Keine Energiewende ohne Leistungselektronik

Leistungselektronische Systeme umgeben uns im täglichen Leben. Ohne sie wäre eine erfolgreiche Energiewende undenkbar. Denn sie sind einerseits notwendig, um erneuerbare Energien per Stromumwandlung auf allen Spannungsebenen einspeisen zu können – und anderseits, um große Mengen Energie einzusparen. Damit trägt Leistungselektronik unmittelbar dazu bei, die Anzahl benötigter Kraftwerke zu reduzieren. Allerdings verlangt der breite Einsatz der Leistungselektronik auch einen deutlichen Entwicklungsbedarf: Nötig sind eine fortlaufende Miniaturisierung und eine Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz.

Als ich vor zweieinhalb Jahren als Beraterin bei der VDI/VDE-IT im Bereich Elektronik- und Mikrosysteme einstieg, war mir trotz langjähriger Industrieerfahrung nicht bewusst, was „Leistungselektronik“ eigentlich bedeutet und was sie kann. Heute weiß ich: Leistungselektronik ist überall und übernimmt elementare Aufgaben in den unterschiedlichsten Bereichen – auch wenn wir sie nicht wahrnehmen.

Leistungselektronik braucht man immer dann, wenn elektrische Energie umgeformt werden muss. Nehmen wir ein einfaches Beispiel: Ein normales Handy braucht zur Versorgung 5 Volt Gleichspannung. Die liefert ein Akku. Ist dieser leer, muss er neu geladen werden. Dazu wird das Handy mit dem Netz (230 Volt Wechselspannung, Frequenz 50 Hertz) verbunden. Nun kommt die Leistungselektronik ins Spiel. Sie sorgt dafür, dass der Strom beim Laden von einer Wechselspannung in eine Gleichspannung umgewandelt wird. Lange Zeit wurde diese Aufgabe von großen „Kästchen“ übernommen, heute passt die gesamte Leistungselektronik in einen Stecker – ein Erfolg, der auf den Entwicklungen der vergangenen Jahre basiert.

In Zeiten der Energiewende gewinnt die Leistungselektronik zusätzlich an Bedeutung. Denn eine Solaranlage liefert Gleichspannung. Sowohl für die Einspeisung ins Netz (momentan Standard) als auch für die direkte Verwendung der Energie für die meisten Verbraucher (momentan eher unüblich) wird jedoch Wechselspannung benötigt. Auch hier übernimmt die Leistungselektronik – ein (Solar-)Wechselrichter – die Umwandlung der Energie. Ein weiteres Praxisbeispiel liefern Windräder: So kann der (Drehstrom-)Generator eines Windrads den für die Einspeisung ins Netz nötigen Wechselstrom liefern, sehr effektiv ist eine feste Drehzahl aber nicht. Effizienter sind Anlagen mit moderner Leistungselektronik, die mit variabler Drehzahl laufen. Die erzeugte Spannung (Frequenz schwankt mit der Rotordrehzahl) wird zunächst in Gleichspannung umgewandelt und anschließend für eine optimale Netzeinspeisung in eine Wechselspannung umgeformt. Durch die Entkopplung des Generators vom Netz haben solche Anlagen daher eine gute Netzverträglichkeit.

Ein weiterer wichtiger Baustein der Energiewende ist die Dezentralisierung der Energieerzeugung. Hierfür müssen die erneuerbaren Energien auf allen Spannungsebenen eingespeist werden – und zwar mit Hilfe von leistungsfähiger Leistungselektronik, deren Entwicklung ebenfalls vorangetrieben werden muss. Denn es gilt: Jedes Quäntchen Spannung, das man bei der Wandlung nicht verliert, muss nicht erst erzeugt werden!

Bei vielen Entwicklungen in der Leistungselektronik ist Deutschland technologischer Vorreiter, das betrifft die ganze Wertschöpfungskette. Bei Leistungshalbleitern ist z. B. die Firma Infineon Weltmarktführer. Dennoch ist die deutsche Führungsrolle in der Leistungselektronik in der öffentlichen Wahrnehmung kaum präsent, allzu häufig bleibt der Fortschritt im Verborgenen. Nachvollziehbar ist das kaum. Denn Deutschland hat hier einen mehrfachen Nutzen: Zum einen, weil die Leistungselektronik die Energiewende in Deutschland vorantreibt. Und zum anderen, weil sie den deutschen Unternehmen Umsatz bringt – nicht zuletzt beim Export. Das wiederum führt dazu, dass durch den Einsatz deutscher Leistungselektronik auch in anderen Ländern die Einspeisung alternativer Energien möglich wird. Das heißt: Durch moderne Systeme, die wir in Deutschland entwickeln, wird auch global Energie eingespart.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt die Entwicklungen in der Leistungselektronik seit Jahren, zuletzt in seinen Fördermaßnahmen „Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung (LES)“, „Elektronik für die Energie der Zukunft (LES2)“ und aktuell mit dem Programm „Kompakte und robuste Leistungselektronik der nächsten Generation (KomroL)“. Hier sind wir also bereits auf einem guten Weg.

Dass die Leistungselektronik eine enorme globale gesellschaftliche Relevanz hat, zeigt schließlich auch die „Little Box Challenge“, mit der Google die Entwicklung kleiner Wechselrichter mit einer höchstmöglichen Leistungsdichte vorantreiben will. Noch sind Solar-Wechselrichter groß wie eine Kühlbox. Aber vielleicht verschwinden die Umrichter schon bald „im Stecker“. Für Januar 2016 ist die Preisverleihung angekündigt, ausgeschrieben ist ein Preisgeld in Höhe von 1 Mio. Dollar. Ich drücke den drei beteiligten Teams aus Deutschland fest die Daumen! Ich bin gespannt, wie winzig der Sieger-Wechselrichter sein wird, und was die neuen Ideen an Anwendungen nach sich ziehen werden.

 

Dr. Marita Wenzel, VDI/VDE Innovation + Technik GmbH
marita.wenzel@vdivde-it.de
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Dr. Marita Wenzel ist Beraterin im Bereich Elektronik und Mikrosysteme. Sie ist Physikerin und beschäftigt sich mit Themen rund um die Leistungselektronik.