Fronius und FH Campus Wien forschen für Smart Grids

Das Energietechnologie-Unternehmen Fronius und die FH Campus Wien forschen gemeinsam an Lösungen, um in intelligenten Stromnetzen dezentral Spannung zu stabilisieren und Energie zu speichern. [...]

In dem von der FFG geförderten F&E-Projekt URBIP wird ein Labor-Prototyp entwickelt. Das Ziel des Projektes ist es, eine effiziente Pulsumrichterschaltung herzustellen, mit der der Leistungsfluss zwischen einem Batteriespeicher und dem öffentlichen Netz in beide Richtungen möglich ist. URBIP steht für „Testaufbau für einen neuen Umrichter mit bipolarem Leistungsfluss für Spannungsstabilisierung und Energiespeicherung“, wie das von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft unterstützte Projekt im Langtitel heißt. Das Projektteam leiten Hannes Heigl, Team Leader SE Process Technology bei Fronius und Johann Walzer, Studiengangsleiter Informationstechnologien und Telekommunikation an der FH Campus Wien. Gearbeitet wird an preiswerten und kompakten Lösungen für die dezentrale Speicherung von elektrischer Energie in intelligenten Stromnetzen, sogenannten „Smart Grids“.

In der Elektrizitätswirtschaft werden immer mehr dezentrale Kraftwerke wie etwa Windräder errichtet, deren Energie-Lieferzeitpunkt nicht mit dem Verbrauchszeitpunkt gekoppelt ist. Um Energie dezentral in Batterien zu speichern ist ein Gerät erforderlich, das mit hohem Wirkungsgrad sowohl vom Netz aus die Batterien lädt als auch von den Batterien aus das Netz speist. Dies soll in getrennten Stromkreisen erfolgen, da das besseren Schutz und leichtere Anpassbarkeit mit sich bringt. Diese Aufgabe lässt sich bei hohen Wirkungsgradanforderungen derzeit nur mit zwei getrennten Geräten bewerkstelligen, einem Gleichrichter und einem Wechselrichter. Ein AC/DC-Umrichter, der auf einem neu zu entwickelnden Schaltungsprinzip basiert, soll daraus entstehende Probleme lösen. Der Umrichter stellt die Ankopplungsstelle zu Speicherbatterien im Netz dar, wobei in beide Richtungen Leistung fließt und die Schnittstellenverluste minimiert werden. Wenn Batterien aufgeladen oder ans Netz entladen werden, kommt es normalerweise aufgrund des jeweiligen Netzinnenwiderstandes zu Spannungseinbrüchen oder Spannungsanstiegen an der Ankopplungsstelle. Der neue Wechselrichter kann diesem Effekt gegensteuern.

DEZENTRAL
Der Hintergrund der Entwicklung ist, dass in der traditionellen Energiewirtschaft Strom aus Kraftwerken nur in überregionale Hochspannungsnetze eingespeist wird. Die regionalen Niederspannungsnetze sind hingegen als Verteilnetze zu den VerbraucherInnen konzipiert, die auf Spannungsabfälle durch den Verbrauch vorbereitet sind, nicht jedoch auf Spannungsanhebungen, wenn Strom aus dezentralen Kraftwerken eingespeist wird. Diese Probleme gewinnen mit zunehmendem Ausbau der Smart Grids an Bedeutung, wie Veröffentlichungen aus Deutschland belegen. Die Netzspannung schwankt stärker und Normwerte können nicht mehr eingehalten werden, wenn keine Gegenmaßnahmen gesetzt werden. Leitungen zu verstärken und Trafos zu vergrößern ist eine aufwändige Lösung für dieses Problem. Als Alternative dazu gewinnen dezentrale Speicher im Netz an Bedeutung, da häufig der Zeitpunkt der dezentralen Energieerzeugung und des Verbrauchs nicht zusammenfallen.

Die im URBIP-Projekt entwickelte Pulsumrichterschaltung soll einen bidirektionalen Leistungsfluss zwischen einem Batteriespeicher und dem öffentlichen Netz ermöglichen Um hohe  Anforderungen an die Effizienz erfüllen zu können, soll keine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang gegeben sein. Ein wesentliches Ziel dabei ist, einen sehr hohen Wirkungsgrad zu erreichen und den Betrieb in unterschiedlichen Aussteuerbereichen und bei unterschiedlichen Lastimpedanzen stabil zu halten. Der Testaufbau und die daraus gewonnenen Ergebnisse können auch die Grundlage sein für den Aufbau innovativer Geräte mit bipolarem Leistungsfluss wie PV-Wechselrichter, USV-Anlagen oder Batterieladestationen für Autos. Bereits beim ersten Modellaufbau wurden sehr hohe Wirkungsgrade im Nennbetrieb erreicht. Bis zu 99 Prozent sind nach Einschätzung der Projektleiter möglich. (pi)