Fraunhofer IEE stellt neuartigen Batteriewechselrichter für erneuerbare Arealnetze in Aussicht

Strommast

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Neue Herausforderungen erfordern ein neues Instrumentarium: Mit dem Übergang von der zentralisierten atomar-fossilen Energieerzeugung zu immer höheren Anteilen dezentraler und variabler erneuerbarer Energien sind neue Lösungen für die Bereitstellung von netzunterstützenden Dienstleistungen erforderlich. Das Projekt „Leistungswandler für die robuste und zuverlässige Energieversorgung durch Integration ‚grüner‘ Generatoren“ (Leitning) stellt sich dieser Aufgabe und entwickelt ein Produkt dazu. Der Batteriewechselrichter kann netzunterstützende Funktionen wie Blindleistungsmanagement bereitstellen, ermöglicht den Inselbetrieb, im Netzparallelbetrieb zu arbeiten und verfügt über Schwarzstartfähigkeit.

Ein Konsortium aus Partnern der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg, dem Forschungsinstitut Fraunhofer IEE, den Stadtwerken SWW Wunsiedel, dem Leistungselektronikunternehmen Freqcon GmbH und dem Komponentenlieferanten Sumida Components & Modules GmbH hat sich zusammengeschlossen, um an diesem neuen Typ von Batteriewechselrichtern zu arbeiten. Ausgestattet mit 6,42 Millionen Euro vom Bundeswirtschaftsministerium und mit einer Laufzeit bis Ende März 2024 planen die Partner nach eigenen Angaben die Lieferung eines Stromrichters der die netzdienlichen Anforderungen erfüllt.

Das Konsortium erklärte, es werde während des gesamten Projekts sehr eng zusammenarbeiten, wobei Freqcon die Führung bei der Realisierung der Demonstratorphase des Projekts übernehme. Marco Jung von der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg wird die Leitung der Topologieforschung übernehmen und die Auswahl der Komponenten auf der Grundlage ihrer Eignung für die Aufgaben, die das Gerät erfüllen soll, treffen. Das Fraunhofer IEE ist verantwortlich für die Entwicklung der Hard- und Software sowie für die Realisierung des Labormusters, unter denen die Partner das Gerät testen werden.

Der Halbleiterhersteller Infineon Technologies liefert die Siliziumkarbid-MOSFETs, Sumida kümmert sich um die induktiven Bauelemente. Das Stadtwerk SWW Wunsiedel wird die Entwicklung von Anwendungsfällen aus der Praxis leiten, Netzsimulationen erstellen und die Ergebnisse der Feldtests validieren. Der erfolgreiche Abschluss des gemeinsamen Forschungsprojekts würde eine technische und wissenschaftliche Weltneuheit darstellen. Wenn alle Forschungsziele erreicht werden können, würde der neuartige Leitning-Batteriewechselrichter zu einem wesentlichen Baustein für eine moderne und zuverlässige Stromversorgung werden.

An ein Stromnetz im Normalbetrieb angeschlossen, wird der Wechselrichter netzstützende und netzbildende Regelungen auf Basis von Statoren ermöglichen, wie Marco Jung, Professor für E-Mobilität und elektrische Infrastruktur an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg und Abteilungsleiter Leistungselektronik und elektrische Antriebssysteme am Fraunhofer IEE, pv magazine erklärte. Im Falle einer Störung kann der Wechselrichter in einen unterbrechungsfreien Stromversorgungsbetrieb umschalten und in seiner Umgebung ein Inselnetz bilden, dass sich aus lokalen Erneuerbaren-Anlagen speist. Der geplante Demonstrator wird eine Leistung von 200 Kilowatt haben, wobei Jung weiter erklärte, dass das Batterie- und Wechselrichterkonzept bis in den Multi-Megawattstunden-Bereich skalierbar sein wird.

Die Tests werden sowohl in einer sogenannten Power-Hardware-in-the-Loop-Umgebung im Labor, als auch im Feldversuch am Netz der Stadtwerke Wunsiedel durchgeführt. „Ziel ist es, konventionelle Leistungselektronik mit unserer Neuentwicklung zu vergleichen“, so Jung weiter. „Dazu gehört auch die Erprobung der Steuerungen, denn die derzeit verfügbaren unterbrechungsfreien Stromversorgungssysteme können zwar ein Netz bilden, aber sie können dabei nicht lokal erzeugte erneuerbare Energiequellen einbeziehen und regeln“.

Bei Silizium-Karbid-Halbleitern bietet der Wechselrichter eine Schaltfrequenz von bis zu 200 Kilohertz. Dadurch lassen sich magnetische Bauteile in ihrer Masse reduzieren. Die Projektpartner geben als Ziel für die Leistungsdichte 2,5 Kilowatt pro Kilogramm an, im Vergleich zu den derzeit möglichen 2 Kilowatt pro Kilogramm. Nach der gemeinsamen Ankündigung ermöglicht dies eine Kostenreduzierung vom derzeitigen Industriestandard von 50 bis 90 auf 30 bis 60 Euro pro Kilowatt.

Die dreieinhalbjährige Forschungszeit dient nicht nur der Entwicklung eines Einzweck-Wechselrichters, sondern die aus der Forschung an diesem Produkt gewonnenen Erkenntnisse werden in die zukünftige Forschung zur Technologie erneuerbarer Energien einfließen. Und nicht nur die Netze in Deutschland oder Mitteleuropa werden von dem Ergebnis profitieren, sondern das Fraunhofer IEE gibt an, dass die Industrie mit diesem Projekt auch in der Lage sein wird, die Ambition der Branche zu erfüllen, den Energiezugang und die Infrastruktur in „Entwicklungs- und Schwellenländern“ zu verbessern.

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