Transformator ohne Magnetkern: ein Stromnetz, maßgeschneidert für grüne Energie + test

• Windräder aufzustellen genügt nicht
• Was ein Festkörpertransformator ist
• Drei Schwerpunkte einer Arbeit
• Isolation direkt aus Pflanzen
• Module ohne Chef
• Zahlen aus dem Labor
• Nicht nur dem Namen nach grün
• Mehr als ein Experiment
• Was du dir merken solltest
• Fünf Fragen: Hast du das Zeug zur Energieingenieurin oder zum Energieingenieur? (Test)

⇑Windräder aufzustellen genügt nicht

Über die Energiewende spricht man meist im Zusammenhang mit Wind, Sonne und Wasser, also mit den Stromquellen selbst. Dabei ist der Wechsel der Quellen erst die halbe Aufgabe. Die Energie aus erneuerbaren Anlagen muss auch übertragen und verteilt werden, und dafür braucht es eine neue Netzinfrastruktur – und zwar dringend.

„Für die Energiewende braucht es flexiblere, digitalere, resilientere Stromnetze, in die ein hoher Anteil erneuerbarer Energien integrierbar ist“, sagt Jonatan Peris Rivas von der spanischen Stiftung CIRCE, die das von der Europäischen Union finanzierte Projekt SSTAR koordiniert.

⇑Was ein Festkörpertransformator ist

Der Held des Projekts ist der Festkörpertransformator, kurz SST. Es handelt sich um ein hochentwickeltes Leistungselektronikbauelement, bei dem der klassische Transformator mit Magnetkern durch hochfrequent arbeitende Halbleiterschalter ersetzt wird. Das klingt nach einer Konstruktionsänderung für Fachleute, bedeutet aber in der Praxis, ein Schlüsselelement des Netzes in die Welt der Elektronik zu verlagern.

Das SSTAR-Team hatte sich ein konkretes Ziel gesetzt: diese Technologie über die Niederspannungsstufe hinauszuführen und für den Einsatz in Hochspannungsnetzen vorzubereiten. Es sollte gezeigt werden, dass Hochspannungs-SST vom Konzept zu experimentell validierten Prototypen gelangen können, gestützt auf glaubwürdige Daten zu Leistung, Sicherheit und Nachhaltigkeit.

⇑Drei Schwerpunkte einer Arbeit

Die Arbeiten liefen parallel in drei Richtungen. Jede beantwortete eine andere Herausforderung – vom Material über die Elektronik selbst bis zur Steuerung des gesamten Systems:

• ein nachhaltiges, biobasiertes dielektrisches Fluid, das die Isolationsleistung des Geräts verbessern soll;
• ein Hochspannungs-SST-Modul auf der Basis bidirektionaler induktiver Leistung, kurz IPT;
• eine dezentrale Kaskaden-H-Brücken-Steuerungsarchitektur, mit der sich weitere Module ohne zentrale Steuereinheit hinzufügen lassen.

⇑Isolation direkt aus Pflanzen

Der erste Schwerpunkt zeigt, dass moderne Energietechnik nicht nur aus Halbleitern besteht. Zur Isolierung der Prototypbauteile bereitete das Team ein Fluid pflanzlichen Ursprungs vor. Es entstand eine 200-Liter-Probe, die für Tests im Transformatorprototyp bestimmt war. Bei diesem Ansatz betrifft Umweltfreundlichkeit nicht nur die Energiequelle, sondern auch die Materialien, aus denen das Gerät selbst gebaut ist.

⇑Module ohne Chef

Der zweite und der dritte Schwerpunkt hängen eng zusammen. Das Hochspannungsmodul überträgt Energie dank induktiver Leistung in beide Richtungen. Die dezentrale Architektur wiederum sorgt dafür, dass sich einzelne Module in Reihe schalten und in ihrer Zahl erhöhen lassen, ohne dass eine zentrale Steuereinheit das Ganze überwachen müsste. Ein solcher Aufbau soll die Skalierung der Lösung erleichtern.

⇑Zahlen aus dem Labor

Alle Elemente wurden integriert und in zwei zertifizierten Testumgebungen validiert. Der auf IPT-Technologie basierende Prototyp erreichte im Resonanzbetrieb eine Leistungsübertragung von 76,7 kW bei 1500 V, sein Wirkungsgrad lag bei rund 95 %.

Ebenso interessant fiel der Test der Kaskadenversion aus. Die Forschenden schalteten 28 Module in Reihe und simulierten Netzbedingungen mit einer Spannung von 66 kV bei 100 A RMS. Das entspricht einer Leistung von 660 kW pro Zweig – und das ohne zentrale Steuereinheit. Die Ergebnisse bestätigen sowohl die Skalierbarkeit des Systems als auch seine technische Effizienz.

⇑Nicht nur dem Namen nach grün

Das Team beschränkte sich nicht auf elektrische Messungen. Es wurde auch eine Nachhaltigkeitsbewertung durchgeführt. „Unsere anschließende Nachhaltigkeitsbewertung ergab, dass das SSTAR-Konzept die Umweltleistung deutlich verbessern kann, insbesondere bei der Nutzung von erneuerbarem Strom“, sagt Peris Rivas.

Die Forschenden benannten auch die Einsatzfelder, in denen die neue Technologie die besten Chancen hat. Als am vielversprechendsten erkannten sie industrielle Mikronetze, Rechenzentren und Offshore-Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien.

⇑Mehr als ein Experiment

Nach Einschätzung des Teams hat das Projekt einen klaren Weg zu Hochspannungs-Festkörpertransformatoren vorgezeichnet, die technisch vielversprechend, nachhaltiger und auf die realen Bedürfnisse des Netzes abgestimmt sind. Festkörpertransformatoren sind damit zu einer ernstzunehmenden Technologie für Systeme auf Basis erneuerbarer Energien geworden.

„Die Projektarbeit beschränkte sich nicht auf Laborideen, sondern brachte validierte Prototypen, eine Nachhaltigkeits- und Sozialbewertung sowie einen eindeutigen Fahrplan zum Erreichen der technischen Reife hervor“, betont Peris Rivas. Als größten Erfolg des Projekts sieht er gerade die Verbindung technischer Lösungen mit einer Vision auf der Ebene des gesamten Systems. Auf den Ergebnissen aufbauend entwickeln die Forschenden die Prototypen weiter und suchen nach Industriepartnern, Investitionen und neuen Finanzierungsmöglichkeiten.

⇑Was du dir merken solltest

Bei der Energiewende geht es nicht nur um neue Stromquellen, sondern auch um neue Geräte im Netz selbst. Das Projekt SSTAR hat gezeigt, dass Festkörpertransformatoren das Labor verlassen und im Hochspannungsbereich arbeiten können – mit hohem Wirkungsgrad, skalierbarer Architektur und pflanzlicher Isolation. Für Studierende der Energietechnik, Elektrotechnik oder Elektronik ist das ein gutes Beispiel dafür, wie viele Fachgebiete in einem einzigen Gerät zusammentreffen: von Isoliermaterialien über Leistungselektronik bis zu Steuerungssystemen.

⇑Fünf Fragen: Hast du das Zeug zur Energieingenieurin oder zum Energieingenieur? (Test)