Es ist eines der größten Produkte, das bisher auf der Intersolar in den Hallen der Messe München präsentiert wurde. Immerhin passt es noch auf einen normalen Sattelschlepper. Mit einem solchen hat SMA seine neue Mittelspannungsstation in die bayerische Landeshauptstadt gebracht, um sie dem Publikum zu präsentieren. Das Unternehmen zeigt aber mit dem neuen Riesenwechselrichter mit Mittelspannungstrafo, komplett in einen fertigen Container integriert, nicht nur Größe. Das reicht bei Weitem nicht aus in einem immer härter umkämpften Markt.
Die Hessen haben viel Entwicklungsarbeit in die Mittelspannungsstation gesteckt. Sie basiert auf der kleineren Version, die SMA schon im vergangenen Jahr in München vorgestellt hat – ein riesiger Wechselrichter mit einer Ausgangsleistung von 2,5 Megawatt, der direkt mit einem Transformator von Siemens gekoppelt ist. Der hebt den Solarstrom gleich auf Mittelspannungsniveau.
Fünf Megawatt im Container
Jetzt haben die Hessen noch einmal eine Schippe draufgelegt. Die Anlage in dem 40-Fuß-Container leistet satte fünf Megawatt und verträgt Spannungen aus dem Solarfeld von bis zu 1.500 Volt. Damit ist SMA gut für die Zukunft gerüstet. Denn der Bau von großen Solarparks mit einer Leistung von 1.500 Volt Systemspannung nimmt immer mehr zu. Die Hessen erreichen mit ihrer Fünf-Megawatt-Mittelspannungsstation zudem eine noch höhere Leistungsdichte als bisher in diesem Segment.
Das schaffen die Hessen, indem sie im Vergleich zur kleinen Schwester nur die Dimension der Leistungselektronik verdoppeln, ohne den Trafoteil zu vergrößern. Sie schließen jetzt gleich zwei statt bisher einen Wechselrichter mit jeweils 2,5 Megawatt Leistung an einen Trafo an. Dazu haben sich die Entwickler bei SMA für den Trafo etwas Besonderes einfallen lassen. Mit gleich vier Wicklungen auf einem Kern und einer ausgefeilten Belüftungstechnik hat es SMA mit seinen Integrationspartnern geschafft, einen extrem kleinen und leichten Transformator zu entwickeln, der auch noch in den Container passt. Auf diese Weise verträgt der Trafo auch zwei Wechselrichter.
Die beiden Umrichter sind dabei jeweils mit einer Stromschiene am Trafo angeschlossen. Das ist viel zuverlässiger als ein Anschluss über Kabel, die bei den großen Strömen aus dem leistungsstarken Wechselrichter ausreichend dick sein müssen. Um die Kabel überhaupt noch handhaben zu können, dürfen sie wiederum nicht zu dick werden. Dann hat man schnell bis zu zehn Kabel an einem Pol und handelt sich eine ganze Reihe von elektrischen und mechanischen Problemen ein. Das geht mit einer Stromschiene viel einfacher, sicherer und effizienter. Außerdem sinkt so das Fehlerrisiko beim Anschluss des Trafos.
Ausgeklügelte Kühlung eingebaut
Die Anbindung ans Mittelspannungsnetz erfolgt über eine Schaltanlage, die ebenfalls Siemens beigesteuert hat. „Alle Komponenten sind aufeinander abgestimmt, getestet und komplett vormontiert“, erklärt Boris Wolff, Leiter des Bereichs Solare Kraftwerke bei SMA. „Der Projektentwickler muss den Container nur noch auf das Feld stellen und die Solaranlage und die Netzverknüpfung anschließen. Innerhalb von maximal sechs Stunden ist die gesamte Station in Betrieb genommen.“ Um den Transport auch in ferne Länder zu vereinfachen, die als Zielmärkte für die Mittelspannungsstation ganz oben auf der Liste stehen, hat SMA die Station als seetüchtigen Container ausgelegt, der von jedem Containerschiff kostengünstig und schnell in alle Ecken dieser Welt transportiert werden kann.
Die beiden Sunny-Central-Wechselrichter schaffen es zwar auf einen Wirkungsgrad von über 98 Prozent. Doch der Rest geht als Wärme verloren. Die muss aus dem Gerät abgeführt werden. Zumal die Zielmärkte für diese Geräte im Nahen Osten oder in den Wüstenregionen Nord- und Südamerikas liegen, wo die Außentemperaturen üppig sind. Das macht ein ausgeklügeltes Kühlsystem notwendig. Sonst geht die Leistungselektronik kaputt. Gleichzeitig muss sie vor eindringendem Sand geschützt werden.
