Die Zahl der Stromverbraucher in den eigenen vier Wänden nimmt stetig zu, infolgedessen steigt auch der Stromverbrauch.

Die Zahl der Stromverbraucher in den eigenen vier Wänden nimmt stetig zu, infolgedessen steigt auch der Stromverbrauch. (Bild: ikuvshinov @ AdobeStock)

Energie wird zu einer kostbaren Ressource. Mit der zunehmenden Bedeutung erneuerbarer elektrischer Energiequellen steigt der Bedarf an zuverlässigen und widerstandsfähigen Steuergeräten zur Verwaltung intelligenter Energiequellen und Energiespeicherlösungen. Die DC/DC-Wandlung ist ein wichtiger Bestandteil des Energiemanagements, doch der verfügbare Platz in den heutigen Schaltschränken ist begrenzt, so dass kompakte, hocheffiziente Komponenten erforderlich sind. Die Aufrechterhaltung des Betriebs von Steuerungssystemen bei Stromausfällen und Versorgungsunterbrechungen kann durch den Einsatz von Superkondensatoren vermieden werden, und leistungsstarke, schnelle Sicherungen sind bei hohen Stromlasten sicherheitsrelevant.

Energiemanagement im Smart Home

Das Bewusstsein verantwortungsvoll mit Energie und Ressourcen umzugehen steigt. Gerade Smart Homes, die oftmals nachhaltig konzipiert sind spielt dieser Aspekt eine wichtige Rolle. Sie kombinieren verschiedene IoT-Anwendungen, von denen einige einen hohen Energieverbrauch haben. Ein Energiemanagementsystem kann hier helfen, den Verbrauch zu optimieren. Damit aber ein Smart Home reibungslos funktioniert, sollten auch Faktoren wie Wandlung, Unterbrechungen oder auch Schutz der Stromversorgung berücksichtigt werden.

 

Intelligente Energie auf dem Weg ins Smart Home

Die Energiequellen befinden sich in einem raschen Wandel. Die Menschheit kennt und nutzt „grüne“ Quellen für erneuerbare Energien schon seit einiger Zeit. Bei der Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen werden erneuerbare Energiequellen, vor allem Wind- und Solarenergie, zu den Hauptanwärtern. Da jedoch Forschungs- und Entwicklungsinitiativen zu anderen Energiequellen, wie beispielsweise Wasserstoff, aus dem Labor kommen, streben die Energieversorger nun eine weitaus größere Vielfalt bei der Versorgung an. Im Energiesektor entwickeln sich rasch neue Märkte, zum Beispiel die Speicherung von Solarenergie in Privathaushalten. Nach Angaben des Marktforschungsunternehmens Technavio verzeichnet der Markt für Solarenergiespeicher für Privathaushalte eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von etwa 37 Prozent und wird zwischen 2020 und 2024 um 26,59 Milliarden USD wachsen (Bild 1).

Die Energieverbraucher erwarten eine ununterbrochene, zuverlässige Energieversorgung für ihre Häuser. Eine weitere Dynamik bei der Energienutzung in Privathaushalten besteht darin, dass die Zahl der Geräte, die in den Haushalten vorkommen, wächst, und diese zunehmend miteinander verbunden sind. Da immer mehr erneuerbare und nachhaltige Energiequellen in Betrieb genommen werden, scheint der Bedarf an Energiespeichern für Privathaushalte eine realistische Option zu sein.

Bild 1: Wachstum des Marktes für Solarenergiespeicher in Privathaushalten.
Bild 1: Wachstum des Marktes für Solarenergiespeicher in Privathaushalten. (Bild: Technavio)

Die Architektur eines intelligenten Energiesystems

Das Bewusstsein für Energie, woher sie kommt, wie viel verbraucht wird und wie viel sie kostet, verändert sich. In Zukunft könnten Menschen neben dem traditionellen Stromnetz mehrere Energiequellen haben, die ihre Häuser versorgen. Die Nutzung von Energie aus eigenen Sonnenkollektoren und deren Speicherung anstelle des Verkaufs an das Netz wird eine wahrscheinliche Überlegung werden. Die Entscheidung, Energie aus dem Netz zu beziehen, um Verbrauchsspitzen zu decken, könnte eher eine persönliche Entscheidung als die Norm werden. Verbrauchern werden dabei intelligente Hausenergiemanagementsysteme (HEMS) helfen, den Energieverbrauch besser vorherzusagen und auszugleichen, um solche Spitzen zu vermeiden.

