Neue Technologie für Wasserstoff-Antrieb

Die Hochschule Landshut forscht an innovativer Leistungselektronik für
Fahrzeuge mit Brennstoffzellen – mit dem Ziel, Gewicht, Kosten und
Wirkungsgrad zu verbessern.

Wie sieht die Mobilität der Zukunft aus? Diese Frage beschäftigt derzeit
Wissenschaft und Gesellschaft gleichermaßen. Dabei sind unter anderem
Fahrzeuge mit Brennstoffzellen im Gespräch. Sie verfügen über einen
Elektromotor und erzeugen die elektrische Energie zum Fahren aus der
Verbrennung von Wasserstoff. 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 sogenannten DCDC-Wandler, der die Spannung für das
Hochvoltbordnetz entsprechend anpasst. Das Projekt Dragan an der
Hochschule Landshut forscht nun an einem solchen DCDC-Wandler, wobei im
Gegensatz zu bisherigen Modellen Galliumnitrid-Transistoren (genauer GaN-
HEMTs) eingesetzt werden, wodurch der Wandler besonders leicht und kompakt
gebaut werden kann. Zudem erhofft sich das Forscherteam unter Leitung von
Prof. Dr. 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.

Schlüsseltechnologie für Energiewende

„Moderne Mobilität kommt nicht ohne Leistungselektronik aus“, betont
Kleimaier, „meist werden diese Technologien in der öffentlichen Debatte
aber komplett übersehen.“ Dabei sind diese 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
Landshuter Professor.

Umbruch in der Branche

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“, erzählt
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.

Kompakt, leicht und effizient

„Gemeinsam mit den wissenschaftlichen Mitarbeitern Janusz Wituski und
Thomas Huber arbeiten wir in unserem Labor für Leistungselektronik der
Fakultät Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen 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 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Vorteile.

Mobilität der Zukunft?

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 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern bleibt in
Zukunft damit noch viel zu tun. „Und letztlich müssen die Erkenntnisse
dann auch umgesetzt und genutzt werden, wenn wir unsere CO2-Bilanz
verbessern wollen“, so Kleimaier.

Über das Projekt

Das Projekt „Dragan – Entwicklung, Aufbau und Test von 3-Level GaN-
Leistungselektronikmodulen“ läuft von 2020 bis 2023 Die
Gesamtprojektleitung übernimmt Prof. Dr. Alexander Kleimaier von der
Hochschule Landshut. Projektpartner ist das Unternehmen Silver Atena. Das
Bayerische Forschungsprogramm Mobilität Innovative Antriebe finanziert das
Vorhaben mit insgesamt 686.900 Euro.