Besonderes Gewicht liegt bei der Entwicklung der Stromrichter auf der Systemintegration der Konverter. Ziel des Projektes sei es, die Kosten gegenüber dem Stand der Technik zu halbieren, eine hohe Gleichstrom-Qualität zu gewährleisten und den netzdienlichen Einsatz von Elektrolyseuren zu ermöglichen, teilte das Fraunhofer IEE mit.
Das Instutt arbeitet als Koordinator von HyLeiT in diesem Projekt mit SMA, Infineon, der TU Dresden und der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg zusammen. Das Vorhaben hat eine Laufzeit von vier Jahren. Es wird vom Bundesministerium für Forschung und Bildung finanziert.
Hintergrund
HyLeiT ist Bestandteil des von der Dechema – Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie – koordinierten Leitprojekts H2Giga. Es zielt darauf, die Serienfertigung von Elektrolyseuren voran zu bringen. „Innerhalb von H2Giga trägt HyLeiT besonders zu den Themen, Netzintegration und der elektrischen Systemtechnik von Elektrolyseuren bei“, sagt Philipp Strauß stellvertretender Institutsleiter des Fraunhofer IEE, der das H₂Giga-Projekt HyLeiT gemeinsam mit Norbert Henze koordiniert.
Modellierung des Netzes und der Elektrolyseure
Im Rahmen von HyLeiT entwickeln die Experten zunächst Labormuster von Stromrichtern. Infineon steuert dazu neuartige Halbleiter bei, die für den Einsatz in Konvertern tauglich gemacht werden. Sie werden nach Angaben des Fraunhofer IEE den Anforderungen der Elektrolyseure wie des Stromnetzes besser gerecht als die klassischen Thyristor-Halbleiter.
Um die Stromrichter im Systemkontext testen und optimieren zu können, erstellen die Fraunhofer-Forscher echtzeitfähige Simulationsmodelle des Stromnetzes sowie der Elektrolyse-Stacks. Dabei berücksichtigen sie auch die Alterung der Elektrolyseure, da diese im Laufe ihres Lebenszyklus das elektrische Verhalten verändern. Das muss bei der Auslegung der Stromrichter berücksichtigt werden.
Diese Modelle fließen anschließend in eine „Hardware in the Loop“-Plattform ein. Damit testen die Wissenschaftler die entwickelten Stromrichterkonzepte an allen gängigen Elektrolysetechnologien. Im Fokus stehen dabei die Wechselwirkungen des Stromrichters sowohl mit den Elektrolyse-Stacks als auch mit dem Stromnetz. „Als Verbindungsglied zwischen Elektrolyseur und Netz hat der Stromrichter eine zentrale Bedeutung für die Energiewende. Deshalb ist es unabdingbar, bei Entwicklung und Optimierung der Stromrichter das Gesamtsystem in den Blick zu nehmen“, sagt Henze.
Stromrichter sollen netzdienliche Elektrolyse ermöglichen
Das Forscherteam erwartet, dass es im Vorhaben gelingen wird, die Systemkosten der Elektrotechnik vom Netzanschlusspunkt bis zum Gleichstromanschluss am Elektrolyseur gegenüber dem Stand der Technik zu halbieren. Zur Reduktion der Kosten trage vor allem eine modulare und standardisierte Fertigung der Stromrichter unter Verwendung optimierter Halbleiterbauelemente bei. Dank neuer schaltungstechnischer Verfahren der Stromrichter können zudem passive Komponenten wie etwa Kühlkörper kleiner ausfallen, erklärte das Fraunhofer IEE.
Ein weiteres Ziel des H₂Giga-Projekts HyLeiT ist, die Stromrichter so zu gestalten, dass sich die Elektrolyseure netzdienlich verhalten können. Eine entsprechende Auslegung vorausgesetzt, sollen sie künftig gar aktiv zur Stabilisierung der Netze beitragen, indem sie kurzfristig auf kritische Netzsituation reagieren.
Nicht zuletzt zielt das Projekt auch darauf, die Gleichstrom-Qualität für den Elektrolyseur zu verbessern, insbesondere in dynamischen Betriebssituationen. Das erhöhe die Zuverlässigkeit und Sicherheit und verlängert zudem die Lebensdauer der Anlage, heißt es.
Neubau bietet beste Bedingungen für HyLeiT
Die Fraunhofer-Forscher profitieren in diesem Projekt von der technischen Ausstattung, die der Neubau des Instituts in Kassel bietet. „Das neue Gebäude bietet uns ideale Bedingungen. Uns steht dort unter anderem ein Gase-Labor zu Verfügung, in dem wir Stacks aufbauen können, sowie ein bestens ausgestattetes Labor für die Leistungselektronik und die Netzintegration“, sagt Strauß. Der Neubau soll Ende 2021 bezogen werden.
Das Fraunhofer IEE beschäftigt sich schon seit vielen Jahren mit Fragen der Netzintegration elektrischer Anlagen und Systeme. Zudem verfügen die Forscher über viel Erfahrung in der Modellierung, etwa in der Simulation von Batteriezellen. (sg)
