Teamwork giver effektive omdannere

Komponenterne til energiproduktion og -lagring i selvforsynende energiforsyninger fungerer internt med jævnstrøm (DC). De er dog koblet sammen ved hjælp af vekselstrøm (AC). Den nødvendige ensretning og vekselstrøm medfører tab og er unødvendig. DC/DC-omformere udligner komponenternes niveau langt mere effektivt og udvikles nu af Fraunhofer IEE-projektet MarrakEsH.

Tidligere var der en klar opdeling mellem sektorerne: Nogle var forbrugere, mens andre producerede energi. Opløsningen af denne rigide kategorisering er en af de spændende forandringer, som All Electric Society har medført. I fremtiden vil energi blive lagret, produceret og forbrugt i alle sektorer - hvilket betyder, at decentrale løsninger er et nøgleord her. Og arbejdet er i gang i byggesektoren, for eksempel.

Energiforsyningssystemer baseret på vedvarende energi består normalt af et solcelleanlæg, et batteri og en forbindelse til det konventionelle elnet. Sidstnævnte leverer energi, når solcelleanlægget ikke leverer strøm, og batterikapaciteten er opbrugt. I tilfælde af selvforsynende systemer baseret på vedvarende energi er det hensigtsmæssigt at erstatte nettilslutningen med en kombination af en elektrolysator til brintproduktion og en brændselscelle til generering af elektricitet fra brint.

Kernen i alle systemer på dette område er, at komponenterne fungerer internt med jævnstrøm. Indtil nu har systemerne dog altid været forbundet med hinanden ved hjælp af vekselstrømsforbindelser.

Det betyder, at elektriciteten i systemet altid skal styres ved hjælp af invertere. Desuden har hver af disse invertere en DC/DC-konverter, som bringer jævnspændingen op på et passende niveau.

Da ensrettere og invertere hver især har et bestemt effektivitetsomfang, går der energi tabt. Disse komponenter bidrager også til den høje pris på sådanne løsninger. Det ville være meget mere effektivt at forbinde komponenterne direkte via DC/DC-omformere og kun installere en enkelt inverter i linjen til forbrugerne. Det betyder, at den elektriske energi kan udveksles mellem komponenterne meget mere effektivt uden konvertering, samtidig med at der spares på dyre komponenter.

Projektet "Modulær, regenerativ og selvforsynende energiforsyning med H2-teknologi" (MarrakEsH), som er finansieret af forbundsministeriet for økonomi og klimabeskyttelse (BMWK) og involverer seks partnere, er dedikeret til denne tilgang: GKN HYDROGEN GmbH, Proton Motor Fuel Cell GmbH, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, Infineon Technologies AG, Bonn-Rhein-Sieg University of Applied Sciences (H-BRS) og Fraunhofer Institute for Energy Economics and Energy System Technology (Fraunhofer IEE) har alle slået sig sammen.

Udviklingen af en DC/DC-konverter baseret på moderne galliumnitrid-strømhalvledere med en skiftefrekvens på op til to MHz er et af hovedfokusområderne i samarbejdet.

Hele systemet udvikles hos GKN HYDROGEN, som desuden udvikler en ny type metalhydridbaseret brintlagerenhed, som er designet til at give højere lagerkapacitet til lavere omkostninger. Desuden kan det metalhydridbaserede brintlagringssystem aflades mere effektivt ved højere driftstemperaturer. Den nyeste generation af brændselsceller, som Proton Motor Fuel Cell bidrager med til projektet, er optimalt tilpasset til denne lagringsenhed. Brændselscellens varmetab bruges til at opløse brinten fra metalhydridet i H₂ lagertanken.

H-BRS er involveret i projektet med to bidrag: På den ene side udvikles et fleksibelt, intelligent energistyringssystem, der optimalt styrer energistrømmene mellem elektriske energigeneratorer, lagringssystemer og forbrugere og også sikrer en effektiv udnyttelse af systemets spildvarme. For det andet udvikler H-BRS en skaleret laboratoriemodel af DC/DC-konverteren, der forbinder energigeneratorerne og lagringsenhederne. Prof. Dr. Marco Jung, professor i elektromobilitet og elektrisk infrastruktur ved Fraunhofer IEE, kommenterer: "Takket være udviklingen og undersøgelsen af en første skaleret laboratorieprøve på et tidligt tidspunkt er vi i stand til at analysere og evaluere de udfordringer og virkninger, der opstår ved skiftefrekvenser i MHz-området. Resultaterne af disse tests indarbejdes direkte i den tilsvarende demonstrator."

Denne demonstrator bliver til gengæld udviklet af Fraunhofer IEE. Med en skiftefrekvens på op til to MHz udgør den grænsefladen for tilslutning af brændselscellen og elektrolysatoren til det selvforsynende energiforsyningssystem. Den meget høje koblingsfrekvens, der tilstræbes, gør det muligt at realisere meget kompakte DC/DC-omformere.

Würth Elektronik eiSos leverer de nødvendige magnetiske komponenter. Infineon Technologies koordinerer projektet og leverer den højtydende controller-hardware, der kræves til de effektelektroniske omformere, samt effekttransistorer lavet af silicium og galliumnitrid. I forbindelse med projektet udvikles og tilpasses controller-firmwaren, så omformerne kan fungere ved skiftefrekvenser på op til to MHz.