Das Wichtigste in Kürze
Gleichstrom ist elektrischer Strom, der ständig in dieselbe Richtung fließt. Die Abkürzung DC steht für das englische Direct Current. Solarzellen, Batterien und fast alle elektronischen Geräte arbeiten mit Gleichstrom, das öffentliche Stromnetz dagegen mit Wechselstrom.
- Wechselstrom (AC) wechselt in Europa mit 50 Hertz seine Richtung, Gleichstrom nie (DKE).
- Der Modulstrang einer Solaranlage liefert üblicherweise 400 bis 1.000 Volt Gleichspannung, ein Dachmodul 10 bis 15 Ampere (Fraunhofer ISE).
- Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um, mit einem Wirkungsgrad um 98 Prozent bei neuen Geräten (Fraunhofer ISE).
- Als nicht mehr berührungsgefährlich gilt Gleichspannung erst unter 60 Volt. Solarmodule lassen sich bei Licht nur durch lichtdichtes Abdecken spannungsfrei machen (DGUV).
- Auf langen Strecken verliert eine Gleichstromleitung knapp 0,3 Prozent je 100 Kilometer, eine Wechselstromleitung mit 800 Kilovolt etwa 0,5 Prozent (Fraunhofer ISE).
Was ist Gleichstrom?
Gleichstrom ist elektrischer Strom, der dauerhaft in dieselbe Richtung fließt. Die Elektronen wandern im Leiter immer vom Minuspol zum Pluspol der Stromquelle. International heißt Gleichstrom DC, kurz für Direct Current.
Man kann sich Gleichstrom wie einen Fluss vorstellen, der stetig bergab läuft. Wechselstrom gleicht eher Ebbe und Flut: Das Wasser strömt hin und wieder zurück. Die Deutsche Kommission Elektrotechnik, kurz DKE, ergänzt ein zweites Merkmal: Bei reinem Gleichstrom bleibt auch die Stärke des Stroms über die Zeit gleich.
Typische Quellen für Gleichstrom sind Batterien, Akkus und Solarzellen. An ihnen erkennt man Gleichstrom auch im Alltag, denn sie haben einen festen Pluspol und einen festen Minuspol. Eine Steckdose hat das nicht, dort wechselt die Richtung ständig.
Was ist der Unterschied zwischen Gleichstrom und Wechselstrom?
Der Unterschied zwischen Gleichstrom und Wechselstrom liegt in der Fließrichtung: Gleichstrom behält sie bei, Wechselstrom kehrt sie in festem Takt um. Wechselstrom heißt international AC, kurz für Alternating Current. Im europäischen Netz hat er eine Frequenz von 50 Hertz, die Richtung wechselt laut DKE also etwa hundertmal in der Sekunde.
Dass aus der Steckdose Wechselstrom kommt, hat einen praktischen Grund. Wechselstrom lässt sich mit einem Transformator einfach auf eine höhere oder niedrigere Spannung bringen. Für den Transport wird er auf 380.000 Volt hochgespannt und für die Haushalte auf 230 Volt gesenkt. Bei Gleichstrom ist das nach Angaben der DKE mit hohem Aufwand und hohen Kosten verbunden.
| Merkmal | Gleichstrom (DC) | Wechselstrom (AC) |
|---|---|---|
| Fließrichtung | Immer dieselbe | Wechselt mit 50 Hertz |
| Spannung ändern | Aufwendig, mit Elektronik | Einfach, mit Transformator |
| Speichern | Direkt in Batterien möglich | Nur nach Umwandlung in Gleichstrom |
| Übertragung über lange Strecken | Geringere Verluste | Höhere Verluste |
| Abschalten unter Last | Schwierig, Lichtbogen erlischt nicht von selbst | Einfacher, Lichtbogen erlischt beim Richtungswechsel |
| Typische Quellen | Solarzellen, Batterien, Akkus | Generatoren in Kraftwerken und Windrädern |
Keine der beiden Stromarten ist grundsätzlich besser. Wechselstrom hat seine Stärke bei der Verteilung im Netz, Gleichstrom beim Speichern, in der Elektronik und auf sehr langen Leitungen. Deshalb gibt es überall dort Wandler, wo beide Welten aufeinandertreffen. Mehr dazu im Beitrag zum Wechselstrom.
