Wie muss man sich eine solche Welt vorstellen? Saubere Luft, blauer Himmel, grüne Wiesen? Zweifellos ein schöner Gedanke, aber bis es so weit ist, gibt es noch einiges zu tun. Für damit befasste Ingenieure wird die Vision einer grünen neuen Welt schnell verdrängt von der Tatsache, dass es sich hier um ein technisches Projekt handelt, das seine Tücken hat und dessen Ausmaße enorm sind. Wird es möglich sein, so viel erneuerbare Energie zu ernten, zu bündeln und bereitzustellen, dass im Prinzip der gesamte Energiebedarf aus erneuerbaren Quellen gedeckt werden kann? Genau hierin liegt eindeutig die große Herausforderung.

Erneuerbare Quellen sind zweifellos höchst attraktiv für die Erzeugung von Energie, denn schließlich sind Sonne und Wind kostenlos und dauerhaft im Überfluss vorhanden. Nach einer Anfangsinvestition können sie über Jahre hinweg für die zuverlässige, umweltfreundliche und kostengünstige Energieerzeugung genutzt werden. Neue Technologien wie etwa CIGS (Kupfer, Indium, Gallium, Selen) und Nanoteilchen haben den Photovoltaik-Bereich (PV) verändert, indem sie niedrigere Produktionskosten und flexible Formate ermöglichen. Abgesehen davon gehen die Preise für konventionelle Silizium- und Polysilizium-Panels dank der Großserienfertigung weiter zurück.

Die Einbindung erneuerbarer Energiequellen erfordert jedoch noch einen weiteren Schritt, denn der von den PV-Panels erzeugte Gleichstrom muss vor der Einspeisung in das öffentliche Netz in Wechselstrom umgewandelt werden. Damit dieser Schritt kosteneffektiv möglich ist, muss das Wechselrichten mit hohem Wirkungsgrad erfolgen. In kompletten PV-Anlagen machen die so genannten „Balance of System Costs“, also die Kosten der Gesamtanlage ohne die Aufwendungen für die PV-Module selbst, inzwischen 44,8 Prozent der Gesamtkosten aus. Dieser Prozentsatz wird sich 2012 sogar noch erhöhen, und so ist es völlig unstrittig, dass diese Elektronik effizient und zuverlässig arbeiten muss.

Wenn ein Energieversorgungsunternehmen (EVU) den Plan fasst, seine Energie zum überwiegenden Teil aus erneuerbaren Quellen zu beziehen, müssen umfangreiche Anlagen zur Energieerzeugung aus Sonnenlicht, Windkraft und Wasserkraft errichtet werden. Darüber hinaus muss das Leitungsnetz zur Verteilung der elektrischen Energie in der Lage sein, diese dezentral und intermittierend anfallenden großen Energiemengen zu übertragen und möglicherweise auch zu speichern. Umweltschutz und Effizienz müssen dabei einen hohen Stellenwert haben, und nicht zuletzt sollten Technologien wie etwa LED-Beleuchtungen massenweise eingeführt werden.

Energy Harvesting als weitere Option

Es gibt allerdings noch eine weitere alternative Energieform, die höchst interessant ist und eine Diskussion verdient. Hierbei geht es darum, das Augenmerk nicht mehr auf die verschiedenen Energiequellen zu richten, sondern die Größenordnung dieser Quellen zu berücksichtigen. Außer Zweifel steht, dass ein großer Windpark oder eine hektargroße PV-Freilandanlage in der Wüste eine enorme Menge an Elektrizität produzieren kann. Wie aber ist es mit der Brise, die lediglich Blätter über den Boden weht oder mit den schwachen Sonnenstrahlen, die durch ein Fenster dringen? Wenn man die Größenordnung dieser Energiequellen berücksichtigt, ergeben sich völlig neue Anwendungsmöglichkeiten und Ideen und es wird möglich, die Reichweite der erneuerbaren Energien entscheidend zu vergrößern.

Hierfür ist indes Kreativität erforderlich. Vorstellbar sind beispielsweise Mobiltelefone, die ihre Energie aus den Funkwellen in der Luft beziehen, oder Straßen-Sensoren zur Erfassung der Verkehrsdichte, die allein durch das Gewicht der über sie hinwegrollenden Fahrzeuge mit Energie versorgt werden. Mit PV-Zellen beschichtete Fenster könnten einen bestimmten Teil des Sonnenlichts durchlassen, um das betreffende Gebäude hell und warm werden zu lassen, und die verbleibende Sonnenenergie zur Stromerzeugung verwenden. All diese kleinen, unter dem Begriff Energy Harvesting bekannten Anwendungen sind nicht nur möglich, sondern sind näher als viele vielleicht denken. Diese erneuerbaren Quellen verlangen nach einem intelligenten Umgang mit der Energie, damit selbst kleinste Mengen an Wind, Vibrationen oder Sonnenlicht sinnvoll genutzt werden können.            

