Energiespeicherung
Aufgrund der steigenden Nachfrage nach schnell verfügbarem Strom bemühen sich die Gemeinden um eine verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien, häufig in einer synergetischen Beziehung mit bestehenden und neuen Technologien für Energiespeichersysteme (ESS). Wind- und Solarenergie in Kombination mit Lithium-Ionen-Batterieanlagen ist eine der am schnellsten wachsenden Lösungen, wobei ESS ein wesentlicher Bestandteil dieser Systeme ist.
Der Marktausblick
Ab März 2019 bieten die beiden größten in Betrieb befindlichen Batteriespeicher in den Vereinigten Staaten (USA) jeweils 40 MW an Stromkapazität: Das Batteriespeichersystem der Golden Valley Electric Association in Alaska und das Speichersystem von Vista Energy in Kalifornien.
In den USA gibt es 16 in Betrieb befindliche Batteriespeicherstandorte mit einer installierten Leistung von 20 MW oder mehr. Von den 899 MW installierter Batteriespeicher in Betrieb, die von den Bundesstaaten im März 2019 gemeldet wurden, entfällt etwas weniger als die Hälfte auf Kalifornien, Illinois und Texas. Kalifornien liegt mit 230 MW mit Abstand an der Spitze. Siehe Abbildung 1, rechts.
Im Januar 2020 kündigte der US-Energieminister Dan Brouillette ein umfassendes Programm zur Beschleunigung der Entwicklung von Energiespeichertechnologien der nächsten Generation an, das den USA eine weltweite Führungsposition verschaffen würde.
Lux Research berichtet, dass der globale Energiespeichermarkt bis zum Jahr 2035 auf 546 Milliarden US-Dollar anwachsen wird. Einer der größten Märkte wird wahrscheinlich die Energiespeicherung in Privathaushalten sein, mit einer erwarteten durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 76 % und einer Umsatzsteigerung von 8 Mrd. USD in den nächsten drei Jahren.
Abbildung 1: US-Batteriespeicherkapazität in MW (Bild von der US Energy Information Administration)
Warum brauchen wir Energiespeicher?
Die Energieverbraucher werden schnell zu aktiven Stromerzeugern und verlangen gleichzeitig saubere, zuverlässige und erschwingliche Energie.
Der Wandel der modernen Energieerzeugung und des Energieverbrauchs wird durch drei starke Trends vorangetrieben: die erschwinglicheren dezentralen Energietechnologien, die Dekarbonisierung des weltweiten Stromnetzes durch die Integration von mehr erneuerbaren Energiequellen und das Aufkommen der digitalen Technologien.
Batteriespeicherlösungen bieten neue Anwendungsflexibilität und eröffnen neue Geschäftsmöglichkeiten in der gesamten Energiewertschöpfungskette, von der konventionellen Stromerzeugung, -übertragung und -verteilung, über erneuerbare Energien bis hin zu Industrie und Gewerbe. Die Energiespeicherung ermöglicht vielfältige Anwendungen, darunter die Stabilisierung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien, die Stabilisierung des Stromnetzes, die Steuerung des Energieflusses, die Optimierung des Anlagenbetriebs und die Schaffung neuer Einnahmequellen.
Für die Entwickler erneuerbarer Energien bietet die Energiespeicherung eine schnellere Alternative zu einem Stromabnahmevertrag (PPA), der eine Vorlaufzeit von einem Jahr oder mehr haben kann. Für Versorgungsunternehmen ist die Energiespeicherung angesichts der zunehmenden dezentralen Stromerzeugung von Bedeutung. Die Energiespeicherung kann den Entwicklern erneuerbarer Energien dabei helfen, die Dispatchability und Vorhersagbarkeit der erneuerbaren Energien zu erhöhen und die strengen Vorschriften und Anschlussgenehmigungen zu erfüllen.
Verwendung herkömmlicher Si-Leistungsbauelemente in ESS
Der Entwurf von bidirektionalen Hochleistungswechselrichtern mit Silizium-Leistungstransistoren führt zu einer geringeren Systemleistung mit hohen Leitungs- und Schaltverlusten. Der Wirkungsgrad leidet, es ist mehr Kühlung erforderlich und es wird mehr Platz auf der Leiterplatte benötigt als bei der Verwendung von Wide Bandgap (WBG)-Bauteilen wie Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC).
Niedrigere Betriebsfrequenzen erfordern größere Filterinduktoren und -kondensatoren, was zu höheren Kosten, höherem Gewicht und größerem Volumen in der Konstruktion führt. Erhöhte Induktionsverluste verringern auch die Effizienz.
WBG Power Devices bieten die besten Energiespeicherlösungen
GaN-Leistungstransistoren
Ein gutes Beispiel für ein verteiltes Energiespeichergerät (DESD) ist ein isolierter bidirektionaler Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler mit 650-V-GaN-Transistoren. Der DESD umfasst einen 13,2-V-Niederspannungs-Li-Ionen-Akkupack, einen eingebetteten bidirektionalen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler und ein drahtloses Kommunikationssystem. Diese drei Teile können zusammen verpackt werden, so dass sie direkt an das Hochspannungsnetz (380 V) angeschlossen werden können. Dies ermöglicht einen modularen Ansatz für Batteriespeichersysteme. Zwei 650-V-GaN-Transistoren im Anreicherungsmodus werden auf der Hochspannungsseite verwendet. Ein 400V zu 12V DC (z.B. Hilfsstrom), 1kW Konverter für 1kWh DESD ist in Abbildung 2, rechts, dargestellt.
