11,5 Mil­li­o­nen für die Bre­mer Wind­ener­gie­for­schung

Die Projektbeteiligten von HiPE-WiND beim Kick-Off-Treffen an der Uni Bremen (jew. v.l.), hintere Reihe: Timo Haase (BMWi), Wilfried Holzke (IALB – U. Bremen), Jörg Thiele (Infineon), Klaus Korf­hage (PtJ), Christian Broer (Fh.-IWES), Willi Paasch (Breuer); mittlere R.: Uwe Dahlmann (Breuer), Karl Keusgen (WPD), Jo­han­nes Adler (IALB), Holger Raffel (BCM – U. Bremen), Nando Kaminski (IALB), Christian Mehler (Fh.-IWES), Bernd Orlik (IALB); vorne: Holger Groke (IALB), Heiko Geenen (PtJ), Jan Wenske (Fh.-IWES), Aris Gkoun­taras (Enercon/WRD), Katharina Fischer (Fh.-IWES ), Frauke Meier (U. Bremen; Bild: U. Bremen)

Es ist eine Frage von großer Bedeutung für die deutsche Energiewirtschaft: Wie sieht es mit der Lebens­dauer der Leistungs­elektronik in Wind­energie­anlagen aus? Welche Umwelt- und Last­bedingungen spielen für die Lebens­dauer eine Rolle? Für die Beant­wortung dieser Fragen hat das Bundes­minis­terium für Wirt­schaft und Energie jetzt 11,5 Milli­onen Euro bereit­gestellt. Diese Summe geht an Wissen­schaft­lerinnen und Wissen­schaftler der Uni Bremen und des Fraunhofer-IWES in Bremer­haven. Gemeinsam mit Industrie­partnern erforschen sie in den kommenden drei Jahren im Verbund­projekt „Multi­dimen­sionale Belastungen der Hoch­leistungs­elektronik von Wind­energie­anlagen“ – kurz HiPE-WiND – wie sich die reale Lebens­dauer der Leistungs­elektronik unter viel­fältigen Einflüssen verändert.

„Wir wollen die Faktoren besser kennenlernen, die die Lebens­dauer der Leistungs­elektronik beein­flussen“, erklärt Bernd Orlik, Professor am Institut für elektrische Antriebe, Leistungs­elektronik und Bau­elemente der Universität Bremen. „Die Ausfallursachen sollen grund­legend erforscht werden. Wir wollen Konzepte für eine Optimierung der Robust­heit von Leistungs­elektronik entwickeln und diese dann auch experi­mentell überprüfen.“ Im Mittel­punkt stehe dabei die Offshore-Wind­energie: „Bei Anlagen auf hoher See kommt es noch stärker als auf dem Land auf eine hohe Zuverläs­sigkeit an, denn für Repa­raturen oder Wartungen kommt man dort nicht so schnell und einfach hin“, so Orlik. „Bislang ist noch zu wenig darüber bekannt, wie die speziellen Umwelt­bedingungen und Betriebs­situationen, denen die jeweilige Leistungs­elektronik dort ausgesetzt ist, sich auf die Lebens­dauer auswirkt.“ Professor Nando Kaminski (ebenfalls IALB) ergänzt: „Aus unseren bereits 2009 begonnen Vorarbeiten ist bereits bekannt, dass Feuchte besonders für die Leistungs­halbleiter­komponenten kritisch ist. Elektro­chemische Vorgänge wie Korrosion können schnell zum Ausfall der Bauelemente führen.“

Um zu fundierten und gleichzeitig anwendungs­nahen Ergebnissen zu kommen, arbeiten Wissen­schaft und Industrie bei „HiPE-WiND“ eng zusammen. Neben dem genannten IALB und dem Fraunhofer-IWES sind die Unter­nehmen Enercon, Breuer Motoren-GmbH und die WPD Wind­manager am Verbund­projekt beteiligt.

