Praca zespołowa czyni konwertery wydajnymi

Komponenty do wytwarzania i magazynowania energii w samowystarczalnych źródłach energii działają wewnętrznie z prądem stałym (DC). Są one jednak sprzężone za pomocą prądu przemiennego (AC). Niezbędne prostowanie i zmiana kierunku prądu powoduje straty i nie jest konieczne. Przetwornice DC/DC znacznie skuteczniej wyrównują poziom komponentów i są obecnie opracowywane w ramach projektu Fraunhofer IEE MarrakEsH.

Kiedyś istniał wyraźny podział między sektorami: Niektórzy byli konsumentami, podczas gdy inni wytwarzali energię. Zniesienie tej sztywnej kategoryzacji jest jedną z ekscytujących zmian wprowadzonych przez All Electric Society. W przyszłości energia będzie magazynowana, generowana i zużywana we wszystkich sektorach - co oznacza, że zdecentralizowane rozwiązania są tutaj słowem kluczowym. Obecnie trwają prace na przykład w sektorze budowlanym.

Systemy zasilania oparte na odnawialnych źródłach energii zazwyczaj składają się z systemu fotowoltaicznego, akumulatora i połączenia z konwencjonalną siecią. Ten ostatni dostarcza energię, gdy system fotowoltaiczny nie dostarcza energii, a pojemność akumulatora jest wyczerpana. W przypadku samowystarczalnych systemów opartych na odnawialnych źródłach energii, wskazane jest zastąpienie podłączenia do sieci kombinacją elektrolizera do produkcji wodoru i ogniwa paliwowego do wytwarzania energii elektrycznej z wodoru.

Istotą wszystkich systemów w tym obszarze jest to, że komponenty działają wewnętrznie z prądem stałym. Do tej pory jednak systemy były zawsze połączone za pomocą połączeń prądu przemiennego.

Oznacza to, że energia elektryczna w systemie musi być zawsze zarządzana za pomocą falowników. Ponadto każdy z tych falowników jest poprzedzony przetwornicą DC/DC, która doprowadza napięcie DC do odpowiedniego poziomu.

Ponieważ prostowniki i falowniki mają określony zakres wydajności, energia jest tracona. Komponenty te przyczyniają się również do wysokiej ceny takich rozwiązań. Znacznie bardziej efektywne byłoby połączenie komponentów bezpośrednio przez konwertery DC/DC i zainstalowanie tylko jednego falownika w linii do odbiorców. Oznacza to, że energia elektryczna może być wymieniana między komponentami znacznie wydajniej bez konwersji, jednocześnie oszczędzając na drogich komponentach.

Temu podejściu poświęcony jest projekt "Modułowe, regeneracyjne i samowystarczalne dostawy energii z technologią H2" (MarrakEsH), który jest finansowany przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Ochrony Klimatu (BMWK) i obejmuje sześciu partnerów: 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) oraz Fraunhofer Institute for Energy Economics and Energy System Technology (Fraunhofer IEE).

Opracowanie konwertera DC/DC opartego na nowoczesnych półprzewodnikach mocy z azotku galu o częstotliwości przełączania do dwóch MHz jest jednym z kluczowych celów współpracy.

Cały system jest opracowywany w firmie GKN HYDROGEN, która dodatkowo opracowuje nowy typ jednostki magazynowania wodoru opartej na wodorku metalu, która ma zapewnić większą pojemność magazynowania przy niższych kosztach. Co więcej, system magazynowania wodoru oparty na wodorku metalu może być skuteczniej rozładowywany w wyższych temperaturach roboczych. Najnowsza generacja ogniw paliwowych, którą Proton Motor Fuel Cell wnosi do projektu, jest optymalnie dostosowana do tego zasobnika. Straty termiczne ogniwa paliwowego są wykorzystywane do rozpuszczania wodoru z wodorku metalu w zbiorniku magazynującym_H2.

H-BRS jest zaangażowany w projekt z dwoma wkładami: Z jednej strony opracowywany jest elastyczny, inteligentny system zarządzania energią, który optymalnie kontroluje przepływy energii między generatorami energii elektrycznej, systemami magazynowania i odbiornikami, a także zapewnia efektywne wykorzystanie ciepła odpadowego systemu. Po drugie, H-BRS opracowuje skalowany model laboratoryjny konwertera DC/DC, łączącego generatory energii i jednostki magazynujące. Jak komentuje prof. dr Marco Jung, profesor elektromobilności i infrastruktury elektrycznej we Fraunhofer IEE: "Dzięki opracowaniu i zbadaniu wstępnej skalowanej próbki laboratoryjnej na wczesnym etapie, jesteśmy w stanie przeanalizować i ocenić wyzwania i wpływ, które wynikają z częstotliwości przełączania w zakresie MHz. Wyniki tych testów są włączane bezpośrednio do odpowiedniego demonstratora"

Ten demonstrator jest z kolei opracowywany przez Fraunhofer IEE. Charakteryzując się częstotliwością przełączania do dwóch MHz, tworzy interfejs do podłączenia ogniwa paliwowego i elektrolizera do samowystarczalnego systemu zasilania energią. Bardzo wysoka częstotliwość przełączania umożliwia realizację bardzo kompaktowych przetwornic DC/DC.

Würth Elektronik eiSos dostarcza niezbędne komponenty magnetyczne. Infineon Technologies koordynuje projekt i dostarcza wysokowydajny sprzęt sterujący wymagany dla konwerterów energoelektronicznych, a także tranzystory mocy wykonane z krzemu i azotku galu. W ramach projektu opracowywane i dostosowywane jest oprogramowanie układowe sterownika, aby umożliwić konwerterom pracę przy częstotliwościach przełączania do dwóch MHz.