Kampf den Verlusten: Leistungselektronik für Energiespeicher

Mit Hilfe von hocheffizienten und kompakten leistungselektronischen Wandlern kann die Effizienz von Speichersystemen – insbesondere im Teillastbereich- gesteigert werden.

Im Zuge der Energie- und Verkehrswende haben Energiespeichersysteme in den vergangen Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. Speichersysteme, unabhängig von ihrer Technologie, werden in Zukunft zum einen für die Kompensation der fluktuierenden Einspeisung durch erneuerbare Energie hin zu einer regenerativen Vollversorgung eine zentrale Rolle spielen. Zum anderen gewinnen sie durch die Elektromobilität an Bedeutung. Passende Leistungselektronik für Energiespeicher ist dabei eine zentrale Komponente- sowohl zur Aufbereitung der elektrischen Energie als auch zur Systemintegration in ein immer komplexeres und intelligenteres Energie- und Verkehrssystem.

Energiespeicher werden in fünf unterschiedliche Klassen eingeteilt. Zu den Klassen gehören die mechanischen, die chemischen, die elektrochemischen, die elektrischen und die thermischen Speicher. Damit die Energie in Form von Strom zunächst gespeichert und dann wieder abgegeben werden kann, bedarf es einer elektrischen Anbindung, die die Stromflüsse und damit die Leistungsaufnahme  und -abgabe kontrolliert. Realisiert werden diese Anbindungen, je nach Art und Größe des Energiespeichers, etwa über große elektrische Maschinen (Generatoren und Motoren), wie beispielsweise bei Pumpspeicherkraftwerken bis hin zu kleinen elektrischen Wandlern, wie man sie bei Mobiltelefonen oder Laptops in Form von Netzteilen findet.

Der wohl bekannteste und am weitesten verbreitete Energiespeicher im Alltagsleben gehört zu der Klasse der elektrochemischen Speicher mit der Lithium-Ionen Technologie. Dieser Speichertyp existiert heutzutage in verschiedensten Größen: beginnend bei einer Kapazität von einigen Wattstunden (Mobiltelefone, Laptop etc.) über Kilowattstunden (Elektromobilität, Photovoltaik-Eigenverbrauchssysteme) bis hin zu Megawattstunden (stationäre Großspeicher). Diesen Anwendungen ist gemein, dass am Ausgang des Speichers ein ladezustandsabhängiges Gleichspannungsniveau vorliegt. Je nach Zusammenschaltung der Batteriezellen bzw. Batteriemodule reicht dieser Spannungsbereich, abhängig von der Applikation, heutzutage von wenigen Volt bis zu 1000 V_DC. In Zukunft wird diese Schwelle noch weiter ansteigen und bei einer Ausgangspannung von 1500 V_DC vorerst ihr Maximum erreichen.

Die Gleichspannung am Ausgang des Speichers erreicht bei einer Vollladung ihr Maximum und strebt mit abnehmendem Ladezustand gegen ihr Minimum. Für die entsprechende Endanwendung, welche in der Regel eine konstante Spannung benötigt, muss die elektrische Energie des Speichers durch eine Umformung angepasst werden. Damit dies möglichst verlustfrei erfolgt und die Steuerung der Leistungsflüsse gewährleistet werden kann, werden leistungselektronische Wandler benötigt.

Bei der Anbindung von Speichern spielt der Wirkungsgrad der Leistungselektronik eine zentrale Rolle, da dieser einen großen Einfluss auf Performance und Kosten haben kann. Im mobilen Bereich kommen als wichtige Kriterien noch Leistungsgewicht und Leistungsdichte hinzu. Verdeutlicht werden kann dies anhand zweier einfacher Beispiele.

