Leistungselektronik für Speichersysteme

Die Energiewende erfordert Speichermöglichkeiten für regenerative Energien, zum Beispiel in Form von Wasserstoff. Für diese als Power-to-X bezeichneten Verfahren werden neue leistungselektronische Lösungen zur Einbindung in das Stromnetz benötigt.

Einführung

Der durch die Energiewende bedingte Umbau der Stromversorgung bringt die Forderung nach Speichermöglichkeiten mit sich, damit die in Zeiten von Überangebot erzeugte Energie genutzt werden kann. Ein Verfahren um Energie für längere Zeit zu speichern, ist die Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse. Der hierbei erzeugte Wasserstoff kann entweder direkt gespeichert werden oder alternativ weiter verarbeitet werden, um z.B. durch Methanisierung die Energie in das Erdgasnetz eingespeist wird.

Übersicht über die Einbindung von Elektrolyse-Systemen als Energiespeicher (c)
Übersicht über die Einbindung von Elektrolyse-Systemen als Energiespeicher

Bindeglied zwischen Stromnetz und dem für die Elektrolyse verwendeten Elektrolyseur ist ein Gleichrichter, der aus dem Drehstromnetz den für die Elektrolyse notwendigen Gleichstrom erzeugt. Die benötigte Leistungsfähigkeit des Gleichrichters liegt bei großen Elektrolyseanlagen im Bereich bis einige Megawatt, wobei die Spannung einige hundert Volt beträgt und Strömen bis einige kA auftreten. Um diese großen Ströme bereitzustellen, werden aktuell meist Thyristor­stromrichter in verschiedenen Topologien eingesetzt.

Beispiel für Gleichrichteranordnung (c)
Beispiel für Gleichrichteranordnung

Problemstellung

Bedingt durch die Funktionsweise treten bei Thyristor-Stromrichtern zum einen maßgebliche Rückwirkung auf das speisende Stromnetz auf. Zum anderen weist der Ausgangsstrom, mit dem der Elektrolyseur gespeist werden soll, eine Restwelligkeit auf, die Einfluss auf den Wirkungsgrad des Prozesses hat.

Elektrisches Ersatzschaltbild eines Elektrolyseurs (c)
Elektrisches Ersatzschaltbild eines Elektrolyseurs

Ziel der Arbeiten am Institut ist die Untersuchung der Netzrückwirkungen und der Beeinflussung des Elektrolyseurs. Dabei steht neben der Charakterisierung der Eigenschaften der aktuell verwendeten Thyristor-Stromrichter primär die Untersuchung und Evaluierung alternativer IGBT-basierter Topologien im Vordergrund.

Bezüglich des Elektrolyseurs ergeben sich Fragestellungen zum Teil- und Überlastbetrieb und der Beeinflussung des Elektrolyse-Prozesses durch Vorgabe spezieller Stromformen.

Elektrolysegleichrichter