Neue Technologie für den Wasserstoff-Antrieb
Innovative Leistungselektronik soll Gewicht, Kosten und Wirkungsgrad von Fahrzeugen mit Brennstoffzellen optimieren.
Für die Mobilität der Zukunft sind unter anderem Fahrzeuge mit Brennstoffzellen im Gespräch. Eine große Rolle bei diesem Antrieb spielt die Leistungselektronik: Diese wird benötigt, um elektrische Energie entsprechend umzuformen, zum Beispiel Gleichstrom aus dem Hochvoltbordnetz in Drehstrom für den Elektromotor. Zudem kann die Spannung von Brennstoffzellen je nach Belastung stark variieren. Daher benötigen Wasserstoff-Autos einen DCDC-Wandler, der die Spannung für das Hochvoltbordnetz entsprechend anpasst. Im Rahmen des Projekts Dragan wird an der Hochschule Landshut jetzt an einem solchen DCDC-Wandler geforscht. Im Gegensatz zu bisherigen Modellen werden dabei Galliumnitrid-Transistoren – genauer GaN-HEMTs – eingesetzt, wodurch der Wandler besonders leicht und kompakt gebaut werden kann. Zudem erhofft sich das Forscherteam unter Leitung von Alexander Kleimaier Vorteile bei den Produktionskosten und dem Wirkungsgrad. Als Unternehmenspartner beteiligt sich Silver Atena am Projekt. Das Bayerische Verbundforschungsprogramm „Mobilität Innovative Antriebe“ fördert das Vorhaben mit insgesamt 686.900 Euro.
„Moderne Mobilität kommt nicht ohne Leistungselektronik aus“, sagt Kleimaier, „meist werden diese Technologien in der öffentlichen Debatte aber komplett übersehen.“ Dabei sind sie bei allen Themen rund um die Energiewende essenziell: bei Elektroautos oder Schienenfahrzeugen, bei Energiespeichern oder bei Solar- und Windkraftanlagen. „Wir benötigen Leistungselektronik, um die Energie ins Stromnetz einzuspeisen, um Batterien aufzuladen oder um einen Elektromotor anzusteuern“, so der Forscher.
Derzeit erfährt die Leistungshalbleiterbranche einen Umbruch. „Gerade in den USA entstanden in letzter Zeit viele hochinnovative Firmen, die verstärkt an der Weiterentwicklung in diesem Bereich forschen“, so Kleimaier. So seien nun Leistungshalbleiter auf dem Vormarsch, die nicht wie bisher auf Silizium, sondern auf Siliziumkarbid oder eben Galliumnitrid basieren. Diese stellen aber deutlich höhere Anforderungen an die Aufbautechnik für die leistungselektronischen Schaltungen. Denn um die neuen Leistungshalbleiter darin überhaupt erst einsetzen zu können, sind neue, innovative Aufbautechnologien erforderlich – eine große Herausforderung für das neue Projekt.
„Wir arbeiten in unserem Labor daran, eine besonders niederinduktive Aufbautechnologie realisieren zu können, die zudem möglichst wenig Störungen erzeugt“, erklärt Kleimaier. Damit könnte das Team die exzellenten Eigenschaften der neuen Halbleiter möglichst gut ausnutzen und Leistungselektronik deutlich kompakter und effizienter gestalten. „Raumbedarf und Gewicht sind im Fahrzeug immer problematisch und müssen daher optimiert werden“, so der Forscher. Auch bei den Kosten erhoffen sich die Wissenschaftler Vorteile.
Ob sich Autos mit Brennstoffzellen in Zukunft durchsetzen werden, ist derzeit noch nicht absehbar. Letztlich gelte es, die Vor- und Nachteile gegeneinander abzuwägen. So lassen sich Wasserstoff-Fahrzeuge schneller betanken und verfügen über eine größere Reichweite als die bisherigen E-Autos mit Batterie. Zudem ermögliche Wasserstoff als Energieträger die Speicherung großer Mengen von Energie. „Auf der anderen Seite haben wir dabei hohe Verluste durch Energieumwandlung“, so Kleimaier, „schließlich müssen wir den Wasserstoff mithilfe von regenerativen Energien erst erzeugen, dann unter Energieaufwand komprimieren bzw. verflüssigen, um ihn dann wiederum mit Hilfe von Brennstoffzellen in elektrische Energie zurückzuwandeln.“ Den Wissenschaftlern bleibt in Zukunft damit noch viel zu tun. Das Projekt „Dragan – Entwicklung, Aufbau und Test von 3-Level GaN-Leistungselektronikmodulen“ läuft von 2020 bis 2023.
HS Landshut / RK
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