GaN-Leistungsbauelemente ermöglichen eine deutliche Verbesserung gegenüber einem Si-Bauelement. GaN-Transistoren verbessern die Leistung, indem sie den Betriebsbereich bis hin zur Leichtlast erweitern, Schaltverluste und EMI verringern und die Gesamteffizienz des Lade- und Entladevorgangs erhöhen.
Ein Halbbrückendesign mit Mittelabgriff und aktiver Klemmendstufe kann erhebliche Vorteile bei der bidirektionalen Leistungsumwandlung im Niederspannungs- und Hochstrombereich bieten. Siehe Abbildung 3 (rechts).
GaN-Leistungsschalter erweitern auch den sicheren Betriebsbereich (SOA) und erhöhen den Wirkungsgrad gegenüber Si-Bauteilen. GaN-Bauelemente erreichen diese verbesserte Leistung gegenüber Si-Bauelementen aufgrund der kleineren COSS-Kapazität, die geringere Abschaltverluste ermöglicht; dies kann den Betrieb des Wandlers in einem harten Schaltmodus ermöglichen. Außerdem sind die Rückerholungszeit und die Rückerholungsladung der Body-Diode in einem GaN-Bauelement nahezu gleich Null, was die Abschaltzeit verkürzt, wenn die Schalter auf der Hochspannungsseite im Gleichrichtungsmodus arbeiten.
SiC-Leistungstransistoren
Die Siliziumkarbid (SiC)-Technologie bietet eine weitere hervorragende Leistungsverbesserung gegenüber Si im Kern von ESS-Lösungen. SiC-Leistungshalbleiterlösungen ermöglichen einen um mindestens 50 % höheren Wirkungsgrad als Si und können problemlos höhere Spannungen im Netzbereich verarbeiten. Die Systemebene gewinnt durch die Effizienz, die Leistungsdichte und die schnelle Schaltgeschwindigkeit, die SiC-Leistungsbauelemente bieten, zusätzliche Leistung.
Verwendung eines SiC-Moduls: Um hohe Schaltgeschwindigkeiten bei geringen Schaltverlusten zu erreichen, kann ein Gehäuse entworfen werden, das sowohl für das Modul als auch für das Stromschienendesign auf Systemebene eine geringe Streuinduktivität aufweist.
Die Stromschleifen in den Wolfspeed-Modulen sind breit und flach und sorgen für eine gleichmäßige Verteilung zwischen den Geräten, was zu äquivalenten Impedanzen in einer Schalterposition führt. Die Leistungsanschlüsse des Moduls sind außerdem vertikal versetzt. Dies ermöglicht die Entwicklung einer einfachen Busverbindung zwischen den DC-Link-Kondensatoren und dem Modul, die bis zum Modul laminiert ist, ohne dass Biegungen, Prägungen, Abstandshalter oder eine komplexe Isolierung erforderlich sind. Das Ergebnis ist eine Streuinduktivität der Leistungsschleife von nur 6,7 nH bei 10 MHz - wie im Referenzdesign des XM3-Wechselrichters gezeigt. Siehe Abbildung 4, rechts.
Mit der Hälfte des Gewichts und des Volumens eines 62-mm-Standardmoduls maximiert die XM3-Leistungsmodulplattform von Wolfspeed die Leistungsdichte (bis zu 450 A) bei gleichzeitiger Minimierung der Schleifeninduktivität und Ermöglichung eines einfachen Power-Busses. Siehe Abbildung 5, rechts.
Das SiC-optimierte Gehäuse des XM3 ermöglicht einen kontinuierlichen Sperrschichtbetrieb bei 175 °C.
Energiespeichersysteme sind für den schnell wachsenden weltweiten Markt für erneuerbare Energien von entscheidender Bedeutung. Die Verwendung von Silizium-Leistungsbauelementen in einem solchen Design wird der Größe, dem Gewicht und der Leistung dieser Systeme nicht gerecht, verglichen mit der Verwendung von WBG-Bauelementen, die auch die Effizienz erheblich verbessern und mit höheren Spannungen arbeiten.
Abbildung 2: Aufbau eines 380-V-Gleichstrom-Mikronetzes mit verteilten Energiespeichern (DESD) und verteilten erneuerbaren Energiequellen (DRER) (Bild aus Referenz 1)
Abbildung 3: Eine Halbbrücken-Architektur mit Mittelabgriff, die einen aktiven Klemmwandler verwendet und GaN-Transistoren als Leistungselement auf der Hochspannungsseite einsetzt (Bild aus Referenz 1)
Abbildung 4: Seitenansicht des XM3-Moduls mit nicht planaren Stromkabeln (Bild von Wolfspeed)
Abbildung 5: Ein dreiphasiges Wechselrichter-Bussing-Layout (Bild von Wolfspeed)
Referenzen
- Distributed Energy Storage Device Based On A Novel Bidirectional DC-DC Converter With 650V GaN Transistors, Fei Xue, Ruiyang Yu, Wensong Yu, Alex Q. Huang, FREEDM Systems Center, North Carolina State University, IEEE 2015.
