Am Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS arbeiten Wissenschaftler daran, Wechselrichter in Photovoltaik-Anlagen und Frequenzumrichter in Windenergieanlagen zuverlässiger zu machen. Wie das Institut mitteilte, sind diese zentralen Komponenten unverzichtbare Technologiebausteine der Energiewende. Sie sorgen dafür, regenerativ erzeugte Energie mit netzkonformer Spannung und Frequenz einzuspeisen. Dabei seien sie besonders herausfordernden Betriebs- und Umgebungsbedingungen ausgesetzt, was sich bisher in relativ häufig auftretenden Defekten und Ausfällen niederschlägt, die zu beträchtlichen Kosten für die Anlagenbetreiber führen.

Im jetzt abgeschlossenen Projekt »Zuverlässige Umrichter für die regenerative Energieversorgung (power4re)« haben fünf Institute der Fraunhofer-Gesellschaft deutlich verbesserte Lösungen entwickelt. So haben die Fraunhofer-Fachleute aus Felddaten- und Schadensanalysen zunächst besonders relevante Schwachstellen identifiziert. Innerhalb der gut drei Jahre umfassenden Projektlaufzeit haben sie ermittelt, welche Faktoren für Defekte verantwortlich sein können, wie sich Schäden sicher erkennen lassen und ab wann sie für die Funktionalität von Bauteilen kritisch werden. Dabei wurden sowohl die Betriebs- und Umgebungsbedingungen von Umrichtern als auch die Materialauswahl und der Aufbau der jeweiligen Komponenten berücksichtigt.

Kurzschlüsse und Korrosion

»Bei der Optimierung von Wechselrichtern und Frequenzumrichtern reicht es nicht, die Hardware in den Blick zu nehmen und beispielsweise auf Werkstoffe und Verarbeitungsprozesse zu schauen. Die anwendungstypischen Bedingungen sind hier ganz entscheidend und erfordern geeignete Testverfahren«, sagt Sandy Klengel, Gruppenleiterin »Bewertung elektronischer Systemintegration« und Leiterin des Teilprojektes am Fraunhofer IMWS. Die Herausforderungen reichten von elektrischen Defekten wie Kurzschlüssen über Korrosion und Feuchtebelastung bis zur Delamination und mechanischen Schädigungen.

Das Institut in Halle (Saale) hat sich dabei vor allem der Materialdiagnostik von Bauelementen, Komponenten und Werkstoffen gewidmet und seine besondere Expertise beispielsweise zu Korrosionsprozessen elektronischer Komponenten, zu Degradationsmechanismen von Isolationsmaterialien unter dem Einfluss von Feuchte und elektrischen Feldern oder zur Bewertung von Gehäusematerialien und Beschichtungen eingebracht.

Optimierung der Herstellungsprozesse

Die Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IMWS haben im Projekt etwa wichtige neue Erkenntnisse bei der physikalischen Fehleranalyse an Leistungsmodulen verschiedener Leistungsklassen gewonnen. Besonders standen hier feuchtebedingte Frühausfälle (Isolationsschäden) und Langzeitdegradationsmechanismen im Fokus, etwa durch die mögliche Anreicherung von Elementen im Silikongel der Leistungsmodule über die Betriebszeit und eine dadurch möglicherweise verschlechterte Korrosionsbeständigkeit. »Hier konnten wir wichtige Kompetenzen im Bereich der Optimierung der Herstellungsprozesse und der Montage der Module in das System aufbauen. Mit diesem Know-How können Ausfallrisiken minimiert, somit Wartungskosten gesenkt und letztlich auch die Stromgestehungskosten reduziert werden«, sagt Klengel.

Für die Analysen haben die Forschenden teils eigene Testmethoden konzipiert oder bestehende Verfahren angepasst und weiterentwickelt. Das betraf etwa die Bestimmung der Feuchteaufnahme und der Diffusion von ionischen Verunreinigungen und Schadgasen in Silikongel. Die gewonnenen Kenndaten nutzten sie, um ein Simulationsmodell für mögliche Veränderungen der Permeationseigenschaften bei unterschiedlichen Beschichtungen zu entwickeln. Dabei sei es auch möglich, reale Umweltbedingungen wie Unterschiede etwa zwischen Tag und Nacht sowie Sommer und Winter zu berücksichtigen.

»Wir haben ein vertieftes Verständnis zu Materialwechselwirkungen und Defektbildungen bei unterschiedlichen Einsatzbedingungen gewonnen. Das ist eine wichtige Grundlage, um die Zuverlässigkeit und Robustheit der Bauteile bei der Entwicklung der nächsten Produktgenerationen signifikant zu verbessern«, sagt Klengel. Die Lösungen können potenziell auch auf andere Anwendungsfelder übertragen werden, in denen Umrichter ähnlichen Umgebungseinflüssen ausgesetzt sind, etwa in den Bahnverkehr oder in die Elektromobilität.

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