Siemens-Forschungsprojekt Verlustarmer Energietransport mit HGÜ

Windkraftanlagen sind hohen Belastungen ausgesetzt. Aus dem Betrieb, z.B. durch das Getriebe oder den Fliehkräften der Rotorblätter, aber auch durch das Wetter, z.B. bei kräftigem Wind und Sturmböen, sind die Stromerzeuger Vibrationen bzw. Schwingungen ausgesetzt. Hersteller beachten das bereits in der Entwicklung. <br />Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF verfolgt einen anderen Ansatz: Sie erzeugen mit Hilfe von Aktorik zusätzliche Kräfte und kompensieren so die in der Struktur vorhanden Schwingungen.

Neue Technologien für einen verlustfreien Energietransport mittels Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, kurz: HGÜ, erforscht Siemens im Rahmen eines BMBF-Forschungsprojekts. Im Fokus steht dabei die Stromwandlung am Anfang und Ende einer HGÜ-Leitung.

Eine der größten Herausforderungen der Energiewende ist die Energieübertragung. Der Strom muss mit möglichst geringen Verlusten von den Offshore-Windanlagen zuerst an Land und dann von Norden nach Süden gebracht werden. Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung ist dabei der Schlüssel für eine stärkere Einbindung der Erneuerbaren Energien in das Stromnetz. Das funktioniert so: Der erzeugte Wechselstrom wird auf mehreren, im Windpark verteilten Umspannplattformen transformiert und anschließend auf einer HGÜ-Plattform in Gleichstrom umgewandelt. Mit Hilfe eines Seekabels wird er an Land gebracht. HGÜ ist ab einer Kabellänge von 80 Kilometern notwendig, da sonst die Verluste zu groß wären.

In einem Forschungsprojekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung BMBF sollen nun neue Technologien für die Stromwandlung am Anfang und Ende einer HGÜ erforscht werden. Koordiniert wird das auf drei Jahre angelegte Projekt „Effiziente Hochleistungsmodule für Elektroenergiesysteme der Zukunft“ (EHLMOZ) von der globalen Siemens-Forschung Corporate Technology. Weitere Partner sind die Technische Universität Dresden, Infineon Technologies, Curamik Electronics, Nanotest und Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS. Mit den erforschten Technologien sollen die Kosten der genannten Konverter-Stationen bis zu 20 Prozent reduziert und gleichzeitig die Leistungsdichte um ein Drittel erhöht werden.

Die im Moment modernste Stromrichtertechnik im Bereich der HGÜ sind modulare Multi-Level-Konverter. Dabei wird die gewünschte Spannung mit Hilfe mehrerer in Reihe geschalteter IGBTs und Kondensatoren zusammengesetzt. Die hohen und auch schwankenden Ströme in den Konvertern sorgen dafür, dass die elektrischen Anschlüsse der Transistoren neben den Strom- auch Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Dadurch können sich Abhebungen des Bonddrahtes bzw. Risse in den Lotverbindungen bilden. Kommt es zu Kurzschlüssen, können die dort entstehenden hohen Stoßströme das Bauteil und auch die benachbarten Module schädigen. Diese Risiken werden heute mit zusätzlicher Leistungselektronik und mit einem zweiten Zellen-Gehäuse abgesichert.

Ein Ziel des Forschungsprojektes ist die Darstellung neuartiger Leistungshalbleiter, die durch ihre Robustheit einen geringeren Schutzaufwand ermöglichen sollen. Mit Hilfe neuer Aufbau- und Verbindungstechniken mit großflächigen Kontaktierungen soll u.a. die Wärmebelastung besser verteilt werden. Ebenfalls erforscht werden Messtechniken zur genauen Temperaturüberwachung im Modul, so dass weniger Sicherheitsreserven eingeplant werden müssen.

Im Moment plant Deutschland rund 2.100 Kilometer HGÜ-Leitungen, mit deren Hilfe die Windenergie möglichst verlustarm von den Küsten zu den Verbrauchern transportiert werden soll. Weitere Offshore-Windenergieanlagen mit einer Leistung von 25 GW sollen bis zum Jahr 2030 installiert werden.

Das Projekt wird mit 4,9 Mio. Euro gefördert.