Erfinderpreis für Rainer Marquardt: Seine Technik steckt in fast jedem Stromnetz

Professor Rainer Marquardt hat eine Kerntechnologie des 21. Jahrhunderts entwickelt: den Modular Multilevel Converter, kurz MMC. Der Umrichter wandelt und steuert elektrische Energie im Gigawatt-Bereich bei einem Wirkungsgrad von über 99 % und bildet damit die Grundlage für Offshore-Windparks, Stromübertragung über lange Strecken und große Batteriespeicher.

Für sein Lebenswerk erhält der deutsche Ingenieur am 2. Juli in Berlin den Erfinderpreis des Europäischen Patentamtes (EPA). Wir blicken auf seine Biographie und die Technik, die ihn berühmt machte.

Vom Siemens-Ingenieur zum Universitätsprofessor

Rainer Marquardt studierte Nachrichtentechnik an der Universität Hannover und blieb anschließend als wissenschaftlicher Mitarbeiter am dortigen Institut für Leistungselektronik, wo er mit Auszeichnung zum Dr.-Ing. promovierte. Es folgte eine Station bei der Siemens AG in Erlangen, wo er sich der Forschung und Entwicklung moderner Drehstromantriebe und Leistungselektronik widmete.

Im Jahr 1999 wechselte Marquardt als ordentlicher Professor an die Universität der Bundeswehr München und übernahm die Leitung desInstituts für Leistungselektronik und Steuerungen. Dort richtete er die Forschung auf Leistungselektronik im Hochleistungs- und Netzbereich aus.

Für Anwendungen bis in den einstelligen Megawatt-Bereich war die Leistungselektronik damals ausgereift, vom ICE-Antrieb bis zum Frequenzumrichter in der Fabrikhalle. Stromnetze spielen jedoch in einer anderen Liga: Dort geht es um Hunderte Megawatt, und ein Umrichter muss über Jahrzehnte zuverlässig laufen. Denn ein Ausfall kann im schlimmsten Fall Millionen Haushalte treffen.

Patentanmeldung 2001

Marquardt glaubte an die Realisierbarkeit eines frei skalierbaren Systems, das ohne zusätzliche Transformatoren auskommt und keine Einschränkungen bei Leistung, Spannung oder Funktionalität hat. 2001 meldete er dann das erste Patent für den Modular Multilevel Converter an.

Die frühe Ausarbeitung und die ersten viel beachteten Veröffentlichungen entstanden gemeinsam mit seinem damaligen Doktoranden Anton Lesnicar. 2019 würdigte die Universität der Bundeswehr seine Verbindung von Grundlagenforschung und industrieller Anwendung mit dem Ulrich-L.-Rohde-Preis für MINT-Fächer; heute trägt Marquardt den Titel „Exzellenter Emeritus“.

So funktioniert der Modular Multilevel Converter

Statt eines großen, zentralen Umrichters setzte Marquardt auf viele identische Bausteine kleinerer Größe. Diese nannte er Submodule. Aus einem Standardbaustein entsteht je nach Anzahl und Anordnung ein kleiner oder ein sehr großer Umrichter.

Ihr Zusammenspiel funktioniert dann, vereinfach gesagt, so:

• Jedes Submodul fungiert als individuell steuerbare Spannungsquelle. Es lässt sich unabhängig ein- und ausschalten und enthält seinen eigenen Energiespeicher.
• Die Submodule werden in beliebiger Anzahl in Serie geschaltet, um die Zweige eines Converters zu bilden. Je mehr Submodule, desto höher die erreichbare Spannung und Leistung. Eine theoretische Obergrenze gibt es nicht.
• Die Schnittstellen sind extrem einfach: Jedes Submodul benötigt nur ein Glasfaserkabel für die Kommunikation und zwei elektrische Kabel, die niederfrequente Ströme führen. Das ermöglicht eine freie räumliche Anordnung in nahezu jeder geometrischen Konfiguration.
• Ein MMC kommt ohne zentralen DC-Kondensator, ohne zusätzliche Transformatoren zur Energieeinspeisung und ohne passive Filter zur Reduktion elektromagnetischer Störungen aus.
• Fällt ein Submodul aus, übernehmen die übrigen: Der MMC ist fehlertolerant und kann nach Defekten in der Elektronik zuverlässig weiter betrieben werden.
• Der Wirkungsgrad liegt bei über 99 %.

Ausgereizt ist das Konzept noch nicht. Vor allem neue Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid versprechen, die ohnehin geringen Verluste weiter zu senken.

Wie Submodule das Stromnetz eroberten

Die Überführung seiner Idee in ein echtes Produkt war laut Marquardt schwieriger als die Erfindung an sich. So sagt er in einer Mitteilung des EPA:

Eine neue Idee zu entwickeln ist eine Sache. Sie in reale Anwendungen zu überführen, erfordert viel mehr Arbeit, viel mehr Ausdauer und viel mehr Geduld.

Über viele Jahre arbeitete Marquardt mit Firmen zusammen, um die Bedenken gegenüber seiner Technologie zu zerstreuen. Den Durchbruch markierte das Trans Bay Cable Project in Kalifornien: Zwischen Pittsburg und San Francisco wurde eine 400-MW-Gleichstromverbindung über ein Seekabel installiert. Der MMC steuerte die Übertragung und ermöglichte gleichzeitig die Abschaltung eines konventionellen Kraftwerks in der Region.

Es folgten weitere Großprojekte wie das Nan’ao-Multiterminalnetz in China oder die INELFE-Verbindung zwischen Frankreich und Spanien, wo eine steuerbare, bidirektionale Stromübertragung von 2 GW realisiert wurde.

Ein weltweiter Standard

Heute ist die MMC-Technologie weltweiter Standard. Praktisch jeder neue Offshore-Windpark in der Nord- und Ostsee hängt über MMC-Stationen am Netz, und auch die deutschen Gleichstromtrassen wie SuedLink setzen auf die Technik. Zunehmend fragen auch Betreiber neuer Rechenzentren die Umrichter nach, weil dort binnen kurzer Zeit enorme Lasten ans Netz müssen.

„Wenn der Erfolg nicht garantiert scheint, werden nicht viele Menschen ihre Zeit investieren“, sagt Marquardt mit Blick auf die schwere Anfangsphase des MMC. „Echter Fortschritt hängt oft von Menschen ab, die das Potenzial neuer Ideen erkennen können.“

Am 2. Juli würdigt das EPA diesen Fortschritt per Livestream aus Berlin. Dabei werden auch die Gewinner in den Kategorien Industrie, Forschung, KMU und Nicht-EPO-Staaten bekannt gegeben.