Fraunhofer ISE präsentiert Mittelspannungs-Stringwechselrichter für Solarparks

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Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat einen neuen Mittelspannungs-Stringwechselrichter für Solarparks entwickelt und in Betrieb genommen – den weltweit ersten dieser Art, so das Forschungsinstitut. Mit dem Einspeisen ins Mittelspannungsnetz habe das Team des Projekts „MS-LeiKra“ nachweisen können, dass für Photovoltaik-Wechselrichter eine höhere Spannungsebene technisch möglich ist.

Das Fraunhofer ISE erwartet davon enorme Kosten- und Ressourceneinsparungen bei passiven Bauteilen und Kabeln. Der neue Wechselrichter begründet den Wissenschaftlern zufolge ein neues Systemkonzept für die nächste Generation von Photovoltaik-Großkraftwerken. Auch für Anwendungen der Windenergie, Elektromobilität oder Industrie lasse er sich einsetzen.

Heutige Photovoltaik-Stringwechselrichter arbeiten mit Ausgangsspannungen zwischen 400 und 800 VAC. Dass trotz weiter steigender Kraftwerksleistungen die Spannung bisher nicht weiter erhöht wurde, hat zwei Gründe, so das Fraunhofer ISE: Zum einen die Herausforderung, einen hocheffizienten und kompakten Wechselrichter auf Basis von Silizium-Halbleitern zu bauen. Und zum anderen die aktuellen Photovoltaik-spezifischen Normen, die nur den Bereich der Niederspannung (maximal 1.500 VDC beziehungsweise 1.000 VAC) abdecken.

In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Projekt hat das Fraunhofer ISE nun in Kooperation mit den Projektpartnern Siemens und Sumida einen Wechselrichter entwickelt, der es erlaubt, die Ausgangsspannung in den Mittelspannungsbereich (1.500 V) bei einer Leistung von 250 kVA anzuheben. Möglich wurde dies durch den Einsatz von hochsperrenden Siliziumkarbid-Halbleitern. Das Forschungsteam setzte außerdem ein Kühlkonzept mit Heatpipes um, so dass durch eine effizientere Kühlleistung auch der Einsatz von Aluminium reduziert werden kann.

Enormes Einsparpotenzial durch dünnere Kabel

In einem typischen Photovoltaik-Kraftwerk sind mehrere Dutzend Kilometer an Kupferkabeln verlegt. Hier kann eine Erhöhung der Spannung viel Material und damit Geld sparen: Bei einem Stringwechselrichter mit einer Leistung von 250 kVA wird dem Fraunhofer ISE zufolge bei einer heute möglichen Ausgangsspannung von 800 VAC ein minimaler Kabelquerschnitt von 120 Quadratmillimetern benötigt. Erhöht man die Spannung auf 1.500 VAC, sinkt der Kabelquerschnitt auf 35 Quadratmillimeter. Dies reduziert den Kupferverbrauch um etwa 700 Kilogramm pro Kilometer Kabel.

„Unsere Ressourcenanalysen zeigen, dass mittelfristig Kupfer aufgrund der Elektrifizierung des Energiesystems ein knapper Rohstoff wird. Die Erhöhung der Spannung erlaubt einen sparsamen Umgang mit diesen wertvollen Ressourcen“, so Andreas Bett, Leiter des Fraunhofer ISE.

Anpassung der Normen nötig

Mit dem Projekt MS-LeiKra werden die normativen Bedingungen der Niederspannung (< 1000 VAC / <1500 VDC) verlassen. Die aktuellen Photovoltaik-spezifischen Normen decken diesen Bereich nicht ab. Daher beschäftigt sich das Projektteam auch mit den normativen Arbeiten, die sich durch die Anhebung der Spannung ergeben.

Nach der erfolgreichen Einspeisung ins Mittelspannungsnetz sucht das Forschungsteam nun Entwickler von Photovoltaik-Parks und Netzbetreiber, um das Kraftwerkskonzept im Feld zu erproben.

Neben dem Einsatz in der Photovoltaik ist der Schritt über die Grenzen der Niederspannung hinaus auch für andere Anwendungen wie Windkraftanlagen interessant, so das Fraunhofer ISE – dort werden durch die steigenden Anlagenleistungen ebenfalls große Kabelquerschnitte benötigt. Aber auch in der Ladeinfrastruktur für größere Elektro-Fahrzeuge oder -fuhrparks oder Industrienetze birgt ein Mittelspannungs-Wechselrichter durch die Reduktion von Kabelquerschnitten Einsparpotenzial.

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