Umrichter sind in der Energiewende von zentraler Bedeutung: Sie sind unverzichtbare technische Komponenten zur Netzanbindung von Photovoltaik- und modernen Windenergieanlagen, um die regenerativ erzeugte Energie mit netzkonformer Spannung und Frequenz einzuspeisen. Eine hohe Zuverlässigkeit der Umrichter ist daher zwingend erforderlich. Allerdings sind diese besonders herausfordernden Betriebs- und Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Sie zählen seit Jahren zu den am häufigsten ausfallenden Anlagenkomponenten und verursachen so oft beträchtliche Kosten. An langlebigen, gegenüber Umwelteinflüssen unempfindlichen Umrichtern besteht somit ein dringender Bedarf. Sie besitzen als unverzichtbarer Technologiebaustein der Energiewende somit ein hohes wirtschaftliches Potenzial.

Das Ziel des dreijährigen Projekts ist die Entwicklung von Lösungen, mit denen die Zuverlässigkeit und Robustheit von Umrichtern zur dezentralen elektrischen Energiewandlung erheblich gesteigert werden kann. Im Fokus stehen dabei anwendungsspezifische Schwachstellen, die aus umfassenden Felddaten- und Schadensanalysen ermittelt werden und deren – oft durch die Kombination von klimatischer und elektrischer Belastung bewirkte – Ausfallmechanismen im Rahmen des Projektes noch detaillierter zu erforschen sind. Neben hardwareseitigen Modifikationen und Schutzkonzepten widmet sich das Projekt zudem geeigneten Testverfahren, um diese unter anwendungstypischen Bedingungen bewerten zu können.

Ein wichtiger Aspekt ist auch der Ausbau der längerfristigen Allianzen zwischen Fraunhofer-Instituten. Insgesamt beteiligen sich fünf Fraunhofer-Institute am power4re-Projekt: das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB, das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES (Projektleitung) und das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM. Zudem begleitet ein Beraterkreis das Projekt power4re, in dem die Unternehmen ConverterTec (ehemals Woodward Kempen), SMA Solar Technology AG und Mitsubishi Electric R&D Centre Europe vertreten sind. Seitens der Fraunhofer-Gesellschaft wird das Projekt durch Frau Dr. Vera Gramich aus der Abteilung Interne Forschungsprogramme begleitet.

»Mit power4re treiben wir in Kooperation mit unseren Projektpartnern eine sozialverträgliche Energiewende weiter voran, denn die Erhöhung der Zuverlässigkeit von Windenergie- und PV-Anlagen ist wichtig, um die Gestehungskosten regenerativ erzeugten Stroms weiter zu senken. Unser umfassendes und langjähriges Systemverständnis von Umrichtern können wir hier kompetent einbringen«, sagt Prof. Jan Wenske, stellvertretender Institutsleiter und Technischer Direktor am Fraunhofer IWES.

»Wir erschließen neue Methoden zur felddatenbasierten Ausfallursachenanalyse und arbeiten an einer Zustandsüberwachung, die auf die relevanten Ausfallmechanismen fokussiert ist. Wir erhoffen uns von der institutsübergreifenden Zusammenarbeit neue wichtige Erkenntnisse, beispielsweise aus dem Abgleich mit PV-Anwendungen«, fügt Dr. Katharina Fischer, Projektleiterin und Senior Scientist am Fraunhofer IWES, hinzu.

Das Fraunhofer IMWS bringt dabei seine Kompetenzen in der Materialdiagnostik von Bauelementen, Komponenten und Werkstoffen der Elektronik ein, insbesondere zu Korrosionsprozessen elektronischer Komponenten wie Drahtbondkontaktierungen, metallischer Gehäusematerialien, Metallisierungssystemen für Substrate und elektronischer Kontakte. Ein weiterer Schwerpunkt besteht in der Materialbewertung und Analyse von Degradationsmechanismen von Isolationsmaterialien unter dem Einfluss von Feuchte und elektrischen Feldern, wie sie beispielsweise beim Einsatz in Windkraftanlagen häufig sind.

Untersuchungen der Mikrostruktur, Materialwechselwirkungen oder Defektbildungen sollen in Korrelation zu Technologie, Materialauswahl und Design sowie den Einsatzbedingungen im Detail gesetzt werden. Das Forscherteam in Halle wird dabei auf Methoden der Werkstoffcharakterisierung, mikrostrukturellen Diagnostik sowie zur komplexen physikalischen Fehleranalytik und Lebensdauervorhersage zurückgreifen, ebenso zur numerischen Simulation. Neben Erkenntnissen zur Auswirkung des Herstellungsprozesses und der Einsatzbedingungen auf Wechselrichter werden die dazu nötigen Diagnostik-, Prüf-, Test- und Modellierungsverfahren weiterentwickelt.

Die angestrebten Lösungen zur Steigerung der Umrichterzuverlässigkeit beschränken sich nicht nur auf Windenergie- und Photovoltaikanwendungen, sondern können potenziell auch auf andere Bereiche wie Bahn, Avionik und Elektromobilität übertragen werden, in denen Umrichter ebenfalls herausfordernden Umgebungseinflüssen ausgesetzt sind.

 

Ansprechpartnerinnen

Dr. Katharina Fischer, Projektleitung
Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES

Postkamp 12

30159 Hannover

Tel. +49 471 14290-542

katharina.fischer@iwes.fraunhofer.de

 

Julia Walgern, stellv. Projektleitung

Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES

Postkamp 12

30159 Hannover

Tel. +49 471 14290-549

julia.walgern@iwes.fraunhofer.de