Dezentrale Energieversorgung Gleichspannungsnetze

Gleichspannungsnetze bieten je nach Anwendung ein großes Energieeinsparpotential. In Wechselspannungsnetzen steigert Blindleistung die Verluste und reduziert die Übertragungskapazität. Dieses Problem ist in Gleichspannungsnetzen nicht gegeben. Die Effizienz der Eigennutzung regenerativ erzeugter Energie kann erhöht werden, während die Kosten reduziert werden können. Die Integration von Energiespeichern wird mit steigendem Anteil von Photovoltaik- und Windenergieeinspeisung immer wichtiger. Das Effizienzsteigerungspotential in der Antriebstechnik durch Energierückgewinnung ist in Gleichstromnetzen erheblich höher. DC/DC-Wandler werden mit steigender Schaltfrequenz immer kleiner, während der Größenreduzierung von AC/DC-Adaptern durch die feste Netzfrequenz (50 Hz) enge Grenzen gesteckt sind. Ein weiteres ökonomisches sowie ökologisches Potential bei Gleichspannungsnetzen bildet die Reduzierung der Elektronikschrottmengen, da Gleichspannungswandler bei gleicher Leistung mit erheblich geringerem Materialaufwand realisierbar sind.

Prof. Dr.-Ing. Martin März

Lehrstuhlinhaber / komm. Institutsleiter Fraunhofer IISB
FAU Erlangen-Nürnberg / Lehrstuhl für Leistungselektronik (LEE)

In häuslichen Netzen beispielsweise können unzählige ineffiziente Wandlungsvorgänge von AC-DC-AC-Wandlern, z.B. in Kühlschränken oder Waschmaschinen vermieden werden, wodurch sich ein massives Einsparpotential ergibt.

Das Wechselspannungsnetz ist bei DC-AC-Wandlern für

  • 40-80% der Verlustleistung,
  • 50-95% des Gewichts sowie
  • 50-95% des Bauvolumens

verantwortlich.

Daraus ergibt sich, dass das Bauvolumen von DC-DC-Wandlern aufgrund der konstanten Momentanleistung etwa um Faktor 2 bis 20 kleiner ausgeführt werden kann.

Forschungsfeld Gleichspannungsnetze

  • Fahrzeugelektronik
  • Luftfahrtelektronik
  • Schiffsnetze
  • Häusliche Stromnetze
  • Inselnetze / Camping / Wohnmobil
  • Industriegebäudenetze
  • Gleichspannungsnetztopologien
  • Spannungsebenen, Schutz- und Erdungskonzepte
  • Komponenten lokaler Gleichspannungsnetze
  • Batteriespeicher und Batteriemanagement
    • Technologien, Eigenschaften, elektrisches Impedanzverhalten, Ersatzschaltbilder, Schutz- und Überwachungsschaltungen
  • Elektrische Eigenschaften regenerativer Stromquellen
  • Nicht isolierende Gleichspannungswandler in Gleichspannungsnetzen
  • Isolierende Gleichspannungswandler in Gleichspannungsnetzen
  • AC/DC-Wandler zur Netzkopplung von AC- und DC-Netzen
  • Schalter, Stecker und Schutzgeräte für Gleichspannung, Lichtbogeneigenschaften
  • Regelung lokaler Gleichspannungsnetze und Stabilitätsanalyse
  • Regelverfahren für Gleichspannungsnetze
  • Verfahren zur Impedanzmessung unter Last
  • Modellierung des Frequenzverhaltens von Schaltwandlern und Netzen
  • Analyse des Stabilitätsverhaltens

Neubetrachtung von Stromversorgungskonzepten

Blindleistung steigert die Verluste und reduziert die Übertragungskapazität in AC-Netzen. Dieses Problem ist in Gleichspannungsnetzen nicht existent.

Die Eigennutzung regenerativ erzeugter Energie soll gefördert werden, denn Photovoltaikanlagen (PV), Brennstoffzellen, Blockheizkraftwerke (BHKW) oder Wind liefern direkt bzw. kostengünstiger Gleichstrom.

Speicher werden mit steigendem Anteil von PV und Wind immer wichtiger um die entstehenden Erzeugungsschwankungen effizienter auszugleichen. Batterien und Elektrolyseure (H2) arbeiten beispielsweise auf Gleichstrombasis.

Die Energierückgewinnung in der Antriebstechnik durch Rekuperation ist in Gleichstromnetzen erheblich einfacher und wirtschaftlicher darstellbar.

DC/DC-Wandler werden mit steigender Schaltfrequenz immer kleiner, während der Größenreduzierung von AC/DC-Adaptern durch die feste Netzfrequenz enge Grenzen gesteckt sind.

Gleichspannungswandler sind bei gleicher Leistung mit erheblich geringerem Materialaufwand realisierbar.

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