Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWSLösungen für Technologie, Materialauswahl und Design von Energiewandlern mit speziellen Einsatzbedingungen
Wechselrichter in Photovoltaik-Anlagen und Frequenzumrichter in Windenergieanlagen sind unverzichtbare Technologiebausteine der Energiewende. Vor allem durch die Kombination von klimatischer, thermischer und elektrischer Belastung zählen sie allerdings zu den am häufigsten ausfallenden Anlagenkomponenten. Im jetzt abgeschlossenen Projekt »Zuverlässige Umrichter für die regenerative Energieversorgung (power4re)« haben fünf Institute der Fraunhofer-Gesellschaft, darunter das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, deutlich verbesserte Lösungen entwickelt. Sie haben neue Erkenntnisse zu Schwachstellen, Schadensbildern, Einflussfaktoren und Ausfallmechanismen gewonnen sowie verbesserte Testmethoden zur Steigerung von Robustheit und Zuverlässigkeit entwickelt.
Umrichter sind vor allem für die Netzanbindung von Photovoltaik- und Windenergieanlagen relevant: Sie sorgen dafür, dass regenerativ erzeugte Energie mit netzkonformer Spannung und Frequenz eingespeist werden kann. Dabei sind sie besonders herausfordernden Betriebs- und Umgebungsbedingungen ausgesetzt, was sich bisher in relativ häufig auftretenden Defekten und Ausfällen niederschlägt, die zu beträchtlichen Kosten für die Anlagenbetreiber führen.
Im Projekt »power4re« haben die Fraunhofer-Fachleute aus Felddaten- und Schadensanalysen zunächst besonders relevante Schwachstellen identifiziert. Innerhalb der gut drei Jahre umfassenden Projektlaufzeit haben sie ermittelt, welche Faktoren für Defekte verantwortlich sein können, wie sich Schäden sicher erkennen lassen und ab wann sie für die Funktionalität von Bauteilen kritisch werden. Dabei wurden sowohl die Betriebs- und Umgebungsbedingungen von Umrichtern als auch die Materialauswahl und der Aufbau der jeweiligen Komponenten berücksichtigt.
»Bei der Optimierung von Wechselrichtern und Frequenzumrichtern reicht es nicht, die Hardware in den Blick zu nehmen und beispielsweise auf Werkstoffe und Verarbeitungsprozesse zu schauen. Die anwendungstypischen Bedingungen – die Herausforderungen reichen von elektrischen Defekten wie Kurzschlüssen über Korrosion und Feuchtebelastung bis zur Delamination und mechanischen Schädigungen – sind hier ganz entscheidend und erfordern geeignete Testverfahren«, sagt Sandy Klengel, Gruppenleiterin »Bewertung elektronischer Systemintegration« und Leiterin des Teilprojektes am Fraunhofer IMWS.
Das Institut in Halle (Saale) hat sich dabei vor allem der Materialdiagnostik von Bauelementen, Komponenten und Werkstoffen gewidmet und seine besondere Expertise beispielsweise zu Korrosionsprozessen elektronischer Komponenten, zu Degradationsmechanismen von Isolationsmaterialien unter dem Einfluss von Feuchte und elektrischen Feldern oder zur Bewertung von Gehäusematerialien und Beschichtungen eingebracht.
Die Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IMWS haben im Projekt etwa wichtige neue Erkenntnisse bei der physikalischen Fehleranalyse an Leistungsmodulen verschiedener Leistungsklassen gewonnen. Besonders standen hier feuchtebedingte Frühausfälle (Isolationsschäden) und Langzeitdegradationsmechanismen im Fokus, etwa durch die mögliche Anreicherung von Elementen im Silikongel der Leistungsmodule über die Betriebszeit und eine dadurch möglicherweise verschlechterte Korrosionsbeständigkeit. »Hier konnten wir wichtige Kompetenzen im Bereich der Optimierung der Herstellungsprozesse und der Montage der Module in das System aufbauen. Mit diesem Know-How können Ausfallrisiken minimiert, somit Wartungskosten gesenkt und letztlich auch die Stromgestehungskosten reduziert werden«, sagt Sandy Klengel.
Für die Analysen wurden teils eigene Testmethoden konzipiert oder bestehende Verfahren angepasst und weiterentwickelt, etwa zur Bestimmung der Feuchteaufnahme und der Diffusion von ionischen Verunreinigungen und Schadgasen in Silikongel. Die gewonnenen Kenndaten wurden genutzt, um ein Simulationsmodell für mögliche Veränderungen der Permeationseigenschaften bei unterschiedlichen Beschichtungen zu entwickeln. Dabei ist es auch möglich, reale Umweltbedingungen wie Unterschiede zwischen etwa Tag und Nacht sowie Sommer und Winter zu berücksichtigen.
»Wir haben ein vertieftes Verständnis zu Materialwechselwirkungen und Defektbildungen bei unterschiedlichen Einsatzbedingungen gewonnen. Das ist eine wichtige Grundlage, um die Zuverlässigkeit und Robustheit der Bauteile bei der Entwicklung der nächsten Produktgenerationen signifikant zu verbessern«, sagt Sandy Klengel. Die Lösungen können potenziell auch auf andere Anwendungsfelder übertragen werden, in denen Umrichter ähnlichen Umgebungseinflüssen ausgesetzt sind, etwa dem Bahnverkehr oder der Elektromobilität.
Im Projekt »Zuverlässige Umrichter für die regenerative Energieversorgung (power4re)« haben die Fraunhofer-Institute für Windenergiesysteme IWES, für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB, für Solare Energiesysteme ISE, für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM und das Fraunhofer IMWS ihre Kompetenzen gebündelt. Sie wurden unterstützt von einem Beraterkreis aus Industrieunternehmen.
(16. Januar 2025)