Labor-Demonstrator des wassergekühlten M2C-Umrichters.

Labor-Demonstrator des wassergekühlten M2C-Umrichters.

Die Siemens AG hat gemeinsam mit der TU Dresden und der Universität der Bundeswehr in München einen hocheffizienten und robusten Mittelspannungsumrichter für die Einspeisung elektrischer Energie in Energieversorgungsnetze erforscht. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsvorhabens anhand eines Demonstrators erfolgreich umgesetzt und werden in die nächste Produktgeneration einfließen.

Der Schlüssel für eine effiziente Nutzung regenerativer Energiequellen sind leistungselektronische Einspeisestromrichter. Sie sorgen dafür, dass der von Wind- oder Solaranlagen erzeugte Strom auf die richtige Frequenz und Spannung gebracht wird, bevor er in das Netz eingespeist werden kann. Aktuell kommen hierfür Niederspannungsumrichter bis zu 690 Kilovolt zum Einsatz. Bei diesen geht jedoch durch die für die Einspeisung benötigten Netzfilter und Transformatoren ein erheblicher Teil der erzeugten Energie für den Endverbraucher verloren. Hinzu kommt, dass durch die immer größeren Anlagenleistungen – speziell im Offshore-Bereich – die verwendeten Leistungshalbleiter an ihre technischen Grenzen stoßen, so dass der Einsatz von Mittelspannungsumrichtern von zwei bis zehn Kilovolt wirtschaftlich und technisch sinnvoll wird.

In dem Forschungsvorhaben ‚Mittelspannungsumrichter auf der Basis einer neuartigen Schaltungstopologie (M2C – Modular Multilevel Converter) für die Einspeisung elektrischer Energie in Versorgungsnetze’ wurde ein modular aufgebauter Mittelspannungsumrichter konzipiert und praktisch umgesetzt, der erstmalig ohne zusätzliche Netzfilter oder Transformatoren auskommt. Ein solcher Umrichter kann somit deutlich energieeffizienter und mit geringerem Materialeinsatz als heute übliche Geräte ausgeführt werden. Bezogen auf eine Windkraftanlage mit einer Nennleistung von drei Megawatt können durch den neuartigen, hocheffizienten Umrichter zusätzlich etwa 24.000 kWh elektrische Energie pro Jahr und Windkraftanlage ins Netz eingespeist werden. Hochgerechnet auf einen Windpark mit 50 Windrädern ließen sich mit der neuen Technik etwa 400 Haushalte mehr als bisher mit Strom versorgen.

M2C-Technik

Mit der neuen M2C-Technik ließen sich – hochgerechnet auf einen Windpark mit 50 Windrädern – etwa 400 Haushalte mehr als bisher mit Strom versorgen.

Darüber hinaus ermöglicht der modulare Aufbau einen deutlich zuverlässigeren Betrieb, indem defekte Module durch eine innovative Bypass-Technologie überbrückt werden können. Somit lässt sich die Ausfallwahrscheinlichkeit um bis zu einen Faktor 5 vermindern. Projektleiter Marc Hiller, der für das neue Stromrichterkonzept im Jahr 2009 zusammen mit Rainer Sommer von Siemens als ‚Erfinder des Jahres’ ausgezeichnet wurde, betonte : „Diese besondere Eigenschaft kommt insbesondere Anwendungen, wie der Offshore-Windenergie, zu Gute, wo sehr schwierige Wartungsbedingungen herrschen. An vielen Tagen im Jahr sind solche Anlagen weit draußen auf dem Meer sehr schwer erreichbar und jeder Tag Stillstand bedeutet einen Verlust wertvoller Energie. Durch die M2C-Technologie kann die Verfügbarkeit solcher Anlagen nun signifikant erhöht werden“. Weiterhin ergänzt Hiller: „Die Forschungsergebnisse werden direkt in die neue Generation von Mittelspannungsumrichtern und die neue Plattform Sinamics SM120 einfließen. Somit können wir unsere Markt- und Technologieführerschaft auf diesem Gebiet langfristig stärken“.

Das Forschungsvorhaben M2C wurde im Verbund mit dem ‚Institut für Technik Intelligenter Systeme’ an der Universität der Bundeswehr München und der Professur für Leistungselektronik des Elektrotechnischen Instituts der Technischen Universität Dresden durchgeführt und durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Das bis 2013 laufende Projekt wurde im Rahmen der Fördermaßnahme ‚Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung’ innerhalb der Hightech-Strategie der Bundesregierung und des Förderprogramms‚Informations- und Kommunikationstechnologie 2020’ (IKT 2020) unterstützt. Ziel des IKT 2020-Programms ist unter anderem, die technologische Spitzenstellung Deutschlands im Bereich IKT zu festigen und auszubauen.

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