Wasserstoff spielt zur langfristigen Speicherung erneuerbarer Energien eine entscheidende Rolle in der erfolgreichen Umsetzung der Energiewende. Zudem wächst weltweit der Bedarf nach Konzepten für die regenerative, effiziente und autarkiefähige Energieversorgung von Privathaushalten, kleineren Unternehmen und kritischen Infrastrukturen, wie beispielsweise Kommunikationsanlagen. Auch für mobile Netzersatzanlagen und netzferne Verbraucher wird verstärkt nach solchen Lösungen gesucht.
Speicherkapazität erhöhen und die Kosten senken
Im Projekt MarrakEsH wird deshalb an einer nachhaltigen und bezahlbaren Lösung zur Energieversorgung auf Basis von grünem Wasserstoff für solche Szenarien geforscht. Durch die direkte DC-Kopplung verschiedener Energieerzeuger und -speicher, wie PV-Anlagen, Batterien und Brennstoffzellen, soll die Effizienz und Leistungsdichte des Gesamtsystems erhöht werden. Im Vergleich zu konventionellen Lösungen, bei denen der Energieaustausch über Wechselspannung erfolgt, können dadurch auch die Kosten gesenkt werden.
Hierfür soll im Rahmen des Projekts ein DC/DC-Wandler auf Basis moderner Galliumnitrid-Leistungshalbleiter mit einer Schalfrequenz von bis zu 2 MHz entwickelt werden. Diese und weitere Herausforderungen bearbeitet ein Konsortium bestehend aus GKN Hydrogen, Proton Motor Fuel Cell, Würth Elektronik eiSos, Infineon Technologies, der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg und dem Fraunhofer IEE. Die GKN Hydrogen übernimmt federführend die Integration auf Gesamtsystemebene und ermöglicht hierdurch die Industrialisierbarkeit. Das Unternehmen erwartet durch die neuartige Wandlerarchitektur eine deutliche Effizienzsteigerung des Gesamtsystems.
Darüber hinaus optimiert GKN Hydrogen eine neuartige Metallhydrid-basierte Wasserstoff-Speicher-Einheit, in dem die Speicherkapazität erhöht und die Kosten gesenkt werden. Der Metallhydrid-basierte H2 Speicher kann durch höhere Betriebstemperaturen effektiver entladen werden. Gottfried Rier, CTO der GKN Hydrogen: „Durch das Projekt erhalten wir weitere, wichtige Erkenntnisse zum Verhalten unserer Speicher. Im Sinne unserer Philosophie, der kontinuierlichen Verbesserung, fließen diese Erkenntnisse direkt in die Entwicklung neuer Wasserstoff- und Energiespeicherlösungen ein und sind somit Teil unserer Entwicklungsstrategie.“
Dezentrale Brennstoffzellen-System verbessern
Für das optimale Zusammenspiel mit der Metallhydrid-basierten H2-Speicher-Einheit entwickelt die Proton Motor Fuel Cell eine neue Generation von Brennstoffzellen. Die thermischen Verluste aus der Brennstoffzelle werden hier, im Gegensatz zu konventionellen Systemen, genutzt, um den Wasserstoff aus dem Metallhydrid des H2-Speichers zu lösen. Sebastian Goldner (CTO & COO) erklärt: „Durch diesen Ansatz lassen sich die einzelnen Teilsysteme eines solchen dezentralen Brennstoffzellen-Systems kleiner, leichter, effizienter und kostengünstiger herstellen, was eine dringende Voraussetzung für die Nutzung von Wasserstofftechnologien bei kleineren Leistungen darstellt.“
An der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (H-BRS) wird ein flexibles, intelligentes Energiemanagement entwickelt, um die Energieflüsse zwischen elektrischen Energieerzeugern, -speichern und -verbrauchern optimal zu steuern und zusätzlich eine effiziente Nutzung der Systemabwärme zu gewährleisten. „Durch innovative und effiziente Energiemanagement-Algorithmen wird eine optimierte und zuverlässige Betriebsführung bei volatiler regenerativer Primärenergie realisiert“, erläutert Prof. Tanja Clees, Professorin für Ingenieurwissenschaften, mit den Schwerpunkten Ingenieurinformatik, Modellbildung und Simulation.
Zum anderen wird die H-BRS ein skaliertes Labormuster des MHz DC/DC- Wandlers entwickeln, welcher zur DC-Kopplung der unterschiedlichen Energieerzeuger und -speicher erforderlich ist. Prof. Dr. Marco Jung, der die Professur für Elektromobilität und elektrische Infrastruktur mit dem Schwerpunkt Leistungselektronik innehat und die Abteilung Stromrichter und elektrische Antriebssysteme am Fraunhofer IEE leitet, 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, der am Fraunhofer IEE entwickelt wird.“
Ein sehr kompakter DC/DC-Wandler
Das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE konzipiert im Rahmen des Projekts den Demonstrator eines DC/DC-Wandlers mit einer Schaltfrequenz von bis zu 2 MHz, welcher als Schnittstelle zur Anbindung von Brennstoffzelle und Elektrolyseur an das autarke Energieversorgungsystem dient. „Durch die angestrebte sehr hohe Schaltfrequenz wird es möglich, einen sehr kompakten DC/DC-Wandler zu realisieren. Durch die vergleichsweise hohe Systemleistung wird dies jedoch nur durch die Verwendung neuester Technologien in den Bereichen magnetischer Komponenten, Leistungshalbleiter und Controller zu erreichen sein“, erklärt hierzu Dr. Sebastian Sprunck, Gruppenleiter Bauelemente und Messsysteme am Fraunhofer IEE.
Die Würth Elektronik eiSos wird die magnetischen Komponenten, welche für die leistungselektronischen Wandler zur Anbindung der Energiequellen und ‑speicher benötigt werden, entwickeln. „Durch die Verwendung geeigneter magnetischer Materialien und optimiertem Design werden der Materialaufwand und die Verluste der passiven induktiven Komponenten insgesamt minimiert und dadurch ihre Effizienz und Wirtschaftlichkeit erhöht“, sagt Cem Som, VP Würth Electronics Midcom Europe „Dies ist für die angestrebte Leistungsklasse und die notwendigen hohen Schaltfrequenzen besonders herausfordernd.“
Die Infineon Technologies übernimmt die Koordination des Projekts und wird die für die leistungselektronischen Wandler nötige Hochleistungs-Controller-Hardware sowie Leistungstransistoren aus Silizium und Galliumnitrid beisteuern. Im Rahmen des Projekts wird die Firmware der Controller entwickelt und so angepasst, dass sie den Betrieb der Wandler mit Schaltfrequenzen von bis zu 2 MHz ermöglicht. „Eine Hochleistungs-Controller-Hardware mit passender, flexibel für verschiedene Konfigurationen optimierter Firmware in Kombination mit verlustarmen Leistungsschaltern aus Galliumnitrid ermöglicht die Realisierung von sehr effizienten und extrem kompakten leistungselektronischen bidirektionalen Wandlern“, erklärt Dr. Christian Burrer, VP Application Marketing EPIC.
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