Dezentralisierung der Stromnetze: Technik im Umbruch

In den letzten drei Jahrzehnten hat der Aufschwung kleinerer erneuerbarer Energiequellen wie Photovoltaik (PV) und Windturbinen in Verbindung mit der Smart-Grid-Technologie die Art und Weise, wie Haushalte und Unternehmen mit dem Stromnetz interagieren, grundlegend verändert – beide verbrauchen und erzeugen jetzt Strom.

Dieser grundlegende Wandel – die „Dezentralisierung der Stromerzeugung“ – verändert die Funktionsweise nationaler Stromnetze und die Beziehungen zwischen Haushalten, Unternehmen und Stromversorgern. Obwohl dieser Wandel bereits im Gange ist, geht die Internationale Energieagentur (IEA) davon aus, dass bis 2030 über 100 Millionen Haushalte mit PV-Solarmodulen auf dem Dach ausgestattet sein werden, was einen erheblichen Anstieg gegenüber den heutigen 25 Millionen Haushalten bedeutet.

Die Dezentralisierung der Energieversorgung hat also gerade erst begonnen, und für Elektronikingenieure ergeben sich zahlreiche neue Herausforderungen und Möglichkeiten. In diesem Artikel gehen wir auf die Umstellung der nationalen Stromnetze ein und analysieren die technischen und gesellschaftlichen Auswirkungen sowie die wichtigsten bei Mouser Electronics erhältlichen Bauteile, die bei der Bewältigung der Herausforderungen dieses Wandels helfen können.

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Faktoren, die die Entwicklung der Stromnetze vorantreiben

Die zunehmende Dezentralisierung der Stromnetze wurde durch eine Reihe von Faktoren vorangetrieben, die sich vor allem auf die Einschränkungen zentraler Stromnetze und die einzigartigen Vorteile dezentraler Energieversorgung konzentrieren.

Ein zentraler Faktor für die dezentrale Energieversorgung war die Erschließung kleinerer erneuerbarer Energiequellen. Vor dem Aufkommen von Solarmodulen und kleinen Windturbinen bedeutete Energieunabhängigkeit, dass eine Art elektrischer Dynamo-Stromgenerator eingesetzt werden musste, z. B. eine gas-, kohle- oder wasserbetriebene Turbine – eine Aufgabe, die umfangreiche physische Ressourcen erforderte und erhebliche sicherheitstechnische und soziale Auswirkungen hatte.

Ein weiterer Hauptgrund für die dezentrale Stromerzeugung ist der steigende Strombedarf. Die Deckung dieses steigenden Bedarfs durch große, zentrale Kraftwerke erfordert einen erheblichen Planungs-, Ressourcen- und Zeitaufwand, wobei der Bau und die Inbetriebnahme von Kernkraftwerken etwa sechs bis acht Jahre dauern.

Zum Vergleich: Kleinere, dezentrale Energieressourcen (DERs) können viel schneller installiert werden. Großflächige Solarparks brauchen in der Regel nur ein bis drei Jahre, um ans Netz zu gehen und kleinere Solaranlagen für Privathaushalte und die Industrie (Bild 1) benötigen im Durchschnitt sechs bis 18 Wochen.

Oft ist es einfacher und kosteneffizienter, den steigenden Strombedarf mit zahlreichen kleineren dezentralen Quellen zu decken als mit einer einzigen zentralen.

Die sinkenden Kosten und die verbesserte Effizienz der erneuerbaren Technologien haben in Verbindung mit den steigenden Strompreisen auch die Photovoltaik- und die Windenergie immer erschwinglicher gemacht. Und Fortschritte bei Energiespeicher- und -verwaltungstechnologien machen dezentrale erneuerbare Energien noch rentabler.

