Un travail d'équipe pour des convertisseurs efficaces

Les composants de la production et du stockage d'énergie dans les systèmes d'approvisionnement en énergie autosuffisants fonctionnent en interne avec du courant continu (CC). Cependant, ils sont couplés par le biais du courant alternatif (CA). Le redressement et le sens alternatif nécessaires entraînent des pertes et sont inutiles. Les convertisseurs DC/DC égalisent le niveau des composants de manière beaucoup plus efficace et sont actuellement développés dans le cadre du projet MarrakEsH de l'Institut Fraunhofer.

Auparavant, il existait une division claire entre les secteurs : Certains étaient des consommateurs, tandis que d'autres produisaient de l'énergie. La dissolution de cette catégorisation rigide est l'un des changements passionnants apportés par la société "tout électrique". À l'avenir, l'énergie sera stockée, produite et consommée dans tous les secteurs, ce qui signifie que les solutions décentralisées sont un mot clé. Des travaux sont actuellement en cours dans le secteur de la construction, par exemple.

Les systèmes d'approvisionnement en énergie basés sur les énergies renouvelables se composent généralement d'un système photovoltaïque, d'une batterie et d'une connexion au réseau conventionnel. Cette dernière fournit de l'énergie lorsque le système photovoltaïque ne fournit pas de courant et que la capacité de la batterie est épuisée. Dans le cas des systèmes autosuffisants basés sur les énergies renouvelables, il est judicieux de remplacer la connexion au réseau par une combinaison d'un électrolyseur pour la production d'hydrogène et d'une pile à combustible pour la production d'électricité à partir d'hydrogène.

Le point essentiel de tous les systèmes dans ce domaine est que les composants fonctionnent en interne avec du courant continu. Cependant, jusqu'à présent, les systèmes ont toujours été reliés entre eux par des connexions de courant alternatif.

Cela signifie que l'électricité au sein du système doit toujours être gérée au moyen d'onduleurs. En outre, chacun de ces onduleurs est précédé d'un convertisseur DC/DC qui amène la tension DC à un niveau approprié.

Comme les redresseurs et les onduleurs ont chacun un degré d'efficacité spécifique, de l'énergie est perdue. Ces éléments contribuent également au prix élevé de ces solutions. Il serait beaucoup plus efficace de relier les composants directement via des convertisseurs DC/DC et de n'installer qu'un seul onduleur sur la ligne menant aux consommateurs. Cela signifie que l'énergie électrique peut être échangée entre les composants de manière beaucoup plus efficace sans conversion, tout en économisant des composants coûteux.

Le projet "Modular, regenerative and self-sufficient energy supply with H2technology" (MarrakEsH), financé par le ministère fédéral de l'économie et de la protection du climat (BMWK) et auquel participent six partenaires, est consacré à cette approche : GKN HYDROGEN GmbH, Proton Motor Fuel Cell GmbH, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, Infineon Technologies AG, l'Université des sciences appliquées de Bonn-Rhein-Sieg (H-BRS) et l'Institut Fraunhofer pour l'économie de l'énergie et la technologie des systèmes énergétiques (Fraunhofer IEE).

Le développement d'un convertisseur DC/DC basé sur des semi-conducteurs de puissance modernes à base de nitrure de gallium avec une fréquence de commutation allant jusqu'à deux MHz est l'un des principaux objectifs de la collaboration.

L'ensemble du système est développé par GKN HYDROGEN, qui met également au point un nouveau type d'unité de stockage d'hydrogène à base d'hydrure métallique, conçu pour offrir une plus grande capacité de stockage à moindre coût. En outre, le système de stockage d'hydrogène à base d'hydrure métallique peut être déchargé plus efficacement à des températures de fonctionnement plus élevées. La dernière génération de piles à combustible, que Proton Motor Fuel Cell apporte au projet, est parfaitement adaptée à cette unité de stockage. Les pertes thermiques de la pile à combustible sont utilisées pour dissoudre l'hydrogène de l'hydrure métallique du réservoir de stockage d'_H2.

H-BRS participe au projet en apportant deux contributions : D'une part, un système de gestion de l'énergie flexible et intelligent est en cours de développement. Il contrôle de manière optimale les flux d'énergie entre les générateurs d'énergie électrique, les systèmes de stockage et les consommateurs et assure également l'utilisation efficace de la chaleur résiduelle du système. Deuxièmement, H-BRS développe un modèle de laboratoire à l'échelle du convertisseur DC/DC, qui relie les générateurs d'énergie et les unités de stockage. Marco Jung, professeur d'électromobilité et d'infrastructure électrique au Fraunhofer IEE, commente : "Grâce au développement et à l'étude d'un premier échantillon de laboratoire à l'échelle, nous sommes en mesure d'analyser et d'évaluer les défis et les impacts qui découlent des fréquences de commutation dans la gamme des MHz. Les résultats de ces tests sont directement intégrés dans le démonstrateur correspondant"

Ce démonstrateur est quant à lui développé par le Fraunhofer IEE. Avec une fréquence de commutation allant jusqu'à 2 MHz, il constitue l'interface permettant de connecter la pile à combustible et l'électrolyseur au système d'alimentation en énergie autonome. La fréquence de commutation très élevée visée permet de réaliser des convertisseurs DC/DC très compacts.

Würth Elektronik eiSos fournit les composants magnétiques nécessaires. Infineon Technologies coordonne le projet et fournit le matériel de contrôle de haute performance nécessaire aux convertisseurs électroniques de puissance, ainsi que des transistors de puissance en silicium et en nitrure de gallium. Dans le cadre du projet, le micrologiciel du contrôleur est développé et adapté afin de permettre aux convertisseurs de fonctionner à des fréquences de commutation allant jusqu'à deux MHz.