Effizienter Energietransport für die Energiewende

Diese Technik für den verlustarmen Energietransport ist ein Schlüssel für eine stärkere Einbindung erneuerbarer Energiequellen ins Stromnetz. Ein kürzlich gestartetes BMBF-Forschungsprojekt soll die Stromumwandlung am Anfang und Ende einer HGÜ-Leitung verbessern.

Mit den erforschten Technologien könnten solche Konverterstationen bis zu 20 Prozent kostengünstiger werden und eine um ein Drittel höhere Leistungsdichte ermöglichen. Weitere Synergien ergeben sich, wenn diese neuen Technologien bei der Stromerzeugung in Windkraftanlagen eingesetzt werden.

Die globale Siemens-Forschung Corporate Technology koordiniert das auf drei Jahre angelegte Projekt Effiziente Hochleistungsmodule für das Elektroenergiesystem der Zukunft (EHLMOZ), das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 4,9 Millionen Euro gefördert wird. Partner sind die TU Dresden, Infineon Technologies, Curamik Electronics, Nanotest und Fraunhofer ENAS.

Um Leitungsverluste zu vermindern, verwandeln HGÜ-Konverterstationen Wechselstrom in Gleichstrom mit höchsten Spannungen und am anderen Ende der HGÜ-Leitung wieder zurück. Deutschland plant derzeit 2.100 Kilometer HGÜ-Leitungen, um Windenergie von den Küsten verlustarm zu den Verbrauchern zu transportieren. Bis 2030 sollen weitere Offshore-Windenergieanlagen mit einer Leistung von 25 Gigawatt installiert werden, die ebenfalls über HGÜ-Leitungen an Land transportiert werden.

Die derzeit modernste Stromrichtertechnik bei der HGÜ sind Modulare Multilevel-Konverter. Mehrere in Reihe geschaltete Leistungstransistorbauelemente (IGBTs) und Kondensatoren setzen die gewünschte Spannung modular zusammen.

Dabei sind die IGBTs über Jahrzehnte hinweg den hohen und schwankenden Ströme in den Konvertern ausgesetzt. Hohe Ströme erzeugen an den elektrischen Anschlüssen der Bauelemente viel Wärme. Strom- und damit Temperaturschwankungen können Abhebungen des Bonddrahtes bzw. Rissbildung in den Lotverbindung verursachen. Bei Kurzschlüssen entstehen hohe Stoßströme, die das Bauteil und sogar benachbarte Module schädigen können. Heute werden diese Risiken mit zusätzlicher Leistungselektronik und mit einem zweiten Zellen-Gehäuse abgesichert.

EHLMOZ erforscht unter anderem neuartige Leistungshalbleiter, die aufgrund ihrer Robustheit eine erhebliche Reduktion des Schutzaufwandes ermöglichen sollen. Neue Aufbau- und Verbindungstechniken mit großflächigen Kontaktierungen sollen helfen, u.a. die Wärmebelastung besser zu verteilen. Erforscht werden auch Messtechniken, um die Temperatur im Modul genau zu überwachen, sodass weniger Sicherheitsreserven nötig sind. (2013.11.4)