Bis 2050 wird weltweit ein Zubau von etwa 73 Terawatt allein an installierter Photovoltaikleistung nötig. Das erhöht auch die Nachfrage nach Rohstoffen stark: Laut dem Global Critical Minerals Outlook 2024 von der IEA wird ab 2025 der Kupferbedarf das angekündigte Angebot übersteigen.
Eine Erhöhung der Systemspannung kann hier Abhilfe schaffen. „Denn durch das damit verbundene gleichzeitige Absinken der Ströme können erhebliche Rohstoffeinsparungen erzielt werden“, erklärt Andreas Hensel, Gruppenleiter für Hochleistungselektronik und Systemtechnik am Fraunhofer ISE.
Kabelquerschnitt sinkt um 75 Prozent
Eine Erhöhung der Ausgangsspannung von 800 auf 1.500 Volt führt bei gleicher Leistung zu einer Einsparung beim Kabelquerschnitt um rund 75 Prozent. Zudem sind die Verlegung und der Anschluss kleinerer Kabelquerschnitte deutlich einfacher und senken so die Installationskosten. „Nachdem die Solarmodulkosten seit 2010 durch technologischen Fortschritt und Skaleneffekte um 90 Prozent gesunken sind, bieten Installation und Balance-of-System Komponenten nun die größten Einsparungshebel“, erläutert Hensel.
Durch den Schritt aus der Nieder- in die Mittelspannung kann auch die Leistung der Subsysteme erhöht werden: Bei einer Spannung von 1.500 Volt sind bereits zehn bis zwölf Megawatt statt der heute üblichen drei bis fünf Megawatt in einem Transformator möglich. Bei gleicher Kraftwerksgröße resultiert daraus eine geringere Anzahl an Transformatoren und Schaltanlagen, was Bau- und Installationskosten verringert.
Technologie auch für E-Ladeinfrastruktur interessant
Der Schritt in die Mittelspannung, kurz MS, wurde demnach erst durch die Entwicklung hochsperrender Siliziumkarbid-(SiC)-Bauelemente mit hohen Schaltgeschwindigkeiten möglich. Inzwischen sind SiC-Bauteile bis zu 3,3 Kilowatt am Markt verfügbar. Das Fraunhofer ISE hat 2023 im Projekt MS-Leikra den weltweit ersten Stringwechselrichter entwickelt und am Netz in Betrieb genommen. Der zweistufig aufgebaute Wechselrichter hat eine Ausgangsspannung von 1.500 Volt bei einer Leistung von 250 Kilowatt.
Im Zuge eines MS-PV-Workshops im April 2024 wurde bereits ein europäisches Konsortium mit Vertretern aller an einem PV-Großkraftwerk beteiligten Gewerke gebildet. Solare Großkraftwerke sind jedoch der Anfang: auch Ladeinfrastruktur, Industrienetze, Großwärmepumpen, Batteriespeicher, Elektrolyseure oder Windkraftanlagen sind interessante Anwendungsgebiete für die niedrige Mittelspannungsebene. (nhp)
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