Wechselrichter-Einschränkung gelöst? Fraunhofer-Institut und Siemens entwickeln Neuerung

In vielen technischen Anlagen kommen Wechselrichter vor. Sie sind überall nötig, wo eine Umwandlung von Strömen von Gleich- auf Wechselstrom notwendig ist. Als Herzstücke vieler Gerätschaften sind sie ein wichtiger, aber auch limitierender Faktor. Doch nicht alle Wechselrichter-Einschränkungen sind dabei von technischer Seite erwünscht. Bisher war insbesondere die Ausgangsspannung für Großanlagen auf den Niederspannungsbereich begrenzt. Das Fraunhofer ISE hat gemeinschaftlich mit seinen Projektpartnern Siemens und Sumida nun den weltweit ersten Mittelspannungs-Stringwechselrichter für Großkraftwerke entwickelt. Diese Neuheit könnte deutlich an Kosten einsparen.

Wechselrichter-Einschränkung aufgehoben: Mittelspannungsbereich ist möglich

Mithilfe des neuen Wechselrichters kann erstmals Photovoltaik-Strom direkt aus dem Wechselrichter in die Mittelspannungsebene des Stromnetzes eingespeist werden. Dadurch ergibt sich ein hohes Einsparpotenzial bei passiven Bauteilen und Kabeln, wie das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE verkündet. Allein der Kupferbedarf einer Photovoltaik-Anlage könnte um bis zu 70 Prozent sinken. Bisher schafften Wechselrichter laut dem Fraunhofer ISE lediglich eine Ausgangsspannung zwischen 400 V_AC und 800 V_AC. Der neue Prototyp verdoppelt diesen Wert beinahe, in dem er eine Ausgangsspannung von bis zu 1.500 V_AC bei einer Leistung von 250 kVA erreicht. Er basiert auf dem Einsatz von hochsperrenden Siliziumkarbid-Halbleitern. Die Kühlung erfolgt über sogenannte Heatpipes, die laut Fraunhofer-Institut nicht nur effizient ausfallen, sondern zugleich weniger Aluminium benötigen.

Wechselrichter stagnierten, während Solarparks sich weiterentwickelten

Obwohl die Leistungen von Solarparks bereits seit Jahren ansteigt, konnten die Wechselrichter bisher nicht nachziehen. Dafür waren vordergründig technische Herausforderungen verantwortlich, da ein hocheffizienter und kompakter Wechselrichter auf Basis von Silizium-Halbleitern schwer herzustellen ist. Zusätzlich fehlen jedoch auch entsprechende Normen. Bisher decken PV-spezifische Normen lediglich den Bereich der Niederspannungen bis maximal 1.500 V_DC beziehungsweise 1.000 V_AC ab. Parallel zum technisch neu entwickelten Prototyp setzt sich das Fraunhofer ISE im Projekt „MS-LeiKra“ daher auch für eine Erweiterung der Normen ein.

Eine höhere Spannung ermöglicht bei gleicher Leistung die Stromstärke zu senken, wodurch man einen geringeren Kabelquerschnitt benötigt. Ein heutiger Stringwechselrichter benötigt bei einer Leistung von 250 kVA heute eine mögliche Ausgangsspannung von 800 V_AC. Hierfür ist ein minimaler Kabelquerschnitt von 120 mm² erforderlich. Erhöht man hingegen die Spannung auf die jetzt möglichen 1.500 V_AC, sinkt der Kabelquerschnitt auf lediglich 35 mm². Pro Kilometer Kabel werden dadurch 700 kg Kupfer weniger benötigt als bisher. Bei einem derzeitigen Kupferpreis von rund 8,31 Euro pro Kilogramm Kupfer ist das eine Einsparung von 5.817 Euro für jeden Kilometer Kabel. Gerade bei großen Solarparks, in denen viele Kabel verlegt werden, ist das Einsparpotenzial für die neuen Wechselrichter daher groß.

Laut Fraunhofer ISE ist das Konzept nicht nur für Solarparks, sondern ebenso für Windkraftanlagen, Elektromobilität und die Industrie übertragbar. Das ist besonders erfreulich für den Ausbau erneuerbaren Energien in Deutschland, da die Projektkosten damit deutlich sinken könnten. Das hat nicht nur direkte Auswirkungen auf den Ausbau der Energieversorgung selbst, sondern schlägt sich in zweiter Instanz auch positiv auf die Stromkosten der Verbraucher nieder. Kosten für den Bau dieser Anlagen werden als Netzentgelte auf deutsche Haushalte umgelegt. Sinken die Investitionskosten in die Kraftwerke, während die Stromausbeute der Projekte gleich bleibt, dämpft das somit den Strompreis.