Der Aufstieg dezentraler Stromversorgung

Die steigende Nachfrage nach dezentraler Stromversorgung resultiert aus groß angelegten Trends und Fortschritten bei erneuerbaren Energien, Leistungselektronik und Batteriespeichersystemen (BESS). Elektronikinnovationen tragen dazu bei, neue Möglichkeiten für DERs zu schaffen, indem sie die Systemeffizienz, -intelligenz und -sicherheit erhöhen und gleichzeitig den Platzbedarf und die Kosten reduzieren.

Entwicklungen bei Solarmodulen und Windturbinen

Anfang der 2000er hatten typische Solarmodule für Privathaushalte und Gewerbe einen Wirkungsgrad von etwa 15 Prozent. Seitdem haben Entwicklungen beim Solarzellen-Design und grundlegende Veränderungen beim Material dazu beigetragen, diesen Wert zu erhöhen, sodass heutige Module in der Regel etwa einen Wirkungsgrad von 20 Prozent bieten.

Oxford PV, ein Ableger der Universität Oxford, hat vor Kurzem einen Weltrekord mit seiner Tandem-Solarzelle aus Perowskit und Silizium in kommerzieller Größe aufgestellt und dabei einen Wirkungsgrad von 28,6 Prozent erreicht – ein bedeutender Schritt, der darauf hindeutet, dass noch größere Effizienzsteigerungen möglich sind.

Steigerungen des Wirkungsgrads von Solarmodulen können dazu beitragen, die Akzeptanz von dezentralen Stromversorgungen zu fördern, indem sie die für einen rentablen Einsatz von Solarenergie benötigte Fläche verringern (vorausgesetzt, die Kosten für die Module bleiben ähnlich).

Auch bei Windturbinen gibt es bedeutende Entwicklungen, wobei die neuen Turbinen ohne Rotorblätter (Bild 2) in der Lage sind, mehrere anhaltende Herausforderungen zu bewältigen. Das Fehlen der traditionellen Rotorblätter vereinfacht und verbessert die Sicherheit der Systemintegration in Gebäuden, während gleichzeitig die Wartungskosten gesenkt und Vogelschläge gemildert werden. Diese Vorteile können dazu beitragen, dass Windturbinen an neuen Standorten eingesetzt werden können, z. B. in der Nähe von Solarmodulen oder kleineren Wohngebieten, wo Planungsbeschränkungen die Aufstellung von Windturbinen oft verhindern.

Das MINI-Werk der BMW-Group in Oxford hat kürzlich das weltweit erste „bewegungslose“ Windenergiesystem von Aeromine Technologies in Betrieb genommen, um seine bestehende Solaranlage zu ergänzen. Durch die Beeinflussung des Luftstroms mit seinen Tragflächen erzeugt die Turbine eine Niederdruckzone hinter dem Gerät, die die Luft durch den internen Propeller treibt und die Windenergie in Strom umwandelt.

Vortex Bladeless, ein Start-up aus Spanien, entwickelt ein turbinenloses System für die Stromerzeugung aus Windkraft. Dieses System nutzt die Wirbelablösung, d. h. die Erzeugung von Wirbeln durch den um einen Zylinder strömenden Wind, um Schwingungen zu erzeugen, die über einen internen elektromagnetischen Generator in Strom umgewandelt werden.

Fortschritte bei Wechselrichtern

Fortschritte in der Leistungselektronik, insbesondere der Einsatz von Siliziumkarbid (SiC)-Halbleitern, tragen dazu bei, den Wirkungsgrad von Wechselrichtern zu verbessern und sowohl die Energieverluste als auch die Anforderungen an das Wärmemanagement zu verringern. Im Vergleich zu herkömmlichen siliziumbasierten Bauteilen weisen SiC-Halbleiter mit breitem Bandabstand geringere Schaltverluste, eine höhere Wärmeleitfähigkeit und eine höhere Leistungsdichte auf.

