Neues Stromnetz für neuen Energietyp
Europas Übergang zu erneuerbaren Energien braucht mehr als nur Wind, Sonne und Wasser. Es ist außerdem eine neue Energieinfrastruktur erforderlich. „Für die Energiewende braucht es flexiblere, digitalere, resilientere Stromnetze, in die ein hoher Anteil erneuerbarer Energien integrierbar ist“, erläutert Jonatan Peris Rivas, Projektmanager bei CIRCE(öffnet in neuem Fenster). Das EU-finanzierte Projekt SSTAR(öffnet in neuem Fenster) trägt zur Bereitstellung dieser Infrastruktur bei. Mit dem von CIRCE koordinierten Projekt wurde das Ziel verfolgt, die Festkörpertransformatortechnologie über die Niederspannungsstufe hinaus weiterzuentwickeln und sie für Hochspannungsnetzanwendungen zu nutzen. „Die Arbeit von SSTAR bringt das Gebiet voran, wobei gezeigt wird, dass Hochspannungs-Festkörpertransformatoren vom Konzept bis zu experimentell validierten Prototypen gelangen können und glaubwürdige Leistungs-, Sicherheits- und Nachhaltigkeitsdaten dahinterstehen“, fügt Peris Rivas hinzu. Festkörpertransformatoren sind hochentwickelte Leistungselektronikbauelemente, die magnetische Eisenkerntransformatoren durch hochfrequente Halbleiterschalter ersetzen.
Drei Innovationsschwerpunkte
Das Herzstück des Projekts bilden drei Innovationsbereiche, von denen sich einer mit einem nachhaltigen, biobasierten dielektrischen Fluid zur Verbesserung der Isolationsleistung beschäftigte. Das Projektteam lieferte zu guter Letzt eine 200-Liter-Probe seines pflanzenbasierten Fluids, das im Festkörpertransformatorprototyp zum Einsatz kam. Im Rahmen des Projekts wurde außerdem ein Hochspannungs-Festkörpertransformatormodul auf der Basis bidirektionaler induktiver Leistung sowie eine dezentrale Kaskaden-H-Brücken-Steuerungsarchitektur entwickelt, um die Anzahl der Module ohne zentrale Steuereinheit zu skalieren. Diese Entwicklungen wurden anschließend in zwei zertifizierte Testumgebungen integriert und dort validiert. Der IPT-basierte Festkörpertransformatorprototyp erreichte im Resonanzbetrieb eine Leistungsübertragung von 76,7 kW bei 1500 V und einem Wirkungsgrad von rund 95 %. Der dezentrale Kaskaden-H-Brückenwandler wurde hingegen mit 28 in Reihe geschalteten Modulen bei einer simulierten Netzspannung von 66 kV und 100 A RMS, entsprechend 660 kW pro Zweig, ohne zentrale Überwachungssteuerung validiert. „Unsere anschließende Nachhaltigkeitsbewertung ergab, dass das SSTAR-Konzept die Umweltleistung deutlich verbessern kann, insbesondere bei der Nutzung von erneuerbarem Strom“, erklärt Peris Rivas. Im Verlauf des Projekts wurden industrielle Mikronetze, Rechenzentren und Offshore-Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien als die vielversprechendsten Anwendungsgebiete für die Lösungen erkannt.
Klarer Weg zu Hochspannungs-Festkörpertransformatoren
Das Team von SSTAR hat Hochspannungs-Festkörpertransformatoren den Weg bereitet, die nicht nur technisch vielversprechend, sondern auch nachhaltiger und optimaler auf die realen Netzbedürfnisse abgestimmt sind. Damit hat es dazu beigetragen, Festkörpertransformatoren als eine ernstzunehmende Schlüsseltechnologie für auf erneuerbaren Energien beruhende Energiesysteme zu positionieren – Systeme, die letztlich Europas Energiewende und Elektrifizierung ermöglichen werden. „Die Projektarbeit beschränkte sich nicht auf Laborideen, sondern brachte validierte Prototypen, eine Nachhaltigkeits- und Sozialbewertung sowie einen eindeutigen Fahrplan zum Erreichen der technischen Reife hervor“, resümiert Peris Rivas. „Diese Kombination aus technischer Leistung und systemweiter Vision ist sicher der größte Erfolg von SSTAR.“ Aufbauend auf den Projektergebnissen arbeitet die Forschungsgruppe nun daran, die Prototypen mithilfe neuer Industriepartnerschaften, Investitionen und Finanzierungsmöglichkeiten weiterzuentwickeln.