Wo wird Gleichstrom genutzt?
Gleichstrom wird überall dort genutzt, wo Strom gespeichert wird oder Elektronik arbeitet. Smartphone, Laptop, Fernseher und LED-Lampe laufen im Inneren mit Gleichstrom. Das Netzteil oder Ladegerät dazwischen ist ein Gleichrichter: Es macht aus dem Wechselstrom der Steckdose Gleichstrom für das Gerät.
Auch jede Batterie arbeitet mit Gleichstrom, vom Akku im Werkzeug bis zur Fahrzeugbatterie im Elektroauto. Beim Laden an der heimischen Wallbox wandelt das Ladegerät im Auto den Wechselstrom um. Schnellladesäulen liefern den Gleichstrom direkt in die Batterie und kommen so auf höhere Ladeleistungen.
Die dritte große Anwendung ist die Solartechnik. Solarmodule erzeugen Gleichstrom, Batteriespeicher nehmen Gleichstrom auf. Im Haus mit Solaranlage wird Strom deshalb mehrfach umgewandelt, und jede Umwandlung kostet nach Angaben der DKE etwas Energie, die als Wärme verloren geht.
Warum erzeugen Solaranlagen Gleichstrom?
Solaranlagen erzeugen Gleichstrom, weil in einer Solarzelle die Elektronen nur in eine Richtung fließen können. Trifft Licht auf den Halbleiter, meist Silizium, werden Elektronen freigesetzt. Ein eingebautes elektrisches Feld schiebt sie immer zur selben Seite der Zelle. Dieser Vorgang heißt Photoeffekt.
Eine einzelne Zelle liefert nur eine kleine Spannung. Deshalb werden viele Zellen zu einem Modul und mehrere Module zu einem Strang hintereinandergeschaltet. In dieser Reihenschaltung addieren sich die Spannungen. Ein Modulstrang liefert laut Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) üblicherweise 400 bis 1.000 Volt, je nach Zahl der Module.
Der Strom bleibt in der Reihenschaltung gleich. Ein Modul für das Hausdach liefert nach Angaben des Fraunhofer ISE üblicherweise 10 bis 15 Ampere. Aus Spannung mal Strom ergibt sich die Leistung: Ein Strang mit 600 Volt und 12 Ampere bringt 7.200 Watt, also 7,2 Kilowatt (eigene Rechnung).
Die Leitungen vom Dach zum Wechselrichter führen Gleichstrom mit hoher Spannung. Dafür gibt es eigene Solarkabel und Steckverbinder. Normale Hauskabel und Schalter für Wechselstrom sind dafür nicht gebaut.
Wie wird aus Gleichstrom Wechselstrom?
Aus Gleichstrom wird Wechselstrom im Wechselrichter. Er zerhackt den Gleichstrom vom Dach mit schnellen elektronischen Schaltern und formt daraus Wechselstrom mit 50 Hertz, passend zum Hausnetz und zum öffentlichen Netz. Ohne ihn ließe sich Solarstrom weder im Haushalt nutzen noch einspeisen.
Bei der Umwandlung geht wenig verloren. Der Wirkungsgrad neuer Wechselrichter für Photovoltaik liegt laut Fraunhofer ISE um 98 Prozent. Von 100 Kilowattstunden Gleichstrom kommen also rund 98 als Wechselstrom an, der Rest wird Wärme.
Der umgekehrte Weg heißt Gleichrichten. Ein Gleichrichter macht aus Wechselstrom Gleichstrom und steckt in jedem Ladegerät und Netzteil. Geräte, die beides können, steuern den Batteriespeicher: Ein Hybrid-Wechselrichter verbindet Solarmodule, Batterie und Hausnetz in einem Gerät.
Gleichstrom im Batteriespeicher: DC- oder AC-Kopplung?
Ein Batteriespeicher lässt sich auf der Gleichstromseite oder auf der Wechselstromseite anschließen. Bei der DC-Kopplung hängt die Batterie am selben Wechselrichter wie die Solarmodule, der Solarstrom fließt als Gleichstrom in die Batterie. Bei der AC-Kopplung hat die Batterie einen eigenen Wechselrichter und ist über das Hausnetz angebunden.
