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Sind Sie schon einmal an einer Fabrik vorbeigekommen, in der das Summen von Maschinen oder ein Supermarkt, der rund um die Uhr geöffnet ist? Wenn ja, dann haben Sie die verborgene Essenz erlebt, die die moderne Industrie antreibt: eine stetige, zuverlässige Stromversorgung.
Doch was passiert, wenn Solarmodule an einem sonnigen Tag zu viel Energie produzieren oder das Stromnetz während eines heftigen Sturms zusammenbricht? Hier kommt das Power Conversion System (PCS) ins Spiel.
Es mag unscheinbar erscheinen, doch dieses technologische Wunder verändert still und leise, aber maßgeblich die Art und Weise, wie Industrien Energie speichern, verwalten und optimal nutzen. Schauen wir uns genauer an, warum dieses scheinbar unscheinbare Gerät für Unternehmen und Umwelt so wichtig ist.
Das PCS erklärt: Weit mehr als nur ein Adapter
Im Grunde genommen fungiert ein Stromumwandlungssystem als Zweiwegesystem. Stellen Sie es sich als einen hochqualifizierten Übersetzer vor, der zwischen drei Haupteinheiten vermittelt: Energiequellen wie Solarmodulen, Windturbinen und dem Stromnetz; Speichersystemen wie Lithium-Ionen-Batterien und Wasserstofftanks; und industriellen Lasten wie Fließbandrobotern und Kühleinheiten.
Moderne Power Conversion System-Geräte sind weit entfernt von einfachen Wechselrichtern. Sie sind mit hochentwickelter Software ausgestattet, die komplexe Berechnungen in Echtzeit durchführen kann. Beispielsweise übernehmen sie die Umwandlung zwischen Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC).
Sie beziehen den Rohstrom aus Batterien (Gleichstrom) und wandeln ihn in Wechselstrom um, der vom Stromnetz genutzt werden kann, und umgekehrt. Zusätzlich regeln sie die Frequenz an den Netzstandard (60 Hz in den USA, 50 Hz in Europa), um Geräte vor Schäden zu schützen. Sie können außerdem Energie außerhalb der Spitzenzeiten speichern, wenn sie günstiger ist, und diese dann in Zeiten hoher Nachfrage nutzen, wodurch die Stromkosten effektiv gesenkt werden.
Nehmen wir zum Beispiel die Tesla Gigafactory in Nevada. Hier spielen PCS-Cluster eine entscheidende Rolle. Tagsüber, wenn die Solarenergieproduktion mittags ihren Höhepunkt erreicht, wird die überschüssige Energie gespeichert. Nachts wird diese gespeicherte Energie dann zur Stromversorgung der Fabrik genutzt, was laut SEC-Anmeldungen aus dem Jahr 2023 zu einer bemerkenswerten Senkung der Energiekosten um 37 % geführt hat.
Erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind sind für ihre Unberechenbarkeit bekannt. Gerade noch scheint die Sonne hell, im nächsten Moment ist sie hinter Wolken verborgen; der Wind kann einmal stark wehen und dann wieder nachlassen. Genau hier setzt das PCS an.
An Tagen mit reichlich Sonnenenergie sorgt es dafür, dass der Überschuss zum Laden von Batterien genutzt wird, anstatt das Stromnetz zu überlasten. Und bei Sonnenuntergang oder einem Netzausfall kann die gespeicherte Energie nahtlos genutzt werden.
Ein gutes Beispiel hierfür ist der Vorfall in einem BMW-Werk in South Carolina im Jahr 2022. Als ein Hurrikan das Werk traf, drohten erhebliche Ausfallzeiten. Dank des PCS-gesteuerten Batterie-Backup-Systems konnten jedoch Verluste in Höhe von 2,1 Millionen US-Dollar vermieden werden. Das System schaltete in weniger als 10 Millisekunden in den Inselbetrieb – schneller als man niesen kann!
Regierungen weltweit drängen die Industrie, ihre CO2-Emissionen zu reduzieren. In den USA beispielsweise gewährt der Inflation Reduction Act (IRA) eine beträchtliche Steuergutschrift von 30 % für industrielle Energiespeichersysteme mit PCS. Dies ermutigt Unternehmen nicht nur, nachhaltigere Energielösungen zu nutzen, sondern macht Investitionen in PCS auch finanziell rentabler.
