Komponenterna för energiproduktion och lagring i självförsörjande energiförsörjningssystem arbetar internt med likström (DC). De är dock kopplade via växelström (AC). Den nödvändiga likriktningen och växelriktningen medför förluster och är onödig. DC/DC-omvandlare utjämnar komponenternas nivå på ett mycket effektivare sätt och utvecklas nu av Fraunhofer IEE-projektet MarrakEsH.
Tidigare fanns det en tydlig uppdelning mellan sektorerna: Vissa var konsumenter, medan andra producerade energi. Upplösningen av denna rigida kategorisering är en spännande förändring som All Electric Society medfört. I framtiden kommer energi att lagras, genereras och förbrukas inom alla sektorer - vilket innebär att decentraliserade lösningar är ett nyckelord här. Och arbete pågår för närvarande inom till exempel byggsektorn.
Energiförsörjningssystem baserade på förnybara energikällor består vanligtvis av ett solcellssystem, ett batteri och en anslutning till det konventionella elnätet. Den senare levererar energi när solcellssystemet inte levererar någon ström och batterikapaciteten är slut. När det gäller självförsörjande system som baseras på förnybar energi är det lämpligt att ersätta nätanslutningen med en kombination av en elektrolysör för vätgasproduktion och en bränslecell för att generera el från vätgas.
Den springande punkten för alla system inom detta område är att komponenterna internt drivs med likström. Hittills har systemen dock alltid varit sammankopplade med hjälp av växelströmsanslutningar.
Det innebär att elen i systemet alltid måste hanteras med hjälp av växelriktare. Dessutom föregås var och en av dessa växelriktare av en DC/DC-omvandlare som för upp likspänningen till en lämplig nivå.
Eftersom likriktare och växelriktare var för sig har en viss verkningsgrad går energi förlorad. Dessa komponenter bidrar också till det höga priset på sådana lösningar. Det skulle vara mycket mer effektivt att koppla samman komponenterna direkt via DC/DC-omvandlare och bara installera en enda växelriktare i ledningen till konsumenterna. Detta innebär att den elektriska energin kan utbytas mellan komponenterna mycket effektivare utan konvertering, samtidigt som man sparar på dyra komponenter.
Självförsörjande energiförsörjning: konventionell/fossil (vänster) och MarrakEsH-projektets tillvägagångssätt (höger) / Källa: Fraunhofer IEE
Projektet "Modulär, regenerativ och självförsörjande energiförsörjning med H2-teknik" (MarrakEsH), som finansieras av det federala ministeriet för ekonomi och klimatskydd (BMWK) och omfattar sex partners, är inriktat på detta tillvägagångssätt: 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) och Fraunhofer Institute for Energy Economics and Energy System Technology (Fraunhofer IEE) har alla gått samman.
Ett viktigt fokus för samarbetet är utvecklingen av en DC/DC-omvandlare baserad på moderna krafthalvledare av galliumnitrid med en switchfrekvens på upp till två MHz.
Hela systemet utvecklas vid GKN HYDROGEN, som dessutom utvecklar en ny typ av metallhydridbaserad vätgaslagringsenhet, som är utformad för att ge högre lagringskapacitet till lägre kostnader. Dessutom kan det metallhydridbaserade vätgaslagringssystemet laddas ur mer effektivt vid högre driftstemperaturer. Den senaste generationen bränsleceller, som Proton Motor Fuel Cell bidrar med till projektet, är optimalt anpassad till denna lagringsenhet. Bränslecellens värmeförluster används för att lösa upp vätgasen från metallhydriden iH2-lagringstanken.
Under tiden har projektets definitionsfas slutförts på systemnivå och alla delsystem har beskrivits. Här på IEE arbetar vi nu tillsammans med Rhein-Sieg University of Applied Sciences med topologin för vår MMPU (modulära multiportomvandlare).
Daniel Haake
Fraunhofer Institute IEE, avdelningen för effektomvandlare och elektriska drivsystem
H-BRS är involverat i projektet med två bidrag: Å ena sidan utvecklas ett flexibelt, intelligent energihanteringssystem som på ett optimalt sätt styr energiflödena mellan elgeneratorer, lagringssystem och konsumenter samt säkerställer ett effektivt utnyttjande av systemets spillvärme. För det andra utvecklar H-BRS en skalenlig laboratoriemodell av DC/DC-omvandlaren, som kopplar samman energigeneratorer och lagringsenheter. Prof Dr Marco Jung, professor i elektromobilitet och elektrisk infrastruktur vid Fraunhofer IEE, kommenterar: "Tack vare utvecklingen och undersökningen av ett första skalat laboratorieprov i ett tidigt skede kan vi analysera och utvärdera de utmaningar och effekter som uppstår när man växlar frekvenser i MHz-området. Resultaten av dessa tester införlivas direkt i motsvarande demonstrator."
Denna demonstrator utvecklas i sin tur av Fraunhofer IEE. Den har en omkopplingsfrekvens på upp till två MHz och utgör gränssnittet för anslutning av bränslecellen och elektrolysören till det självförsörjande energiförsörjningssystemet. Den mycket höga switchfrekvens som eftersträvas gör det möjligt att realisera mycket kompakta DC/DC-omvandlare.
Würth Elektronik eiSos tillhandahåller de nödvändiga magnetiska komponenterna. Infineon Technologies koordinerar projektet och levererar den högpresterande styrenhetshårdvara som krävs för de kraftelektroniska omvandlarna, samt krafttransistorer tillverkade av kisel och galliumnitrid. Inom ramen för projektet utvecklas och anpassas styrenhetens firmware så att omriktarna kan arbeta med switchfrekvenser på upp till två MHz.
