Anwendungen von bidirektionalen Stromversorgungen: Vom EV-Laden bis zur Netzstabilisierung

Mit dem steigenden Anteil von Wind- und Solarenergie wächst auch die Unsicherheit in der Stromerzeugungskapazität. Die verfügbare Energiemenge aus Wind und Sonne schwankt naturbedingt, sodass Strom aus erneuerbaren Quellen stärker variiert als Strom aus fossilen Brennstoffen oder Kernkraft. Eine typische Solaranlage liefert im Jahresverlauf weniger als 25% ihrer theoretisch maximalen Leistung, dem Kapazitätsfaktor CF. Bei einer Windkraftanlage sind es weniger als 40%, während der CF eines Kernkraftwerks bei über 90% liegt. Zudem kann die verfügbare Leistung erneuerbarer Energien nicht kurzfristig erhöht werden, um Stromnachfrage im Minutentakt auszugleichen.

Die Energiespeicherung ermöglicht den Ausgleich von Energieangebot und Energienachfrage. Übersteigt die Nachfrage das Angebot, stellt das Speichersystem zusätzliche Energie bereit, um das Netz zu stabilisieren und Stromausfälle zu vermeiden. Übersteigt hingegen das Stromangebot die Nachfrage, wird die überschüssige Energie zum Laden des Speichersystems genutzt.

Pumpspeicherkraftwerke sind derzeit die am weitesten verbreitete Technologie für Energiespeichersysteme (ESS), jedoch gelten batteriegestützte Systeme als am besten skalierbar und verzeichnen das stärkste Wachstum.


Abbildung 2 zeigt die wichtigsten Funktionsblöcke in einem ESS im Netzmaßstab, das Batterien zur Energiespeicherung verwendet. Bidirektionale Stromversorgungen übertragen Wechselstrom vom Netz zum Speichersystem und umgekehrt. Der Wechselstrom aus dem Netz wird in Gleichstrom für die Batterien umgewandelt, um das Speichersystem aufzuladen, während bei einem Beitrag zur Netzstabilisierung der gespeicherte Gleichstrom wieder in Wechselstrom umgewandelt und in das Netz zurückgespeist wird. In vielen Fällen wird das ESS mit einer erneuerbaren Energiequelle kombiniert. In diesem Fall kann die Energie aus der Windturbine (AC-Quelle) oder der PV-Anlage (DC-Quelle) je nach Bedarf in die Batterieanlage oder zurück ins Netz geleitet werden. Auf Gewerbe- oder Wohngebäuden montierte Solarmodule können ebenfalls Energie in ein ESS oder zurück in das Netz einspeisen.

All diese Energieflüsse müssen präzise gesteuert, koordiniert und überwacht werden. RECOM bietet zahlreiche hochisolierende DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch (mit einer Isolationsspannung von bis zu 20kVDC) für Batteriemanagementsysteme, Kommunikationsnetzwerke sowie verschiedene Spannungs-, Strom-, Temperatur-, Brand- und Drucksensoren, die für den Aufbau zuverlässiger und sicherer Batteriespeichersysteme erforderlich sind.

Elektrofahrzeuge sind eine weitere wachsende Anwendung für bidirektionale Stromversorgungen. Da der Marktanteil rein batteriebetriebener Elektrofahrzeuge weiter zunimmt, steigt auch die installierte Batteriekapazität pro Fahrzeug. Verbraucher erwarten zudem kürzere Ladezeiten für Batterien mit höherer Kapazität. Diese Entwicklung führt zu einer Anhebung der Batteriespannung von 400V auf 800V, zunächst bei Hochleistungsfahrzeugen. Ein Elektrofahrzeug mit ausreichender Batteriekapazität kann als mobiles Energiespeichersystem (ESS) fungieren und verschiedene Anwendungsfälle ermöglichen: Energieversorgung vom Fahrzeug zum Haus (V2H), vom Fahrzeug zum Netz (V2G), Laden von Fahrzeug zu Fahrzeug (V2V) oder Unterstützung beim Start anderer Fahrzeuge. Die derzeitigen Ladestationen und On-Board-Charger (OBC) für Elektrofahrzeuge sind überwiegend unidirektional ausgelegt, doch diese neuen Anwendungen treiben den Übergang zu einer bidirektionalen Ladeinfrastruktur voran.

Zu den Szenarien, die eine bidirektionale Stromversorgung für Elektrofahrzeuge und Ladestationen erfordern, zählen folgende Anwendungen:

• Elektrofahrzeug, das Energie in das Netz oder in ein häusliches Mikronetz zurückspeist.
• EV-Ladestation, die abhängig vom Strompreis entweder aus dem Netz oder aus gespeicherter Energie versorgt wird.
• EV-Ladestation zum Laden einer stationären Batterieanlage vor Ort.

RECOM liefert hochzuverlässige, kundenspezifische Batterieladegeräte, Konditionierer und bidirektionale Wechselrichter auf Basis bewährter dreiphasiger Wechselstromplattformen mit einer Leistung von bis zu 30kW oder mehr bei Parallelschaltung mehrerer Geräte. RECOM greift zudem auf eine umfangreiche Bibliothek an Plattformdesigns von RECOM Power Systems zurück, die auf schnelle, leistungsstarke und kundenspezifische Lösungen spezialisiert sind. Diese bewährten Designs lassen sich häufig ohne größeren Anpassungsaufwand für weitere Anwendungen einsetzen, ohne dass erhebliche Entwicklungs- oder Zertifizierungskosten entstehen.

Das Aufkommen des intelligenten Stromnetzes und der steigende Anteil erneuerbarer Energien führen zu einer wachsenden Nachfrage nach bidirektionalen Stromversorgungen, die AC- oder DC-Leistung zwischen Energiequellen, Verbrauchern und Speichersystemen übertragen. RECOM deckt alle Ebenen des Smart Grid ab, von DC/DC-Wandlern mit geringer Leistung zur galvanischen Isolierung von Batteriemanagementsystemen oder zur Steuerung von Windturbinen über AC/DC-Module mit geringem Standby-Verbrauch für intelligente Zähler, EV-Ladegeräte und PV-Wechselrichter bis hin zu Leistungswandlern im Kilowattbereich für netzunabhängige, ESS- und andere Anwendungen.

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