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Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung und ein Rechenzentrum mit einer Energieversorgungseinrichtung.
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Stand der Technik
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Es sind Rechenzentren bekannt, die ihre Energie aus einem Wechselstromnetz beziehen.
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1 zeigt ein bekanntes Versorgungsnetzes 5 für ein Rechenzentrum. Die Versorgung erfolgt aus einem Netzanschluss 11, 21, insbesondere an das öffentliche Versorgungsnetz. Aus Gründen der Ausfallsicherheit sind meistens zwei getrennte Netzanschlüsse vorgesehen. Weiterhin sind Backup-Systeme, wie beispielsweise Generatoren 12, 22 ausgebildet. Die Generatoren 12, 22 stellen Energie bereit, wenn z.B. das Netz 11, 21 ausfällt. Automatic Transfer Switches 13, 23 ermöglichen das Umschalten zwischen dem Netzanschluss 11, 21 und dem Generator 12, 22. Die Power Distribution Units (PDU) 16, 26 verteilen den Strom an die einzelnen Komponenten des Rechenzentrums. Eine unterbrechungsfreie Spannungsversorgung (USV) 14, 15, 24, 25 stellen die unterbrechungsfreie Versorgung der einzelnen Komponenten 31, 32, 33 des Rechenzentrums sicher. Bei den Komponenten eines Rechenzentrums handelt es sich um kritische Lasten.
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Die Netzstruktur aus 1 stellt ein 2(N+1) System nach Rating 4 der Klassifizierung aus DIN EN 50600-1 und EN50060 2-2 dar. Die Versorgung erfolgt über zwei redundante Pfade 10, 20, in welchem nochmals jedes System zweifach redundant vorhanden ist. Die Server 31, 32, 33 sind über Sammelschienen angebunden, über welche jeweils die komplette Leistung geleitet werden kann. Fällt ein Pfad 10, 20 aus, übernimmt der andere die gesamte Versorgung. Zum Umschalten zwischen zwei Sammelschienen ist ein Static Transfer Switch (STS) 19 ausgebildet, der die Versorgung in <4ms von einem auf den anderen Pfad 10, 20 schaltet. Allerdings ist der STS nicht immer zwingend notwendig, wenn beide Pfade stromführend sind und im Normalbetrieb jeder Pfad die halbe Leistung liefert.
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Nachteilig an einer solchen Versorgung eines Rechenzentrums ist die Abhängigkeit von Netzanschlüssen 11, 12 und damit von den Kosten für die Bereitstellung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe besteht in der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und der Ausfallsicherheit einer Energieversorgungseinrichtung.
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Gelöst wir die Aufgabe mit einer erfindungsgemäßen Energieversorgung und/oder Rechenzentrum.
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Die erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere eines Rechenzentrums, vorzugsweise zumindest einer Informationsverarbeitungsvorrichtung, weist mehrere, mindestens zwei, Brennstoffzellenmodule, auf. Die Brennstoffzellenmodule erzeugen mittels mindestens einer Brennstoffzelle elektrische Energie zur Versorgung des Verbrauchers. Besonders vorteilhaft weist die Energieversorgungseinrichtung ein Gleichstromnetz auf. Das Gleichstromnetz stellt den von dem Brennstoffzellenmodul bereitgestellten Gleichstrom dem Verbraucher zu dessen Energieversorgung bereit. Die Vorteile sind, dass Spannungswandler von Gleichstrom zu Wechselstrom und/oder umgekehrt entfallen.
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Vorteilhaft werden Kosten gesenkt sowie die Energieeffizienz und ökologischer Nachhaltigkeit verbessert. Ferner können Spannungswandler entfallen. Zum Beispiel kann das Netzteil eines Servers entfallen. Das Netzteil wandelt die 230V/120V Wechselspannung in Gleichspannung um, die beispielsweise das Mainboard oder der Prozessor des Servers benötigen.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung ist, dass eine der Brennstoffzellen insbesondere als Festoxidbrennstoffzelle, insbesondere eine Solid Oxid Fuel Cell (SOFC) ausgebildet sind.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass zumindest ein Speichermodul ausgebildet ist, wobei das Speichermodule einen elektrischen Speicher, insbesondere einen Akkumulator oder Kondensator aufweist. Vorzugsweise weist der Akkumulator Lithium auf. Es ermöglicht, dass die Energieversorgungseinrichtung dynamischen Lastrampen folgen kann.
