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Wissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums suchen nach einem guten Mittel, um das Netz der Zukunft zu ermöglichen und eine Lücke zwischen Hoch- und Niederspannung für die Leistungselektroniktechnologie zu schließen, die dem modernen US-Stromnetz zugrunde liegt.

Heutige Leistungselektronik, die Aufgaben wie das Umwandeln der Stromrichtung oder das Anpassen von Spannungen in Sekundenbruchteilen erledigt, arbeitet tendenziell im Extrembereich. Das Laden von Privatfahrzeugen oder das Speichern von Energie aus einem kommerziellen Solarpanel erfordert Niederspannung, während Hochspannung für Großprojekte wie Wind- und Solarparks oder die Verbindung von Stromverteilungs- und Übertragungssystemen verwendet wird.

Zwischen 1,500 und 50,000 Volt – dem „Mittelspannungsbereich“ – besteht jedoch eine Lücke in der Leistungselektronik, die für größere Projekte im Bereich der erneuerbaren Energien, größere Anlagen wie Windkraftanlagen und größere Elektrofahrzeuge wie Züge und Senkrechtstarter von entscheidender Bedeutung ist.

Die Überbrückung dieser Lücke wird den USA helfen, ihre Ziele für saubere Energie zu erreichen und die Kapazität in einem überlasteten Stromnetz zu erweitern – ohne Tausende Kilometer neuer Übertragungsleitungen zu errichten.

„Es gibt viele Anwendungen, die hier passen, aber die Technologie für diesen mittleren Bereich hat sich nicht als zuverlässig oder kosteneffektiv erwiesen“, sagte Prasad Kandula, Leiter der Grid Systems Hardware-Gruppe des ORNL.

Um diesen Bedarf zu decken, wird ORNL das neue Mittelspannungs-Ressourcenintegrationstechnologieprogramm (MERIT) des DOE leiten, das vier nationale Labore und fünf Universitäten zusammenbringt, um Geräte zu entwickeln, die in diesem mittleren Bereich effizient arbeiten.

Kandula weist darauf hin, dass Mittelspannungs-Leistungselektronik erschwinglicher geworden ist und durch den Wechsel Größe, Gewicht und Volumen eines Systems reduziert werden könnten. „Es wird erwartet, dass die Energieumwandlung mithilfe von Mittelspannungs-Leistungselektronik effizienter ist und mehr Leistung auf kleinerem Raum unterbringt“, sagte er.

Vorteile für die Netzzuverlässigkeit und saubere Energie

Die Schließung dieser Technologielücke könnte auch der dringenden Notwendigkeit Rechnung tragen, die Kapazität des Stromnetzes zu erweitern, um den heutigen Anforderungen gerecht zu werden und die wirtschaftlichen Entwicklungsmöglichkeiten von morgen zu schaffen.

Der größte Teil des nordamerikanischen Stromnetzes verwendet Wechselstrom (AC). Aber die Erzeugung erneuerbarer Energien und Elektroautos erfordern Gleichstrom, kurz DC. Um zwischen diesen Flüssen umzuschalten und getrennte Systeme zu verbinden, wird Leistungselektronik eingesetzt. Die Ausweitung dieser Fähigkeiten auf Mittelspannungen würde neue Optionen für die elektrische Zuverlässigkeit eröffnen.

Mittelspannungs-Leistungselektronik könnte beispielsweise dazu genutzt werden, Strom aus einer Region mit zusätzlichem Angebot in ein benachbartes System einzuspeisen, das Schwierigkeiten hat, den Bedarf zu decken. Dies könnte fortlaufende Stromausfälle, Preisspitzen und die Aktivierung umweltschädlicher Ersatzkraftwerke verhindern. In einem anderen Szenario könnte Mittelspannungs-Leistungselektronik dazu beitragen, wichtige Teile des Verteilungsnetzes von Wechselstrom auf Gleichstrom umzustellen, da Gleichstrom effizienter für die Energieübertragung über große Entfernungen ist. Dies würde die Lieferkapazität bei gleichen Stromleitungen wesentlich erhöhen.