Während die neuesten Silizium-Wechselrichter einen Wirkungsgrad von 98 Prozent erreichen, können SiC-Wechselrichter über einen breiten Leistungsbereich einen Wirkungsgrad von 99 Prozent erzielen, was eine Verringerung des Energieverlusts um 50 Prozent bedeutet. Eine theoretische Steigerung um 1 Prozent würde bei einer Gesamtleistung von 259,99 GW in der Europäischen Union zu einer zusätzlichen Gesamtleistung von 2,6 GW führen, was 6,5 Millionen 400-W-Solarmodulen entspricht.

Die verbesserte thermische Leistung von SiC verringert den Kühlungsbedarf und ermöglicht es Herstellern, kleinere, leichtere und zuverlässigere Wechselrichter zu entwickeln. Diese Größenreduzierung ermöglicht den Einsatz von dezentralen Energieressourcen in Wohn- und Gewerbegebieten mit beschränktem Platz. Diese Eigenschaften in Verbindung mit den zunehmenden Skaleneffekten bei der SiC-Herstellung, die die Kosten senken, tragen zur Entwicklung kleinerer und effizienterer Solarwechselrichter bei, die zu einer neuen Welle der Akzeptanz der Solarenergie führen könnten.

Entwicklung von BESS

Bei den BESS hat die Umstellung auf Lithium-Eisenphosphat (LFP) im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien zu einer besseren thermischen Stabilität und Langlebigkeit geführt. Inzwischen bieten neue modulare Designs, einschließlich Batterien zur Rack-Montage, kostengünstigere und skalierbare Installationen, die es privaten und gewerblichen Nutzern ermöglichen, die Systemkapazität für ihren Energiebedarf zu optimieren.

Zudem beginnen Batteriemanagementsysteme (BMS) damit, künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen einzubeziehen, was die Zuverlässigkeit und Effizienz von BESS weiter verbessern kann. KI-Funktionen können den Batterieverschleiß besser vorhersagen, die Ladezyklen je nach Umgebungsbedingungen optimieren und den Stromfluss dynamisch steuern, um sowohl die Lebensdauer als auch die Leistung der Batterie zu maximieren.

Innovation bei elektronischen Bauteilen zur Unterstützung dezentraler Energieressourcen

Um ein nahtloses Management dezentraler Energieressourcen zu ermöglichen, ist eine zuverlässige Konnektivität erforderlich, um wichtige Daten wie den Ladezustand der Batterien, die Leistung erneuerbarer Energien und den lokalen Stromverbrauch zu übermitteln. Diese Daten verbessern das effektive Management erneuerbarer Energieressourcen für Privathaushalte und Gewerbe und ermöglichen durch intelligente Zähler und Wechselrichter eine optimierte Integration in nationale Stromnetze, was die Netzmanagementfähigkeiten für Energieversorger und -betreiber verbessert.

Zwei Hersteller, onsemi und Würth Elektronik, haben gemeinsam ein Portfolio von Solar-Wechselrichterlösungen entwickelt, das sowohl die Stromversorgung als auch die Kommunikation auf dem weltweit wachsenden Markt der Mikro- und String-Wechselrichter ermöglicht.

Forschungsprojekt für Weiternutzung von Elektrofahrzeugbatterien

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Zweites Leben als stationäre Energiespeicher

Das Forschungsprojekt Re-use ist gestartet, um eine nachhaltige und wirtschaftliche Weiternutzung ausgedienter Elektrofahrzeugbatterien zu ermöglichen. Die Forscher entwickeln Methoden, die den Zustand der Batterien ermitteln und bewerten.Alle Hintergründe erfahren Sie hier.

Unterstützung der nahtlosen Kommunikation in Solaranlagen

Der Industrial-Ethernet-Transceiver NCN26010 von onsemi (Bild 3) ist ein IEEE 802.3 cg-konformes 10-MBit/s-Bauteil, das einen Media Access Controller (MAC), eine Physical Layer Collision Avoidance (PLCA) Reconciliation Sub-Layer (RS) und eine 10BASE-T1S Physical Layer (PHY) integriert. Es bietet die Funktionen, die zum Senden und Empfangen von Daten über kompakte Single Pair Ethernet (SPE)-Kabel erforderlich sind.

