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MicroGrids im Fokus

(Quelle: Mouser Electronics)

Ich bin kein Überlebenskünstler und meine Bemühungen, den Planeten zu retten, sind im Großen und Ganzen ziemlich unbedeutend. Es scheint jedoch immer attraktiver zu werden, sich von den nationalen Stromnetzen unabhängig zu machen, deren Energie häufig aus nicht nachhaltigen Quellen stammt. Das ist zunächst einmal ein ganz uneigennütziger Beweggrund. Aber für die Unabhängigkeit vom Stromnetz sprechen auch mögliche Kostenvorteile – und natürlich auch Umweltvorteile – sowie die Sicherheit, dass ich bei einem Stromausfall meine Blogs weiterhin mit der Tastatur und nicht mit einem Stift schreiben kann. In diesem Kontext ist derzeit der Begriff MicroGrid in aller Munde. Dabei kann es sich um eine universelle Stromversorgung (USV) oder eine Miniaturversion des nationalen Stromnetzes mit einer eigenen lokalen Energiequelle handeln, z. B. Solar-, Wind- oder Wasserkraft, oder einer alten Auto-Lichtmaschine, die mit einem Heimtrainer und lokalen Verbrauchern wie Beleuchtung, Heizung und Lüftung oder einem Laptop vernetzt wird, mit dem ich einen Blog schreiben kann. Es wäre in jedem Fall eine tolle Sache, wenn ich mit der am Heimtrainer aufgewendeten Energie fit werden, abnehmen und dazu noch Blogs schreiben könnte.

Die Terminologie ist eine Spielwiese für Marketingleute: Ein NanoGrid mit einem am Rucksack befestigten Solarpanel, das beispielsweise ein Mobiltelefon auflädt, ist zwar eine interessante Idee, doch so genannte MicroGrids sind derzeit ein wesentlich wichtigeres Thema und sie entwickeln sich zu einem großen Markt, der laut einer Analyse bis 2025 ein weltweites Volumen von 47 Milliarden US-Dollar haben wird. Die meisten Installationen sind für Privathaushalte ausgelegt, wobei die Solarenergie in der Regel nur in das örtliche Wechselstromnetz eingespeist wird und die Stromrechnungen ein wenig reduziert. Komplexere Systeme umfassen eine Batterie, die nachts billigen Strom liefert oder tagsüber überschüssigen Solarstrom speichert. Solche Systeme können sogar Energie in das öffentliche Netz einspeisen, wobei über eine Einspeisevergütung ein gewisser Betrag zurück aufs Konto der Besitzer fließt. Darüber hinaus kann die Batterie den gesamten nächtlichen Strombedarf decken, wenn die Solarpanels nach Einbruch der Dunkelheit keinen Strom mehr produzieren und sie kann natürlich auch als Notstromaggregat dienen.

Die potenziellen Vorteile für die Umwelt, die Kosteneinsparungen und die Fähigkeit, den Betrieb im Falle eines Stromausfalls aufrechtzuerhalten, sind die wichtigsten Faktoren für das Interesse an MicroGrid-Installationen. Entscheidend für die Akzeptanz ist jedoch eine effiziente Leistungsumwandlungselektronik. Diese wird durch den zunehmenden Einsatz von Halbleitern mit breiter Bandlücke ermöglicht. In diesem Beitrag befassen wir uns mit Halbleitern mit breiter Bandlücke auf der Basis von Siliziumkarbid oder Galliumnitrid, die eine mögliche Lösung darstellen, um MicroGrids energieeffizient zu gestalten.

Energieverbrauch und -einsparungen mit MicroGrids optimieren

Installationen für Elektrofahrzeuge

Viele Menschen, die ein Elektroauto besitzen, machen sich Gedanken über das Ladesystem. Das eigentliche Ziel ist es, Energie zu sparen, daher ist die Nutzung lokaler erneuerbarer Energien in einem MicroGrid durchaus im Sinne der Sache. Die Batterie eines Elektroautos ist während des Ladevorgangs ein wichtiger Verbraucher. Daher nutzt ein sorgfältig konzipiertes System für den Ladevorgang zuerst die überschüssige lokale Energie und erst an zweiter Stelle die Energie des Stromversorgers, und zwar zum günstigsten Zeitpunkt. Aber wenn man bereits unabhängig vom Netz ist und mit dem Auto nicht weit bzw. häufig fährt, bleibt es häufig auch für längere Zeit ungenutzt stehen. Wenn das Elektroauto dann an das Ladegerät angeschlossen ist, kann es in Spitzenzeiten einen Teil der vorhandenen Energie in das öffentliche Netz einspeisen und somit zur Abdeckung von Lastspitzen beitragen. Die Energieversorgungsunternehmen bezahlen Sie dafür! Dabei sollten Sie jedoch berücksichtigen, dass Sie ein bidirektionales Ladegerät benötigen.