Wartungsarme Luftkühlung
Deshalb haben die Hessen die Leistungselektronik eingekapselt. Sie ist mit einem Kühlkörper verbunden, die dem Leistungsteil Wärme entzieht und über Finnen nach außen abführt. Die von oben angesaugte Frischluft kühlt wiederum die Finnen. Die warme Luft wird von Ventilatoren im Inneren des Containers unten aus dem Gehäuse geblasen. Auf diese Weise saugt der Wechselrichter keinen Sand oder Schmutz von unten in sein Innenleben. Im Gegenteil: Er bläst sich regelrecht frei. Außerdem ist diese Luftkühlung weniger wartungsintensiv als eine Wasserkühlung. Mit der ausgeklügelten Luftkühlung schafft es SMA, dass die Station Außentemperaturen von bis zu 55 Grad Celsius ohne Derating verträgt, bei dem der Wechselrichter seine Leistung verringert, um die verbauten elektronischen Komponenten vor Überhitzung zu schützen.
Ein ausgekügeltes Kühlsystem haben sich auch die Entwickler von ABB für ihre Mittelspannungsstation ausgedacht, die sie auf der Intersolar vorgestellt haben. Sie ist zwar mit vier Megawatt Leistung etwas kleiner, aber nicht weniger innovativ. Zudem bezieht sich diese Leistungsangabe des Wechselrichters auf eine Außentemperatur von 50 Grad Celsius. Sinkt die Temperatur, steigt die Leistung. Bei Temperaturen von nur 30 Grad erreicht der Wechselrichter 110 Prozent dieser Nennleistung.
Auf der anderen Seite der Temperaturskala sinkt die Leistung der Leistungselektronik relativ rapide ab, was aber für solche Geräte normal ist. So erreicht der Wechselrichter bei einer Temperatur von 55 Grad Celsius nur noch 80 Prozent seiner Leistung, bei 60 Grad Celsius schaltet er sich ab und wartet, bis es wieder kühler wird, damit die Elektronik in seinem Inneren keinen Schaden nimmt. Doch solche Temperaturen werden selbst in den Wüsten der Erde selten erreicht.
Zwei Größen im Portfolio
Um den Wirkungsgrad zu steigern, wird die Leistungselektronik passiv gekühlt. Dazu haben die Schweizer sie eingekapselt. Die Wärme, die bei der Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom durch den Leistungsteil als Wärme anfällt, wird durch eine Flüssigkeit entzogen, die in einem Kühlkörper zirkuliert.
Dabei geht diese Flüssigkeit in den gasförmigen Aggregatzustand über. Sie steigt aufgrund der höheren Temperatur nach oben. Diesen Thermosyphon-Effekt nutzen die Entwickler bei ABB, um die Wärme komplett ohne Pumpen in die Kühlflächen zu transportieren, wo sie an die Umgebung abgegeben wird.
Die Schweizer bieten ihre Mittelspannungsstation als Variante mit einem Wechselrichter mit zwei Megawatt Leistung und einem Trafo sowie einer Schaltanlage an. Diese wird in einem 20-Fuß-Container auf die Baustelle geliefert. In der größeren Variante sind zwei Wechselrichter mit jeweils zwei Megawatt Leistung verbaut, die an einen Trafo angeschlossen sind, der den Strom auf Mittelspannungsniveau hebt.
Etwas kleiner geht es Solarmax an. Das Unternehmen, das inzwischen in Ellzee im Allgäu produziert, hat die Vorentwicklung eines Zentralwechselrichters von Sputnik Engineering aufgenommen.
Entstanden ist ein Wechselrichter mit einer Leistung von bis zu 600 Kilowatt. Das Gerät ist zwar noch nicht auf dem Markt. Dazu fehlen noch einige Softwareanpassungen und die Zertifizierungen. Die Allgäuer haben aber schon mal gezeigt, welche Innovationen in dem Gerät stecken, das Anfang 2017 auch erhältlich sein wird. Sie haben ihren 60RX modular aufgebaut. Vier separate Leistungsteile übernehmen die Umwandlung des Gleichstroms.
Totalausfall verhindert
Das hat einen entscheidenden Vorteil: Wenn ein Leistungsteil ausfällt, bleiben immer noch die anderen drei übrig. Dann fällt ein Teil der Leistung des Wechselrichters weg. „Doch der Anlagenbetreiber hat niemals einen Totalausfall an Leistung zu befürchten“, betont Anton Sprengler, Geschäftsführer von Solarmax. „Dann kommen vielleicht in Spitzenzeiten nicht mehr 600, sondern nur noch 450 Kilowatt heraus. Aber die meiste Zeit liefert der Park ohnehin nicht die volle Photovoltaikleistung. Deshalb ist unser RX auch in der Lage, mit nur drei Leistungsteilen den Solarstrom zu wandeln.“
Damit kann Solarmax die Verluste durch den kompletten Ausfall eines Wechselrichters drastisch minimieren.
