M.Sc. Simon Frank

Ammar Hamada

Motivation:

Der Umbau vieler energieintensiver Branchen (Halbleiter- und Stahlindustrie, Flugverkehr etc.) hin zu einer CO2-neutralen Produktion bzw. CO2 neutralem Betrieb führt zu einem enormen Bedarf an grünem Wasserstoff. Die Verteilung und der Transport von diesem Wasserstoff in großen Mengen erfordert ein leistungsstarkes Wasserstoffnetz. Aktuelle Forschungsvorhaben beschäftigen sich deshalb u.a. mit dem Transport von kryogenem Flüssigwasserstoff über Pipelines, da dieser eine besonders hohe Energiedichte aufweist. Durch den Transport als tiefkalte Flüssigkeit bietet sich dabei die Möglichkeit der Integration eines Supraleiters in eine solche Pipeline, ohne dass eine zusätzliche Kühlung notwendig wird. Dadurch kann neben der chemischen Energieübertragung auch verlustfrei elektrische Energie über eine gemeinsame Pipeline übertragen werden. In diesem Rahmen wird am Campus Nord von einigen KIT Instituten eine auf 10 kA / 10 kV skalierte Test-Pipeline aufgebaut. Das ETI beteiligt sich an diesem Projekt und untersucht nutzbare Synergien mit Stromrichtern, die im Umfeld dieser hybriden Pipeline betrieben werden sollen. So zeigen bestimmte Halbleiter-Technologien z.B. ein verbessertes Durchlass- und Schaltverhalten bei tieferen Temperaturen. Außerdem kann die bei einigen Stromrichter-Topologien vorhandene galvanische Trennung gleichzeitig als thermische Barriere genutzt werden. Hierdurch wird der Wärmeeintrag in die Pipeline und der damit verbundene Kühlaufwand reduziert.

Aufgabenstellung:

In dieser Arbeit soll eine simulative Untersuchung der Einspeise- und Entnahme-Stromrichter an den Terminals der hybriden Pipeline durchgeführt werden. Aufgrund der materialtechnischen Vorteile liegt dabei der Fokus auf SiC-MOSFETs und GaN-HEMTs basierten Stromrichtern mit einer galvanischen Trennung wie z.B. der Dual-Active-Bridge (DAB). Die Dimensionierung der Stromrichter erfolgt anhand der durch die geplante Test-Pipeline mit 10 kA /10 kV entstehenden Anforderungen. Für die Modelle sollen die Daten von existierenden Halbleitern bzw. Halbleitermodulen verwendet werden. Diese zur Verlustberechnung und Wirkungsgradabschätzung notwendigen temperaturabhängigen Halbleiterdaten, sollen aus den jeweiligen Datenblättern oder aus vorangegangene Doppelpulsmessungen gewonnen werden. Ein Fokus liegt zudem auf der Modellierung der thermischen Anbindung der Halbleiter an die Kühlung. Ziel der Arbeit soll eine Optimierung der beiden Technologien (SiC und GaN) hinsichtlich des Wirkungsgrades sein. Speziell der Freiheitsgrad einer in weiten Bereichen einstellbaren Chiptemperatur bietet in dieser Anwendung ein besonderes Optimierungspotenzial. Daneben muss jedoch auch das Gesamtkonzept bestehend aus den Halbleitern selbst, der galvanischer Trennung durch einen Trafo, sowie der Kühlung, betrachtet werden. Dabei sollen insbesondere auch mögliche Einsparungen in der Kühlleistung der Pipeline durch eine galvanische/thermische Trennung untersucht werden.