Leistungselektronik für die Stromnetze der Zukunft

27. Dezember 2015, 16:05
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Forscher der FH Joanneum in Kapfenberg arbeiten an neuer Technik für intelligente Netze

Graz – Ein Stromnetz, das allein dazu da ist, die Energie aus großen Kraftwerken in vielen Verästelungen zu den Verbrauchern zu bringen – dieses Konzept könnte bald der Vergangenheit angehören. An seine Stelle sollen dezentralisierte Stromnetze treten, bei denen die Erzeuger räumlich näher an den Energieverbrauchern liegen. Viele kleine Anlagen, die Strom aus Solar-, Windkraft oder Biomasse gewinnen, speisen dann Strom in die lokalen Nieder- und Mittelspannungsnetze ein. Der Wirkungsgrad kleiner Kraftwerke bleibt zwar hinter jenem von großen zurück, allerdings entfallen Verluste durch Transformation und lange Übertragungswege.

Um die Vision derartiger intelligenter Netze, Smart Grids, in die Realität überzuführen, braucht es auch entsprechend ausgereifte Steuer- und Regelungstechnik. Zwischen Erzeugern, Verbrauchern und allen weiteren Netzteilnehmern muss etwa eine automatisierte Kommunikation stattfinden. Die Leistungselektronik, die sich mit der entsprechenden Umformung der elektrischen Energie beschäftigt, unterliegt einem intensiven Entwicklungsprozess. Denn bis der künftige Strom aus alternativen Energieträgern über das Netz und Zwischenspeicher beispielsweise im Handy landet, sind viele Umwandlungsprozesse nötig.

"Die Fortschritte in der Halbleiterphysik und in den Materialwissenschaften haben zu einem Paradigmenwechsel in der Leistungselektronik geführt", sagt Hubert Berger, Leiter des Instituts Electronic Engineering der FH Joanneum. Er arbeitet mit seinen Kollegen im Joanneum Power Electronics Center unter anderem an kompakten Wechselrichtern, die eine effizientere und umweltschonende Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom ermöglichen. Die als Research Studio Austria vom Wissenschaftsministerium unterstützte Einrichtung in Kapfenberg besteht seit 2014.

Anwendung finden derartige Geräte etwa bei der Umwandlung des Gleichstroms, der von Solaranlagen kommt, in Wechselstrom, der mit dem Stromnetz kompatibel ist. Der Solarstrom wird "zerhackt" und in Strom mit wechselnder Polung und einer Frequenz von 50 Hertz umgewandelt.

Der Wechselrichter aus Kapfenberg fällt durch seine Größe auf: Mit einem Volumen von drei übereinandergestapelten Zündholzschachteln sei er 250-mal kleiner als bisherige Geräte. Erreicht wird das mit neuartiger, stark verdichteter Elektronik – etwa Chips, die nicht auf Leiterplatten sitzen, sondern in sie hineinverbaut werden. Zudem kommen Kondensatoren zum Einsatz, die auf piezoelektrischen Effekten beruhen und damit eine hohe Packungsdichte erreichen. Ausgereifte Filterelemente verhindern Abstrahlung und elektromagnetische Störungen.

Ein wichtiger Aspekt der Miniaturisierung ist die einhergehende Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit. "Heutige Transistoren zerhacken die Spannungen 10.000- bis 20.000-mal pro Sekunde, in Zukunft wird es bis zu einer Million Schaltvorgänge pro Sekunde geben", erläutert Berger. Das ist zwar viel mehr, als das Wechselstromnetz benötigt, mit entsprechender Steuerung kann aber die richtige Signalform moduliert werden.

Für eine möglichst verlustfreie Umwandlung benötigt man Kondensatoren, um Strom zu puffern. "Früher waren das große Elektrolytkondensatoren, die auch umwelttechnisch problematisch sind. Heute verwendet man Keramikkondensatoren, deren Volumen viel kleiner ist", erklärt Hubert Berger. "Der Weg geht weg von hohem Materialeinsatz zu leistungsstarken Chips und mehr Intelligenz."

Vollständige Simulation

Ein großer Teil der Forschungsarbeit liegt in der Entwicklung entsprechender Algorithmen. "Der typische Entwicklungsprozess sieht so aus, dass die Idee zuerst vollständig in einer Simulation abgebildet wird. Erst wenn diese zeigt, dass das Prinzip optimal funktioniert, geht man die Entwicklung der Hardware an. Die Softwareentwicklung geschieht zunehmend automatisiert aus den Simulationsalgorithmen heraus", erklärt der Forscher.

Die Wirkungsgrade von Wechselrichtern bewegen sich heute im Bereich zwischen 95 und 99 Prozent. Auch der Demonstrator, der von der FH Joanneum in Kooperation mit den Elektronikherstellern AT&S und Epcos TDK entwickelt wurde, bringe den Wirkungsgrad laut Hubert Berger nahe der 99 Prozent. Von dem kostbaren Sonnenstrom, der den Verbrauch konventioneller Energieträger spart, soll möglichst wenig verlorengehen. (pum, 27.12.2015)

  • Für den Netzumbau auf Smart Grids braucht es neue Technik.
    foto: apa

    Für den Netzumbau auf Smart Grids braucht es neue Technik.

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