Zu den Bausteinen eines Energiemanagementsystems für Wohngebäude gehören Wechselrichter, Leistungsregler, Energieüberwachung, Batteriemanagementsysteme und drahtlose Konnektivität. Jeder dieser Blöcke wird zu einem bedeutenden technischen Projekt, wie beispielsweise die Wahl des zu verwendenden drahtlosen Protokolls und des Typs des zu integrierenden drahtlosen Moduls, um eine maximale Interoperabilität mit den etablierten Standards der intelligenten Hausautomatisierung zu erreichen. Auch die Haushaltsgeräte im Segment „weiße Ware“ werden immer intelligenter. Anstatt dass der Geschirrspüler automatisch startet, sobald der Anwender ihn einschaltet, können er auch das Gerät oder das Energiemanagementsystem des Hauses entscheiden lassen, wann er startet. Wenn Verbraucher sauberes Geschirr und Besteck erst am Morgen benötigen, kann das Energiemanagementsystem den Start verzögern, bis etwa das Elektrofahrzeug vollständig aufgeladen oder die Waschmaschine fertig ist.

Supercaps Supderkondensatoren Smart Home
Bild 2: Die Superkondensatoren des SCM-Sortiments von Kyocera-AVX für Hold-up-Anwendungen. (Bild: Kyocera-AVX)

Energiemanagement-Komponenten entscheidend für Energiemanagement

Zu den wichtigsten Stromversorgungsfunktionen, die in der obigen Liste der Bausteine hervorgehoben werden, gehören die Stromumwandlung, die Lastüberwachung sowie die Sicherheit und der Schutz der Stromversorgung.

Wechselrichter übertragen die von Solarmodulen gewonnene Gleichstromenergie, indem sie sie in Netzwechselspannung und -frequenz umwandeln und regulieren. Eine Stromumwandlung ist auch von vielen Hilfssystemen erforderlich, wie beispielsweise dem Energiemanagement-Controller mit seiner WLAN- oder Bluetooth-Schnittstelle. Eine der wichtigsten Messgrößen für die Energieumwandlung ist die Umwandlungseffizienz. Die Umwandlung ist in der Regel mit gewissen Verlusten verbunden, weshalb es wichtig ist, diese zu minimieren. Verlustenergie äußert sich in der Regel als Wärme, die abgeführt werden muss. Bei beengten Platzverhältnissen wie beispielsweise in einem Energiemanagement-Controller, beeinträchtigt die Wärme die Zuverlässigkeit der Komponenten, so dass eine Lüfterkühlung oder die Verwendung von Kühlkörpern erforderlich ist. Die Lüfterkühlung verringert leider auch die Energieeffizienz, da sie mehr Energie verbraucht. Verlorene Energie bedeutet auch, dass Sie mehr Energie kaufen oder erzeugen müssen, um den Verlust auszugleichen, so dass es in jedem Fall wichtig ist, die Umwandlungseffizienz so hoch wie möglich zu halten.

Energieumwandlung

Bei der Auswahl der Komponenten für die Leistungsumwandlung müssen Entwickler zunächst entscheiden, ob sie einen Konverter von der Stange kaufen oder mit einem diskreten Design beginnen möchten. Es gibt viele Faktoren, die bei einer solchen Entscheidung zu berücksichtigen sind. Wie hoch sind die voraussichtlichen Verkaufszahlen, die Anforderungen an die Umwandlung (AC/DC, DC/DC, Spannungen, Leistung usw.), und wie viel Platz muss dafür zur Verfügung stehen?

