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Von der Stromerzeugung über die Verteilung bis zur Nutzung

Höherer Wirkungsgrad auf Systemebene

8. Juni 2010, 14:49 Uhr | Heinz Arnold

Ein Schlüssel für die Erzeugung von Strom aus Wind und Licht sowie die effiziente Verteilung des Stroms sind Leistungshalbleiter und Module. Doch nur die neuesten Power-ICs im Programm zu führen, reicht laut Arunjai Mittal, Leiter der Industrial and Multimarket Division von Infineon, künftig nicht aus. Erst das Zusammenspiel mit den Logik-ICs und den Sensoren ermöglicht es, wirklich effiziente Systeme aufzubauen.

Weltweit setzen Regierungen auf gesetzliche Regelungen und Förderprogramme, um den CO2-Ausstoß zu verringern. Derzeit wird ein Drittel der weltweit erzeugten Energie in Form von Elektrizität konsumiert, schon bald werden es 50 Prozent sein. Das ist eine gute Nachricht für Arunjai Mittal. Denn erstens eröffnen sich in der Erzeugung, der Nutzung und dem Gebrauch der elektrischen Energie noch viele Spielräume für Effizienzsteigerungen, zweites ist dafür ausgeklügelte Elektronik auf Basis von Halbleitern erforderlich. Deshalb blickt er sehr entspannt in die Zukunft: Schon jetzt laufen die Geschäfte gut, der Trend zur effizienteren Nutzung der Energie, u. a. angetrieben durch weltweite Regierungsprogramme, sorgt dafür: »Unsere Fabs arbeiten bei voller Kapazität und wir können sie weiter ausbauen. Die Nachfrage wächst so stark, dass wir über die nächsten zwanzig Jahre noch gut beschäftigt sein werden.«

Doch könnte sich die Euphorie wieder legen? Das glaubt Mittal nicht, denn erstens erstreckten sich die Regierungsprogramme recht weit in die Zukunft, zweitens falle durch die Notwendigkeit zur Energieeffizienz auch die Kosten-Nutzen-Analyse anders aus als bisher. Standen früher den Hard- und Software-Investitionen in die Geräte lediglich die Energieeinsparung und vielleicht noch der bessere Bedienkomfort gegenüber, so fallen heute bereits und künftig noch verstärkt Steuerersparnisse, Vermeidung möglicher Strafkosten und nicht zuletzt der gute Ruf des Unternehmens zusätzlich ins Gewicht. Effizient zu sein, zahlt sich also für die Unternehmen finanziell und als Imagegewinn aus.

Entspannt ist Mittal auch, weil Infineon schon sehr früh in die Techniken investiert hat, die jetzt die Basis bilden, um elektrische Energie effizienter zu generieren, zu verteilen und nutzen zu können. Ein Stichwort ist hier Smart Grid. Nur ein neu aufzubauendes, intelligentes Stromnetz erlaubt es, erneuerbarer Energien effizient einzuspeisen und zum Nutzer zu bringen. Dem Anwender erlaubt es, die Energie effizienter als bisher zu nutzen. Und überall spielt die Elektronik die wesentliche Rolle.

Dazu ein Beispiel. Wenn Windturbinen in Offshore-Anlagen Strom erzeugen, dann muss der Strom unter möglichst geringen Verlusten bis in die Regionen transportiert werden, wo er gebraucht wird, oft über hunderte oder sogar tausende Kilometer. Dafür eignet sich die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) am besten. Erst im Dezember vergangenen Jahres wurde die von Siemens gebaute weltweit erste 800-kV-HGÜ (Yunnan-Guangdong) in China in Betrieb genommen, die über eine Distanz von 1400 km geht. Die Übertragungskapazität liegt bei 5000 MW. Bis 2018 sollen laut Mittal in China 20 HGÜ-Strecken in Betrieb genommen werden.