Bei der AC-Kopplung wird der Solarstrom einmal mehr umgewandelt: erst in Wechselstrom, dann zum Laden wieder in Gleichstrom. Nach der Stromspeicher-Inspektion der HTW Berlin kostet dieser Umweg Energie, weil jede weitere Wandlung eigene Verluste hat. Bei einem Gerät, das in beiden Varianten gemessen wurde, lagen die Umwandlungsverluste mit AC-Kopplung bei 6,4 Prozent und mit DC-Kopplung bei 6,0 Prozent.
Pauschal überlegen ist trotzdem keine Bauart. In derselben Untersuchung erreichte ein AC-gekoppeltes System mit sehr sparsamer Batterieelektronik in seiner Leistungsklasse die beste Bewertung. Entscheidend ist die Qualität der Geräte, vor allem ihr Wirkungsgrad bei kleiner Leistung in der Nacht.
| Merkmal | DC-Kopplung | AC-Kopplung |
|---|---|---|
| Anschluss der Batterie | Am Hybrid-Wechselrichter, Gleichstromseite | Eigener Batterie-Wechselrichter am Hausnetz |
| Umwandlungen beim Laden mit Solarstrom | Keine Umwandlung in Wechselstrom | Erst in Wechselstrom, dann zurück in Gleichstrom |
| Umwandlungsverluste im Gerätevergleich | 6,0 Prozent | 6,4 Prozent |
| Passt gut zu | Neuer Anlage mit Speicher | Nachrüstung an bestehender Anlage |
Für die Praxis ergibt sich daraus eine einfache Linie. Wer Solaranlage und Speicher zusammen kauft, nimmt meist ein DC-gekoppeltes System mit Hybrid-Wechselrichter. Wer einen PV-Speicher nachrüsten will und den vorhandenen Wechselrichter behalten möchte, ist mit der AC-Kopplung flexibler.
Wie gefährlich ist Gleichstrom?
Gleichstrom ist bei hoher Spannung lebensgefährlich, und an einer Solaranlage liegt hohe Gleichspannung an. Als nicht mehr berührungsgefährlich gilt Gleichspannung nach einer Information der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) für die Montage von Photovoltaikanlagen erst unter 60 Volt. Ein Modulstrang liegt mit 400 bis 1.000 Volt weit darüber.
Zwei Eigenschaften machen Gleichstrom an der Solaranlage besonders heikel. Die erste: Solarmodule lassen sich nicht ausschalten. Sobald Licht darauf fällt, erzeugen sie Spannung, auch wenn die Anlage vom Netz getrennt ist. Spannungsfrei werden sie laut DGUV bei Sonneneinstrahlung nur durch lichtdichtes Abdecken.
Die zweite Eigenschaft ist der Lichtbogen. Wird ein Stromkreis unter Last getrennt, springt der Strom als leuchtender Funke über die Lücke. Bei Wechselstrom erlischt er nach wenigen Millisekunden von selbst, weil der Strom beim Richtungswechsel kurz null ist. Bei Gleichstrom fehlt dieser Nulldurchgang, der Lichtbogen bleibt stehen und kann nach Angaben der DKE im schlimmsten Fall einen Brand auslösen.
- Ziehen Sie niemals Steckverbinder an den Modulen oder am Wechselrichter, solange die Anlage läuft. Die DGUV warnt ausdrücklich vor dem Trennen unter Last.
- Arbeiten an der Gleichstromseite sind Sache einer Elektrofachkraft. Das gilt auch für den Tausch einzelner Module.
- Nach einem Sturm oder Marderschaden: beschädigte Leitungen nicht berühren, Anlage vom Fachbetrieb prüfen lassen.
- Im Brandfall der Feuerwehr sagen, dass eine Solaranlage auf dem Dach ist. Die Leitungen vom Dach stehen bei Tageslicht unter Spannung.
Aus diesem Grund hat jede Anlage einen eigenen Trennschalter für die Gleichstromseite und Schutzgeräte, die für Gleichstrom gebaut sind. Mehr dazu in den Beiträgen zum Generatoranschlusskasten und zum Kurzschlussstrom.
Warum wird Strom über weite Strecken als Gleichstrom übertragen?
