Intelligenter Baustein für mehr Erneuerbare und mehr Elektroautos

Die immer größere Mengen an Solar- und Windstrom sowie das schnelle Laden von Elektroautos stellen die Verteilnetzbetreiber vor Herausforderungen. Die Arbeitsgruppe Leistungselektronik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) forscht derzeit an einem Smart Transformator, mit dem die großen Schwankungen in Verbrauch und Erzeugung von Energie ausgeglichen werden sollen – für ein flexibles und verlässliches Stromnetz, wie es in einer Mitteilung vom Mittwoch heißt.

„Unsere konventionelle Infrastruktur ist nicht für bidirektionale Stromflüsse ausgelegt“, sagt Marco Liserre, Professor für Leistungselektronik an der CAU. Deswegen habe er mit seiner Arbeitsgruppe einen leistungselektronischen Transformator entwickelt, der ohne hohe Energieverluste Mittelspannung in Niederspannung transformiere. „Der Smart Transformator verfügt über Gleichspannungsanschlüsse auf Mittel- und auf Niederspannungsebene und kann somit direkt zum Anschluss von erneuerbaren Energien und Ladeinfrastruktur genutzt werden“, erklärt Liserre auf Nachfrage von pv magazine. Aktuell verbindet der Basisbaublock eines Prototypes mit einer Leistung von 100 Kilowatt an der Kieler Universität Niedrigspannungs-Gleichstrom (800 Volt) mit Mittelspannungs-Wechselstrom (2,6 Kilovolt). Der Prototyp basiere dabei auf einem Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid, der den Stromfluss steuere.

„Unter hoher Last zum Beispiel durch die Zuschaltung vieler E-Autos kann der Smart Transformator mit den lokalen Lasten und Generatoren interagieren“, erklärt Liserre. Der Transformator regelt demnach die Spannungsamplitude und Frequenz auf der Niederspannungsseite, um so den Lastverbrauch (Wirk- und Blindleistung) spannungs- und frequenzsensitiver Lasten und Erzeuger gezielt zu beeinflussen. So werde der Strom bedarfsgerecht verteilt und Überlastungen sowie Ausfällen entgegengewirkt.

„Der Smart Transformator kann an kritischen Stellen des Verteilnetzes zwischen Mittel- und Niederspannungsebene eingesetzt werden, in denen eine erhöhte Regelbarkeit notwendig ist – also an Netzpunkten mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien und einer großen Zahl von Elektrofahrzeugen“, sagt Liserre. Dank seines modularen Aufbaus sei er wartungsfreundlich und lasse sich einfach und kostengünstig für verschiedene Einsatzmöglichkeiten skalieren. Dabei denkt Liserre nicht nur an die bessere Integration von Ladestationen ins Stromnetz, der smarte Transformator könne darüber hinaus auch in Rechenzentren oder für die Anbindung von Gleichstromnetzen eingesetzt werden.

Die Installationskosten für einen Smart Transformer seien zwar höher als die eines konventionellen Transformators. „Jedoch kann der Smart Transformator Netzdienstleistungen für das Mittel- und das Niederspannungsnetz bereitstellen – zum Beispiel Blindleistungseinspeisung zur Spannungsstützung im Mittelspannungsnetz – , für die ansonsten zusätzliche Hardware im Netz installiert werden müsste“, sagt Liserre. Für solche Netzdienstleistungen könnten künftig bilaterale Verträge geschlossen werden, wodurch die erhöhten Installationskosten amortisiert würden.

Entwickelt wurde der Transformator im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts HEART (Highly Efficient And Reliable smart Transformer), das seit 2014 an der CAU läuft. Vom 23.-27. April 2018 präsentiert das Forschungsteam einen Teil seines Prototypens am Stand der Universität Kiel auf der Hannover Messe