Auf den heutigen Märkten kann die Zeit bis zur Markteinführung knapp bemessen sein, so dass die Vorteile eines fertig gebauten, getesteten und bewährten Moduls, das nach international anerkannten Sicherheitsstandards zertifiziert ist, attraktiv sind. Bei höheren Anforderungen an die Leistungsumwandlung besteht mehr Flexibilität, um ein diskretes Design in Betracht zu ziehen, das dem Produkt zusätzliche Eigenschaften verleiht, um es auf dem Markt zu differenzieren.

DC-DC-Leistungswandlermodule reichen von rund 1 W bis zu mehreren 10 kW. Ein Beispiel für einen DC/DC-Wandler mit niedrigem Stromverbrauch ist die MGJ2-Serie von Murata Power Solutions. Bei der MGJ2-Serie (Bild 3) – handelt es sich um eine isolierte 2-W-Bausteinfamilie mit asymmetrischer Ausgangsspannung, die alle gängigen Nenneingangsspannungen und sowohl positive als auch negative Gate-Spannungssteuerungen aufnehmen kann.

Der MGJ2 mit ultraniedriger Isolationskapazität und einem charakteristischen CMTI >200 kV/S eignet sich für die Gate-Ansteuerung in Hochleistungsumwandlungsdesigns.

Für einen Hochleistungswandler werden in der Regel MOSFETS als Leistungshalbleiter verwendet. Ein Beispiel ist die 100-V-N-Kanal-MOSFET-Serie von Vishay. Diese industrietauglichen Geräte sind hocheffizient und eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen in den Bereichen Synchrongleichrichtung, Motorantrieb und Batteriemanagement.

Wandler DC/DC-Wandler Smart Home
Bild 3: Die DC/DC-Wandler der MGJ2-Serie von Murata Power Solutions mit geringem Stromverbrauch. (Bild: Murata)

Aufrechterhaltung der Systemleistung bei kurzzeitigen Unterbrechungen

Die Aufrechterhaltung einer zuverlässigen Energieversorgung für alle Verbraucher umfasst auch die Energiemanagementsysteme selbst. Kurzfristige Unterbrechungen der Stromversorgung während des Umschaltens von einer Quelle auf die andere können vermieden werden, indem ein Superkondensator innerhalb des Steuersystems die Versorgungsspannung aufrechterhält. Kyocera-AVX bietet zum Beispiel die SCM-Reihe kompakter, in Reihe geschalteter Doppelschicht-Superkondensatoren an, die mit verschiedenen Kapazitätswerten und Arbeitsspannungen erhältlich sind. Ein Superkondensator ist eine kompakte und äußerst zuverlässige Methode, um den Betrieb von Systemen auch bei kurzen Unterbrechungen sicherzustellen.

Schutz der Stromversorgung

Energiespeicher und -managementsysteme für Privathaushalte müssen angemessen vor Überlastungen und Stromstößen geschützt werden. Die Sicherheit der Menschen und der Schutz der Geräte ist bei allen Stromquellen, die erhebliche Mengen an Energie liefern können, von größter Bedeutung. Schutzvorrichtungen wie die schnellen PSX-Sicherungen von Littelfuse bieten Schutz für Gleichstromversorgungen wie etwa Batterien. Die PSX-Reihe funktioniert bis zu 1500 VDC und hat Nennströme von 80 A bis 1 400 A (Bild 5). Sie sind ideal für den Schutz von Batteriespeichersystemen, Solarwechselrichtern oder anderen DC/DC-Leistungsumwandlungsgeräten.

Gleichstromsicherung Smart Home
Bild 5: Eine Auswahl der schnellen Gleichstromsicherungen der PSX-Reihe von Littelfuse. (Bild: Littelfuse)

Energiemanagement für Privathaushalte

In dem Maße, wie wir die von uns genutzte Energie auf andere Weise beschaffen, speichern und verwalten, wird sich die Vielfalt der Energiemanagement- und Steuerungssysteme vervielfachen. Die Energiespeicherung in Privathaushalten stellt einen Wendepunkt für Hausbesitzer dar, da sie ihnen mehr Wahlmöglichkeiten und eine stärkere Beteiligung an der Energienutzung bietet. Das ist auch eine gute Nachricht für den Planeten Erde! (prm)

Markus Lorenz

Direktor, Industriemarketing, Industrial Europe, bei TTI

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