Während die Welt darum kämpft, den katastrophalen Klimawandel zu verhindern, wurde die Stromerzeugungsindustrie als der wichtigste Bereich zur Reduzierung der CO2-Emissionen anerkannt. Daher haben mehr als die Hälfte der US-Bundesstaaten Richtlinien für erneuerbaren Strom erlassen, darunter einige der größten Staaten wie Kalifornien, Texas und New York, und die Richtlinie der Europäischen Union für erneuerbare Energien hat ähnliche Ziele festgelegt. Insbesondere aufgrund der Intermittivität und Variabilität von Windenergie und Solarenergie stellt die Integration erneuerbarer Energiequellen für Stadtwerke eine immer größere Herausforderung dar.
In den letzten zehn Jahren sind die Kosten für Wind- und Solarenergie stark gesunken. In vielen Fällen haben sie einen Wettbewerbsvorteil gegenüber fossilen Brennstoffen, insbesondere wenn sie im Netzmaßstab eingesetzt werden. Auch gewerbliche und industrielle Installationen sind äußerst wirtschaftlich, wie die Tatsache zeigt, dass Unternehmen wie Wal-Mart, Target und Amazon eine große Anzahl von Solarmodulen in Lagerhallen und Einzelhandelsstandorten platziert haben. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Offshore-Windenergie und der nicht ortsfesten Solarpanel-Technologie erweitern sich auch die Einsatzmöglichkeiten der erneuerbaren Energien.
In Verbindung mit der ständig wachsenden Solarkapazität von Wohngebäuden besteht eine weitere Herausforderung für Versorgungsunternehmen darin, dass die Integration dezentraler Energie nicht unter ihrer Kontrolle steht. Einige Staaten erlegen verbindliche Vorschriften über die Nettomessung oder die Einspeisegebühren für den von den Zählern erzeugten Strom auf, was die Komplexität erhöht und die Einnahmen der Versorgungsunternehmen beeinflusst.
Eine weitere große Herausforderung hängt ebenfalls mit dem Klimawandel zusammen: die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Netzinfrastruktur. Die jüngsten Waldbrände in Kalifornien und der Bankrott von PG&E sind erste Anzeichen dafür, wie sich extremes Wetter und der Klimawandel auf das Stromnetz auswirken werden. PG&E führt bereits jetzt präventive große Stromausfälle durch, um Geräte, Kunden und Wälder zu schützen.
Eine weitere Ressource, die dieser Kombination hinzugefügt wird, ist die Energiespeicherung. Energiespeicher können viele Formen annehmen, darunter Pumpspeicher, große Schwungräder, Unterwasser-Druckairbags und sogar Kräne, die riesige Betonblöcke heben. Viele dieser Optionen erfordern eine großflächige Konstruktion, um Kosten zu sparen, oder erfordern sehr spezifische geografische Merkmale.
Die bekannteste und am schnellsten wachsende Energiespeichertechnologie sind Batterien. Batterien sind hoch skalierbar und können vom Haushaltsmaßstab bis zum Kraftwerksmaßstab eingesetzt werden. Sie können auch an fast jedem Ort eingesetzt werden, ohne dass umfangreiche Umweltprüfungen, Infrastrukturbau und Berücksichtigung lokaler Vorschriften wie bei traditionellen Kraftwerken erforderlich sind. Am Ende haben Unternehmen bestätigt, dass sie große Batterien in nur sechs Monaten installieren können, was im krassen Gegensatz zu den Jahrzehnten steht, die für die Planung und Unterstützung der fossilen Stromerzeugung benötigt werden.
Die Energiespeicherung bringt viele Vorteile, insbesondere in Kombination mit intermittierender erneuerbarer Energie. Der offensichtlichste Einsatz von Energiespeichern ist die Energiearbitrage. Bei niedrigen Strompreisen wird Energie gespeichert und bei hohen Strompreisen wieder ins Netz eingespeist. An einem sonnigen Tag, wenn Photovoltaik (PV)-Quellen zu viel Strom erzeugen, kann Strom in das Speicherelement fließen, so dass diese"verbrauchen müssen" Ressourcen optimal genutzt werden können. Nachts, wenn die Solarstromerzeugung abnimmt, liefert die Batterie den Verluststrom und die Grundlaststromerzeugung steigt. Daher werden viele große Batterieanlagen am selben Standort wie Solarparks eingesetzt.
Wenn PG&E bei hoher Brandgefahr Kunden abschaltet, schützen Batterien und Solarmodule Haushalte und Unternehmen vor Stromausfällen, halten kritische Prozesse am Laufen und verhindern, dass Lebensmittel verderben. Darüber hinaus koordinieren und steuern Strombetreiber nun dezentrale Energiequellen als"virtuelle Kraftwerke" die Strom bedarfsgerecht erzeugen, speichern und übertragen. In einigen Fällen umfasst dies auch Demand Response, bei der die elektrische Last in Randzeiten verlagert wird.