Fabriken finden neue Wege, durch Energiehandel Gewinne zu erzielen. Sie können ihre Batterien bei niedrigen Strompreisen aufladen, beispielsweise bei 0,03 Dollar pro Kilowattstunde in windigen Nächten in Texas. In Spitzenzeiten, wenn die Preise auf 0,18 Dollar pro Kilowattstunde steigen, können sie die gespeicherte Energie dann an das Netz zurückverkaufen. Einige fortschrittliche PCS-Software nutzt sogar Wetterdaten und Börsentrends, um Preisspitzen vorherzusagen, was Unternehmen in diesem aufstrebenden Energiemarkt einen Vorteil verschafft.
Eine vom MIT im Jahr 2023 durchgeführte Studie demonstrierte das Potenzial von KI in PCS. Mithilfe von maschinellem Lernen konnte das PCS vorhersagen, wann Maschinen viel Strom verbrauchen würden, beispielsweise beim Anlaufen des Lichtbogenofens eines Stahlwerks. Durch das Vorladen von Kondensatoren konnten Spannungseinbrüche verhindert werden. In simulierten Automobilwerken führte dies zu einer Reduzierung der Produktionsfehler um 22 %.
Nach einem Stromausfall kann der Neustart des Stromnetzes ein komplexes Problem sein. Die meisten Netze benötigen externe Energie, um wieder in Betrieb zu gehen, was zu einer Henne-Ei-Situation führt. Moderne PCS-Einheiten können jedoch die Restenergie in Batterien nutzen, um selbstständig hochzufahren und so das Netz wieder in Gang zu bringen.
Häufiges Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Akkus kann mit der Zeit zu deren Leistungsverlust führen. Um diesem Problem entgegenzuwirken, integrieren Unternehmen wie Fluence PCS mit adaptiven Algorithmen. Diese Algorithmen priorisieren die Erhaltung des Akkuzustands gegenüber kurzfristigen Kosteneinsparungen und sorgen so für eine längere Lebensdauer der Akkus.
Die Gefahr von Cyberangriffen auf PCS ist real. Ein gehacktes PCS könnte das Stromnetz lahmlegen oder zum Abfluss sensibler Produktionsdaten führen. Eine Studie der Stanford University aus dem Jahr 2023 ergab, dass 80 % der Firmware industrieller PCS Schwachstellen aufwies. Neue Verschlüsselungstechnologien auf Basis von Blockchain bieten jedoch Hoffnung auf mehr Sicherheit.
Die Herstellung von SiC-Chips erfordert Materialien wie Gallium und Seltene Erden, die oft in Regionen mit komplexen geopolitischen Verhältnissen abgebaut werden. Dies erschwert es beispielsweise den USA, Präsident Bidens Vision einer inländischen Produktion von PCS vollständig umzusetzen.
Siemens Energy testet derzeit PCS-Einheiten, die zwischen batteriebasierter und grüner Wasserstoffspeicherung umschalten können. Dies ist besonders vielversprechend für Branchen wie die Stahlproduktion, die rund um die Uhr eine kontinuierliche Versorgung mit hochthermischer Energie benötigen.
Künftig könnten PCS-Einheiten Energielieferungen direkt mit benachbarten Fabriken über 5G-Technologie abwickeln und so den Zwischenhändler – den Energieversorger – umgehen. Pilotprojekte im Ruhrgebiet testen diese Möglichkeit bereits.
Die US-amerikanische Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) hat die Forschung zu Quanten-PCs in ihre Finanzierungsrunde 2024 aufgenommen. Ziel ist es, mithilfe von Qubits Netzschwankungen im Mikrosekundenbereich zu bewältigen – eine Leistung, die mit der aktuellen Technologie nur schwer zu erreichen ist.
Für Ingenieurstudenten, Politikbegeisterte und zukünftige Führungskräfte ist das Power Conversion System von entscheidender Bedeutung. Es kann die industriellen CO₂-Emissionen drastisch senken – die Schwerindustrie trägt rund 30 % zu den weltweiten Emissionen bei –, die Energiemärkte und Unternehmensfinanzen transformieren und die Abhängigkeit von unbeständigen Öl- und Kohlevorräten verringern.
IPv6-Netzwerk unterstützt
