Forschungsprojekt PV-Move

Ziel des Verbundvorhabens PV-MoVe ist es, die nächste Generation kostengünstiger, ressourcenschonender und effizienter Stromrichter für Photovoltaikanwendungen zu erforschen und zu erproben. Hierfür sollen aktive Schaltentlastungsnetzwerke zusammen mit anwendungsorientiert stark verbesserten Leistungshalbleitern und passiven Bauelementen erforscht und erprobt werden. In Verbindung mit heute verfügbaren hohen Rechenleistungen zur Ansteuerung der Schalter, sowohl in der Umrichterbrücke als auch im Entlastungsnetzwerk, ist eine deutliche Reduzierung der Schaltverluste möglich. Dadurch kann die Taktfrequenz signifikant gesteigert werden. Dieses Verfahren ist unabhängig von den verwendeten Leistungshalbleitertechnologien und verspricht selbst mit klassischen Si-IGBTs deutliche Vorteile (niedrige Schaltverluste, hohe Taktfrequenzen, kleine passive Bauteile), die unter Verwendung von SiC MOSFETs und speziell angepassten induktiven Bauelementen noch gesteigert werden können. Eine Optimierung der Halbleitertechnologie (Si/SiC) und der induktiven Bauelemente in Topologien mit aktiver Schaltentlastung kann die Cost-Performance-Ratio der Wechselrichter deutlich verbessern. Dadurch erschließt sich ein enormes Potential zu einer weiteren Ressourcen-, Volumen- und Kostenreduktion der passiven Komponenten im Umrichter. Als Projekthauptziel wird durch Materialeinsparungen aufgrund der oben beschriebenen Maßnahmenkombination für die aufgebauten Labormuster bzw. Prototypen der Umrichter eine Halbierung des Leistungsgewichts auf ca. 0,5kg/kW angestrebt. Durch einfachere Produktionsabläufe verspricht dieser Ansatz eine Kostenreduktion gegenüber vergleichbaren konventionellen Geräten um bis zu 20%.

Weitere Anwendungsfelder für die neue Stromrichtergeneration sind neben der Photovoltaik stationäre Batteriespeicher zur Netzstützung und Bereitstellung von Netzdienstleistungen wie z.B. Schwarzstartfähigkeit und Aufbau von Mikronetzen. Darüber hinaus eignen sich die angestrebten Technologien insbesondere auch für den Einsatz in netzfernen Regionen (geringes Gewicht und einfacher Transport) unter extremen klimatischen Bedingungen (geringe Verluste, weniger Verlustwärme, einfachere Kühlung). Damit ergeben sich sowohl für die weitere Entwicklung der regenerativen Energien in Deutschland, als auch für das Engagement der deutschen Industrie in Entwicklungs- und Schwellenländer zur Verbesserung der dortigen Energieinfrastruktur und Lebensbedingungen deutliche Vorteile.

Der Bereich der Photovoltaik unterliegt seit vielen Jahren einem enormen Preisdruck. Als Teil der PV-Anlage unterliegen auch die Umrichter diesem Preisdruck, der durch eine sehr starke Konkurrenz fernöstlicher Hersteller hervorgerufen wird. Ebenso bedingen auch die weltweit sinkenden Einspeisetarife für einen wirtschaftlichen Betrieb der PV-Anlage niedrige Komponentenpreise. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Funktionsvielfalt der Geräte weiterhin an (z.B. universelle Verwendung in PV- und Batterieanwendungen, Netzeinspeisung, Eigenverbrauch und Inselbetrieb, Bereitstellung von Netzdienstleistungen). Eine weitere Kostensenkung unter Beibehaltung der Funktionsvielfalt ist ein wesentlicher Faktor für die Konkurrenzfähigkeit deutscher Produkte. Ein Großteil der Kosten eines Wechselrichters für Photovoltaik oder Speichersysteme wird durch die Rohstoffe wie Kupfer, Aluminium und Eisen hervorgerufen. Durch Einsparungen von Rohstoffen können die Herstellungskosten maßgeblich gesenkt und die Wettbewerbsfähigkeit verbessert werden.

Die Einsparung von Ressourcen und Kosten ist daher das übergeordnete Ziel des Projekts. Neben der unmittelbaren Senkung der Material- bzw. Herstellungskosten ergeben sich durch das deutlich niedrigere Leistungsgewicht auch Kostenvorteile beim Transport und bei der Installation der Stromrichter. 

Mit neuartigen Wide-Band-Gap-Halbleitern wie Siliziumkarbid (SiC) wurde bereits nachgewiesen, dass durch den Betrieb mit höheren Schaltfrequenzen von 50 kHz - 100 kHz eine deutliche Einsparung bei den passiven Komponenten sowie am Gesamtsystem (z.B. Kühlung) möglich ist. Gegenüber Si-IGBTs haben SiC-Halbleiter signifikant geringere Schaltverluste.

Darüber hinaus soll erforscht werden, wie weit unter den Bedingungen des entlasteten Schaltens der Vergleich zwischen entsprechend modifizierten Si-Transistoren und einer adäquaten SiC Technologie neu bewertet werden muss. Diese Verfahren sollen im Projekt analysiert, simuliert und anhand eines Demonstrators verifiziert werden.