MicroGrid-Installationen als Nachbarschaftsprojekt

MicroGrids können auch für die Versorgung von Nachbarschaften oder Wohnvierteln mit einer unabhängigen Stromquelle genutzt werden, wobei der Strom zwischen den einzelnen Haushalten verteilt und erfasst wird. Diese können bereits an das Stromnetz angeschlossen sein, können aber auch völlig autonom sein, wenn das Stromnetz weit entfernt ist oder einfach nicht zur Verfügung steht, wie z. B. in Entwicklungsländern.

Größere MicroGrid-Installationen

Größere Einrichtungen können ebenfalls die Vorteile von MicroGrids nutzen. Krankenhäuser, Rechenzentren, Fertigungsanlagen und Militäranlagen profitieren von der Widerstandsfähigkeit gegen Stromausfälle, kostengünstigeren lokalen Stromquellen und zunehmend auch von der Sicherheit vor Cyberangriffen über das Netz. Bei diesen MicroGrid-Implementierungen ist es wichtig, das System intelligent zu gestalten, damit sich die Investition so schnell wie möglich amortisiert. Die Installation erzielt die beste Performance, wenn der Betrieb des MicroGrids mit standortweiten Effizienzinitiativen, wie dem industriellen Internet der Dinge (IIoT) in Fertigungsbetrieben, integriert wird. Wenn alle Komponenten optimiert, miteinander vernetzt und in der Lage sind, Ausfälle zu kompensieren, sorgt das nicht nur für eine bessere Produktivität, sondern optimiert auch die Energie- und Kostenbilanz.

MicroGrids müssen effizient sein

Wenn es überhaupt einen Nachteil von MicroGrids gibt, dann ist es die Notwendigkeit verschiedener Leistungsumwandlungsstufen, wie sie in DC-AC-Solarwechselrichtern und Reglern zur Nachführung des maximalen Leistungspunkts, bidirektionalen Batterieladegeräten und AC-AC-Wandlern für Windturbinen zum Einsatz kommen. Da das Ziel darin besteht, Energie und damit Kosten zu sparen, sollten diese Umwandlungsstufen so effizient wie möglich gestaltet werden. Dabei gibt es jedoch einen historischen Kompromiss. Bei der auf IGBTs basierenden Energieumwandlung mit älterer Technologie werden Switch-Mode-Techniken eingesetzt, die mit relativ niedriger Frequenz arbeiten. Dadurch bleibt zwar der Wirkungsgrad hoch, aber durch die niedrigen Frequenzen werden entsprechend große zusätzliche Komponenten benötigt, insbesondere Transformatoren und Filterinduktoren, die sehr teuer sind. Durch schnelleres Schalten können Magnete verkleinert werden. Hierbei arbeiten geeignete MOSFET-Komponenten ziemlich effizient, allerdings nur bei relativ geringer Leistung. Für eine USV für den Privathaushalt ist das ok, aber in größeren Installationen stoßen die MOSFET-Wandler an ihre Grenzen.

SiC- und GaN-Halbleiter mit breiter Bandlücke

Die Lösung ist eine neue Klasse von Halbleitern mit breiter Bandlücke, bei denen als Basismaterial Siliziumkarbid oder Galliumnitrid zum Einsatz kommt. Diese Halbleiter schalten unglaublich schnell, so dass die Frequenzen erhöht und die Magnete klein und kostengünstig gehalten werden können. Die Verluste bleiben dennoch außerordentlich gering, so dass die Kühlung kleiner, leichter und natürlich auch kostengünstiger gestaltet werden kann. SiC- und GaN-Bauelemente können problemlos parallel geschaltet und in Kaskodenanordnungen für mehrere Hundert Ampere und KV gestackt werden, so dass sie mit IGBTs auf fast jeder Leistungsebene konkurrieren können.

Dezentralisierung

Die Dezentralisierung der Stromerzeugung ist ein unbestreitbarer Trend. Sie nutzt die lokalen erneuerbaren Energiequellen optimal, erhöht die Ausfallsicherheit und senkt die Gesamtkosten für die Verbraucher. Und da immer mehr Menschen von zu Hause aus arbeiten, ist es auch eine Priorität, dass ihre Laptops zu Hause mit Strom versorgt und produktiv genutzt werden können. Für die praktische Umsetzung solcher Lösungen ist die Halbleiterschalter-Technologie mit breiter Bandlücke ein entscheidendes Element.

Fazit

 Angesichts vielversprechender Möglichkeiten für die optimale Nutzung lokaler erneuerbarer Energien sowie aufgrund von Kostenvorteilen, Unabhängigkeit, Widerstandsfähigkeit und Sicherheitsaspekten haben sich inzwischen viele Nutzer für MicroGrids entschieden. Es wird erwartet, dass der MicroGrid-Markt bis 2025 ein Volumen von rund 47,4 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Allerdings sind MicroGrids nicht automatisch energieeffizient oder wirtschaftlich. Das hängt ganz entscheidend von den verwendeten Komponenten ab. Halbleiter mit breiter Bandlücke bieten hier eine Lösung, denn SiC- und GaN-Halbleiter mit breiter Bandlücke zeichnen sich durch extrem schnelles Schaltverhalten und geringe Verluste aus, können parallel geschaltet und gestackt werden und dadurch mit IGBTs auf nahezu jedem Leistungsniveau konkurrieren.