Photovoltaik-Anlagen effizienter machen und so die Kraft der Sonne besser nutzen: Daran arbeitet das Forscherteam des Projekts MS-LEIKRA unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg im Breisgau. Jetzt haben die Fachleute das Herzstück des Projekts, den Wechselrichter, in ihrem Multi-Megawatt-Labor in Betrieb genommen.

„Bislang haben wir noch wenig Erfahrungen mit der neuen Halbleitertechnologie sammeln können“, erklärt Projektleiter Andreas Hensel vom Fraunhofer ISE und ergänzt: „Anders als herkömmliche Halbleiter aus reinem Silizium setzen wir auf kleinere und leichtere Komponenten aus Siliziumkarbid. Wir möchten herausfinden, wie sich die neuen Halbleiter als Bestandteil des Wechselrichters unter verschiedenen Betriebsbedingungen verhalten.“

Photovoltaik (PV)-Wechselrichter wandeln den von der PV-Anlage erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um. Dieser ist in Stromnetzen gängig. Da PV-Wechselrichter aufgrund der Konkurrenz auf dem Weltmarkt unter einem enormen Kostendruck stehen, haben sich die Forscherinnen und Forscher zum Ziel gesetzt, die Leistung der Geräte zu steigern und gleichzeitig Kosten zu senken. Das ermöglicht einen wirtschaftlicheren Betrieb von PV-Anlagen.

Photovoltaik für die Mittelspannungsebene

Mittelpunkt des Projekts: der Wechselrichter mit 3,3 Kilovolt-Halbleitern aus Siliziumkarbid © Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme | Mittelpunkt des Projekts: der Wechselrichter mit 3,3 Kilovolt-Halbleitern aus Siliziumkarbid

Aus dem Grund entwickeln die Fachleute im Rahmen des Vorhabens MS-LEIKRA, an dem auch die Unternehmen Siemens und Sumida Components and Modules beteiligt sind, ein verbessertes Konzept mit neuen Komponenten für die nächste Generation von Photovoltaik-Großkraftwerken. Während bisherige Projekte mit der Systemspannung im Niederspannungsbereich bleiben, geht dieses Vorhaben darüber hinaus und macht den Schritt auf die nächsthöhere Stufe, die Mittelspannungsebene.

Bei einer höheren Betriebsspannung der PV-Anlage muss weniger Stromstärke eingesetzt werden – bei gleichbleibender Leistung. Bei einer niedrigeren Stromstärke kann das Kupferkabel, mit dem die Anlage ans Stromnetz angeschlossen ist, dünner sein. Das bedeutet: Auf der einen Seite steigt die Leistungsdichte. Und da für ein dünneres Kabel weniger Material benötigt wird, sinken auf der anderen Seite die Kosten.

Auf diese Weise können PV-Kraftwerke auf Mittelspannungsniveau einfacher und günstiger ans Stromnetz angeschlossen werden. Auch kleinere und somit preiswertere Transformatoren können hierbei zum Einsatz kommen. Bei einem höheren Spannungsniveau lässt sich außerdem der Strom verlustärmer (und damit billiger) transportieren.

Perspektive für Speicher und Elektro-Autos

Darüber hinaus könnten PV-Kraftwerke künftig um zum Beispiel Hochenergie- und Hochleistungsspeicher preiswert erweitert werden. Diese Speicher werden grundsätzlich eher an Netze mit höherer Spannung angeschlossen, wie auf der Mittelspannungsebene. Solche Strom-Depots ins Energiesystem einzubinden, kann es künftig erleichtern, die Netze stabil zu halten.

Die neu zu entwickelnde Technologie lässt sich perspektivisch auch auf andere Anwendungsfälle übertragen, in denen eine höhere Systemspannung Vorteile bietet. Hier kommen beispielsweise die erwähnten großtechnischen Speichersysteme und größere Ladestationen für Elektro-Autos in Frage. (kkl)