Leistungselektronik für ganze Dörfer

Forscher vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) haben zusammen mit der Entwicklungsabteilung des Wechselrichterherstellers Kaco ein Leistungselektronikkonzept für die Stromversorgung netzferner Orte entwickelt. Das jetzt mit dem Semikron Innovationspreis ausgezeichnete Konzept sieht die vollständige Versorgung von Dörfern in Entwicklungs- und Schwellenländern mit erneuerbaren Energien vor. Diese Preis prämiert Innovationen der Leistungselektronik mit potenziell hohem gesellschaftlichen Nutzen. „1,6 Milliarden Menschen  auf der Welt haben keinen Zugang zu Elektrizität“, sagt Oliver Stalter vom Fraunhofer ISE und Gesamtleiter des Projektes. „Da die meisten dieser Länder im Sonnengürtel der Erde liegen, ist die Solarstromversorgung eine einfache Lösung, die durch die Kostensenkung bei den Photovoltaikmodulen noch attraktiver geworden ist.“

Netzferne Anlage mit mehr Leistung

Bisher waren solche Solarsysteme auf kleinere Leistungen beschränkt, weil die Größe der Anlage genau auf die Verbraucher abgestimmt werden muss. „Unser System überträgt die neuesten Technologien der Industrienationen auf die Bedürfnisse von Dorfgemeinschaften und größeren Verbrauchern wie Krankenhäuser oder kleinere Industriebetriebe“, erklärt Stalter. Dadurch seien Inselanlagen mit einer Leistung von 125 Kilowatt möglich. So viel schafft jedenfalls der verwendete Inselwechselrichter von Kaco, der 98 Prozent des erzeugten Solarstroms in netzkonformen Wechselstrom umwandelt. Die zweite zentrale Komponente des Systems ist ein vom Fraunhofer ISE entwickeltes Batterieladegerät mit einer Leistung von 51 Kilowatt für Batteriespannungen bis 1.000 Volt. Das ist zwischen Photovoltaikanlage und Wechselrichter installiert und speichert den überschüssigen Solarstrom in Batterien. „Grundidee war das ganze System für hohe Spannungen und hohe interne Schaltfrequenzen auszulegen“, erklären die Forscher. „Das ermöglicht geringe Ströme, geringe Verluste und reduziert damit die Bauteilgröße, den Kühlbedarf, den Materialeinsatz und die Kosten. Gleichzeitig können die Verluste gegenüber konventionellen Geräten um bis zu 60 Prozent reduziert werden.“

Einfache Technik

Die Forscher haben darauf geachtet, dass die Technik möglichst einfach ist, damit sie auch unter den harten Bedingungen in heißen afrikanischen Ländern funktionieren. Bisher waren viele Einheiten, die mit vielen Kabeln aufwändig parallel verschaltet werden mussten, um Dörfer mit Insellösungen mit hoher Leistung zu versorgen. Jetzt reicht eine Einheit, die alle Komponenten des Systems miteinander verbindet und zudem noch komplett digital gesteuert ist, was die Flexibilität erhöht. „So können Photovoltaiksysteme mit 350 bis 1.200 Volt und Batteriesysteme mit 650 bis 1.000 Volt Nennspannung verwendet werden“, betonen die Wissenschaftler. „Da meist auch Dieselgeneratoren vor Ort sind, steuert ein Energiemanagementsystem die verschiedenen Erzeuger, die Ladung der Batterie und die Stromabgabe.“ (Sven Ullrich)