Große Energiemengen aus kleinen Quellen

Maxim Integrated Products bietet zahlreiche Produkte an, die das gesamte Spektrum alternativer Energielösungen abdecken – vom Energy Harvesting im kleinen Maßstab bis zu großen PV-Anlagen. Für ultrakleine Energieerzeugungs-Lösungen übernimmt der MAX17710 (Bild 1) die intelligente Umwandlung jeder Quelle, die mehr als 1 µW an Leistung produziert. Das IC gilt als quellenunabhängig, denn es erntet Energie aus Wärme, Licht, Vibrationen und magnetischen Quellen und generiert daraus eine nutzbare Spannung, mit der ein Mikrozellen-Akku geladen und gleichzeitig ein Sensor gespeist werden kann.

Bild 1: Blockschaltbild eines MAX17710-bestückten Energy Harvesting-Ladegeräts. Angegeben sind mögliche Energiequellen sowie potenzielle Speicherelemente und Verbraucher.

Bild 1: Blockschaltbild eines MAX17710-bestückten Energy Harvesting-Ladegeräts. Angegeben sind mögliche Energiequellen sowie potenzielle Speicherelemente und Verbraucher. Maxim

In einer Welt, die sich fast vollständig auf erneuerbare Energie verlässt, werden diese Mikro-Energiequellen ein unerlässlicher Bestandteil des Energieportfolios sein, so dass Energy Harvesting-Hilfsmittel wie der MAX17710 in der Zukunft sehr wichtig sein werden.

In mittleren bis großen PV-Anlagen lassen sich durch Messung der produzierten Energie Einblicke in den Betriebszustand der Anlage gewinnen. Der Energiezähler-Chip 78M6613 kann Energie in Form von Gleich- oder Wechselstrom über einen Dynamikbereich von 2000:1 auf 0,5 Prozent genau messen. Reale Daten hierzu sind in Bild 2 dargestellt. Mit dieser Genauigkeit und Dynamik können Energieerzeuger die Leistungsfähigkeit ihrer Dach-Anlagen auch in den Morgen- und Abendstunden sowie bei geringster Sonneneinstrahlung überwachen und messen.

Der 78M6613 nutzt außerdem die Vierquadranten-Messung zur präzisen Angabe des Leistungsfaktors, denn dieser liefert wichtige Aussagen über die Effizienz der Übertragung und die Tauglichkeit der Elektrizität für die Einspeisung in das Netz. Das achtkanalige Energiezähler-IC 78M6618 stellt ähnliche Funktionen für Anwendungen bereit, die mehrere Messstellen benötigen. Der Baustein 78M6631 wiederum ist für größere, dreiphasige kommerzielle Systeme vorgesehen. Je größer der Anteil der erneuerbaren Energiequellen wird, umso mehr werden die EVUs auf die Genauigkeit und Schnelligkeit dieser Energiemessungen angewiesen sein, um einerseits die Versorgungssicherheit zu gewährleisten und andererseits variable Energiequellen reibungslos einzubeziehen.

Bild 2: Reale Energiemessdaten eines kalibrierten 78M6613.

Bild 2: Reale Energiemessdaten eines kalibrierten 78M6613.Maxim

Messen, Zählen und Kommunizieren von Energie

Erneuerbare Energiequellen unterliegen in der Regel zeitlichen Schwankungen. Der Wind weht nicht immer und auch die Sonne scheint nicht ununterbrochen. Wenn also gewährleistet sein soll, dass den Verbrauchern die gewünschte Energie in der gewünschten Menge und zu den gewünschten Zeiten angeboten werden kann, sind große Mengen an erneuerbarer Energie erforderlich. Auch Energiespeicher werden notwendig sein, um die Schwankungen von Verfügbarkeit und Bedarf auszugleichen. Hinzu kommt, dass viele dieser Systeme völlig eigenständig im Inselbetrieb arbeiten werden.

Wenn von der Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen die Rede ist, denkt man normalerweise nicht an Batteriemanagement. Berücksichtigt man aber den Aspekt der Energiespeicherung, erhalten auch Batteriemanagement-Techniken hier entscheidende Bedeutung. Die verschiedenen Batterietypen werden anwendungs- und technologieorientiert weiterentwickelt, doch an allererster Stelle stehen die Sicherheit und der ununterbrochene Betrieb der Batterien. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, bietet Maxim verschiedene Batteriemanagement-Produkte für zwölf Zellen an. Zum Beispiel koordiniert der MAX11068 die Energie von bis zu zwölf Akkuzellen mit integriertem Zellenausgleich sowie Über- und Unterspannungs-Erkennung. Für Hochvolt-Anwendungen lässt sich der Baustein außerdem zu einer Daisy-Chain-Konfiguration mit bis zu 31 Modulen kaskadieren, um bis zu 372 Zellen zu managen. Dank der Auslegung des Bausteins für einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +105 °C bleiben die Batterien überdies auch im tiefsten Winter und bei größter Sommerhitze betriebsfähig.

