Wandler für die Wende

Trotz der Problematik, dass man elektrische Energie mit derzeit noch mit recht hohem Aufwand speichern muss, sind die Vorteile überwäl­tigend. Strom lässt sich sehr fein regeln, lässt sich über weite Distanzen verlustarm transpor­tieren, kann von pA bis kA zur Verfügung gestellt werden und ist nahezu überall verfügbar.

Die in Deutschland verbrauchte Primär­energie teilt sich zu etwa gleichen Anteilen auf in den indus­triellen Energie­bedarf, die privaten Haushalte und den Verkehr. Dabei verbraucht die Industrie die Energie überwiegend für die Prozess­wärme. In Haushalten wird der größte Teil der Energie für Raumwärme aufgewandt sowie zunehmend zur Kühlung. Und im Verkehr wird nahezu hundert Prozent des Energie­verbrauchs für den Antrieb der Fahrzeuge eingesetzt.

Isolationen für DC/DC-Wandler, AC/DC-Netzteile und bidirektionale Stromrichter (DC/DC; Bild: CMC)

Primärenergie (Wärme, Elektrizität) wird heute noch nahezu ausschließlich aus Kohle, Erdöl und Erdgas gewonnen. Auch die gesamte Basislast-Versorgung an elektrischen Strom wird entweder durch Kohle und Erdöl erzeugt oder in Kern­kraft­werken, die jedoch in Deutsch­land eine über­schau­bare Rest­lauf­zeit haben.

Um die Erderwärmung zu begrenzen wird vor allem der Anteil der elektrisch verwendeten Primär­energie zunehmend durch regene­rative Quellen ersetzt werden müssen. Dass dies heute schon möglich ist, zeigen vor allem Hundert­tausende von Haus­halten, die bereits über Solar­anlagen und elektrische Energie­speicher verfügen. So können zum Beispiel mit Hilfe von elektrisch betriebenen Wärmepumpen sehr effizient die Energieträger Erdöl und Erdgas zur Wärme­erzeugung substituiert werden.

Regenerative Energie wird in Norwegen nahezu ausschließ­lich aus Wasser­kraft gewonnen. Ein Szenario, das im dicht­besiedelten Deutsch­land unmöglich zu realisieren ist. Hierzu­lande ist es eher der Energiemix aus solarer Energie, Windkraft, Biomasse und einer großen Anzahl größere und kleinerer Wasser­kraft­werke.

Fast allen Quellen erneuerbarer Energie eigen ist der Umstand, dass der produzierte elektrische Strom zunächst gleich­gerichtet wird, um ihn dann frequenz­mäßig (50 Hz) ans Netz angepasst einspeisen zu können. Dem gegenüber steht eine immer größere Anzahl gleichstrom­betriebener Energie­abnehmer.

DC/DC und DC/AC Wandler werden Schlüssel­komponenten im Strom-Mix

Möchte man Gleichstrom oder nicht netzfrequenz-konformen Wechselspannungen einspeisen, benötigt man Umrichter, Wechsel­richter, Schalt­netzteile und Spannungs­umrichter. Diese Wandler setzen DC in AC und passen dabei auch Spannungs­niveaus an. Besonders bidirek­tionalen Wandlern kommt eine bedeutende Rolle bei der Speicherung und Rück­speisung von elektrischer Energie aus Batterien (DC/AC- und AC/DC-Wandler) zu.

Die Anzahl von solchen elektronischen Spannungs­wandlern wird in den nächsten Jahren sprunghaft zunehmen. Vor allem, wenn sich die Idee durch­setzen sollte, das neben den traditio­nellen Hoch­spannungs­verteilnetzen ein MVDC oder LVDC-Stromnetz eingesetzt wird. Mit Wirkungs­graden bis zu 99 Prozent sind gerade die DC/DC Wandler enorm effizient, so dass z.B. Verluste beim Umsetzen vom Mittel­spannungs-Verteil­netz auf das lokale Nieder­spannungs-Gleich­strom­netz minimiert werden können. Größere Industrie­anlagen, kommunale Einrich­tungen wie Krankenhäuser, ganze Rechenzentren oder Wohnblocks mit Solaranlagen-Technik (Stichwort Gebäude­automation) könnten so direkt mit einer Gleich­spannungs­schiene von z.B. 380 VDC versorgt werden. Zum Beispiel unter­brechungs­freie Strom­versor­gungen (USVs) ließen sich auf diese Weise leicht integrieren und tatsächlich unter­brechungs­frei zuschalten.

Da viele elektrische Geräte intern mit Gleich­spannung arbeiten, entfielen viele verlust­behaftete Transfor­mationen von Wechsel­spannung zu Gleich­spannung. Man denke nur an Rechen­zentren mit Hunderten individueller AC/DC Netzteilen. Ganz allgemein geht man von Energie­einsparungen von mindestens zehn bis fünfzehn Prozent aus.

Doch auch ohne diese Gleichstrom-Spannungsebene in einem noch zu schaffenden regionalen Verteilnetz (Smart-Grid; Micro-Grids) werden zunehmend DC/DC-Wandler benötigt. In Mild-Hybrid-Fahrzeugen werden zunehmend 48 VDC eingesetzt. Dieses Spannungs­niveau fällt noch unter die Klein­spannungs­regelung, erlaubt jedoch bereits mittlere Leistungen ohne zu große Leitungs­quer­schnitte (Gewicht). Auch bei voll­elek­trischen Fahr­zeugen mit Hochvolt­batterie wird es Komponenten geben, die mit der wesentlich weniger kritischen Klein­spannung von 48 VDC betrieben werden, etwa die Klima­anlage oder Assistenz­systeme.

Ein weiterer Einsatzbereich von DC/DC-Wandlern werden die in immer mehr Haushalten instal­lierten Solar­anlagen mit Energie­speicher. Tagsüber wird der produzierte Strom in die Batterie eingespeist und in Zeiten mit geringer Quell­leistung (z.B. nachts) wird die gespeicherte Energie wieder abgegeben – in beiden Fällen sorgen Wandler für die richtige Spannungs­anpassung.

Die früher häufig eingesetzten 50-Hertz-Transfor­matoren wären bei heutigen Leistungs­anforderungen in vielen Fällen zu groß. Über eine höhere Taktfrequenz bis zu einigen zig Kilohertz lässt sich das magnetische Bauteil „Transformator“ deutlich verkleinern. Mit modernen elektronischen Schaltern aus Silizium­karbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) kann die Frequenz nochmals erhöht werden. Dennoch sind der Miniatu­risierung Grenzen gesetzt. Immer kleinere Bauformen bedeuten eine immer höhere Energie­dichte und damit Erwärmungs­probleme.

Neben der Möglichkeit, mit einer aktiven Kühlung die Entwärmung zu verbessern, kann auch der Einsatz höher­wertiger Bauteile und Isolationen eine Möglich­keit darstellen, einen zuverlässigen Betrieb zu sichern.

CMC Klebetechnik hat hierfür neben den üblichen Polyester-Klebe­bändern der Wärme­klasse B (130°C Dauer­betriebs­temperatur, z.B. CMC 10260) auch Klebebänder für 155°C (Klasse F) und 180°C (Klasse H) im Programm. Da die Wärme­alterung eine der Größen ist, die am stärksten die Isolations­fähigkeit begrenzt, kann man mit Isolations­klebebändern einer höheren Wärme­klasse eine längere sichere Betriebsdauer bewerkstelligen. (Quelle: CMC)

Link: CMC Klebetechnik GmbH, Frankenthal

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