Stromversorgungsschaltungen haben in der Elektronik schon immer eine wichtige Rolle gespielt, aber die zunehmende Nutzung erneuerbarer Energien und der Bedarf an Stromspeicherlösungen könnten dazu beitragen, die Weiterentwicklung bestehender Stromversorgungsgeräte zu beschleunigen. Warum haben erneuerbare Energien Probleme mit der Speicherung, wie könnte diese Herausforderung mit Elektrofahrzeugen gelöst werden, und wie würde dies die Entwicklung von Stromversorgungsgeräten beschleunigen?
Warum ist die Energiespeicherung ein großes Problem für erneuerbare Energiequellen?
In den letzten Jahrzehnten hat der Druck auf die Regierungen zugenommen, fossile Brennstoffe zugunsten erneuerbarer Energiequellen wie Sonne, Wind und Wasserkraft zu ersetzen. Ursprünglich entstand dieser Trend zu erneuerbaren Energiequellen vor allem aus dem Wunsch, die weltweiten CO2-Emissionen zu reduzieren, die mit dem Klimawandel in Verbindung gebracht werden. In den letzten zwei Jahren sind jedoch zwei neue Faktoren hinzugekommen, die wohl weitaus größere Auswirkungen hatten als der Klimawandel: Geld und Krieg.
Die COVID-Pandemie von 2020 hat die Weltwirtschaft erschüttert, was zu steigenden Lebenshaltungskosten, höheren Zinsen und Problemen in der Lieferkette geführt hat. Anfang 2022 wurden dann im Zuge des russisch-ukrainischen Krieges viele Länder weltweit von den russischen Öllieferungen abgeschnitten, was zweifellos zu einem massiven Anstieg der Energiepreise führte (insbesondere für die europäischen Länder, die von russischem Treibstoff abhängig waren).
Die Idee der Energieunabhängigkeit hat daher in den westlichen Ländern an Interesse gewonnen, und erneuerbare Energiequellen stellen eine praktikable Option dar. Zwar sind die Preise für Sonnenkollektoren erheblich gesunken und die Energieeffizienz erneuerbarer Systeme hat sich drastisch erhöht, doch stehen sie vor einer großen Herausforderung: der Verfügbarkeit von Strom.
Sonnenkollektoren arbeiten am effektivsten, wenn die Sonne scheint, und Windräder arbeiten am besten an windigen Tagen, und das bedeutet, dass die Energie aus erneuerbaren Ressourcen jeden Tag stark schwankt. Noch schlimmer ist, dass der Energieverbrauch in nördlichen Regionen (Kanada, Großbritannien usw.) oft in der Mittagszeit am niedrigsten und in der Nacht am höchsten ist (insbesondere im Winter, wenn geheizt werden muss). Und doch liefern Sonnenkollektoren ihre Spitzenleistung genau zu den entgegengesetzten Zeiten.
Gegenwärtig können die Stromnetze keine Energie speichern, was bedeutet, dass jede zusätzlich erzeugte Energie verschwendet wird, was die erneuerbaren Energiequellen extrem unzuverlässig und teuer im Betrieb macht. Hinzu kommt, dass die Unzuverlässigkeit der erneuerbaren Energien bedeutet, dass kein Energienetz zu 100% aus erneuerbaren Energiequellen bestehen kann und daher eine erhebliche Reserve an fossilen Brennstoffen benötigt wird, um plötzlichen Energiebedarf zu decken.
Um dieses Problem zu lösen, suchen Forscher nach Methoden zur Energiespeicherung, die überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energien während der Produktionsspitzen speichern und diesen Strom in Zeiten geringer Erträge aus erneuerbaren Energien wieder in das Netz einspeisen können. Eine vielversprechende Lösung ist der Einsatz von Großbatterien, da diese eine hohe Energiedichte aufweisen (d. h. sie benötigen im Vergleich zu anderen Energiespeicherlösungen nur wenig Platz) und schnell erhebliche Energiemengen freisetzen können. Doch die hohen Kosten solcher Batteriesysteme in Verbindung mit ihrer Entflammbarkeit stellen die Ingenieure weiterhin vor Herausforderungen.
