Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat den weltweit ersten Mittelspannungs-Stringwechselrichter für Großkraftwerke entwickelt und erfolgreich in Betrieb genommen. Die erfolgreiche Integration in das Mittelspannungsnetz im Rahmen des Projekts „MS-LeiKra“ hat gezeigt, dass höhere Spannungsebenen für PV-Wechselrichter technisch machbar sind. Dies hat bedeutende Auswirkungen auf die Photovoltaik, darunter erhebliche Einsparungen bei den Kosten und Ressourcen für passive Bauteile und Kabel. Das entwickelte Gerät legt den Grundstein für ein neues Systemkonzept für die nächste Generation von PV-Großkraftwerken und ist auch für Anwendungen in Windkraftanlagen, Elektromobilität und der Industrie von Interesse.
Heutige PV-Stringwechselrichter erzeugen Ausgangsspannungen zwischen 400 VAC und 800 VAC. Die Spannung wurde bisher nicht weiter erhöht aus zwei Gründen: Erstens ist es eine technische Herausforderung, einen effizienten und kompakten Wechselrichter mit herkömmlichen Silizium-Halbleitern zu bauen. Zweitens beschränken die aktuellen Vorschriften für PV-Systeme die Spannung auf maximal 1.500 VDC oder 1.000 VAC im Niederspannungsbereich.
In einem Projekt, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) unterstützt wurde, hat das Fraunhofer ISE in Zusammenarbeit mit Siemens und Sumida einen Wechselrichter entwickelt. Dieser erlaubt eine Erhöhung der Ausgangsspannung auf 1.500 V im Mittelspannungsbereich bei einer Leistung von 250 kVA. Dies wurde durch den Einsatz von Siliziumkarbid-Halbleitern mit hoher Sperrfähigkeit ermöglicht.
Zusätzlich hat das Forschungsteam ein Kühlkonzept mit Heatpipes implementiert, um die Kühlleistung zu verbessern und den Bedarf an Aluminium zu reduzieren.
In herkömmlichen Photovoltaik-Kraftwerken werden große Mengen Kupferkabel verwendet. Durch die Erhöhung der Spannung ergeben sich erhebliche Einsparungen: Bei einem 250-kVA-Stringwechselrichter mit einer Ausgangsspannung von 800 VAC wird ein Kabelquerschnitt von mindestens 120 mm² benötigt. Wenn die Spannung auf 1.500 VAC erhöht wird, kann der Kabelquerschnitt auf 35 mm² reduziert werden. Dies führt zu einer Einsparung von etwa 700 Kilogramm Kupfer pro Kilometer Kabel. Diese Veränderung ist besonders wichtig, da Kupfer aufgrund der Elektrifizierung des Energiesystems mittelfristig zu einem knappen Rohstoff wird.
Das Projekt MS-LeiKra verlässt den Bereich der niedrigen Spannung (< 1000 VAC / <1500 VDC), was eine Anpassung der bestehenden PV-Normen erforderlich macht.
Nach erfolgreichem Anschluss an das Mittelspannungsnetz sucht das Forschungsteam jetzt Entwickler von Photovoltaik-Parks und Netzbetreiber, um das Kraftwerkskonzept in der Praxis zu testen.
Die Erhöhung der Spannung über den Niederspannungsbereich hinaus hat auch Potenzial für andere Anwendungen wie Windkraftanlagen, die ebenfalls große Kabelquerschnitte erfordern. Es bietet auch Vorteile in der Ladeinfrastruktur für größere Elektrofahrzeuge oder -fuhrparks sowie in Industrienetzen durch die Reduzierung der Kabelquerschnitte.