Bild 3: Schema der G3-PLC-Kommunikation. Da auch die Transformatoren zwischen Nieder- und Mittelspannungsnetz überbrückt werden, reduziert sich die Zahl der im Netz eines EVU benötigten Zugangspunkte.

Bild 3: Schema der G3-PLC-Kommunikation. Da auch die Transformatoren zwischen Nieder- und Mittelspannungsnetz überbrückt werden, reduziert sich die Zahl der im Netz eines EVU benötigten Zugangspunkte. Maxim

Wie bereits angesprochen, muss der von PV-Panels erzeugte Gleichstrom in Wechselstrom verwandelt werden, was eine Reihe hochfrequenter Schaltvorgänge erfordert. Robuste und zuverlässige MOSFET-Treiber wie die Bausteine MAX15024 und MAX5048 können auf effiziente Weise die Treibersignale zum Ansteuern der MOSFETs erzeugen, die das Wechselrichten übernehmen.

Der Wechselrichter, der die Energie aus den PV-Panels in netzkonformen Wechselstrom umwandelt, muss über das Stromnetz kommunizieren. Das EVU erhält auf diese Weise Informationen für die möglichst effiziente Weiterleitung der Energie. Der aus den Bausteinen MAX2991 und MAX2992 bestehende G3-PLC-Chipsatz von Maxim ermöglicht die Powerline-Kommunikation auch bei hohem Störaufkommen. Wie Bild 3 zeigt, funktioniert die G3-PLC-Kommunikation auch über die Transformatoren hinweg, die zwischen Nieder- und Mittelspannungsnetz angeordnet sind, so dass sich die Zahl der in einem Powerline-Netzwerk erforderlichen Zugangspunkte verringert. Diese Kommunikationsmethode kommt bereits in mehreren Smart-Meter-Feldversuchen zum Einsatz, darunter beispielsweise im Test der französischen ERDF (Electricité Réseau Distribution France). Darüber hinaus bewährt sich die G3-PLC-Technik auch sehr gut bei der Kommunikation innerhalb einer PV-Anlage. Als weitere Methoden für die Kommunikation in einer PV-Anlage sowie zwischen PV-Anlage und öffentlichem Netz kommen RS-485, CAN und die HF-Übertragung in Frage. Maxim bietet Lösungen für alle diese Schnittstellen an.

Die heutige Situation

Den verfügbaren Daten ist zu entnehmen, dass wir erhebliche Energiemengen aus erneuerbaren Quellen beziehen können. Die Vorteile, die sich aus der Integration erneuerbarer Energiequellen und dem sparsamen Umgang mit ihnen für die Umwelt ergeben, stehen außer Zweifel. Dennoch ist klar, dass sich diese Vorteile nicht werden umsetzen lassen, solange es an einem sorgfältigen Management der erneuerbaren Energiequellen und an einem sorgsam angelegten Stromnetz fehlt.

Der Anteil erneuerbarer Energiequellen von 97 Prozent, den die EU-Kommission in ihrer Energy Roadmap 2050 skizziert, ist zweifellos ehrgeizig. Schon wenn man diesem Ziel nur halbwegs nahe käme, müsste dies als große Errungenschaft gewertet werden, und als Zeitraum hierfür dürften 50 Jahre zu veranschlagen sein. Die Erzeugung signifikanter Energiemengen aus erneuerbaren Quellen setzt voraus, dass sich kreative Ingenieure und engagierte EVUs zusammentun und dass es Halbleiterbauelemente gibt, die für die Umwandlung, Messung und Kommunikation von Energiequellen optimiert sind. Sind diese Voraussetzungen erfüllt, werden alle Beteiligten davon profitieren.

 

Erneuerbare Energiequellen

Aus erneuerbaren Quellen lassen sich erhebliche Energiemengen beziehen. Die Vorteile, die sich aus der Integration erneuerbarer Energiequellen und dem sparsamen Umgang mit ihnen für die Umwelt ergeben, stehen außer Zweifel. Dennoch ist klar, dass sich diese Vorteile nicht werden umsetzen lassen, solange es an einem sorgfältigen Management der erneuerbaren Energiequellen und an einem sorgsam angelegten Stromnetz fehlt. Maxim Integrated Products bietet zahlreiche Produkte an, die das gesamte Spektrum alternativer Energielösungen abdecken – vom Energy Harvesting im kleinen Maßstab bis zu großen PV-Anlagen.