Wie Elektrofahrzeuge das Problem lösen könnten
Eine radikale Idee, mit der Forscher derzeit experimentieren, ist die Nutzung von Elektrofahrzeugen als eine einzige große virtuelle Netzbatterie anstelle von großen, speziellen Anlagen. Einfach ausgedrückt: Elektrofahrzeuge, die an das Stromnetz angeschlossen sind, könnten so konstruiert werden, dass sie nicht nur Strom zum Aufladen beziehen, sondern in Zeiten des Spitzenbedarfs auch wieder Strom an das Stromnetz abgeben. Unter der Annahme, dass sich elektrische Ladestationen in der Gesellschaft durchsetzen und dass ein geparktes Elektrofahrzeug die meiste Zeit am Stromnetz angeschlossen ist, könnte diese Technik das Problem der Energiespeicherung lösen, ohne dass zusätzliche Investitionen in Netztechnologien oder größere Speicheranlagen erforderlich sind.
Um Anreize für die Besitzer von E-Fahrzeugen zu schaffen, würden registrierte Fahrzeuge mit einer eindeutigen Seriennummer die Energiemenge messen, die in ihre Batterie einfließt und aus ihr entnommen wird, um das Netz zu nutzen. Darüber hinaus würden Echtzeit-Energietarife es den Fahrzeugen ermöglichen, sich während der Spitzenleistung aufzuladen, wenn die Energie am billigsten ist, und den Strom wieder in das Netz einzuspeisen, wenn die Energiepreise am höchsten sind.
Das klingt zwar nach einer vielversprechenden Idee, doch in der Realität ist ein solches System mit einer Vielzahl von Herausforderungen verbunden, denen sich die Ingenieure stellen müssen. Erstens erfordert ein Echtzeit-Energietarifsystem APIs, die es kleinen IoT-Geräten ermöglichen, Energiepreise in Echtzeit abzurufen, deren Wert sich nach der Stromproduktion in Echtzeit richtet. Dies würde bedeuten, dass Geräte, die Strom speichern und erzeugen, ihre Leistung mit Zeitangaben aufzeichnen müssten, um nachzuweisen, dass sie diesen Strom tatsächlich zu diesem Zeitpunkt erzeugt haben.
Die zweite Herausforderung besteht darin, dass ein Ladesystem in einem solchen Fahrzeug aufgrund der erforderlichen bidirektionalen Fähigkeiten (d. h. Push- und Pull-Strom) sehr komplex wäre. Außerdem dürfen die an das System angeschlossenen E-Fahrzeuge nicht zulassen, dass ihre gespeicherte Energie unter ein vom Benutzer festgelegtes Niveau fällt, da sonst nicht nur die Reichweite des Fahrzeugs, sondern auch die Lebensdauer der Batterie verkürzt wird (vorausgesetzt, sie hat eine begrenzte Anzahl von Ladezyklen).
Nicht nur erneuerbare Energien – Batterien werden immer alltäglicher
Auch wenn Elektrofahrzeuge und die Energiespeicherung für Stromnetze die Entwicklung der Batterietechnologie vorantreiben, bietet die fortschreitende Integration von Elektronik in Alltagsgeräte auch neue Möglichkeiten für Batterien und Batteriemanagementlösungen. Der Bedarf an kleineren Geräten stellt eine besondere Herausforderung für Ingenieure dar, da Batterien oft zu den schwersten und größten Komponenten eines Geräts gehören und eine Verkleinerung der Batterie Gewicht und Größe erheblich reduzieren kann. Dadurch verringert sich jedoch die Gesamtkapazität, was sich unmittelbar in einer kürzeren Batterielaufzeit niederschlägt. Daher müssen Ingenieure oft energiesparende Techniken entwickeln, um den Energieverbrauch zu minimieren, und Komponenten verwenden, die speziell für den Batteriebetrieb ausgelegt sind (z. B. einen mobilen Prozessor anstelle eines Desktop-Prozessors).
Laptops und Smartphones sind ein wichtiges Beispiel dafür. Obwohl die Geräte immer kleiner werden und weniger Strom verbrauchen, werden die Batterielaufzeit und die Prozessorleistung immer länger. Dies ist nur dank der Fortschritte in der Halbleitertechnologie möglich, bei der immer kleinere Transistoren und niedrigere Gate-Spannungen zu einem geringeren Energieverbrauch führen.
Welche Herausforderungen gibt es bei der Weiterentwicklung der Energiespeicherung?
Bisher haben wir erörtert, dass das Fehlen von Energiespeicherlösungen für erneuerbare Energien ein großes Problem darstellt, dass Elektrofahrzeuge die Lösung für die Speicherung erneuerbarer Energien sein könnten und dass herkömmliche Elektronik zur Verbesserung von Batterietechnologien beiträgt, aber welche Herausforderungen stellen sich für Energiespeicherlösungen im Hinblick auf die technische Umsetzung?