Nehmen wir ein typisches Photovoltaik-Eigenverbrauchssystem mit einer Kapazität von 5 kWh an, mit dem der zu Hause erzeugte Solarstrom zwischengespeichert wird. Die dazugehörige Leistungselektronik würde bei einer Kapazität von 5 kWh typischerweise auf eine Nennleistung von 3 kW dimensioniert werden. Der Wirkungsgrad dieser Systeme liegt nach Datenblattangaben meist bei über 95 %. Diese Angabe bezieht sich i.d.R. auf den optimalen Arbeitspunkt des Systems- aber das Problem dabei ist, dass die Systeme häufig in ihrem Teillastbereich arbeiten. Betrachtet man die typische Grundlast (z.B. Kühlschrank, Tiefkühltruhe und Standby-Verbraucher) eines Eigenheims, die mit dem Batteriespeicher abzudecken wäre, beträgt diese über die Hälfte des Jahrs gesehen weniger als 200 Watt.  Gute Batteriespeichersysteme mit einer Nominalleistung von 3 kW arbeiten aber bei 200 W bei einem deutlich niedrigeren Wirkungsgrad, i.d.R. deutlich unterhalb von 70 %. Bei einem schlechten System kann der Wirkungsgrad jedoch auf weniger als 50 % sinken. In unserem Beispiel würde das bedeuten, dass, um die 200 Watt Grundlast zu Verfügung zu stellen, 400 Watt aus dem Speicher bereitgestellt werden müssten. Über ein halbes Jahr und bei einem Strompreis von 0.30 €/kWh ergibt sich somit eine Summe von ca. 260 Euro für die Energie, die durch die Wandlungsverluste im elektrischen Pfad verloren geht. Neben dem rein ökonomischen Verlust wird dabei auch die Nutzung des wertvollen PV-Stroms verworfen. Effizienzoptimierte Betriebsweisen tragen teilweise schon heute dazu bei, die Verluste im Teillastbereich durch intelligente Algorithmen zu minimieren.

Das angeführte Beispiel lässt sich auch in den Bereich der Elektromobilität übertragen. Je mehr Wandlungsverluste zwischen der Batterie und dem eigentlichen Antrieb entstehen, desto weniger Reichweite steht im Endeffekt  zur Verfügung. Hierbei sollte jedoch betont werden, dass dieser Effekt für den Endkunden gegenüber dem eigentlichen Verhalten der Batterie, sprich Kapazitätseinbußen je nach thermischen Außenbedingungen, bisher eine untergeordnete Rolle spielt. Im Bereich der Elektromobilität sind vor allem Leistungsdichte (Watt/Liter) und Leistungsgewicht (Watt/Kilogramm) für die Leistungselektronik entscheidend.

Am Fraunhofer ISE liegt der Forschungsschwerpunkt der Abteilung »Umrichtersysteme für Photovoltaik, Speicher und Elektromobilität« auch deshalb vor allem auf hocheffizienten und kompakten leistungselektronischen Wandlern. Diese kommen bereits heute in kommerziellen Produkten zum Einsatz. Dabei liegt ein Hauptaugenmerk auch auf der Steigerung der Effizienz im Teillastbereich. Darüber hinaus kommen neueste Halbleitertechnologien wie Siliciumkarbid und Galliumnitrid in Verbindung mit innovativen Schaltungstopologien zur Steigerung der Leistungsdichte zum Einsatz. Durch neue Aufbau-, Kühlungs- und Verbindungstechnik lässt sich zusätzlich der Kompaktheitsgrad der Leistungselektronik steigern.

Wir wollen durch unsere Forschungsaktivitäten auf diesem Gebiet einen wichtigen Beitrag zu einer breiteren und wirtschaftlicheren Nutzung von stationären und mobilen Batteriespeichern leisten. Diese sind für das Gelingen der Energiewende im Stromsektor sowie die Einbindung der Mobilität in ein intersektorales, erneuerbares Energiesystem unabdingbar.

Übrigens: Bei dem dargestellten Beispiel des Eigenverbrauchsystems ergibt sich bei einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von 70 %, umgerechnet auf alle installierten Systeme in Deutschland (ca. 60000*) ein Energieverlust von 22.1 GWh, was bei einem durchschnittlichen Verbrauch eines vierköpfigen Haushalts von ca. 4 MWh im Jahr ca. 5.500 Haushalten entspricht, welche mit der verlorenen Energie versorgt werden könnten**.

*Quelle: Speichermonitoring Jahresbericht 2017, ISEA RWTH Aachen

** 4300 h x (200 Watt x (100 % / 70 %) – 200 Watt) x 60000 = 22.1 GWh / 4 MWh ~ 5.500

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