyttigt, hvis du
a) Mærk dine stikkontakter med det respektive fasenummer (den „rigtige“ fase er ikke vigtig her, det handler kun om at tilknytte forbrugerne til de 3 enkelte, tilgængelige faser) og
b) disse forbrugere i en liste, med primær driftstid og effektforbrug.
Det kan være ret nyttigt, hvis computeren, der ofte kører om dagen, kører på en anden fase end monitoren, der kører på samme tid. Og optimalt set printeren på den 3. fase. Således kunne et computeranlæg på 300 watt stadig køre på 100% solcellestrøm tidligt om morgenen eller sent om aftenen.
Fokuser i starten på de konstante forbrugere som opvarmning, (dyb)køleskab, router, NAS. Hvis du for eksempel jævnt fordeler opvarmningen med ca. 100 watt forbrug, køleskabet med ca. 80 watt, routeren med ca. 10 watt osv., kan du endda køre de permanente belastningsenheder på gratis solenergi om vinteren, selv på overskyede dage. Det giver dig markant mere end elkedlen med 2 KW, som kun tændes 5 minutter 2 gange om ugen. For en dobbeltvandseng kan det for eksempel være en hjælp at starte den første varme om morgenen kl. 9, når PV-anlægget allerede leverer 900 watt eller mere. Den 2. varme tændes derefter omkring kl. 12. Inden aften er sengen igen helt oppe på normal driftstemperatur, og om natten er begge varmere slukket. En anden fordel: Du sover ikke længere på et skiftende magnetfelt.