Die Energieversorgung in Deutschland und Europa verändert sich grundlegend: Immer mehr Strom stammt aus Sonne und Wind und wird in Batterien oder anderen Speichern gesichert. Um diesen Strom effizient und zuverlässig zu nutzen - etwa in Fabriken oder KI-Rechenzentren - setzen moderne Netze zunehmend auf Gleichstrom (DC) statt auf Wechselstrom (AC). Denn auch viele Erzeuger wie Photovoltaikanlagen und Verbraucher sowie Batteriespeicher liefern, nutzen oder speichern natürlich Gleichspannung. So entstehen keine Verluste durch Umwandlung von AC in DC.
Insbesondere im Niederspannungsnetz bis 1500 V entstehen daher auch immer mehr energieautarke Inselnetze mit Gleichstrom, so genannte Microgrids, das heißt autonome, vom öffentlichen Stromnetz unabhängige Systeme. Damit solche Gleichstromnetze auch für stromstarke Anwendungen - zum Beispiel das Megawatt-Laden von Elektrofahrzeugen oder große Freiflächen-Photovoltaikanlagen - sicher und stabil betrieben und mit dem Gesamtenergiesystem verknüpft werden können, sind neuartige Schaltund Schutzgerätekonzepte notwendig.
Im Projekt HybSchaDC2 entwickeln daher insgesamt 15 Partner aus Wissenschaft und Industrie hybride und rein leistungselektronische Schaltund Schutzgeräte. Diese Schalter sollen Ströme bis zu 3,5 kA (Kiloampere) und Spannungen bis zu 1,5 kV (Kilovolt) zuverlässig handhaben und die Niederspannungsnetze vor Kurzschlüssen und Überlast schützen - und das bei gleichzeitiger Selektivität. Das heißt, dass nur der Fehler abgeschaltet wird, während alle anderen Teile des Systems, die nicht direkt vom Fehler betroffen sind, weiterhin funktionsfähig bleiben. Dies wird durch Schaltund Schutzgeräte ermöglicht, die gezielt im Fehlerfall auslösen und so die Versorgungssicherheit, Stabilität und Resilienz des Gesamtsystems erhöhen.
,,Neben dem Anlagenschutz ist in der Niederspannung der Personenschutz von entscheidender Bedeutung", erklärt Frank Berger, Leiter des Teilprojekts am Fachgebiet Elektrische Geräte und Anlagen ( EGA ) der TU Ilmenau. Besonders herausfordernd, so der Wissenschaftler:
In modernen DC-Netzen steigt der Fehlerstrom deutlich schneller als in klassischen AC-Netzen. Unsere Schutzschalter müssen deshalb extrem schnell reagieren. Das heißt der Fehlerstrom muss zukünftig innerhalb weniger 100 µs (Mikrosekunden) bis 1 ms (Millisekunde) unterbrochen werden.
Prof. Berger und sein Team sind überzeugt: Die innovativen Hybridschaltgeräte und so genannte Semiconductor Circuit Breaker (SCCB), die im Projekt entwickelt werden, können diese Anforderungen erfüllen.
Drei Teilsysteme machen diese Hybridschaltgeräte aus: Ein mechanisches Kontaktsystem zum Führen, schnelle Leistungshalbleiter für die ultraschnelle Unterbrechung des Stromes sowie ein Überspannungsschutz zum Schutz der Leistungselektronik vor zu hohen Spannungen, die durch die schnellen Abschaltvorgänge auftreten. Bei SCCBs entfällt das mechanische Kontaktsystem, während das leistungselektronische Schaltelement und der Überspanungsschutz auch hier enthalten sind. Je nach Anwendung sollen dabei verschiedene Bauteile eingesetzt und getestet werden: ,,Für SCCBs werden wir anwendungsabhängig IGBTs oder MOSFETs verwenden, aber auch neue JFETs erproben", so Prof. Berger.
Das stellt die Wissenschaftler jedoch zunächst vor einige Herausforderungen: ,,Die Schaltvorgänge hybrider Geräte sind effizient, aber auch sehr komplex", erklärt Berger. Sein Team untersucht daher zunächst mithilfe von Modellen und Simulationen, wie die einzelnen Komponenten zusammenwirken, um ein möglichst optimales Schaltverhalten zu erreichen. Anschließend überprüfen sie die Ergebnisse in umfangreichen Experimenten mit Demonstratoren und Modellschaltern.
Im Fokus stehen dabei zentrale Fragen: Wie verhalten sich die Schalter in unterschiedlichen Netzsituationen? Welchen Einfluss haben Magnetfelder und neue Schaltgase auf das Löschen von Lichtbögen? Wie lassen sich Kontaktwerkstoffe auf Silberbasis möglichst ressourcenschonend einsetzen? Und wie können nachhaltige Materialien und recycelbare Schaltkammern dazu beitragen, Schaltgeräte insgesamt ressourceneffizienter und umweltfreundlicher zu machen?
Gemeinsam mit den Projektpartnern integriert das Team außerdem intelligente Steuerungen, präzise Sensorik und KI-gestützte Datenanalysen in die Schaltgeräte. So entstehen Monitoringsysteme, die sowohl den Zustand der Schalter als auch die Stabilität des gesamten Netzes überwachen können.
Das Konsortium aus Forschung und Industrie, das neben Panasonic Industry Europe und der Technischen Universität Ilmenau, Phoenix Contact, Infineon, Future Systems, Elektrotechnische Apparate (E-T-A), Doepke Schaltgeräte, Stercom Power Solutions, Schaltbau, Heraeus Precious Metals, das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB), Gustav Klein, Richter R+W, TEAG und ECPE umfasst, hat größtenteils bereits im Vorgängerprojekt HybschaDC erfolgreich zusammengearbeitet.
Die im neuen Vorhaben entwickelten Demonstratoren sollen als smarte Netzknoten in verschiedenen Niederspannungs-DC-Systemen getestet werden, zum Beispiel in leistungsstarken Industrieverteilsystemen, Megawatt-Ladeparks und Batteriespeichern zur Netzstützung. Prof. Berger:
Unser gemeinsames Ziel ist es, Strom aus erneuerbaren Quellen effizient zu nutzen, Microgrids und Ladeinfrastruktur stabil zu betreiben und Industriesowie Wohngebiete sicher, flexibel und nachhaltig zu versorgen.