Intelligenter Transformator Ein Herz für Strom

Marco Liserre hat mit seinem Team einen modular aufgebauten, intelligenten Transformator entwickelt.
Marco Liserre hat mit seinem Team einen modular aufgebauten, intelligenten Transformator entwickelt.

Der Umstieg auf erneuerbare Energien hat Auswirkungen auf das gesamte Stromnetz. Ein stabiles Netz muss langlebig, flexibel, fehlertolerant und effizient sein. Die Uni Kiel liefert dazu einen wichtigen Beitrag.

Seit fünf Jahren forscht die Christian-Albrechts-Universität Kiel im Projekt HEART (The Highly Efficient And Reliable smart Transformator) an Komponenten für das Stromnetz der Zukunft. Das Team um Marco Liserre vom Lehrstuhl für Leistungselektronik hat dafür nun einen smarten Transformator entwickelt.

Im neuen »Smart Transformer« sind Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid verbaut, die einen hohen Wirkungsgrad ermöglichen. Das Besondere am neuen Trafo ist die modulare Bauweise. Sie macht ihn nicht nur für das Stromnetz einsetzbar, einzelne Komponenten tragen dazu bei, Ladestationen besser in das Stromnetz zu integrieren oder Gleichstromnetze besser an das zentrale Wechselspannungsnetz anzuschließen. Auch in Energiespeichern kann das System zum Einsatz kommen.

Test auf Herz und Nieren

Aber ist der neue Transformator tatsächlich alltagstauglich? Um das zu beweisen, haben die Wissenschaftler verschiedene Testumgebungen aufgebaut. Der Fokus lag unter anderem auf der thermischen Belastungsfähigkeit der Komponenten. Mit den neu entwickelten Methoden »Active Thermal Control« und »Power Routing« können die thermischen Auswirkungen bei schwankendem Stromfluss gemindert und neue Daten gewonnen werden. »Aus diesen Daten leiten wir ab, wie wir die Temperatur beeinflussen und die Module stressresistenter für schwankende Stromzufuhren machen«, sagt Liserre.

Nun stellt sich die Frage, ob die Module mit dem echten Stromnetz interagieren können. Dazu wurde eine zweite Testumgebung geschaffen, mit der das Stromnetz in Echtzeit simulierbar ist. So können die Forscher testen, wie der Smart Transformator in Verbindung mit dem Stromnetz funktioniert und ob er die nötige Leistung bringt. Ebenso sind andere Testszenarien möglich: die Zusammenarbeit von Transformatoren mit Windenergie-Systemen, Speichersystemen oder Solarzellen sowie deren Interaktion mit dem Stromnetz.

Die Forscher fanden heraus, dass der Smart Transformer die unterschiedlichen Energiequellen besser in das Stromnetz bringt und der Vorgang besser kontrollierbar ist als mit konventionellen Transformatoren. Darüber hinaus hat der neue Trafo eine höhere Lebensdauer und ist zuverlässiger als herkömmliche Transformatoren.

Neues Mittelspannungslabor

Doch die bisherigen Tests sind den Forschern nicht genug. Ein neues Mittelspannungslabor ermöglicht weitere Testschritte. So können die Wissenschaftler die Prototypen im Bereich von 10 kV und 1 MW testen und gleichzeitig Echtzeitsimulationen unterziehen. Parallel dazu realisieren die Wissenschaftler Praxistests in Schottland. Dabei arbeiten die Forscher mit Scottish Power zusammen. Bis 2022 soll der Smart Transformer unter realen Bedingungen im schottischen Stromnetz eingesetzt werden.

Darüber hinaus wollen die Kieler Forscher herausfinden, welche Auswirkungen der weitere Ausbau erneuerbarer Energien für Knotenpunkte im Netz hat und welche Eingriffe ein intelligenter Transformator im Netz vornehmen kann, ohne es zu belasten. Außerdem ist eine Erweiterung des Forschungslabors für Energiespeicher geplant. Marco Liserre kann sich vorstellen, den Transformator in Zusammenarbeit mit Unternehmen zu vermarkten, oder ein eigenes Start-up zu gründen.