Im Projekt "GaN-HighPower" entwickelt ein Konsortium um das Fraunhofer IEE Technologien für den Einsatz von Photovoltaik-Wechselrichtern zur Stabilisierung des Stromnetze.

 

Das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) entwickelt gemeinsam mit der SMA Solar Technology AG als Hersteller von Wechselrichtern die neue Funktionalität. Neben der Einspeisung des erzeugten Stroms aus Photovoltaik sollen die Wechselrichter auch in der Lage sein, zur Stabilisierung des Netzes beizutragen.

Weitere neue Funktionen, die im Forschungsprojekt „ GaN-HighPower“ entwickelt werden, sind Inselnetzanwendungen und der weltweite Einsatz in Umgebungen mit unterschiedlichen Anforderungen, wie im europäischen oder im nordamerikanischen Verbundnetz. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit rund 3,8 Mio. Euro gefördert. Bereits seit Mai 2021 und bis April 2024 läuft das Vorhaben zur Entwicklung neuer Hard- und Software für PV-Wechselrichter. Beteiligt an dem Konsortium sind drei Technologieunternehmen, zwei Hochschulen und eine Forschungseinrichtung.

Kosten- und Gewichtsreduktion als Ziel

„Ziel des Verbundforschungsvorhabens GaN-HighPower ist es, die nächste Generation kostengünstiger, ressourcenschonender und effizienter Stromrichter für Photovoltaikanwendungen vorzubereiten“, erläuterte Klaus Rigbers, vom SMA Innovation Center. Der Fokus liege dabei auf String-Wechselrichtern mit hoher Leistung. Ziel sei eine Kosten- und Gewichtsreduktion bei weiterhin sehr hoher Effizienz.

Eine dieser neuen Technologien steuert die Infineon Technologies AG bei. Dazu werden erstmals Halbleiter auf Basis von Galliumnitrid (GaN) für Anwendungen hoher Leistung erforscht, wie sie in PV-Wechselrichtern benötigt werden. Bisher ist die Anwendung der GaN Technologie auf deutlich kleinere Leistungsbereiche beschränkt. Doch GaN-Halbleiter könnten im Vergleich zur Siliziumkarbid (SiC)-Technologie und erst Recht gegenüber klassischen Silizium (Si)-Bauteilen noch schnellere Schaltvorgänge ermöglichen. „Im Rahmen des Projekts soll erforscht werden, inwieweit die bisherigen Grenzen der GaN-Technologie nach oben erweitert werden können“, erläuterte Peter Friedrichs, Vice President Division Industrial Power Control bei Infineon.

Optimierte Bauteile praktisch erproben

Die Vacuumschmelze (VAC) ergänzt diese schnellen und effizienten Halbleiter durch optimierte magnetische Bauteile sowie Stromsensoren, die zu einem wesentlichen Teil der Gewichtsreduktion beitragen sollen. Von der TH Köln werden die theoretischen Grundlagen für die neuen magnetischen Bauteile geliefert. Ein Benchmark mit bestehenden Technologien soll die erwarteten Vorteile validieren. „Weiterentwickelte weichmagnetische Bandmaterialien in neuen induktiv gekoppelten Anordnungen sind ein Schlüssel zur Gewichtsreduktion im anvisierten Frequenz-Leistungsbereich“, sagte Prof. Christian Dick, Leiter des Labors für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe.

Die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg bewertet die Möglichkeiten, die für die Entwicklung der Hardware zu Verfügung stehen und bereitet die Integration der neuen Bauteile in einen Technologiedemonstrator vor. Prof. Marco Jung, der die Professur für Elektromobilität und elektrische Infrastruktur mit dem Schwerpunkt Leistungselektronik innehat und die Abteilung Stromrichter und elektrische Antriebssysteme am Fraunhofer IEE leitet, sagte dazu: „Gerade eine funktionierende Ansteuerelektronik für die schnell schaltenden GaN-Halbleiter zu entwickeln, stellt eine wesentliche Herausforderung dar.“

Am Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE übernimmt Sebastian Sprunck, Gruppenleiter Bauelemente und Messsysteme, die Koordination des Projekts. „Die Aufgabe des Fraunhofer IEE ist es, die neu entwickelten Bauteile zu untersuchen und ihren Betrieb so effizient wie möglich zu gestalten.“ Mit den neuen Bauteilen werde anschließend in den Laboren ein Technologiedemonstrator aufgebaut, an dem die Funktion und die angestrebte Gewichtsreduktion im Praxiseinsatz validiert und weitere Schritte zur Optimierung des Systems abgeleitet werden.