Erstens muss jedes Batteriesystem, das aus mehreren Zellen besteht, sicherstellen, dass die Ladung gleichmäßig verteilt wird. Während dies bei Batterien mit wenigen Zellen kein Problem darstellt, können größere Systeme, wie sie in Elektrofahrzeugen und Großspeichern zu finden sind, Hunderte (wenn nicht Tausende) von Einzelzellen aufweisen. Die daraus resultierende Anzahl der Zellenverbindungen, ICs, die zum Auslesen jeder Zelle benötigt werden, und Verwaltungsalgorithmen können die Konstruktion und Wartung solcher Systeme extrem komplex machen.
Zweitens speichern Batterien Energie in Form von Gleichspannung und nicht in Form von Wechselspannung, was sowohl beim Laden als auch beim Entladen problematisch ist. Die Umwandlung von Wechsel- in Gleichspannung und umgekehrt muss auf möglichst energieeffiziente Weise erfolgen, um die Energieverschwendung zu minimieren. Die Notwendigkeit eines bidirektionalen Umwandlungssystems führt auch zu komplexen Schaltkreisen und Sicherheitsproblemen, insbesondere wenn es sich um elektrische Systeme handelt, die Strom aus mehreren Quellen in einen Stromkreis einspeisen können (dies erfordert im Allgemeinen Hinweise auf Sicherungstafeln und Schaltern zur ordnungsgemäßen Isolation).
Drittens arbeiten große Batteriesysteme, die in Stromnetzen zum Einsatz kommen, zweifellos mit hohen Spannungen und Strömen. Darüber hinaus erfordert die große Menge an gespeicherter Energie nicht nur Komponenten, die solchen Bedingungen standhalten können, sondern es müssen auch Sicherheitsmaßnahmen integriert werden, um Schäden an den Batterien zu verhindern. Wenn beispielsweise zu viel Strom aus einer Batterie entnommen wird, führt dies zu einer Überhitzung der Batterie, was wiederum die Gefahr eines Brandes birgt. Da die meisten Hochenergiebatterien auf Lithium basieren, kann sich ein solcher Brand schnell zu einer Katastrophe auswachsen und einen Durchlaufeffekt verursachen, bei dem auch benachbarte Batterien ausfallen.
Viertens ermöglichen neuere Batteriesysteme schnellere Ladezeiten, indem sie den Ladestrom deutlich erhöhen, und dies erfordert Stromkreise, die größere Ströme verarbeiten können. Die Größe eines Bauteils ist proportional zum Strom, den es bewältigen kann, so dass schnelle Ladegeräte zweifellos größere Schaltungen erfordern. Außerdem führt der erhöhte Strom zu einer stärkeren Erwärmung, und diese zusätzliche Wärme muss korrekt abgeleitet werden, da sie sonst ein Brandrisiko darstellt.
Wie wird die Energiespeicherindustrie die Industrie für Elektrogeräte vorantreiben?
Bei der Energiespeicherung spielen Stromversorgungsgeräte eine entscheidende Rolle, sei es beim Laden, beim Umschalten des Stroms oder bei der Überwachung der Zellspannung. Die bisher behandelten Probleme eröffnen der Stromversorgungsindustrie wichtige Möglichkeiten zur Weiterentwicklung und Integration.
Das erste und wohl wichtigste Problem ist die Notwendigkeit, den Wirkungsgrad von Leistungswandlern zu erhöhen. Selbst wenn ein Konverter einen Wirkungsgrad von 95% hat, sind 5% einer großen Zahl immer noch außergewöhnlich viel, und das bedeutet nicht nur Energieverschwendung, sondern diese Energieverschwendung tritt fast immer in Form von Wärme auf. Bei einer 1-GW-Batteriespeicheranlage mit einem Wirkungsgrad von 95% werden beispielsweise immer noch insgesamt 50 MW Energie durch Kabel, Komponenten und Speichereinheiten verschwendet. Selbst eine Steigerung des Wirkungsgrads um nur 1% kann Strom für 20.000 zusätzliche Haushalte liefern.
Darüber hinaus erlassen Regierungen auf der ganzen Welt weiterhin Gesetze zur Energieeffizienz von Konsum- und Haushaltsgeräten. Daher wird auch die Nachfrage nach effizienteren Stromwandlern und Verstärkern steigen, da die Ingenieure gezwungen sind, jedes zusätzliche Watt an Energie aus einem Design herauszuholen.
