Bedeutung der Leistungselektronik für die Megathemen der Gesellschaft, die verbesserte Energieeffizienz und die Energiewende
Die Funktion der Leistungselektronik besteht darin, mithilfe von Halbleiterbauelementen die elektrische Energie möglichst effizient in die von den verschiedenen Anwendungen benötigte Form umzuwandeln und den Leistungsfluss zu steuern. Die Leistungselektronik ist eine Querschnittstechnologie, die in nahezu allen Anwendungen und Leistungsbereichen (von MilliWatt bis Mega- und GigaWatt) zu finden ist, die mit elektrischer Energie umgehen. Wichtige Anwendungsfelder liegen in den Bereichen der Fahrzeug- und Bahntechnik, Informations- und Kommunikationstechnik, Haushalts- und Gebäudetechnik, Automatisierung und Fördertechnik sowie der Stromerzeugung, Stromübertragung und Stromverteilung.
Leistungselektronik - die Querschnittstechnologie in vielen Anwendungen im Leistungsbereich
Quelle: Prof. Dr. M. März, Fraunhofer IISB
Die Leistungselektronik spielt eine wichtige Rolle bei der Einsparung elektrischer Energie und der damit verbundenen CO2-Reduktion. Für die Steigerung der Energieeffizienz z. B. bei hocheffizienten Motorantrieben mit variabler Drehzahl und Energierückgewinnung, bei intelligenten Stromversorgungen, die einen hohen Wirkungsgrad über einen weiten Lastbereich und eine nahezu stromlose Standby-Funktion ermöglichen sowie bei effizienten DC-Netzen für Industriehallen, Bürogebäude und für Data Center birgt die Leistungselektronik ein Gesamteinsparpotenzial von 25 - 30 % der elektrischen Energie.
In zentralen Feldern der Energiewende wie der Netzeinspeisung und Speicherung erneuerbarer Energien aus Photovoltaik und Windkraft, der Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie sowie der Elektromobilität ermöglicht die Leistungselektronik eine effiziente Wandlung der elektrischen Energie an jeder Schnittstelle.
Die Leistungselektronik ist eine Schlüsseltechnologie für die netzkonforme Einspeisung von erneuerbaren Energien aus PV-Solaranlagen und Windgeneratoren, dem Anschluss von Offshore-Windpark-Anschluss mittels Gleichstromnetzen sowie der Integration von Energiespeichern zur optimierten Nutzung der fluktuierenden Energie aus Wind und Sonne.
Für die Elektromobilität hat die Leistungselektronik eine Schlüsselrolle, sowohl auf der Fahrzeugseite als auch auf der Netzseite. Die leistungselektronischen Wandler in einem elektrifizierten Fahrzeug (Hybrid, batterie-elektrisch, Brennstoffzelle) umfassen den Antriebs-umrichter, DC/DC-Spannungswandler, das Batteriemanagementsystem und den Ladewandler. Für die Integration von Elektrofahrzeugen in das Stromnetz wird eine Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge benötigt einschl. DC-Schnellladen.
Die Leistungselektronik wird in zukünftigen Energiesystemen eine zunehmende Bedeutung haben, insbesondere im Hinblick auf die Energiewende hin zu einem von leistungs-elektronischen Wandlern dominierten Stromnetz, auf der Erzeugungs- wie auf der Verbraucherseite. Der Übergang von fossilen Brennstoffen mit zentraler Stromerzeugung in Großkraftwerken zu erneuerbaren Energien mit dezentraler Erzeugung läuft bereits seit einigen Jahren, aber jetzt nähern wir uns einem Übergangspunkt, an dem die fluktuierenden erneuerbaren Energien überwiegen. Die Stabilisierung und Kontrolle solcher Netze ohne ein starkes 50-Hz-Backbone aus der konventionellen Stromerzeugung stellt eine große Herausforderung dar. Für alle relevanten Schnittstellen im Stromnetz wird eine intelligente Leistungselektronik benötigt.
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