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Leistungselektronik: Voraussetzung für saubere Energie aus Sonne, Wind und anderen regenerativen Quellen.
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Elektronik für erneuerbare Energien effizient entwickeln

Text: Sabrina Quente, Energy 2.0 FotoS: EBV
Regenerative Stromerzeugung soll effizient und möglichst kostengünstig sein. Maßgeschneiderte Leistungselektronik kann dafür nicht nur bei Photovoltaik- und Windanlagen sorgen. Um die kostspielige und zeitintensive Entwicklung von Lösungen zu vermeiden, die dann nur in der Schublade liegen, sind Markt- und Technologiekenntnis gefragt.

Spätestens seit die Bundesregierung die Energiewende auf die Agenda gesetzt hat, geht das Thema erneuerbare Energien hierzulande alle an: Aber auch über die Landesgrenzen hinweg erlebt der Markt für erneuerbare Energien einen regelrechten Boom. Er stellt für Anlagenbauer, Netzbetreiber und Energieversorger ein attraktives Geschäftsfeld dar, bringt aber auch Herausforderungen mit sich - zum Beispiel die Auswahl der richtigen Elektronikkomponenten, um kostengünstige und zuverlässige Lösungen entwickeln zu können. Zur Beratung auf diesem Feld gründete EBV Elektronik in Poing bei München die Abteilung Renewable Energies. Damit will der Elektronik-Distributor solche Unternehmen unterstützen, die elektronische Systeme für erneuerbare Energien herstellen und versorgt sie mit passender Leistungselektronik.

Die Elektroniksysteme sollen helfen, regenerativen Strom, etwa aus Sonne oder Wind, ins Netz zu speisen und sind auch aus Regelungs- und Kontrollprozessen nicht wegzudenken. „Wir kümmern uns um die gesamte Kette von der Erzeugung der Energie - egal ob aus Wind, Sonne, Wasser oder Biogas - über ihren Transport bis zur Transformation“, erklärt Karl Lehnhoff von EBV. Elektronikkomponenten sind zwar auch bei der Zwischenspeicherung und der Messung der Energie sowie bei der Kommunikation auf dem Weg von der Energieerzeugung bis hin zum Verbrauch zu finden. Der Fokus des Unternehmens liegt bei den Erneuerbaren aber klar auf Photovoltaik-, Wind- und Metering-Applikationen.

EMEA-weit nah am Kunden

Damit jeder Kunde in der EMEA-Region (Europe, Middle East, Africa) dabei auch die passende Lösung bekommt, sind EMEA-weit 110 Applikationsingenieure im Einsatz, die vorwiegend aus der Elektronikentwicklung kommen, und 230 Sales-Ingenieure. Lehnhoff, Direktor der Abteilung Vertical Segment Renewable Energies EMEA, versorgt sie mit neuesten Informationen und Markttrends zu EBV-Produkten: „Da wir immer nah an den Kunden sind, wissen wir genau, zu welchen Untermärkten der erneuerbaren Energien sie gehören und welche Bedürfnisse sie haben.“

Mit dieser Form der vertikal ausgerichteten Organisation reagiert das Unternehmen auf neue Marktstrukturen, die besonders beratungsintensive Märkte wie RFID oder Automotive mit sich bringen, und bewegt seinen Fokus weg von Produkten und hin zum Markt. Bernd Schlemmer, Direktor der Kommunicationsabteilung bei EBV, erklärt: „Kunden, die sich mit erneuerbaren Energien auseinandersetzen, haben aufgrund von EU-Verordnungen überall die gleichen Schwierigkeiten und Voraussetzungen.“ Aus diesem Grund sei es effizienter, einen Fachmann einzusetzen, der Produkte und Technologien europaweit betreut und damit einem lokalen Produktspezialisten weit voraus sei. „Deshalb haben wir Spezialistenteams geschaffen, die auf die komplette Organisation zugreifen und sich dort die nötigen Marktexperten holen können“, so Schlemmer.

Lösungen mit System

Marktkenntnis und ein Draht zu den Herstellern alleine reichen aber nicht aus, um heute die Anforderungen des Energiemarktes zu erfüllen. Gefragt ist auch Wissen über neueste Technologien und Produkte. „Wir beobachten sehr genau, welche Produkte überhaupt eine vernünftige Marktchance haben und lassen sie in unsere Referenzdesigns einfließen“, erläutert Lehnhoff. Mit den Referenzdesigns bekommt der Kunde lauffähige Systeme, mit denen er Applikationen umgehend aufsetzen kann. Das spart mehrere Wochen Entwicklungszeit.