Die ständige Nachfrage nach kleineren Geräten mit längerer Batterielebensdauer und höherer Leistung wird auch die Entwicklung neuer Leistungsverstärker und Stromwandler beschleunigen. Wie bereits erwähnt, ist die Verkleinerung der Batteriegröße eine der besten Möglichkeiten, das Gewicht eines Produkts zu reduzieren, allerdings um den Preis einer geringeren Batteriekapazität. Energieeffiziente Prozessoren können dazu beitragen, die Lebensdauer einer Batterie zu verlängern, allerdings um den Preis einer verminderten Leistung. Der Einsatz hocheffizienter Leistungsverstärker und -wandler ermöglicht daher die Verwendung eines leistungsfähigeren Prozessors, da Energie, die sonst bei der Energieumwandlung verschwendet würde, für die Verarbeitung genutzt werden kann.
Ein weiterer Bereich, der dazu beitragen kann, die Entwicklung von Leistungsverstärkern und -wandlern zu beschleunigen, ist der Bereich der Energiesammler. Der zunehmende Einsatz von IoT-Geräten in entlegenen Gebieten, in denen es keine Stromquellen gibt, macht es erforderlich, dass diese Geräte ihren eigenen Strom erzeugen. Energiesammler können diese Energie bereitstellen, aber aufgrund der geringen Energiegrößen müssen die Stromwandler in Energiesammlern so effizient wie möglich sein, um die Verschwendung zu minimieren.
Energiegeräte, die in Stromnetzen eingesetzt werden, werden zweifellos mit extrem hohen Spannungen und Strömen zu tun haben. Während herkömmliche Halbleiter in der Lage waren, in solchen Umgebungen zu arbeiten, bietet die Einführung neuer Leistungstechnologien wie SiC und GaN den Ingenieuren revolutionäre moderne Designs mit deutlich höheren Betriebsspannungen, höheren Wirkungsgraden und geringeren Abmessungen. Die Kombination aus höheren Spannungstoleranzen und geringerem Platzbedarf eröffnet auch Möglichkeiten für Elektrofahrzeuge und andere tragbare Hochspannungsgeräte dank des geringeren Gewichts und der höheren Leistungsaufnahme.
Schließlich können Stromversorgungsgeräte, die in hochgradig ausfallsicheren Szenarien eingesetzt werden (z. B. große Netzbatterien), sogar intelligente Lösungen für eine fortschrittliche Stromüberwachung und den Geräteschutz integrieren. So könnte beispielsweise ein kleiner Mikrocontroller mit einem eingebetteten KI-Prozessor in einen Leistungsverstärker integriert werden und eine Echtzeit-Überwachung von Strom und Spannung ermöglichen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Geräteschutzmethoden könnte ein solches System einen vorbeugenden Schutz bieten und gegen abnormales Verhalten schützen. Es könnte auch dazu verwendet werden, eine zentrale Stelle auf ein potenzielles Problem aufmerksam zu machen, bevor ein Schaden entsteht.
Fazit
Mit der zunehmenden Bedeutung von Energiespeicherung und Energieeffizienz steigt auch die Bedeutung von Stromwandlern und Verstärkern. Der Sektor der erneuerbaren Energien steht vor einem großen Problem bei der Energiespeicherung, und wenn es nicht gelingt, große Batterien zu bauen, müssen die Ingenieure möglicherweise dazu übergehen, an das Netz angeschlossene Elektrofahrzeuge als große virtuelle Batterie zu nutzen. Natürlich erfordern solche Energiesysteme fortschrittliche Stromversorgungssysteme, die in der Lage sind, bidirektionale Energie mit hoher Effizienz zu übertragen und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Lebensdauer der Batterie zu minimieren.
Tragbare Geräte müssen ihre Energieeffizienz weiter verbessern, damit die Batterien kleiner werden können, während in IoT-Designs integrierte Energiesammler Leistungsverstärkern und -wandlern echte Wachstumschancen bieten könnten.
Schließlich werden für die Entwicklung großer Batteriesysteme, die in Stromnetzen eingesetzt werden, zweifellos neue Halbleitertechnologien wie SiC und GaN benötigt, und die hohen Kosten solcher Systeme könnten den Einsatz intelligenter Verstärker fördern, die Vorhersagefähigkeiten bieten, um potenzielle Schäden zu erkennen, bevor sie überhaupt entstanden sind.