So ist ein effizienter und sicherer Betrieb sichergestellt

Elektronik-Entwicklung

Prüfung und Inspektion von Solaranlagen

Effizienz und Sicherheit sind entscheidend beim Betrieb von Solaranlagen. Deshalb sind Sicherheits- und Funktionstests vor der Inbetriebnahme essenziell. Dieser Beitrag gibt Einblicke in Prüfverfahren und die Bedeutung von Wartungsroutinen.Mehr dazu erfahren Sie hier.

Der Modus mit erhöhter Störfestigkeit (ENI-Modus) des Bauteils ist entscheidend für DERs, die anfällig für elektromagnetische Störungen (EMI) sind. Die Leistung des NCN26010 übertrifft die IEEE-T1S-Normen und ermöglicht es ihm, strenge Immunitätstests mit direkter Stromeinspeisung (DPI) und Volumenstromeinspeisung (BCI) zu bestehen. Mit aktiviertem ENI ist die Netzwerkreichweite des Transceivers fast doppelt so hoch wie die seiner Konkurrenten und unterstützt bis zu 40 Knoten auf einem 25-m-Segment. Durch die Kompatibilität mit dem Open Alliance MACPHY SPI kann der NCN26010 mit einer Vielzahl von Mikrocontroller-Einheiten (MCUs) integriert werden, was die Systementwicklung beschleunigt.

In DERs erhöhen der NCN26010 und SPE-Netzwerke nicht nur die Netzwerkzuverlässigkeit im Vergleich zu drahtlosen Alternativen, sondern reduzieren auch die Kosten für Verkabelung, Steckverbinder und Installation im Vergleich zu anderen Verdrahtungsstandards, einschließlich Acht-Draht-Ethernet, und tragen so zum Aufbau intelligenterer und widerstandsfähigerer DERs bei.

Ergänzend zu den SPE-Transceivern von onsemi bieten die USB-3.0-LAN-Transformatoren WE-RJ45 von Würth Elektronik (Bild 4) RJ45- und USB 3.0-Verbindungen mit integriertem Überspannungsschutz, sodass keine zusätzlichen Teile für Schaltkreisschutz benötigt werden.

Der RJ45-Anschluss verfügt über einen integrierten Transformator und eine Gleichtaktdrossel, wodurch er bis zu 50 W Power-over-Ethernet (PoE+) und Geschwindigkeiten von bis zu 10 GBit/s unterstützt. In DERs ermöglicht er eine einfache Verbindung mit Embedded-Systemen in Baugruppen wie MPPT-Boost-Modulen, intelligenten Zählern und Wechselrichtern und bietet Unterstützung für das Hinzufügen zusätzlicher PoE-Bauteile, wie z. B. Sensorknoten zur Überwachung von BESS-Temperaturen oder Windgeschwindigkeiten.

Fazit

DERs geben Unternehmen und Hausbesitzern gleichermaßen die Möglichkeit, Energieunabhängigkeit zu erreichen und gleichzeitig ihre Nachhaltigkeit zu verbessern. Da der Energiebedarf jedoch steigt und nationale Stromnetze immer komplexer werden, muss der Markt effiziente, zuverlässige Solar- und Windkraftlösungen anbieten, die sich nahtlos in Haushalte, Unternehmen und das allgemeine Stromnetz integrieren lassen.

Neben onsemi und Würth Elektronik bietet Mouser Electronics Bauteile vieler weiterer führender Elektronikhersteller an, die es Ingenieuren ermöglichen, neue DER-Lösungen zu entwickeln, die die Erzeugung erneuerbarer Energien steigern und sich nahtlos in größere Stromnetze integrieren lassen. (na)