Fraunhofer IISB verstärkt Stromrichter-Forschung
Das Erlanger Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB ist ab sofort assoziiertes Mitglied des Fraunhofer-Exzellenzclusters »Integrierte Energiesysteme« CINES. Fraunhofer IISB bringt seine Kompetenzen in Halbleitertechnik und Leistungselektronik in die systemische Energieforschung ein. Im Mittelpunkt stehen Stromrichter der nächsten Generation für Netze und Anlagen. Fraunhofer IISB ergänzt die Arbeit bei CINES damit um Halbleiterentwicklung und -fertigung.
Stromrichter weiterentwickeln
Doch warum sind Stromrichter so wichtig? Dr. Sönke Rogalla ist Leiter des Forschungsfeldes Leistungselektronik im Fraunhofer-Exzellenzcluster CINES und Abteilungsleiter Leistungselektronik und Netzintegration am Fraunhofer ISE und erklärt: „Stromrichter regeln die physikalischen Eigenschaften des Stroms in unseren Netzen und Anlagen. Für die Energiewende müssen wir diese unbedingt weiterentwickeln“. Rogalla ergänzt: „In Zukunft benötigen wir deutlich mehr Stromrichter und diese müssen mit modernen Halbleitermaterialien leistungsstärker, effizienter sowie platz- und ressourcenschonender werden. Die Expertise des Fraunhofer IISB im Bereich Halbleiterentwicklung und -fertigung ergänzt hervorragend die Kompetenzen im Bereich der Energiesysteme, die wir institutsübergreifend bei Fraunhofer CINES zusammenbringen“.
Entwicklungsbedarf bei innovativen Stromrichtern
Prof. Dr.-Ing. Jörg Schulze, Leiter des Fraunhofer IISB, richtet den Blick auf Stromrichter mit Wide- und Ultrawide-Bandgap-Halbleitern. Innovative Stromrichter mit Wide- und Ultrawide-Bandgap-Halbleitern sind Stromrichter mit modernen Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid.
Schulze sagt: „Im Energiesystem entwickelt sich derzeit ein unglaublicher Entwicklungsbedarf an innovativen Stromrichtern mit Wide- und Ultrawide-Bandgap-Halbleitern. Gemeinsam mit den Kolleginnen und Kollegen in CINES können wir nun die gesamte Wertschöpfungskette von Material und Chip über die Anlagenintegration bis hin zum gesamten Stromsystem abdecken.“
Es gibt einen Wandel im Netz
Derzeit gibt es zwei übergreifende Entwicklungen. Dr Sönke Rogalla erläutert: „Zum einen durchlaufen Stromnetze derzeit einen grundlegenden Wandel von einem elektromechanischen zu einem auf Stromrichter basierenden System.“ Bisher stabilisierte die träge Schwungmasse der Turbinen konventioneller Großkraftwerke Spannung und Frequenz des Wechselstroms im Netz. Mit ihrer Verdrängung durch erneuerbare Energien müssen diese und weitere Systemdienstleistungen zunehmend durch Stromrichter erbracht werden.
Zum anderen finden immer mehr Anlagen und Technologien mit hohen elektrischen Anschlussleistungen Eingang ins Energiesystem. Dazu zählen Großwärmepumpen, Batteriespeicher, Elektrolyseure, Schnelladestationen und Rechenzentren. Sie sind per Stromrichter ans Netz angebunden. Rogalla beziffert die Entwicklung so: „Wir rechnen bis 2045 mit einer mehr als Versiebenfachung der stationären Stromrichterleistung auf rund 1.800 Gigawatt, sehr häufig durch große Anlagen im Multi-Megawatt-Bereich. Heutige Systeme können diese Anforderungen nur mit riesigem Platz- und Ressourcenaufwand bewältigen“.
So hoch sind potenzielle Einsparpotenziale
Durch den Einsatz von Halbleitermaterialien wie besagtes Siliziumkarbid lassen sich Baugröße und Materialaufwand reduzieren. Schulze ergänzt: „In Fahrzeuganwendungen ist es uns bereits gelungen, das Systemvolumen um 50 bis 60 Prozent gegenüber herkömmlichen Technologien zu reduzieren“. Geringere Schaltverluste und höhere Betriebstemperaturen erlauben es insbesondere, allein die Kühlkörper um 30 bis 40 Prozent kleiner auszulegen.
Schulze resümiert: „Gerade in den hohen Leistungsklassen im Stromsystem addieren sich die Einsparpotenziale enorm. Wir können individuelle Anlagen günstiger und auf kleinerer Fläche errichten, während unsere Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen wie Aluminium deutlich sinkt“.