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Vorteilhaft erfolgt keine Umwandlung der von einem Brennstoffzellenmodul erzeugten Gleichspannung in eine Wechselspannung zwischen Brennstoffzellenmodul und Verbraucher.
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Vorzugsweise weisen die Brennstoffzellenmodule eine Leistungselektronik, insbesondere Gleichstrom zu Gleichstrom-Wandler (einen DC-DC-Wandler), auf, wobei die Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenmoduls mittels der Leistungselektronik mit dem Gleichstromnetz verbunden ist. Sie dienen der Leistungs und Spannungsanpassung.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Rechenzentrum. Das Rechenzentrum weist eine Energieversorgungseinrichtung und mindestens eine Informationsverarbeitungseinrichtung auf. Ferner ist ein Gleichstromnetz ausgebildet, welches die Informationsverarbeitungseinrichtung und Energieversorgungseinrichtung elektrisch verbindet.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Energieversorgungseinrichtung mindestens ein Brennstoffzellenmodul mit mindestens einer Brennstoffzelle auf. Die Brennstoffzelle ist insbesondere als Festoxidbrennstoffzelle, insbesondere eine Solid Oxid Fuel Cell (SOFC) ausgebildet.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass mindestens eine Leistungselektronik vorgesehen ist, und dass die Leistungselektroniken, die eine Spannungswandlung durchführen, auf Gleichspannungswandler beschränkt sind. Insbesondere wird keine Wechselspannung erzeugt. Vorzugsweise erfolgt zwischen Verbraucher und Brennstoffzellenmodul keine Umwandlung in Wechselspannung.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass die Brennstoffzellenmodule Peripheriegeräte aufweisen, wobei lediglich Leistungselektroniken zur Versorgung der Peripheriegeräte eine Wandlung der Gleichspannung in Wechselstrom durchführen.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wobei gleiche beziehungsweise entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bezugszeichen ohne Buchstabenendung beziehen sich auch immer auf die gleichen Bezugszeichen mit Buchstabenendung. Es zeigen:
- 1 ein Rechenzentrum, welches mittels einer bekannten Versorgungsstruktur versorgt wird,
- 2a bis 2d ein Brennstoffzellenmodul und
- 3 eine erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung.
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In 1 zeigt ein Rechenzentrum, welches mittels einer 2 (N+1) Versorgungsstruktur versorgt wird. Die Primärversorgung erfolgt aus einem Netzanschluss 11, 21, insbesondere aus dem öffentlichen Versorgungsnetz. Die Primärversorgung versorgt primär, insbesondere ausgenommen bei Ausfall, das Rechenzentrum. Die Sekundärversorgung erfolgt aus den Backup-Systemen, insbesondere Generatoren. Die Sekundärversorgung ist die Versorgung, die immer Verfügbar sein muss, insbesondere, wenn die Primärversorgung ausfällt. Kritische Lasten sind elektrischen Verbraucher, die eine ununterbrochene gesicherte Stromversorgung benötigen, wie beispielsweise medizinische Geräte in Krankenhäusern aber auch Informationsverarbeitungsvorrichtungen, insbesondere IT System, vorzugsweise Server, deren Verfügbarkeit gewährleistet sein muss. Aus Gründen der Ausfallsicherheit sind meistens zwei getrennte Netzanschlüsse vorgesehen. Weiterhin sind Backup-Systeme, wie beispielsweise Generatoren 12, 22 ausgebildet. Die Generatoren 12, 22 stellen elektrische Energie zur Verfügung, wenn z.B. das Netz 11, 21 ausfällt. Die Power Distribution Units (PDU) 16, 26 verteilen den Strom an die einzelnen Komponenten des Rechenzentrums. Unterbrechungsfreie Spannungsversorgung (USV) 14, 15, 24, 25 stellen die unterbrechungsfreie Versorgung von kritischen Lasten 31, 32, 33 sicher.
