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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Tolle Entwicklung, wenn der dann eines Tages 20 kV AC liefern kann, könnte man sich sogar den Mittelspannungstrafo sparen.
Technisch sicherlich nicht das große Problem.
Wegen der normativen Komponente wird es sicherlich (leider) nicht in Deutschlsnd, sondern in China verwirklicht werden.
Als ich Mittelspannung las, hab ich auch erst an Umrichter gedacht, wie es sie m.W. bei Converteam und definitiv in Acciona-WEA schon vor 10-15 Jahren gab, die dann wirklich mit 10kV oder mehr einspeisen. Dann kann man sich in seltenen Fällen nämlich gleich den MS-Trafo sparen. So bekommt man also den Umrichter mit 1,5 kVA, muss trotzdem mindestens ein 6/10 kV Kabel, installieren, und das auf den paar Meter zwischen den WR und der Trafostation, die ja ohnehin notwendig bleibt. Ich mag schlecht rechnen können, aber ob das wirklich signifikante Einsparungen zulässt, wage ich zu bezweifeln. Denn der Punkt ist ja, dass man eher selten 1km Kabel zwischen WR und TST haben wir. Insofern spart man sich auch keine 700kg Kupfer. Hat dafür ne größere Isolierung beim Kabel, da es ja gar keine 1,5 kV AC Kabel gibt (zumindest mir nicht bekannt), sondern eben im Standard bei 6/10 losgeht.
Wie ich das verstanden habe, geht es um die 1,5 kVA AC Anschlüsse der String(!)-WR zu den Trennschaltern im zentralen Trafohaus der Anlage. Die String WR sind ja über den ganzen Solarpark verstreut. Da sind sicherlich Kabellängen im km Bereich verbaut.
Auf der ISE Web site gut zu sehen: https://www.ise.fraunhofer.de/de/forschungsprojekte/ms-leikra.html