El trabajo en equipo hace eficientes a los convertidores

Los componentes para la generación y el almacenamiento de energía en los suministros energéticos autosuficientes funcionan internamente con corriente continua (DC). Sin embargo, están acoplados mediante corriente alterna (AC). La rectificación necesaria y la dirección alterna incurren en pérdidas y son innecesarias. Los convertidores DC/DC igualan el nivel de los componentes de forma mucho más eficiente y ahora están siendo desarrollados por el proyecto Fraunhofer IEE MarrakEsH.

Antes existía una clara división entre los sectores: Unos eran consumidores, mientras que otros generaban energía. La disolución de esta rígida categorización es un cambio apasionante que ha traído consigo la All Electric Society. En el futuro, la energía se almacenará, generará y consumirá en todos los sectores, lo que significa que las soluciones descentralizadas son aquí una palabra clave. Y actualmente se está trabajando en el sector de la construcción, por ejemplo.

Los sistemas de suministro energético basados en energías renovables suelen constar de un sistema fotovoltaico, una batería y una conexión a la red convencional. Este último suministra energía cuando el sistema fotovoltaico no suministra energía y la capacidad de la batería se agota. En el caso de los sistemas autosuficientes basados en energías renovables, es conveniente sustituir la conexión a la red por una combinación de un electrolizador para la producción de hidrógeno y una pila de combustible para generar electricidad a partir del hidrógeno.

La clave de todos los sistemas de este ámbito es que los componentes funcionan internamente con corriente continua. Hasta ahora, sin embargo, los sistemas siempre han estado interconectados mediante conexiones de corriente alterna.

Esto significa que la electricidad del sistema debe gestionarse siempre mediante inversores. Además, cada uno de estos inversores va precedido de un convertidor DC/DC que lleva la tensión continua a un nivel adecuado.

Como los rectificadores y los inversores tienen cada uno un ámbito específico de eficacia, se pierde energía. Estos componentes también contribuyen al elevado precio de dichas soluciones. Sería mucho más eficaz conectar los componentes directamente mediante convertidores DC/DC e instalar un único inversor en la línea hacia los consumidores. Esto significa que la energía eléctrica puede intercambiarse entre los componentes de forma mucho más eficaz sin necesidad de conversión, al tiempo que se ahorra en costosos componentes.

A este planteamiento se dedica el "Proyecto de suministro energético modular, regenerativo y autosuficiente con tecnología de H2" (MarrakEsH), financiado por el Ministerio Federal de Economía y Protección del Clima (BMWK) y en el que participan seis socios: GKN HYDROGEN GmbH, Proton Motor Fuel Cell GmbH, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, Infineon Technologies AG, la Universidad de Ciencias Aplicadas de Bonn-Rhein-Sieg (H-BRS) y el Instituto Fraunhofer de Economía Energética y Tecnología de Sistemas Energéticos (Fraunhofer IEE).

El desarrollo de un convertidor DC/DC basado en modernos semiconductores de potencia de nitruro de galio con una frecuencia de conmutación de hasta dos MHz es uno de los puntos clave de la colaboración.

Todo el sistema se está desarrollando en GKN HYDROGEN, que además está desarrollando un nuevo tipo de unidad de almacenamiento de hidrógeno basada en hidruros metálicos, diseñada para proporcionar una mayor capacidad de almacenamiento a un coste menor. Además, el sistema de almacenamiento de hidrógeno basado en hidruros metálicos puede descargarse con mayor eficacia a temperaturas de funcionamiento más elevadas. La última generación de celdas de combustible, que Proton Motor Fuel Cell aporta al proyecto, está óptimamente adaptada a esta unidad de almacenamiento. Las pérdidas térmicas de la celda de combustible se utilizan para disolver el hidrógeno del hidruro metálico del depósito de almacenamiento de _H2.

H-BRS participa en el proyecto con dos aportaciones: Por un lado, se está desarrollando un sistema de gestión de la energía flexible e inteligente que controla de forma óptima los flujos de energía entre los generadores de energía eléctrica, los sistemas de almacenamiento y los consumidores, y que también garantiza la utilización eficaz del calor residual del sistema. En segundo lugar, H-BRS está desarrollando un modelo de laboratorio a escala del convertidor DC/DC, que conecta los generadores de energía y las unidades de almacenamiento. Como comenta el Prof. Dr. Marco Jung, catedrático de Electromovilidad e Infraestructura Eléctrica del Fraunhofer IEE: "Gracias al desarrollo y la investigación de una muestra inicial de laboratorio a escala en una coyuntura temprana, podemos analizar y evaluar los retos e impactos que surgen de las frecuencias de conmutación en el rango de los MHz. Los resultados de estas pruebas se incorporan directamente al demostrador correspondiente"

Este demostrador, a su vez, está siendo desarrollado por Fraunhofer IEE. Con una frecuencia de conmutación de hasta dos MHz, constituye la interfaz para conectar la celda de combustible y el electrolizador al sistema de suministro de energía autosuficiente. La frecuencia de conmutación muy elevada que se persigue permite realizar convertidores DC/DC muy compactos.

Würth Elektronik eiSos suministra los componentes magnéticos necesarios. Infineon Technologies coordina el proyecto y suministra el hardware controlador de alto rendimiento necesario para los convertidores electrónicos de potencia, así como transistores de potencia de silicio y nitruro de galio. En el marco del proyecto, se está desarrollando y adaptando el firmware del controlador para que los convertidores puedan funcionar a frecuencias de conmutación de hasta dos MHz.