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Es erfolgt bei der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung die Energieversorgung, insbesondere die Primärversorgung und optional auch die Sekundärversorgung, des Verbrauchers 30, insbesondere der Informationsverarbeitungsvorrichtung zumindest teilweise mit zumindest zwei Brennstoffzellenmodule 40. Vorzugsweise sind mehrere Brennstoffzellenmodule zur Erzeugung der Energie zum Betrieb des Verbrauchers 30 vorgesehen. Die Brennstoffzellenmodule werden als Energiequelle in die Versorgungsstruktur des Netzes für Verbraucher 30 eingebunden. Es wird durch die Brennstoffzellenmodule eine redundante zuverlässige Versorgung gewährleistet.
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Erfindungsgemäß soll die primäre und/oder die sekundäre Energieversorgung des Verbrauchers 30 durch eine oder mehrere Brennstoffzellenmodule erfolgen. Ein Verbraucher 30 ist insbesondere ein Rechenzentrum. Wobei unter einem Rechenzentrum auch ein Datencenter zu verstehen ist. Der Verbraucher 30 weist vorzugsweise zumindest eine Komponente 31, 32, 33 auf. Die Komponente ist vorzugsweise als Informationsverarbeitungsvorrichtung, insbesondere als Sever, ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung 1 ist hinsichtlich Kosten, Energieeffizienz und ökologischer Nachhaltigkeit vorteilhaft. Insbesondere die Wandlungskette vom Kraftwerk über das Versorgungsnetz bis hin zum Rechenzentrum ergibt eine „Fuel to Bit“-Efficiency von 19% gegenüber einer „Fuel to Bit“-Efficiency von 31% eines Brennstoffzellen betriebenen Rechenzentrums. Es ergibt sich eine CO2 Reduktion.
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Ein Anschluss an das elektrische Versorgungsnetz 11, 21 wird nicht mehr benötigt oder ist optional als redundante Absicherung der Versorgung möglich. Die Energieversorgungseinrichtung 1 arbeitet daher entsprechend eines Inselnetz (Nano-Grid). Auch könnte ein zweiter Pfad entfallen.
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Die Brennstoffzellenmodule 40, 40a bis 40j bestehen insbesondere aus mindestens einer Brennstoffzelle 41 mit mindestens einem Brennstoffzellenstack, mindestens einem Peripheriegerät 45 und einer Leistungselektronikeinheit 50. Die Brennstoffzellen 41 sind insbesondere als Festoxidbrennstoffzelle, insbesondere eine Solid Oxid Fuel Cell (SOFC) ausgebildet.
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Ein Brennstoffzellenmodul 40, 40a bis 40j umfasst vorzugsweise einen elektrischen Speichermodul 55 für dynamische Laständerungen. Das Speichermodul 55 ist vorzugsweise als dynamischer Energiespeicher ausgebildet. Dieser dient dazu, dynamischen Lastrampen zu folgen, wenn die Brennstoffzellenmodule 40a bis 40j diesen nicht folgen können. Das elektrische Speichermodul 55 kann umfasst einen Speicher, der insbesondere als Kondensator oder Akkumulator oder Schwungradspeicher ausgeführt ist.
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Vorzugsweise kann der elektrische Speicher als Super-Cap ausgebildet sein. Das elektrische Speichermodul kann entweder in einem Brennstoffzellenmodul 40, 40a bis 40j integriert sein oder extern, also elektrisch parallel oder in Reihe zu einem Brennstoffzellenmodul hinzugefügt werden. Das elektrische Speichermodul kann kumuliert oder ebenso modular aufgebaut sein und wie eine USV betrieben werden. Die modulare Energieversorgungseinrichtung 1 inklusive einem Speichermodul 55 ist dann in der Lage ein redundantes 2(N+1) Netz zu ersetzen. Ein Brennstoffzellenmodul 40 mit einem Speichermodul 55 ist in 3c und 3d dargestellt.
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Weiterhin weisen die Brennstoffzellenmodule ein internes Netz 47 auf. Das interne Netz 47 dient der Verteilung der elektrischen Energie, die von der Brennstoffzelle 41 erzeugt wird. Die Brennstoffzelle 41 erzeugt eine Gleichspannung. Das interne Netz 47 ist daher vorzugsweise eine Gleichstromnetz.