Für erneuerbare Energien ist in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Köln das Referenzdesign FalconEye 3 entstanden. Es basiert auf einer Drei-Level-Topologie, die sich in der Anzahl der eingesetzten IGBTs (insulated-gate bipolar transistor), Dioden und Kondensatoren von Zwei-Level-Umrichtern unterscheidet. Vier in Reihe geschaltete IGBTs, kurze Strompfade mit einem optimierten Layout im Modul und einer entsprechend angepassten Gate-Ansteuerung ermöglichen es, Schaltüberspannungen gering zu halten und über möglichst hohe Zwischenkreisspannungen den Wirkungsgrad zu maximieren. Diese Drei-Level-Topologie eignet sich unter anderem für Umrichter zur Netzeinspeisung von erneuerbaren Energien oder auch für Batteriemanagementsysteme in Smart-Grid-Applikationen.

„Wir zeigen den Kunden damit neue Lösungsansätze, die effizienter sind und trotzdem Systemkosten reduzieren“, sagt Lehnhoff. Und genau darin besteht die Schwierigkeit, denn bei Invertern etwa bedeutet ein Prozent Effizienzsteigerung eine Verdoppelung der Halbleiterkosten. Bei den bereits hohen Wirkungsgraden von über 97 Prozent sind unterschiedliche Strategien denkbar: „Entweder wir erreichen die gleiche Effizienz für wesentlich weniger Geld, oder aber wir steigern sie leicht, ohne die Systemkosten zu erhöhen“, so Lehnhoff. Besonders Entwicklungskosten lassen sich mit dem Referenzdesign verringern.

Für viele Anwendungen der erneuerbaren Energien sind aber Ansätze nötig, die noch weit über die Möglichkeiten des FalconEye 3 hinausgehen. Laut Lehnhoff sind heute Systemlösungen und die Reduzierung von Kosten im System gefordert. Hierbei sieht sich EBV als Impulsgeber und möchte von Anfang an in den Prozess eingebunden werden, damit die Entwicklung einer maßgeschneiderten Lösung schnell und kostensparend ablaufen kann. „Meist haben die Kunden schon einen eigenen Lösungsansatz“, ist die Erfahrung von Lehnhoff. „Da sie aber oft gleiche Bauelemente verwenden, ist die Gefahr groß, mit einem Auslaufmodell zu arbeiten. Dann hat man zwar etwas entwickelt, fängt aber gleich wieder an, neu zu entwickeln“.

Der Chip der Zukunft

Als erster Elektronik-Distributor ist EBV auch noch einen Schritt weiter gegangen und definiert mit Genesis eigene Halbleiterlösungen, die gegenüber Standardlösungen integrierte Siliziumcarbid-Dioden besitzen. Das erlaube eine Effizienzerhöhung von bis zu drei Prozent und findet vor allem dort Anwendung, wo Kunden noch nicht auf optimierte Standardbausteine zurückgreifen können: „Durch unser Systemwissen und den Gedankenaustausch mit unseren Kunden können wir neue Bauteile definieren, wenn ein passendes fehlt“, so Lehnhoff, und Bernd Schlemmer ergänzt: „Einzelne, auch sehr große Kunden hätten für ihre Halbleiterentwicklung nicht die Volumina und den Zugriff zum Hersteller. Da in allen Ländern in Europa ähnliche Voraussetzungen und Produktanforderungen bestehen, sammeln wir Kundenideen, führen sie zusammen und versuchen, 90 bis 95 % der Anforderungen auf einen Chip zu vereinen.“ Eine hundertprozentige Lösung für jeden Kunden ist nicht erreichbar, doch was EBV von den Herstellern umsetzen lässt, sei immerhin schon viel mehr und individueller als Lösungen anderer Herstellern.

Mit diesem Ansatz bekomme der Kunde ein optimales Produkt und Zugang zum Hersteller, und auch der Hersteller selbst profitiere davon: „Über den Kanal EBV-Chip machen wir Marktforschung bei 15.000 Kunden“, sagt Schlemmer. Außerdem wird das entwickelte Produkt in der Regel nach fünf Jahren zum Allgemeinprodukt, das von der EBV-Mutter Avnet in allen Regionen der Welt und aufgrund größerer Stückzahlen vergleichsweise günstig angeboten werden kann. Die beiden EBV-Mitarbeiter sind sich einig - dies ist eine Win-Win-Win-Situation. Und wo sonst gibt es das bei der Energiewende?

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