Kandula sagte, Mittelspannungs-Leistungselektronik könne auch einen vollständigen Gleichstrombetrieb für Projekte wie ein Mikronetz mit eigenem Solarstrom und eigenen Batterien ermöglichen. „Anfangs würde ein DC-Ökosystem höchstwahrscheinlich in isolierten Systemen wie einem Campus eingesetzt werden“, sagte Kandula. „Die nächste Ebene könnte eine Verteilereinspeisung von einigen Kilometern Länge sein, wie ein Solarpark am Rande des Stromnetzes.“

Ein reines Gleichstromsystem erfordert weniger Stromumwandlungsgeräte und eliminiert Energieverluste, die während des Umwandlungsprozesses auftreten. Es könnte saubere Energie effizienter und wirtschaftlicher machen, insbesondere da große Solar- und Windparks zunehmend weit entfernt von Bevölkerungszentren gebaut werden, in denen sich der Strombedarf konzentriert.

Führung und Fähigkeiten in der Mittelspannungsforschung

ORNL-Forscher haben eine Reihe von Bausteinen für die Mittelspannung entwickelt, etwa Konvertermodule, spezielle Magnetelemente und Schutzmechanismen, die elektrische Probleme isolieren.

„Mit MERIT werden wir Bausteine ​​unterschiedlicher Art entwickeln, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen, und dann mehrere Blöcke stapeln, um höhere Spannungen zu erreichen“, sagte Kandula. Die Möglichkeit, eine Vielzahl von Modulen in eine größere Architektur zu integrieren, wird die Erforschung neuer Energieanwendungen erleichtern, vom Aufladen von Elektro-Lkw für den Fernverkehr bis hin zur Produktion von grünem Wasserstoff für die Stahlindustrie.

Diese Bemühungen bauen auf den Erfahrungen und Fähigkeiten des Grid Research Integration and Development Center (GRID-C) des ORNL auf, wo Forscher verschiedene Architekturen simulieren, einen Konverter bauen und ihn bis zu 13,000 Volt testen können.

„Wir entwickeln eine komponentenübergreifende Technologiematrix, die in vielen Anwendungen eingesetzt werden kann“, sagte Madhu Chinthavali, Leiter der Abteilung für Energiesystemintegration und -steuerung des ORNL. „Das GRID-C von ORNL ist in einzigartiger Weise mit der Komponentenbaukompetenz, den Prüfständen und dem Fachwissen ausgestattet, um diese Leistungselektronikkomponenten vollständig zu entwickeln und zu testen.“

Für MERIT wird ORNL bestehende Beziehungen zu Versorgungsunternehmen ausbauen, um den Mittelspannungsbedarf zu ermitteln. Dies baut auf dem Power electronics Accelerator Consortium for Electrification, bzw PACE, Initiative, die 2022 ins Leben gerufen wurde, um die Zusammenarbeit zwischen Forschungseinrichtungen, Energieunternehmen und Herstellern zu verbessern. PACE ist eine Initiative des Office of Electricity des US-Energieministeriums und fügt Partner hinzu, um Innovationen schnell vom Labor ins Stromnetz zu bringen.

Einzelne Labore können sich mit der Industrie zusammenschließen, um spezifische Fortschritte in der Mittelspannungs-Leistungselektronik voranzutreiben. „Das Endziel für uns besteht darin, einen Anwendungsfall auszuwählen, mit einem Partner zusammenzuarbeiten, ein vollständiges System aufzubauen, es zu installieren, es vor Ort betriebsfähig zu zeigen und die finanziellen Auswirkungen aufzuzeigen“, sagte Kandula.

Weitere MERIT-Forschungspartner sind das National Renewable Energy Laboratory, die Sandia National Laboratories, das Pacific Northwest National Laboratory, die University of Arkansas, das Virginia Polytechnic Institute and State University und die Florida State University. Das MERIT-Projekt wird im Rahmen der Grid Modernization Initiative des DOE durch das Grid Modernization Laboratory Consortium finanziert.

UT-Battelle leitet ORNL für das Office of Science des Department of Energy, den größten Einzelförderer der Grundlagenforschung in den physikalischen Wissenschaften in den Vereinigten Staaten. Das Wissenschaftsbüro arbeitet daran, einige der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen. Für weitere Informationen, besuchen Sie bitte energie.gov/science.

Mit freundlicher Genehmigung von Ornl.

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• Quelle: https://cleantechnica.com/2024/02/03/grid-electronics-research-to-bridge-gap-to-cleaner-more-reliable-power/