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Mit dem internen Netz 47 ist auch die Leistungselektronik 50 elektrisch verbunden. Die Leistungselektronik 50 ist insbesondere als Gleichspannungswandler, vorzugsweise als DC/DC Wandler ausgebildet. Sie wandelt die Gleichspannung des internen Netzes 47 in eine Gleichspannung mit einem anderen Spannungswert um. Ferner ist die Leistungselektronik 50 vorgesehen die zu Verfügung gestellte Energie ins Netz 60, insbesondere Gleichstromnetz, einzuspeisen.
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Die Peripheriegeräte 45 sind Geräte, welche insbesondere zum Betrieb der Brennstoffzelle 41 benötigt werden. Peripheriegeräte 45 sind Gebläse, Reformer und/oder Gaszufuhr und/oder diverse kleinere Lasten. Sie werden für den Betreib der Brennstoffzelle 41 benötigt. Sie bilden insbesondere eine Belüftung, führen das entstehende Wasser ab und/oder regeln die Brennstoffzufuhr.
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Entsprechend des Energiebedarfs des Verbrauchers wird die Anzahl der Brennstoffzellenmodule gewählt. Eine entsprechende Skalierung ist möglich.
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In 2a bis 2d sind Brennstoffzellenmodule mit sich unterscheidenden internen Aufbauten dargestellt.
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2a zeigt ein Brennstoffzellenmodul 40, bei dem die Brennstoffzelle 41, insbesondere der Brennstoffzellen Stack 41 und Peripherie 45 an dem internen Netz 47 angeschlossen sind und über eine Leistungselektronik 50, mit einem externen Netz 60 verbunden sind. Jedes Brennstoffzellenmodul kann mehrere Brennstoffzellen aufweisen und insbesondere einen Cluster bilden. Ein Cluster wird im Folgenden noch detailliert erläutert. Das interne Netz 47 ist als Gleichstromnetz ausgeführt. Die Brennstoffzelle 41 und die Peripherie 45 sind parallel zueinander geschalten. Die Leistungselektronik 50 bildet einen Gleichspannungswandler, der die Gleichspannung des internen Netzes 47 in eine Gleichspannung für das externe Netz 60 umwandelt. Der Gleichspannungswandler dient unteranderem dafür die von der Brennstoffzelle bereitgestellte Gleichspannung, derart umzuwandeln, dass sie bestmöglich dem Verbraucher bereitgestellt werden kann.
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In 2b ist zusätzlich an das interne Netz 47, an dem die Brennstoffzelle 41 und die Peripherie 45 angebunden ist, ein elektrisches Speichermodul 55 gekoppelt, das dynamische Lastschwankungen ausgleicht, wenn die Brennstoffzelle 41 nicht schnell genug die Leistungsabgabe anpassen kann.
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2c unterscheidet sich von 2a dahingehend, dass die Peripherie 45 direkt an das externe Netz 60 angeschlossen ist. Die Peripherie 45 benötigt Wechselstrom, eine Leistungselektronik 52 wandelt daher den Gleichstrom des externen Netz 60 in Wechselstrom um.
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2d ist die Peripherie 45 ebenso direkt an das externe Netz 60 gekoppelt und das Brennstoffzellenmodul 40 weist ein Speichermodul 55 auf.
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Die gezeigten Varianten können als modulares System an einem Netz 60 zusammengeschaltet werden. Das Netz 60 ist insbesondere als Sammelschiene ausgebildet. Die Zusammenschaltung der Brennstoffzellenmodule an die Sammelschiene erfolgt in einer oder mehreren Schaltanlagen. Vorzugsweise ist das Netz als Sammelschiene ausgebildet. Vorzugsweise sind mehrere Sammelschienen ausgebildet, welche das Netz bilden. Die Verbraucher sind über eine, insbesondere mehrere Sammelschienen angebunden, über welche jeweils die komplette Leistung geleitet werden kann. Vorzugsweise sind zwei Sammelschienen ausgebildet. Somit ist eine Backup Sammelschiene vorhanden.
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Vorzugsweise erfolgt die Zusammenschaltung in einer ebenso redundant und unabhängigen Schaltanlage. Das Zuschalten in der Schaltanlage ist ein automatisierter Vorgang.
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In 3 ist das Energieversorgungssystem gezeigt. Es umfasst mindestens ein Brennstoffzellenmodul. Vorzugsweise umfasst es mindestens zwei, insbesondere mehr als zwei, beispielsweise 10 Brennstoffzellenmodule. Die Brennstoffzellenmodule sind über das externe Netz 60 elektrisch miteinander verbunden.
