Leistungselektronik »Silizium wird Siliziumkarbid wieder ersetzen!«

Solarpanele
Solarpanele

Die Leistungselektronik ist eine sogenannte »Enabling Technology«. Welche Herausforderungen in Zukunft auf sie zukommen werden, darüber sprach Elektronik-Redakteurin Andrea Gillhuber mit dem Präsidenten des Fachverbands ECPE, Prof. Dr. Leo Lorenz.

Herr Professor Lorenz, Hochspannungsgleichstromübertragung, kurz HGÜ, ist in aller Munde. Was die installierten Kapazitäten anbelangt, liegt Deutschland hinter China und einigen anderen europäischen Ländern. Woran liegt das?
Prof. Dr. Leo Lorenz:
Ich glaube, die Genehmigungsverfahren sind in Deutschland einfach zu komplex und zeitaufwendig. Und auch politisch wird es noch viele Diskussionen geben, wo denn die Trassen entlangführen dürfen und wo nicht. Auch stellt sich noch die Frage: Kabel unter oder über der Erde. Wobei „Kabel unter der Erde“ einfach zu teuer sein wird. Im Vergleich dazu tun sich die Chinesen leichter: Dort werden Trassen festgelegt - ohne Diskussion! Das wäre in Deutschland glücklicherweise nicht möglich.

Halten Sie es für möglich, dass letztendlich z.B. China die HGÜ-Trassen in Deutschland bauen wird?
Prof. Lorenz:
Letztendlich werden die Trassen auch von hier ansässigen Firmen gebaut werden. Zwar werden in China an Hochleistungs-Forschungsinstituten wie dem CPRI (China Power Research Institute) oder dem „State Grid“ viele Tests gemacht, doch in Bezug auf die Ansteuerung der zur HGÜ notwendigen IGBTs, die Zuverlässigkeit und die Beherrschbarkeit des Systems liegt die Technologieführerschaft immer noch bei uns. Im Übrigen wurde die kürzlich in China installierte 800-kV-HGÜ (6.000 MW) von Siemens gebaut. Ich glaube, wenn etwas zuverlässig arbeiten muss und die Lebensdauer vorhersagbar sein soll, dann sind Firmen wie Siemens oder ABB einfach die beste Wahl. Dasselbe gilt auch für Züge: Wird in China ein neuer Zug in Betrieb genommen, schreiben die chinesischen Zeitungen zwar nur vom chinesischem Produkt, letztendlich werden aber in den kritischen Bereichen wie Steuerungstechnik und Leistungselektronik Technologien von nicht-chinesischen Firmen eingesetzt.

Ist unser bestehendes Netz leistungsfähig genug, die Energie aus den dezentralen Erzeugern oder auch die Offshore-Anlagen aufzunehmen?
Prof. Lorenz:
Um die extrem hohe Energie aus dem Norden in den Süden zu transportieren, dafür sind die bestehenden Stromtrassen nicht ausgelegt. Die installierten AC-Leitungen können zwar Energie über Entfernungen bis etwa 70 km übertragen, doch für Strecken über 80 km ist HGÜ die insgesamt bessere Lösung. Für die Energieverteilung von den Trassen weg hin zu den Industrieanlagen mit niedrigeren Spannungsebenen sind die bestehenden Leitungen gut und sicherlich auch sehr zuverlässig.

Der Photovoltaikmarkt ist in Deutschland eingebrochen, vor allem die Produktion. Wie wird sich der Solar-Markt Ihrer Meinung nach weiter entwickeln?
Prof. Lorenz:
Eine Volumenfertigung wird es hier in Deutschland wohl nicht mehr geben. Ich hoffe zwar immer noch, dass jemand in die schon bestehenden Fabriken investiert, aber letztendlich wird sich die große Volumenfertigung in Asien abspielen. Dort vorrangig in China, gefolgt von Korea und Japan. In der Produktion von Solar-Panels wird Deutschland zurückfallen.

Was jedoch die Technologie angeht, da wird Deutschland führend bleiben. Gerade was höhere Wirkungsgrade bei den Zellen angeht, tut sich bei uns einiges. Bei den Systemen sind wir noch führend - noch! Denn auch hier drängen Unternehmen aus China auf den Markt. Ich denke dabei speziell an Sungrow: Das Unternehmen verfolgt ähnliche Ansätze wie SMA, wobei SMA heute noch weltweit führend und anerkannt ist in der Wechselrichtertechnik, der Systemtechnik.

Hierzulande steht uns eine Konsolidierungsphase bevor - einige Unternehmen werden vom Markt verschwinden. In Deutschland wird bei ungefähr 50 GW installierter Leistung eine Sättigung eintreten. Im Moment verfügen wir über 30 GW installierte Leistung, pro Jahr kommen etwa 4 bis 6 GW hinzu. Das heißt, in etwa drei bis fünf Jahren kommt es zu einer Sättigung. Die Lebensdauer der Anlagen beträgt 20 bis 25 Jahre; zu einem Austausch der Anlagen wird es daher in den nächsten Jahren nicht kommen.

Nichtsdestotrotz ist Solar eine Zukunftsindustrie! Sie könnte vor allem südeuropäischen Ländern die Möglichkeit bieten, eine Industrie aufzubauen.

Auf der PCIM war zu hören, dass SiC-Bausteine für Solarwechselrichter uninteressant geworden sind; hier werden Si-IGBTs interessant.
Prof. Lorenz:
Dafür gibt es zwei Gründe: Zum einen ist der Kostendruck so hoch, dass man vielleicht 0,2, maximal 0,3 Prozentpunkte an Wirkungsgrad gerne einbüßt, zum anderen ist die technologische Weiterentwicklung der Si-Bauelemente beachtlich. Die neuen High-Speed-IGBTs gehen in die richtige Richtung: Schnelleres Schalten, weniger dynamische Verluste, niedrigere Durchlasswerte. Im technischen High-End-Bereich wird man SiC weiterhin finden, doch in der Masse wird es wieder zurückgehen auf Silizium-Bausteine. Interessant ist, dass es in Japan seit einiger Zeit zwei Strömungen gibt, die sagen: „Die Si-Welt wird wieder dominieren.“ Mit jedem neuen SiC-Bauteil machen sich Silizium-Experten Gedanken darüber, wie nahe sie bei der nächsten Si-Generation an diese Eigenschaften herankommen können. Mit Silizium wird man nicht das erreichen, was mit SiC oder GaN möglich ist, doch bietet das Material eine sehr gute Alternative, vor allem auf der Kostenseite.

Auch werden die am Markt qualifizierten SiC-JFETs gegen die SiC-MOSFETs verlieren, sobald letztere für den Markt qualifiziert sind. Infineon und ein paar andere sind diesen Weg der JFETs gegangen, der richtig war und auch heute noch richtig ist, da man bei den JFETs die Zuverlässigkeitsprobleme der MOSFETs heute nicht hat. Nachteil der JFETs ist jedoch die Ansteuerung, die anders konfiguriert werden muss. Sobald jedoch der SiC-MOSFET qualifiziert ist, wird er das Rennen machen.