Höhere Spannungsebene 25.10.2023, 07:00 Uhr

Neues System für Photovoltaik im großen Stil

Das Fraunhofer ISE hat einen Mittelspannungs-Stringwechselrichter für Großkraftwerke entwickelt. Den Praxistest hat er bereits bestanden. Das macht den Weg frei für ein ganz neues Systemkonzept für Großkraftwerke, die mit Solarenergie arbeiten. Weitere Anwendungsgebiete sind möglich.

Wechselrichter

Der neu entwickelte Wechselrichter könnte den Bau von PV-Großanlagen entscheidend verändern.

Foto: Fraunhofer ISE

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE verkündet die nächste gute Nachricht aus dem Bereich der Solartechnik: Im Projekt „MS-LeiKra“ haben die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen jetzt nachgewiesen, dass für Photovoltaik-Wechselrichter eine höhere Spannungsebene technisch möglich ist. Das könnte erhebliche Auswirkungen auf die Konzeption von Neuanlagen haben – und zu Kosteneinsparungen führen.

Ideal für steigende Photovoltaik-Leistung

Solaranlagen produzieren Gleichstrom, den angeschlossene Wechselrichtern in Wechselstrom umwandeln, bevor er ins Stromnetz eingespeist werden kann. Der Kostendruck ist in diesem Bereich jedoch hoch. Ansatz des Fraunhofer-Teams war es daher, Wechselrichter zu entwickeln, die auf der einen Seite günstiger produziert werden können und auf der anderen Seite eine bessere Leistung bringen. Das erhöht insgesamt die Wirtschaftlichkeit von Photovoltaik-Anlagen. Der wesentliche Ausgangspunkt dafür ist folgender: Steigen die AC Ausgangsspannung und die Leistung, sinkt im Verhältnis der Materialeinsatz bei den passiven Bauelementen. Auch die Installationskosten fallen geringer aus, weil die Kabelquerschnitte reduziert werden können. Dieses Konzept ist nach Aussage der Forschenden aufgegangen.

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Herkömmliche Photovoltaik -Stringwechselrichter arbeiten mit Ausgangsspannungen, die zwischen 400 VAC und 800 VAC liegen (VAC = Volt Alternating Current). Das hat sich in jüngster Vergangenheit nicht verändert, obwohl die Kraftwerksleistungen weiter steigen. Denn es ist eine große Herausforderung, einen hocheffizienten und kompakten Wechselrichter auf Basis von Silicium-Halbleitern zu bauen. Ein weiterer Punkt kommt hinzu: Die aktuellen Normen für PV-Anlagen decken nur den Bereich der Niederspannung ab: maximal 1.500 VDC beziehungsweise 1.000 VAC (VDC = Volts Direct Current).

Das Team vom Fraunhofer belässt es daher nicht bei der technischen Weiterentwicklung der Wechselrichter, sondern befasst sich auch mit den normativen Arbeiten, die sich durch die Anhebung der Spannung ergeben, damit die offiziellen Normen entsprechend angepasst werden können.

Sinkender Kupfer-Verbrauch durch neuen Wechselrichter

Die Wissenschaftler und Wissenschaftler haben jetzt einen neuen Wechselrichter vorgestellt, der eine Anhebung der Ausgangsspannung in den Mittelspannungsbereich (1.500 Volt) bei einer Leistung von 250 Kilovoltampere (kVA) erlaubt. Erreicht haben sie diesen Erfolg durch den Einsatz hochsperrender Siliciumkarbid-Halbleiter. Zusätzlich haben sie ein spezielles Kühlkonzept mit Heatpipes installiert. Die Kühlleistung stieg dadurch an, sodass es möglich war, weniger Aluminium zu verwenden.

Weiteres großes Einsparpotenzial steckt in den Kabeln. Denn in Photovoltaik-Kraftwerk sind in der Regel kilometerweise Kupferkabel verlegt – und die sind teuer. Der neue Wechselrichter hat den Vorteil, dass in diesem Bereich kräftig gespart werden kann: Bei einem Stringwechselrichter mit einer Leistung von 250 kVA wird bei einer Ausgangsspannung von 800 VAC ein minimaler Kabelquerschnitt von 120 Quadratmillimetern (mm²) benötigt. Bei einer Spannungserhöhung auf 1.500 VAC, werden nur noch 35 mm² gebraucht. Das reduziert den Kupferbedarf um etwa 700 Kilogramm – für jeden einzelnen Kilometer Kabel.

Photovoltaik-Partner für Feldversuch gesucht

Den ersten Praxistest hat der Wechselrichter bereits bestanden: Der Strom wurde erfolgreich ins Mittelspannungsnetz eingespeist. Jetzt suchen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen nach Partnern, mit denen sie das Kraftwerkskonzept weiter ausprobieren können, etwa Entwickler von Solarparks oder Netzbetreiber.

Der Mittelspannungs-Wechselrichter ist übrigens nicht nur für die Photovoltaik-Branche interessant. Etwa für Windkraftanlagen, Industrienetze oder größer dimensionierte Lade-Anlagenfür Elektroautos könnte er eingesetzt werden und dort ebenfalls zu Einsparungen führen.

Das Forschungsprojekt „MS-LeiKra“ wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert. Das Fraunhofer ISE kooperiert mit den Partnern Siemens und Sumida.

Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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