Mit einer erfolgreichen Einspeisung ins Mittelspannungsnetz feierte das Team des Projekts „MS-LeiKra“ des Freiburger Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE jüngst eine Weltpremiere und lieferte gleichzeitig den Nachweis dafür, dass für Photovoltaik-Wechselrichter eine höhere Spannungsebene technisch möglich ist. Für die Photovoltaik kann dies unter anderem enorme Kosten- und Ressourceneinsparungen bei passiven Bauteilen und Kabeln bedeuten. Laut Fraunhofer ISE begründet das Gerät ein neues Systemkonzept für die nächste Generation von PV-Großkraftwerken, welches auch für Anwendungen in Windkraftanlagen, Elektromobilität oder Industrie einsetzbar ist.

Aktuelle PV-Stringwechselrichter arbeiten mit Ausgangsspannungen zwischen 400 Volt und 800 Volt. Dass trotz weiter steigender Kraftwerksleistungen die Spannung bisher nicht weiter erhöht wurde, hat zwei Gründe: Zum einen die Herausforderung, einen hocheffizienten und kompakten Wechselrichter auf Basis von Silicium-Halbleitern zu bauen. Zum anderen die aktuellen PV-spezifischen Normen, die nur den Bereich der Niederspannung abdecken. In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Projekt „MS-LeiKra“ entwickelte das Fraunhofer ISE in Kooperation mit den Projektpartnern Siemens und Sumida daher einen Wechselrichter, der eine Anhebung der Ausgangsspannung in den Mittelspannungsbereich (1.500 Volt) bei einer Leistung von 250 Kilovoltampere erlaubt. Möglich wurde dies durch den Einsatz von hochsperrenden Siliciumkarbid-Halbleitern sowie einem speziellen Kühlkonzept mit Heatpipes.

Und warum das Ganze? In einem typischen Photovoltaik-Kraftwerk sind oft mehrere Dutzend Kilometer an Kupferkabeln verlegt. Hier liegen erhebliche Einsparpotenziale durch eine Erhöhung der Spannung: Bei einem Stringwechselrichter mit einer Leistung von 250 Kilovoltampere wird bei einer heute möglichen Ausgangsspannung von 800 Volt ein minimaler Kabelquerschnitt von 120 Quadratmillimeter benötigt. Erhöht man die Spannung auf 1.500 Volt, dann sind jedoch Kabel mit einem Querschnitt von nur 35 Quadratmillimetern ausreichend. Dadurch reduziert sich der Kupferverbrauch pro Kilometer Kabel um etwa 700 Kilogramm. „Unsere Ressourcenanalysen zeigen, dass mittelfristig Kupfer aufgrund der Elektrifizierung des Energiesystems ein knapper Rohstoff wird. Die Erhöhung der Spannung erlaubt einen sparsamen Umgang mit diesen wertvollen Ressourcen“, so Prof. Dr. Andreas Bett, Leiter des Fraunhofer ISE.

Neben dem Einsatz in der Photovoltaik ist der Schritt über die Grenzen der Niederspannung hinaus auch für andere Anwendungen wie Windkraftanlagen interessant, wo durch die steigenden Anlagenleistungen ebenfalls große Kabelquerschnitte benötigt werden. Aber auch in der Ladeinfrastruktur für größere Elektro-Fahrzeuge beziehungsweise -fuhrparks oder Industrienetze birgt ein Mittelspannungs-Wechselrichter Einsparpotenzial durch die Reduktion von Kabelquerschnitten.

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