TY - THES

T1 - Charakterisierung der Leistungselektronik für die bidirektionale elektrische Netzkopplung eines rSOC-Systems

AU - Boyer, Anton

N1 - nicht gesperrt

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Der immer weiter fortschreitende Klimawandel und die Verknappung fossiler Ressourcen machen einen Umstieg von fossilen Energieträgern zu erneuerbarer Energieerzeugung notwendig. Die dazu erforderlichen Technologien zur erneuerbaren Erzeugung beinhalten unter anderem Wind-, und Sonnenenergie oder Wasserkraft. Diese Art der Energieerzeugung unterliegt jedoch starken Fluktuationen, die sich durch die vorherrschende Wetterlage ergeben. Da der Energieverbrauch diesen Fluktuationen im Allgemeinen nicht folgt, werden zusätzliche Flexibilitätsoptionen im Energieversorgungssystem benötigt. Eine neue Technologie, der diesbezüglich großes Potential zugeschrieben wird, ist die reversible Hochtemperatur-Festoxidzelle (reversible solid oxide cell, rSOC). rSOC-Systeme ermöglichen sowohl einen Brennstoffzellen- als auch einen Elektrolysebetrieb in einer einzigen Zelle. Somit sind sie als Energiespeicher einsetzbar und erlauben außerdem eine Kopplung von Energiesektoren wie Wärme, Gas und Elektrizität. Zur elektrischen Netzintegration eines rSOC-Systems, das einen bidirektionalen Leistungsfluss erlaubt, ist eine umfangreiche Leistungselektronik erforderlich. Die Betriebseigenschaften dieser Leistungselektronik wurden in dieser Arbeit im Rahmen des FIRST-Forschungsprojekts systematisch untersucht und charakterisiert. Zur Charakterisierung wurde ein sogenannter Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL)-Ansatz gewählt, der Laborversuche unter realen Betriebslastsituationen erlaubt und ein umfangreiches SCADA-System zur Datenaufzeichnung aufweist. Zudem erlaubt der PHIL-Ansatz ein gezieltes Beaufschlagen definierter Betriebspunkte des rSOC-Systems. Für eine umfangreiche Datenanalyse wurden die elektrischen Größen der Leistungselektronik während des Betriebs hochaufgelöst aufgezeichnet. Um die Leistungselektronik zu charakterisieren, wurden aus den gewonnenen Messdaten die Leistungen und Wirkungsgrade berechnet, die zeitlichen Verläufe von Spannung und Strom dargestellt, die Rippelstromanteile der Gleichströme quantifiziert, sowie die auftretenden Oberschwingungen durch eine harmonische Analyse ermittelt. Die generierten Ergebnisse erlaubten zudem eine Validierung des entwickelten Versuchsaufbaus. Dabei wurden Ursachen für mögliche Ungenauigkeiten identifiziert und damit die Ergebnisse kritisch beleuchtet. Abschließend wurden die Ergebnisse der Charakterisierung diskutiert und ein Ausblick auf Handlungsempfehlungen zur Verbesserung abgegeben.

AB - Der immer weiter fortschreitende Klimawandel und die Verknappung fossiler Ressourcen machen einen Umstieg von fossilen Energieträgern zu erneuerbarer Energieerzeugung notwendig. Die dazu erforderlichen Technologien zur erneuerbaren Erzeugung beinhalten unter anderem Wind-, und Sonnenenergie oder Wasserkraft. Diese Art der Energieerzeugung unterliegt jedoch starken Fluktuationen, die sich durch die vorherrschende Wetterlage ergeben. Da der Energieverbrauch diesen Fluktuationen im Allgemeinen nicht folgt, werden zusätzliche Flexibilitätsoptionen im Energieversorgungssystem benötigt. Eine neue Technologie, der diesbezüglich großes Potential zugeschrieben wird, ist die reversible Hochtemperatur-Festoxidzelle (reversible solid oxide cell, rSOC). rSOC-Systeme ermöglichen sowohl einen Brennstoffzellen- als auch einen Elektrolysebetrieb in einer einzigen Zelle. Somit sind sie als Energiespeicher einsetzbar und erlauben außerdem eine Kopplung von Energiesektoren wie Wärme, Gas und Elektrizität. Zur elektrischen Netzintegration eines rSOC-Systems, das einen bidirektionalen Leistungsfluss erlaubt, ist eine umfangreiche Leistungselektronik erforderlich. Die Betriebseigenschaften dieser Leistungselektronik wurden in dieser Arbeit im Rahmen des FIRST-Forschungsprojekts systematisch untersucht und charakterisiert. Zur Charakterisierung wurde ein sogenannter Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL)-Ansatz gewählt, der Laborversuche unter realen Betriebslastsituationen erlaubt und ein umfangreiches SCADA-System zur Datenaufzeichnung aufweist. Zudem erlaubt der PHIL-Ansatz ein gezieltes Beaufschlagen definierter Betriebspunkte des rSOC-Systems. Für eine umfangreiche Datenanalyse wurden die elektrischen Größen der Leistungselektronik während des Betriebs hochaufgelöst aufgezeichnet. Um die Leistungselektronik zu charakterisieren, wurden aus den gewonnenen Messdaten die Leistungen und Wirkungsgrade berechnet, die zeitlichen Verläufe von Spannung und Strom dargestellt, die Rippelstromanteile der Gleichströme quantifiziert, sowie die auftretenden Oberschwingungen durch eine harmonische Analyse ermittelt. Die generierten Ergebnisse erlaubten zudem eine Validierung des entwickelten Versuchsaufbaus. Dabei wurden Ursachen für mögliche Ungenauigkeiten identifiziert und damit die Ergebnisse kritisch beleuchtet. Abschließend wurden die Ergebnisse der Charakterisierung diskutiert und ein Ausblick auf Handlungsempfehlungen zur Verbesserung abgegeben.

KW - power electronics

KW - rSOC

KW - Power-Hardware-in-the-Loop

KW - PHIL

KW - SCADA

KW - Leistungselektronik

KW - rSOC

KW - Power-Hardware-in-the-Loop

KW - PHIL

KW - SCADA

M3 - Masterarbeit

ER -