Die Leistungselektronik ist ein zentraler Teil von Windenergieanlagen, denn sie „steuert“ den elek­trischen Energie­fluss der Anlage. „Sie wird dabei sehr stark beansprucht“, erläutert Professor Jan Wenske vom IWES. „Die Belastungen kommen von mehreren Seiten – den sich ständig ändernden Wind­bedingungen und den Belas­tungen aus dem Netz. Der Wind kann schwach oder stürmisch wehen und in kurzer Zeit starke Wechsel voll­ziehen; Netz­belastungen ergeben sich durch Spannungs- oder Strom­stöße aufgrund von Schalthandlungen, Kurz­schlüssen oder Blitz­einschlägen.“

Hinzu kommen vielfältige Umwelteinflüsse: große Temperatur­sprünge, stark schwankende Luft­feuchtig­keit bis hin zur Konden­sation, Wechsel­wirkungen der verschie­denen mecha­tronischen Antriebs­strang­systeme untereinander. Selbst innerhalb eines Wind­parks können die Belastungen, denen die Leistungs­elektronik in den einzelnen Anlagen ausgesetzt ist, stark voneinander abweichen. Entschei­dend für die Zuver­lässig­keit und Lebensdauer einer Leistungs­elektronik ist letztlich immer die Kombination von Belastungen in der jeweiligen Anlage.

Multidimensionale Belastungs­untersuchungen im Labor

In Rahmen des Forschungsprojektes sind umfangreiche experimentelle Unter­suchungen im Labor geplant. Dabei werden komplette Umrichter­systeme im Multi-Megawatt­bereich den unter­schiedlichen Belastungen ausgesetzt. Professor Orlik: „Wir wollen erforschen, wie sich die äußeren Umgebungs­bedingungen der Strom­richter in den Innen­raum übertragen. Welche Einflüsse ergeben sich daraus auf die dort befind­lichen Bauteile und Komponenten? Welche Wirkung hat das – in Verbindung mit den elektrischen Lasten – für die System­lebens­dauer?“

Eine große Rolle spielen dabei die Konstruktions­varianten der Stromrichter-Hersteller sowie die eingesetzten Bauteile und Komponenten, aber auch die Kühl- und Belüftungskonzepte. „Im Labor wird der gezielte Betrieb unter besonders kritischen Gesamt­bedingungen simuliert. Dadurch wollen wir eine beschleu­nigte Alterung der Umrichter­komponenten erzwingen“, sagt Professor Wenske zum Projekt­ansatz. Im Ergebnis wollen die Forsche­rinnen und Forscher effiziente Test­prozeduren herausarbeiten, aber auch Hinweise auf Schwach­stellen in der Systemhardware finden und analysieren. Durch die gezielte Beein­flussung der elek­trischen Belastungen innerhalb der Anlage – also „smarte Betriebs­führungs­strategien“ – will man eine Erhöhung der Umrichter­lebensdauer erreichen.

Um die Hochleistungselektronik der Windenergie­anlagen unter kombinierten klima­tischen und elek­trischen Belastungen reali­tätsnah untersuchen zu können, werden in Bremen in Kürze Test- und Versuchs­einrichtungen entstehen. Hier werden dann ganze Strom­richter für Wind­energie­anlagen mit Leistungen bis zehn Megawatt vorher definierten Umwelt­bedingungen ausgesetzt. „Wie legen beispielsweise ganz bestimmte Abläufe von Temperatur­schwankungen und Feuchtigkeits­einwirkungen fest. Im Klartext: Mal lassen wir die Stromrichter bei großer Kälte arbeiten, dann wieder bei Hitze und hoher Luftfeuchtigkeit“, so Orlik. „Gleichzeitig werden sowohl die ‚normalen‘ elektrischen Belas­tungen als auch nachgebildeten Störungen und System­wechsel­wirkungen beliebig oft ‚angewendet‘“.

Dieses Testsystem mit allen notwendigen Funktions­umfängen, skalier­barer Leistung und Betriebs­spannung soll im Rahmen des Projekts zur Über­prüfung von tech­nischen Lösungen entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen werden. Damit entsteht in der Hansestadt eine hersteller­neutrale, multi­modale Last­prüf­einrichtung für Hochleistungs­elektronik von heutigen und zukünftigen Wind­energie­anlagen. (Quelle: U. Bremen)

Link: Forschungsschwerpunkt Elektrische Antriebstechnik (B. Orlik), Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente IALB, Universität Bremen

 

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