Die zentrale Schnittstelle für den Netzanschluss von Wind-, Photovoltaik- und Batteriequellen ist der Wechselrichter. Einfach ausgedrückt wandelt der Wechselrichter Gleichstrom in Wechselstrom um und synchronisiert ihn mit der elektrischen Frequenz von 60 Hz des Netzes. Abbildung 1 zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines an das Netz angeschlossenen Solarmoduls, das sich auf den Aufbau des Wechselrichters konzentriert. Es gibt viele Arten von Wechselrichtern, einschließlich unidirektionaler und bidirektionaler und mehrstufiger Wechselrichter-Multitopologiestrukturen. Jede Topologie hat unter bestimmten Umständen ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die Schlüsselkomponente des Wechselrichters ist der Leistungsschalter, in der Abbildung als Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) dargestellt.
Wechselrichter: Wechselrichter
ACGrid: AC-Netz
Der Wechselrichter verwendet einen Mikroprozessor, eine entsprechende Erkennung und Rückmeldung sowie korrekte Algorithmen, um verschiedene Dienste für das Netz bereitzustellen und nicht nur elektrische Energie zu speichern und abzugeben. Ein Beispiel sind Spannungsunterstützung, Frequenzregelung und Oberwellenreduzierung, um die Netzqualität aufrechtzuerhalten. Dezentrale Energie kann Stromübertragungs- und -verteilungsnetze entlasten, da elektrische Energie in der Nähe der Stromerzeugung eingesetzt wird. Dies kann die Belastung und Überlastung des Stromnetzes reduzieren und sogar den Ausbau der Stromleitung verschieben.
Wenn viel Strom durch den Wechselrichter fließt, muss die Umwandlung zwischen Wechselstrom und Gleichstrom sehr effizient sein. Tatsächlich beträgt der Spitzenwirkungsgrad kommerzieller Wechselrichter 96-98%. Doch Netzbetreiber wollen eine höhere Energieeffizienz, insbesondere auf der Ebene der Versorger, denn kleine Veränderungen der Energieeffizienz bedeuten immer noch viel Strom.
Um diese Energieeffizienzniveaus zu erreichen, müssen Leistungsgeräte sehr geringe Verluste aufweisen. Heute ist IGBT der Hauptschalter für diese Anwendungen. Der Leitungsstrom eines IGBT beträgt jedoch mehrere hundert Ampere, wodurch Spannungen von mehreren tausend Volt blockiert werden. Es besteht aus Silizium in einem ähnlichen Verfahren wie bei der Herstellung von Hochleistungs-Rechenchips für Mobiltelefone und Rechenzentren.
Von neuen Materialien wird jedoch erwartet, dass sie eine höhere Leistung, eine höhere Energieeffizienz und eine höhere Zuverlässigkeit erreichen. Insbesondere Siliziumkarbid (SiC) ist der Werkstoff der Zukunft. Leistungselektronische SiC-Bauelemente haben geringere Leitungs- und Schaltverluste als ähnliche Siliziumbauelemente. Die erste Stufe des Übergangs beinhaltet eine Low-Level-Diode, wie in Abbildung 1 gezeigt, die antiparallel mit dem IGBT verbunden ist. Das Ersetzen von Siliziumdioden durch SiC-Dioden kann Verluste reduzieren und Überschwingen beim Schalten reduzieren, wodurch die Belastung des Wechselrichters verringert wird. Obwohl SiC-Dioden teurer sind als Siliziumdioden, können ein kleinerer Kühlkörper und eine kleinere Systemgröße die Gesamtsystemkosten senken.
SiCMOSFET ist die nächste Stufe des Übergangs. Die Schaltgeschwindigkeit von SiC-MOSFETs ist viel schneller als die von Silizium-IGBTs, daher bringt ihr Einsatz in der Boost-Stufe von Solarstromerzeugungssystemen größere Vorteile. Im Allgemeinen wird ein DC-DC-Wandler verwendet, um die Ausgangsspannung des Solarpanels zu erhöhen. SiC-MOSFETs können schneller schalten, wodurch teure passive Bauelemente wie Induktivitäten in der Boost-Stufe verkleinert und der Wirkungsgrad verbessert wird.
ON Semiconductor bietet eine Vielzahl von IGBTs, SiC-Dioden und SiC-MOSFETs an, um die Spannungs- und Stromanforderungen verschiedener Wechselrichter zu erfüllen. Das beliebteste ist das Leistungsmodul, das viele verschiedene Leistungsschalter und Dioden zusammenfasst, um eine geringe Größe, ein einfaches Design und eine effiziente Wärmeableitung zu erreichen. Zusätzlich zu den wichtigsten leistungselektronischen Geräten bietet ON Semiconductor auch Gate-Treiber, galvanische Trennung und Hochleistungs-Operationsverstärker, um das System zu vervollständigen.
Mit der Verbesserung der erneuerbaren Energie- und Energiespeichertechnologie und der Kostensenkung wird die"Rückwärtsveränderung" des Stromnetzes schreitet immer schneller voran. Wechselrichter reduzieren nicht nur CO2-Emissionen und Umweltverschmutzung, sondern unterstützen auch ein flexibleres und partizipativeres Stromnetz, wodurch die Grenzen zwischen Verbrauchern und Erzeugern verwischt werden. Die richtige Steuerung und Koordination von Energieversorgungsunternehmen kann die Stromqualität verbessern, Upgrade-Kosten reduzieren und den Benutzern zuverlässigere Dienste bieten. Leistungselektronik ist die Schlüsseltechnologie, die die Aktualisierung unserer kritischen Infrastruktur ermöglicht.