Mehr Leistung bei doppelter Ernte

Technik

Forschung Industrie und Energieversorgern ist Effizienz beim Kauf neuer Systeme immer wichtiger. ABB erforscht daher auch den Nutzen von Energy-Harvesting für Sensoren und hat einen neuen Leistungshalbleiter entwickelt.

29. Januar 2010

»Die Märkte von ABB stehen vor einer langfristigen Verlagerung der Nachfrage«, sagt Vorstandsvorsitzender Peter Smits. »Der Bedarf an erneuerbaren Energien und industrieller Effizienz wird steigen.« 45% des Gesamtumsatzes habe das Unternehmen 2008 mit Produkten zur Steigerung der Energieeffizienz erzielt. »Das Verhalten unserer Kunden zeigt, dass Energieeffizienz ein vorrangiges Kaufkriterium ist.«

So könnten Unternehmen durch Gebäude-Automatisierungstechnik Energie einsparen. Auch IT-Systeme, die industrielle Prozesse steuern und optimieren, liefern hier ihren Beitrag. Bei der Energieübertragung andererseits ermöglichten etwa Hochspannungsgleichstrom-Übertragungsleitungen (HGÜ) und flexible Drehstrom-Übertragungssysteme eine gleichmäßigere Lastenverteilung.

2008 habe man durch den installierten Bestand an Niederspannungsantriebssystemen des Unternehmens geschätzte 170TWh an elektrischer Energie eingespart, so Anders H. Nordstrom von ABB Group Sustainability Schweden.

Aber Innovationen entstehen nicht von allein. »Wir investieren pro Jahr gut eine Milliarde US-Dollar in Forschung und Entwicklung«, sagt Franz Schmaderer von ABB. Er leitet das Global Lab Automation und die Forschungszentren in Ladenburg und Vasteras.

Etwa 70% dieser Mittel flössen in Produktentwicklung, 10% gehen in die Konzernforschung, die restlichen 20% sind für kundenspezifische Auftragsentwicklungen gedacht. Etwas mehr als ein Jahr gebe es nun schon die Forschungsprogramme Smart-Grid und Erneuerbare. »Entstanden sind sie aufgrund der neuen Rahmenbedingungen, die wir auf dem Markt vorfinden«, so Schmaderer.

Insgesamt sieben Forschungszentren hat das Unternehmen, vier in Europa. Eines liegt im deutschen Ladenburg. Hier wird etwa an Energieoptimierung für drahtlose Feldgeräte und Sensoren gearbeitet. Auch bewerten die Wissenschaftler den Nutzen verschiedener Energy-Harvesting-Techniken für diese autonomen Geräte. »Denn«, sagt Phillipp Nenninger vom Forschungszentrum, »der Markt für drahtlose Automatisierungsgeräte wächst.«

Das Ziel: eine neue Generation der intelligenten Geräte zu entwickeln, die unter anderem dabei helfen soll, den Energieverbrauch zu senken. Moderne Feldgeräte ermöglichen neben dem Versenden der Messwerte wie Druck oder Temperatur den Zugriff auf Diagnose- und Zusatzinformationen. Diese können etwa dem Ausfall eines Gerätes vorbeugen oder Prozessregelung verbessern.

Autonome Feldgeräte arbeiten mit digitaler Funktechnologie und benötigen keine Kabel zu Datentransfer und Energieversorgung. Dies erfordert, die Geräte auf einen möglichst niedrigen Energieverbrauch hin zu optimieren.

Weniger Komponenten

»Momentan reden wir hier noch hauptsächlich über Batterien und nur zu einem kleinen Teil von autonomer Energieversorgung«, so Nenninger. Typischerweise lasse sich je nach Energieverbrauch des Gerätes mit Primärzellen eine Lebensdauer von maximal zehn Jahren erreichen, da Effekte wie Selbstentladung zunehmen. »Gewünscht sind jedoch Lebensdauern von bis zu 20 Jahren.«

Eine Alternative zur Batterie wäre, nicht genutzte Energie aus der Umgebung oder direkt aus dem Prozess in elektrische Energie umzuwandeln und zur Versorgung des Gerätes zu nutzen. So etwa Prozessabwärme oder Vibration von Geräten mithilfe von Mikrogeneratoren als Energiequelle zu verwenden. Auch Druckluft könnte über Mikroturbinen für den Sensor geerntet werden. »Der Vorteil: Weniger Wartung und höhere Leistung als im Fall von Batterien.«

Höhere Leistung sehen auch Wissenschaftler des Schweizer Forschungszentrums neben Zuverlässigkeit und weniger Komponenten als Vorteil ihrer Entwicklung. Sie haben die neue Generation sogenannter IGCT hervorgebracht. Diese Leistungshalbleiter steuern und schalten hohe elektrische Ströme. Sie zeichnen sich durch niedrigen Durchlassverlust und schnelle Schalteigenschaften aus.

Halbleiterbauteile wie IGCT, die in Frequenzumrichtern eingesetzt werden, sind zentrale Elemente drehzahlgeregelter leistungselektronischer Antriebe. Diese helfen im Vergleich zu direkt netzgekoppelten Motoren Energie einzusparen.

Das Team entwickelte für den IGCT eine neue Bauteilstruktur und Diodentechnologie. Ergebnis ist eine Reduktion der Komponentenzahl im Frequenzumrichter. Nach Schätzungen der Forscher kann die Anzahl der benötigten Komponenten um bis zu 70% reduziert werden.

Mit der Entwicklung des neuen Halbleiters könne man drehzahlgeregelte Induktionsmotoren mit Leistungen bis 5MW auf eine Leistungsklasse von 12MW erhöhen und die Motoren mit bis zu 7,2 statt 4,16kV Eingansspannung betreiben. Durch die höhere Netzspannung muss weniger Kupfer verwendet werden.

Die Forscher haben die max. Blockierspannung von 6.500 auf 10.000V steigern können. Das einzelne Bauteil schaltet Ströme größer 2.000A sicher ab.

Je höher die Blockierspannung, desto schneller kann der Strom geschaltet werden. Dadurch minimiert sich die Verlustleistung und der Wirkungsgrad erhöht sich. »Diese Entwicklung ist ein riesiger Schritt nach vorne«, sagt Jan-Henning Fabian vom schweizerischen Forschungszentrum.

Nachdem die Forscher die Technologieentwicklung für den 10-kV-IGCT abgeschlossen haben, steht der Produktentwicklung nichts mehr im Weg. 2011 ist geplant, das Produkt auf den Markt zu bringen. (mwi)

Erschienen in Ausgabe: 01/2010