In eine andere Richtung hat Schneider Electric die Innovationen getrieben. Das französische Unternehmen hat jüngst den Conext Smart Gen vorgestellt. Das ist ein neuer Zentralwechselrichter mit zwei Megawatt Leistung. Der Inverter hat einen vorbereiteten Cloud-Anschluss für ein zentrales Monitoring.
Fernwartung integriert
Er speichert nicht nur die Daten über Betrieb und Wartung, sondern führt auf der Basis dieser Informationen auch eine Selbstdiagnose durch. Das tut er immer dann, wenn er einen Fehler registriert hat. Da diese Diagnostik über eine Cloud läuft, kann der Betriebsführer die gesamte Ursachenanalyse und die Fehlerbehebung aus der Ferne durchführen.
Zusätzlich laufen regelmäßige Wartungsalgorithmen. Mit diesen ist der Wechselrichter in der Lage, einen potenziellen Fehler einer Komponente vorauszusagen und die verbleibende Lebensdauer dieser Komponente einzuschätzen. Auf der Basis dieser Daten verschickt der Wechselrichter automatisch Wartungsaufforderungen in die Cloud, die wiederum den Betriebsführer per E-Mail oder Datenaustausch informiert. Mit diesem ausgefeilten Konzept kann es der Wechselrichter auf eine Lebenserwartung von 30 Jahren schaffen, auf die das Gerät ausgelegt ist.
Kostal
Neues Stringgerät fürs Projektgeschäft
Das Risiko eines Ausfalls von Zentralwechselrichtern ist für viele Projektierer ein gewichtiger Grund, auch bei großen Solarparks auf die Stringwechselrichter zurückzugreifen. Um diesen Markt zu bedienen, hat Kostal auf der Intersolar das Konzept eines Projektwechselrichters vorgestellt. „Wir starten mit diesem Gerät in das Projektgeschäft, weil uns einige Niederlassungen aus anderen Ländern zurückgemeldet haben, dass ein solcher Wechselrichter dort gefragt ist und wir damit noch Potenzial im Segment der größeren Anlagen erschließen können, wenn wir einen größeren Wechselrichter anbieten“, sagt Markus Vetter, Marketingleiter von Kostal.
Der neue Wechselrichter wird noch Anfang 2017 auf den Markt kommen. Er basiert auf dem größten Gerät der Piko-Familie. Dieses leistet bisher 20 Kilowatt. Der künftige Piko EPC wird 30 Kilowatt leisten. Damit will Kostal attraktiver für die Projektierer werden, die mit einem größeren Gerät die Kosten pro Kilowatt installierter Anlagenleistung weiter senken können.
Die Hagener haben sich zunächst auf die 30 Kilowatt beschränkt, um den Projektwechselrichter möglichst schnell auf den Markt bringen zu können, ohne eine komplette Neuentwicklung anstoßen zu müssen. „Letztlich skalieren wir den Piko 20 hoch, und damit sind wir momentan noch technisch limitiert“, erklärt Markus Vetter. Dieses Limit ist vor allem durch das Gehäuse und die Kühlung, die dort hineinpasst, gesetzt.
Bisher ist Kostal mit dem kleineren Piko 20 im Projektgeschäft unterwegs und hat sogar im chinesischen Markt damit Fuß gefasst. Doch ist dieser für Solarparks viel zu üppig ausgestattet. Unter anderem die Kommunikationsmöglichkeiten, die das Gerät mitbringt, sind im Projektgeschäft überdimensioniert. Dort braucht kein Anlagenbetreiber die Möglichkeit, Wärmepumpen oder Ladesäulen ansprechen zu müssen. Durch das Zurückfahren der All-in-one-Kommunikationsstrategie im neuen Projektwechselrichter kann Kostal diesen am Ende viel preiswerter anbieten. Denn dann muss der Projektierer nur die Kommunikationsmöglichkeiten bezahlen, die er auch wirklich braucht.
Zentralwechselrichter haben riesige Vorteile, aber auch einige Schwachpunkte. Die Neuentwicklungen setzen genau dort an.
Fünf Megawatt Wechselrichterleistung und einen Mittelspannungstrafo hat SMA in einen Container gepackt.
Solarmax hat seinen Zentralwechselrichter modular aufgebaut.
Bei der neuen Station von ABB fallen gleich die großen Kühlflächen auf.