Über weite Strecken wird Strom als Gleichstrom übertragen, weil dabei weniger Energie verloren geht. Die Technik heißt Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, kurz HGÜ. Eine HGÜ-Leitung verliert laut Fraunhofer ISE knapp 0,3 Prozent je 100 Kilometer, eine Wechselstromleitung mit 800.000 Volt etwa 0,5 Prozent.
Auf 1.000 Kilometern sind das rund 3 statt 5 Prozent (eigene Rechnung). Der Vorteil hat einen Preis: An beiden Enden der Leitung stehen große Umrichterstationen, die den Strom umwandeln und selbst Verluste verursachen. Deshalb lohnt sich Gleichstrom nur auf langen Strecken. Nach Angaben des Bundeswirtschaftsministeriums lässt sich Gleichstrom technisch über beliebig lange Strecken übertragen, bei kurzen Leitungen rechnet sich der Aufwand aber kaum. Die DKE nennt als Richtwert etwa 750 Kilometer oder den Einsatz als Seekabel.
Für die Energiewende ist das wichtig, weil Strom aus Windparks im Norden und auf See zu den Verbrauchern im Süden gelangen muss. Solche Verbindungen werden als Gleichstromleitungen gebaut.
Kommt das Gleichstromnetz im Haus?
Ein eigenes Gleichstromnetz im Wohnhaus lohnt sich nach Einschätzung der DKE nicht, solange große Haushaltsgeräte wie Kühlschrank und Waschmaschine nicht als Gleichstrommodelle erhältlich sind. Die Idee dahinter ist einleuchtend: Solaranlage, Batterie und die meisten Geräte arbeiten mit Gleichstrom, und jede Umwandlung dazwischen kostet Energie.
Anders sieht es in der Industrie und in Rechenzentren aus. Dort werden Gleichstromnetze laut DKE bereits diskutiert und erprobt, etwa für Hallenbeleuchtung, Antriebe und Server. Für die Industrie nennt die DKE ein prognostiziertes Einsparpotenzial von bis zu 30 Prozent. Hinzu kommt weniger Kupfer, weil Gleichstromleitungen mit weniger Adern und dünneren Querschnitten auskommen.
Offen sind vor allem Fragen des Schutzes. Weil der Lichtbogen bei Gleichstrom nicht von selbst erlischt, braucht es eigene Schalter und Schutzkonzepte. Die DKE arbeitet dafür an Normen für Gleichstrom im Niederspannungsbereich, der bis 1.500 Volt reicht. Fachleute erwarten deshalb kein Ende des Wechselstroms, sondern ein Nebeneinander beider Stromarten.
Häufige Fragen zu Gleichstrom
Was ist DC und AC?
DC steht für Direct Current, auf Deutsch Gleichstrom: Der Strom fließt ständig in dieselbe Richtung. AC steht für Alternating Current, auf Deutsch Wechselstrom: Der Strom wechselt seine Richtung in festem Takt, im europäischen Netz mit 50 Hertz.
Was ist der Unterschied zwischen Gleichstrom und Wechselstrom?
Gleichstrom fließt immer in dieselbe Richtung, Wechselstrom kehrt seine Richtung regelmäßig um. Wechselstrom lässt sich einfach mit Transformatoren auf andere Spannungen bringen und wird deshalb im Stromnetz verwendet. Gleichstrom lässt sich direkt in Batterien speichern.
Wann benutzt man Gleichstrom?
Gleichstrom wird genutzt, wo Strom gespeichert wird oder Elektronik arbeitet: in Batterien und Akkus, in Smartphones, Computern und LED-Lampen, in Elektroautos und in Solaranlagen. Auch sehr lange Stromleitungen und Seekabel werden mit Gleichstrom betrieben.
Was ist der Nachteil von Gleichstrom?
Die Spannung von Gleichstrom lässt sich nur mit aufwendiger Elektronik ändern, bei Wechselstrom genügt ein Transformator. Außerdem erlischt ein Lichtbogen bei Gleichstrom nicht von selbst, weil der Nulldurchgang fehlt. Das Abschalten unter Last ist deshalb schwieriger und verlangt eigene Schalter.
Warum erzeugen Solarzellen Gleichstrom und keinen Wechselstrom?
