Damit Elektroautos als Puffer im Stromnetz dienen können, müssen sie ihren Strom auch effizient wieder ans Netz abgeben können. Die dafür nötigen bidirektionalen Ladetechnologien entwickeln Forschende derzeit in einem neuen Projekt. Neue Halbleiterbauelemente, Bauteilkonzepte und Systemkomponenten sollen das Entladen der Elektroautos kostengünstiger und einfacher als bisher machen. Durch solche Technologien könnte die Elektromobilität dazu beitragen, künftig Schwankungen im Stromnetz mit auszugleichen.
Mit der zunehmenden Zahl an Elektroautos auf unseren Straßen werden die Akkus der Stromer zu einem immer wichtigeren Akteur im Stromnetz. Denn die rollenden Batterien können je nach Zeitpunkt des Ladens zur zusätzlichen Belastung, aber auch zum Puffer in den Stromnetzen der Zukunft werden. Das erfordert jedoch Technologien wie die das bidirektionale Laden, durch die E-Autos ihre Energie bei Bedarf auch effizient wieder an das Stromnetz zurückgeben können.
Bisherige Bauteile nicht günstig oder nicht effizient genug
„Durch bidirektionale Ladelösungen tragen die bisher ungenutzten Batterien parkender Elektrofahrzeuge zukünftig stärker zur Flexibilisierung des Energiesystems und Vermeidung von CO2-Emissionen bei“, erklärt Stefan Mönch vom Fraunhofer Institut für Festkörperphysik IAF. Bisher fehle es jedoch an intelligenten und kostengünstigen bidirektionalen Ladesystemen, um Batterien, Netz, lokale Erzeuger und Verbraucher mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte zu verbinden.
Erste bidirektionale DC-Wallboxen mittlerer Leistung für Batterien bis 800 Volt gibt es zwar. Sie nutzen aber entweder Leistungshalbleiter-Bauelemente aus Siliziumkarbid, die effizient, aber teuer sind oder Silizium-Bauteile, die kostengünstig und weniger effizient sind. 650-Volt-Transistoren aus Galliumnitrid auf Silizium sind zwar beides, erfordern aber eine komplexe Schaltung, da die Spannungsfestigkeit nicht ausreicht. Um möglichst viele Batterien bidirektional zu integrieren, müssten daher Kosten, Effizienz und die Kompaktheit der Ladelösungen deutlich verbessert werden.
Bessere Transistoren und Ladegeräte
Dieser Herausforderung haben sich nun Forschende im Projekt „GaN4EmoBiL“ gestellt. Das Team des Fraunhofer IAF, der Universität Stuttgart, der Robert Bosch GmbH und der Ambibox GmbH hat zum Ziel, mit neuen Halbleiterbauelementen, Bauteilkonzepten und Systemkomponenten ein intelligentes und kostengünstiges bidirektionales Ladesystem zu demonstrieren. „Unser Vorhaben soll Batterien, erneuerbare Energien und elektrische Verbraucher wirtschaftlich und flexibel verbinden“, sagt Mönch.
Dafür erforschen die Projektpartner im ersten Schritt neue Halbleiterlösungen. Sie wollen eine neue kostengünstige GaN-Technologie auf alternativen Substraten wie beispielsweise Saphir entwickeln, die preiswerte und effiziente 1.200-Volt-Transistoren ermöglicht. Darauf aufbauend entwickeln sie neue Systemkomponenten wie ein bidirektionales Ladekabel und Ladegerät und untersuchen ihre Zuverlässigkeit für stark erhöhte Betriebsdauern.
Am Ende des Projekts sollen Demonstratoren die Forschungs- und Entwicklungslücke füllen, die momentan im Spannungsfeld zwischen Kosten, Effizienz, Kompaktheit, Funktionalität, Leistungsklasse und Spannungsklasse (800-V-Batterien) existiert. „Effiziente, kleine und intelligente Ladeinfrastrukturen in der Elektromobilität werden in Zukunft dazu beitragen, gesellschaftliche Herausforderungen zu meistern“, sagt Etienne Tchonla von Ambibox.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF
