Weltpremiere: Fraunhofer ISE präsentiert Mittelspannungs-Stringwechselrichter für Photovoltaik

© Fraunhofer ISE

Freiburg – Die Einspeisung von Solarleistung ins Mittelspannungsnetz ist am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE gelungen. Der entwickelte Wechselrichter ermöglicht der Photovoltaik den Sprung von der Nieder- in die Mittelspannung und führt zu kräftigen Ressourceneinsparungen bei Kupfer sowie zu sinkenden Kosten.

Das Fraunhofer ISE Team im Projekt „MS-LeiKra“ konnte jetzt nachweisen, dass für PV-Wechselrichter eine höhere Spannungsebene als bisher technisch möglich ist. Dazu haben die Forschenden den weltweit erste Mittelspannungs-Stringwechselrichter für Großkraftwerke entwickelt und erfolgreich in Betrieb genommen.

PV-Stringwechselrichter mit höherer Spannung unter Einsatz von Siliciumkarbit-Halbleitern
Heutige PV-Stringwechselrichter arbeiten mit Ausgangsspannungen zwischen 400 VAC und 800 VAC. Dass trotz weiter steigender Kraftwerksleistungen die Spannung bisher nicht weiter erhöht wurde, hat laut Fraunhofer zwei Gründe: Zum einen die Herausforderung, einen hocheffizienten und kompakten Wechselrichter auf Basis von Silicium-Halbleitern zu bauen. Zum anderen die aktuellen PV-spezifischen Normen, die nur den Bereich der Niederspannung (max. 1.500 VDC bzw. 1.000 VAC) abdecken.

In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Projekt entwickelte das Fraunhofer ISE nun in Kooperation mit den Projektpartnern Siemens und Sumida einen Wechselrichter, der eine Anhebung der Ausgangsspannung in den Mittelspannungsbereich (1.500 V) bei einer Leistung von 250 kVA erlaubt. Möglich wurde dies durch den Einsatz von hochsperrenden Siliciumkarbid-Halbleitern, so das Fraunhofer ISE.

Das Forschungsteam setzte außerdem ein Kühlkonzept mit Heatpipes um, so dass durch eine effizientere Kühlleistung auch der Materialeinsatz von Aluminium reduziert werden kann.

Enormes Kupfer-Einsparpotenzial durch dünnere Kabel – Partner für Demoprojekt gesucht
In einem typischen Photovoltaik-Kraftwerk sind mehrere Dutzend Kilometer an Kupferkabeln verlegt. Hier liegen erhebliche Einsparpotenziale durch eine Erhöhung der Spannung: Bei einem Stringwechselrichter mit einer Leistung von 250 kVA wird bei einer heute möglichen Ausgangsspannung von 800 VAC ein minimaler Kabelquerschnitt von 120 mm² benötigt.

Erhöht man die Spannung zukünftig auf 1.500 VAC, sinkt der Kabelquerschnitt auf 35 mm². Dies reduziert den Kupferverbrauch um etwa 700 Kilogramm pro Kilometer Kabel. „Unsere Ressourcenanalysen zeigen, dass mittelfristig Kupfer aufgrund der Elektrifizierung des Energiesystems ein knapper Rohstoff wird. Die Erhöhung der Spannung erlaubt einen sparsamen Umgang mit diesen wertvollen Ressourcen“, so Prof. Dr. Andreas Bett, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme.

Nach der erfolgreichen Einspeisung ins Mittelspannungsnetz sucht das Forschungsteam nun Entwickler von Photovoltaik-Parks und Netzbetreiber für die Erprobung des Kraftwerkskonzeptes im Feld. Neben dem Einsatz in der Photovoltaik könnten auch andere Anwendungen für Mittelspannungs-Wechselrichter wie in Windkraftanlagen oder in der Ladeinfrastruktur für größere Elektro-Fahrzeuge bzw. -fuhrparks sowie in Industrienetzen interessant sein.

Nächster Schritt: Änderung der PV-spezifischen Normen
Mit dem Projekt „MS-LeiKra“ werden die normativen Bedingungen der Niederspannung (< 1000 VAC / <1500 VDC) verlassen, so das Fraunhofer ISE. Weil die aktuellen PV-spezifischen Normen diesen Bereich nicht abdecken, beschäftigt sich das Projektteam auch mit den normativen Arbeiten, die sich durch die Anhebung der Spannung ergeben.