In einer Solarzelle setzt Licht Elektronen frei, und ein eingebautes elektrisches Feld schiebt sie immer zur selben Seite. Der Strom kann deshalb nur in eine Richtung fließen. Wechselstrom entsteht erst im Wechselrichter.
Wie viel Strom geht im Wechselrichter verloren?
Der Wirkungsgrad neuer Wechselrichter für Photovoltaik liegt laut Fraunhofer ISE um 98 Prozent. Bei der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom gehen also rund 2 Prozent als Wärme verloren.
Ist Gleichstrom gefährlicher als Wechselstrom?
Beide Stromarten sind bei hoher Spannung lebensgefährlich. Bei Gleichstrom kommt hinzu, dass ein Lichtbogen beim Trennen unter Last nicht von selbst erlischt und einen Brand auslösen kann. Solarmodule stehen bei Licht immer unter Spannung, deshalb dürfen nur Elektrofachkräfte an der Gleichstromseite arbeiten.
Was ist der Unterschied zwischen DC-gekoppelten und AC-gekoppelten Speichern?
Bei der DC-Kopplung hängt die Batterie am selben Wechselrichter wie die Solarmodule und wird direkt mit Gleichstrom geladen. Bei der AC-Kopplung hat die Batterie einen eigenen Wechselrichter am Hausnetz, der Solarstrom wird einmal mehr umgewandelt. DC-Kopplung passt gut zu Neuanlagen, AC-Kopplung zur Nachrüstung.
Was bedeutet HGÜ?
HGÜ steht für Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung. Die Technik überträgt große Strommengen über weite Strecken und durch Seekabel mit geringeren Verlusten als Wechselstrom. Laut Fraunhofer ISE verliert eine HGÜ-Leitung knapp 0,3 Prozent je 100 Kilometer.
Fazit
Gleichstrom ist die Stromart der Solarzellen, Batterien und Elektronik, Wechselstrom die des Netzes. Wer eine Solaranlage betreibt, hat beides im Haus, verbunden durch den Wechselrichter. Dessen Verluste sind mit rund 2 Prozent klein.
Wichtiger als die Technik ist für Betreiber der Respekt vor der Gleichstromseite. Module stehen bei Licht immer unter Spannung, und ein Lichtbogen erlischt nicht von selbst. Lassen Sie deshalb jede Arbeit an Modulen, Steckern und Leitungen vom Fachbetrieb erledigen. Bei der Wahl des Speichers gilt: neu am besten DC-gekoppelt, nachgerüstet meist AC-gekoppelt.
Quellen und Methodik
Definition, Vergleich und Aussagen zu Gleichstromnetzen stammen von der Deutschen Kommission Elektrotechnik, die Werte zur Solaranlage und zu Leitungsverlusten vom Fraunhofer ISE, die Sicherheitsregeln von der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung. Die Messwerte zur Kopplung von Speichern stammen aus der Stromspeicher-Inspektion der HTW Berlin und gelten für die dort geprüften Geräte. Rechenbeispiele sind eigene Rechnungen. Solar.red hat keine Geräte gemessen.
- DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik: Gleichstrom, Anwendungen in Industrie und Privatwirtschaft - Definition, Vergleich mit Wechselstrom, Lichtbogen, Gleichstromnetze, Normung
- Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland - Spannung und Strom im Modulstrang, Wirkungsgrad von Wechselrichtern, Leitungsverluste
- DGUV Information 203-080: Montage und Instandhaltung von Photovoltaik-Anlagen - Spannungsgrenzen, Abdecken der Module, Trennen unter Last, Elektrofachkraft
- HTW Berlin: Stromspeicher-Inspektion - DC- und AC-Kopplung, gemessene Umwandlungsverluste
- Bundesministerium für Wirtschaft und Energie: Fragen und Antworten zum Netzausbau - Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, Wirtschaftlichkeit nach Leitungslänge
Hinweis: Dieser Beitrag dient der unabhängigen Information und ersetzt keine Beratung durch eine Elektrofachkraft. Solar.red steht in keiner Verbindung zu den genannten Einrichtungen. Arbeiten an elektrischen Anlagen dürfen nur Fachleute ausführen. Über die Anzeigen auf dieser Seite werden Anfragen an Fachbetriebe vermittelt, dafür erhält Solar.red eine Vergütung.
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