Ein effizienter Wandler ist Teamarbeit

Die Komponenten zur Energieerzeugung und -speicherung in autarken Energieversorgungen arbeiten intern mit Gleichstrom (DC). Gekoppelt werden sie jedoch über Wechselstrom (AC). Die notwendige Gleich- und Wechselrichtung ist verlustbehaftet und unnötig. DC/DC-Wandler gleichen das Niveau der Komponenten wesentlich effizienter aneinander an. Im Fraunhofer IEE-Projekt MarrakEsH werden solche Wandler entwickelt.

Früher gab es eine klare Aufteilung zwischen den Sektoren: Die einen waren Verbraucher und die anderen Ersteller von Energie. Eine spannende Veränderung, die die All Electric Society mit sich bringt, ist nun die Auflösung dieser starren Zuordnung. Denn Energie wird zukünftig in allen Sektoren gespeichert, erzeugt und verbraucht. Das Stichwort lautet dezentrale Lösung. Und an solchen wird derzeit beispielweise im Gebäudesektor gearbeitet. Energieversorgungssysteme auf Basis regenerativer Energien bestehen dort heute üblicherweise aus einem Photovoltaiksystem, einer Batterie und einem Anschluss an das konventionelle Netz. Letzteres liefert dann Energie, wenn die PV-Anlage nichts liefert und die Batteriekapazität erschöpft ist. Für autarke Systeme auf Basis erneuerbarer Energien bietet es sich an, den Netzanschluss durch eine Kombination aus Elektrolyseur zur Wasserstofferzeugung und Brennstoffzelle zur Stromerzeugung aus Wasserstoff zu ersetzen.

Die Crux aller Systeme in diesem Bereich ist, dass die Komponenten intern mit Gleichstrom arbeiten. Gekoppelt werden die Systeme jedoch bisher immer über Wechselstromverbindungen.

Das bedeutet, dass der Strom innerhalb des Systems immer über Wechselrichter laufen muss. Zudem ist jedem dieser Wechselrichter ein DC/DC-Wandler vorgeschaltet, der die DC-Spannung auf ein passendes Niveau bringt.

Nun haben Gleich- und Wechselrichter jeweils einen Wirkungsgrad, es geht also Energie verloren. Zudem tragen diese Komponenten zum hohen Preis solcher Lösungen bei. Viel effizienter wäre es, die Komponenten über DC/DC-Wandler direkt zu koppeln und erst im Strang zum Verbraucher einen einzelnen Wechselrichter einzubauen. Damit kann die elektrische Energie zwischen den Komponenten ohne Umwandlung wesentlich effizienter ausgetauscht werden. Zudem werden teure Komponenten eingespart.

Diesem Ansatz widmet sich das Projekt „Modulare, regenerative und autarke Energieversorgung mit H2-Technik“ (MarrakEsH), das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert wird und an dem sechs Partner beteiligt sind: GKN HYDROGEN GmbH, Proton Motor Fuel Cell GmbH, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, Infineon Technologies AG, die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (H-BRS) und das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (Fraunhofer IEE).

Ein Schwerpunkt der Zusammenarbeit ist die Entwicklung eines DC/DC-Wandlers auf Basis moderner Galliumnitrid- Leistungshalbleiter mit einer Schaltfrequenz von bis zu zwei MHz.

Das Gesamtsystem entsteht bei GKN HYDROGEN, die zudem eine neuartige Metallhydrid- basierte Wasserstoff-Speicher- Einheit entwickeln. Sie soll eine höhere Speicherkapazität bei geringeren Kosten bieten. Der Metallhydrid-basierte Wasserstoffspeicher kann durch höhere Betriebstemperaturen effektiver entladen werden. Die neue Brennstoffzellengeneration, die von Proton Motor Fuel Cell ins Projekt eingebracht wird, ist optimal an diese Speichereinheit angepasst. So werden die thermischen Verluste der Brennstoffzelle genutzt, um den Wasserstoff aus dem Metallhydrid des H2-Speichers zu lösen.

Die H-BRS ist mit zwei Beiträgen im Projekt vertreten: Zum einen wird dort ein flexibles, intelligentes Energiemanagement entwickelt, das die Energieflüsse zwischen elektrischen Energieerzeugern, -speichern und -verbrauchern optimal steuert und zusätzlich eine effiziente Nutzung der Systemabwärme gewährleistet. Zum anderen entwickelt die H-BRS ein skaliertes Labormuster des DC/DC- Wandlers, der die Energieerzeuger und -speicher miteinander verbindet. Prof. Dr. Marco Jung, Professor für Elektromobilität und elektrische Infrastruktur am Fraunhofer IEE, sagt dazu: „Durch die frühzeitige Entwicklung und Untersuchung eines ersten skalierten Labormusters können Herausforderungen und Effekte, welche durch die Schaltfrequenzen im MHz-Bereich auftreten, untersucht und bewertet werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen fließen direkt in den entsprechenden Demonstrator ein.“

Dieser Demonstrator wiederum wird vom Fraunhofer IEE entwickelt. Mit einer Schaltfrequenz von bis zu zwei MHz bildet dieser die Schnittstelle zur Anbindung von Brennstoffzelle und Elektrolyseur an das autarke Energieversorgungssystem. Die angestrebte sehr hohe Schaltfrequenz ermöglicht es, einen sehr kompakten DC/DC-Wandler zu realisieren.

Die dazu notwendigen magnetischen Komponenten steuert Würth Elektronik eiSos bei. Infineon Technologies koordiniert das Projekt und liefert die für die leistungselektronischen Wandler nötige Hochleistungs-Controller-Hardware sowie Leistungstransistoren aus Silizium und Galliumnitrid. Im Rahmen des Projekts wird die Firmware der Controller entwickelt und so angepasst, dass sie den Betrieb der Wandler mit Schaltfrequenzen von bis zu zwei MHz ermöglicht.