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Die Anzahl der Brennstoffzellenmodule 40 ist abhängig von der vom Verbraucher 30 benötigten Versorgungsleistung. Die Leistung eines Pfades im Rechenzentrum liegt heutzutage bei ca. 1MW. Eine Brennstoffzelle kann beispielsweise 10kW im Normalbetrieb bereitstellen. Somit werden zirka 100 Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenmodule mit einer entsprechenden Anzahl an Brennstoffzellen je Pfad benötigt. Diese können durch Clusterung erreicht werden. Ein Cluster von 10 Brennstoffzellenmodule ergibt 100kW. Für 1MW werden 10 Cluster benötigt.
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Insbesondere kann alles was im Folgenden als ein Brennstoffzellenmodul angegeben ist, ebenfalls als ein Cluster ausgebildet sein. Somit mehr als eine Brennstoffzelle aufweisen. Und damit mehr als 10kW Leistung erzeugen.
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Bei einer optionalen Clusterung der Brennstoffzellenmodule oder bei der Ausbildung eines Brennstoffzellenmoduls als Cluster kann bei einem Ausfall des Clusters dieses durch ein anderes Cluster ersetzt werden, insbesondere der Verbrauch durch andere Cluster überbrückt werden.
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Der Verbraucher 30, insbesondere dessen Komponenten 31, 32 sind ebenfalls mit dem Netz 60 elektrisch verbunden. Der Verbraucher weist Komponenten 31, 32 auf, welche ebenfalls mittels Gleichspannung betrieben werden.
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Insbesondere wenn die Komponenten als Informationsverarbeitungseinrichtungen ausgebildet sind, arbeiten diese mit Gleichspannung. Meist weisen sie einen AC/DC Wandler auf, welcher die Wechselspannung des Versorgungsnetzes in Gleichspannung umwandelt. Dieser kann nun entfallen. Optional wird eine Leistungselektronik, insbesondere ein Gleichspannungswandler benötigt. Dieser wandelt die Gleichspannung derart um, dass sie zur Versorgung der Komponente eingesetzt werden kann. Es ergibt sich eine sehr einfache Netztopologie. Es erfolgt keine Umwandlung der von einem Brennstoffzellenmodul 40 erzeugten Gleichspannung in eine Wechselspannung zwischen Brennstoffzellenmodul und Verbraucher 30. Die Leistungselektronik, die eine Spannungswandlung durchführen, sind Gleichspannungswandler beschränkt. Lediglich die Leistungselektroniken, welche für die Versorgung der Peripheriegeräte 45 vorgesehen sind, können als Gleichspannung zu Wechselspannungswandler ausgebildet sein.
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Optional ist eine Leistungselektronik 51 zwischen dem Netz 60 und der Komponente ausgebildet. Die Leistungselektronik 51 umfasst insbesondere einen Gleichspannungswandler. Vorzugsweise umfasst die Leistungselektronik 51 keinen Spannungswandler der Gleichstrom in Wechselstrom oder umgekehrt umwandelt.
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Weiterhin ist vorzugsweise zumindest ein Speichermodul 55' vorgesehen. Das Speichermodul weist einen Speicher 57' auf. Der Speicher ist insbesondere als elektrischer Speicher, vorzugsweise als Kondensator und/oder Akkumulator, oder Schwungrad ausgebildet. Der Speicher 57' ist mittels einer Leistungselektronik 59' mit dem Netz 60 verbunden. Die Leistungselektronik ist insbesondere als Gleichspannungswandler ausgebildet.
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Die Anzahl der Speichermodule 55' ist insbesondere abhängig von der Kapazität und der Anzahl an Brennstoffzellenmodulen.
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Vorzugsweise sind auch die Peripheriegeräte derart ausgebildet, dass sie mit Gleichspannung arbeiten. Vorteil eines auf Gleichstrom beschränkten Energieversorgungseinrichtung ist deren kostengünstiger Aufbau.
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Ein Akkumulator ist ein wiederaufladbares galvanisches Element, bestehend aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten, und speichert elektrische Energie auf elektrochemischer Basis. Ein einzelnes wiederaufladbares Speicherelement wird Sekundärelement oder Sekundärzelle genannt.
