09.08.2021 • Energie

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.

Abb.: Versuchs­aufbau mit nieder­induktiven Leistungs­modulen. (Bild: HS...
Abb.: Versuchs­aufbau mit nieder­induktiven Leistungs­modulen. (Bild: HS Landshut)

„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

Weitere Infos

 

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

EnergyViews

EnergyViews
Dossier

EnergyViews

Die neuesten Meldungen zu Energieforschung und -technologie von pro-physik.de und Physik in unserer Zeit.

Meist gelesen

Themen