In der HGÜ kommen Thyristoren zum Einsatz, die 4000 A und 8000 V schalten. Klar, dass ein solcher Schalter etwas anders aussieht, als ein MOSFET in einer kleinen Stromversorgung. Der eigentliche »Chip« besteht aus einem kompletten 6-Zoll-Wafer, der in einem mehreren kg schweren Metallgehäuse sitzt. Eine Besonderheit von Infineon: Der Thyristor lässt sich nicht nur über einen elektrischen Anschluss steuern, wer will, kann auch Typen einsetzen, die sich über Licht schalten lassen. Eine Laserdiode koppelt das Infrarotlicht (905 nm) in einen Lichtwellenleiter ein, ein Lichtpuls mit einer Energie unter 100 mW schaltet eine elektrische Leistung von über 1 MW. Mit der Ansteuerung über Licht erhöht sich die Zuverlässigkeit des Thyristors, so ist er weniger anfällig gegenüber Blitzeinschlägen. Und selbstverständlich benötigen Thyristoren weitere Elektronik, beispielsweise Mikrocontroller für ihre Steuerung. Mikrocontroller sind grundsätzlich Standard-ICs, sie müssen aber für Anwendungen im Smart Grid zusätzliche Kriterien erfüllen. Die hohe Zuverlässigkeit steht an erster Stelle, wichtig ist aber auch, dass die Hersteller sie über einen sehr langen Zeitraum liefern können, noch länger als aus dem Maschinenbau und der Automobilindustrie bekannt. Denn die Anlagen der Elektrizitätsversorger sind auf mehrere Jahrzehnte ausgelegt.

Welche Herausforderungen auf einen Hersteller von Halbleitern zukommen, zeigt ein Blick auf die Entwicklung der Windräder. Anfang der Neunziger Jahre war der Turm zwischen 30 und 40 m hoch, die Länge der Rotorblätter lag bei 12 m. Ein solches Windrad liefert 225 bis 500 kW. Über die folgenden Generationen wuchsen die Windräder in die Höhe: In der aktuellen fünften Generation liegt sie bei 135 m, ein Rotorblatt ist 65 m lang. Ein solches Windrad überragt den Kölner Dom und liefert bis 6000 kW. Derzeit ist BARD Offshore im Bau, Deutschlands erster Off-shore-Windpark 90 km nordwestlich von Borkum, dessen 80 Windräder jeweils 5 MW liefern werden. Ende dieses Jahres soll die Anlage in Betrieb gehen. Aber auch in anderen Ländern tut sich viel: In China gibt es 70 bis 80 Hersteller von Windrädern. Die Einspeisung der so gewonnen Energie ins Netz ist hier eine große Herausforderung.

Die Windräder liefern Wechselstrom, meist aus doppelt gespeisten Asynchronmotoren. Allerdings nicht in der Form, in der man die Energie ins Netz einspeisen könnte. Strom und Spannung müssen erst einmal über eine AC/AC-Wandlung aufbereitet werden. In dieser Wandlung kommen IGBTs zum Einsatz und hier zeigt sich, was es bedeutet, effizient mit der Energie umzugehen. Effizienz lässt sich hier mit einem Begriff umreißen: Leistungsdichte. »Während wir mit unseren 1200-V-IGBTs der zweiten Generation auf eine Leistungsdichte von 50kW/l kamen, haben wir in der vierten, 2007 eingeführten vierten Generation bereits 600kW/l erreicht. Die Leistungsdichte hat sich also pro Jahr um 20 Prozent erhöht«, freut sich Mittal.

Das Schöne ist, dass die Leistungshalbleiter nicht nur in Windrädern zum Einsatz kommen, sondern überall, wo Energie in größere Stil erzeugt wird – und die Anforderungen an höhere Effizienz sind überall ähnlich. Etwa in der Photovoltaik. Solar-Panels liefern Gleichstrom, der in Wechselstrom umgewandelt werden muss. Wieder sind Leistungshalbeiter – MOSFETs, IGBTs und IGBT-Module – erforderlich, die in den Wechselrichtern arbeiten.