Stromventil für dosierte Energie

In den letzten 30 Jahren haben Leistungshalbleiter in der Energieübertragung und -ver-teilung sowie in der Antriebstechnik die früher elektromechanischen Lösungen weit-gehend verdrängt. Mit dem StakPakTM hat ABB eine neue Leistungshalbleiter-Komponente entwickelt, die neue Massstäbe in Flexibilität, Leistungsfähigkeit und Zu-verlässigkeit setzt. Da diese Neuentwicklung aus dem ABB-Forschungszentrum im schweizerischen Baden für den renommierten Swiss Technology Award 2005 nominiert war, ist sie in Hannover auch auf dem Messestand des Swiss Technology Award
(Halle 2, Stand-Nr. A28) ausgestellt.

Die Stromversorgungsnetze sind heute höchsten Belastungen ausgesetzt. Bei Eng-pässen in der Übertragung können schon kleine Störungen katastrophale Folgen haben. Aus diesem Grund entwickelt ABB neue Technologien, die es erlauben, die Be-lastung von Stromversorgungsnetzen exakt zu beobachten und stabil zu erhöhen. Schlüsselrollen auf diesem Gebiet spielen die Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) und leistungselektronische Netzregler (Flexible AC Transmission Systems - FACTS).

Das Grundprinzip dieser beiden Systeme ist ähnlich: Sie zerlegen den Energiefluss in kleine Pakete mit einer Länge im Bereich von Tausendstelsekunden. FACTS-Systeme stabilisieren das Netz, indem sie diese "Energiepakete" genau im richtigen Moment dem Netz entziehen, zwischenspeichern und dann zum idealen Zeitpunkt wieder zu-führen. HGÜ-Systeme können diese Energiepakete zusätzlich bei niedrigen Verlusten über lange Stecken transportieren und so die Energie sehr kontrolliert übertragen. Durch neueste HGÜ-Technologien können öl- und bleifreie Kabelstrecken realisiert werden, die im Gegensatz zu Freileitungen die Umwelt weder optisch noch durch elektromagnetische Felder belasten. Ausserdem erleichtern HGÜ- Systeme auch die effiziente Einbindung von stark schwankend anfallender Windenergie in das reguläre Stromnetz.

Das StakPakTM ermöglicht erst die Zerlegung des Energieflusses in einzelne "Pakete". Im Herzen der Module sitzen elektronische Schalter aus Silizium, die wie Computer-chips hergestellt werden . Im StakPakTM setzt ABB die modernste IGBT-Technologie (Insulated Gate Bipolar Transistor) ein. Ein ABB-IGBT-Chip, der kleiner als eine Euro-cent-Münze ist, vermag innerhalb von wenigen Millionstelsekunden eine elektrische Leistung von etwa 150 Kilowatt ein- und auszuschalten, was in etwa der Motorleistung eines Mittelklassefahrzeugs entspricht. Die dazu benötigte Steuerleistung beträgt nur rund 100 Milliwatt pro Chip.

Da StakPakTM auf Anwendungen im Leistungsbereich oberhalb von einem Megawatt abzielt (in der Energietechnik manchmal sogar mehr als 500 Megawatt), wird die Leistung von sehr vielen IGBT-Chips kombiniert. Dabei hilft eine Art Baukastensystem: Jeweils sechs dieser IGBT-Chips werden zu einem Baustein montiert, einem sogenann-ten "Submodul". Das Schaltvermögen eines Submoduls beträgt ungefähr ein Megawatt. Bis zu sechs solcher Submodule werden zu einem StakPakTM-Modul vereinigt. Die ge-wünschte Systemleistung wird erreicht, indem dann eine Anzahl StakPakTM-Bausteine in Reihe geschaltet wird. Auf diese Weise gelingt es, mit einem einzigen Grundbaustein die ganze Palette von Anwendungen und Leistungsklassen abzudecken. Bei der Reihenschaltung können die StakPakTM-Bausteine einfach zu einem Stapel aufein-ander geschichtet werden. Zwischen zwei Bausteinen wird jeweils ein Kühlkörper platziert, der die im Betrieb entstehende Verlustwärme abführt.

StakPakTM funktioniert nach dem Prinzip "Ausfall in einen sicheren Zustand", das be-deutet, das die Systemverfügbarkeit durch den Einbau von redundanten Bausteinen erhöht wird. In der Reihenschaltung müssen ausgefallene Bauteile zwingend in einen Zustand niedriger Impedanz ("Kurzschluss") fallen, um den Betrieb des Systems auf-rechterhalten zu können. Durch eine spezielle innere Konstruktion wird dieser Ausfall-modus, eine Art pannenfreie "Selbstheilung", nicht nur garantiert, sondern es ist auch möglich, das System bis zur nächsten regulären Wartung ohne Betriebsunterbrechung und ohne eine Senkung der Leistung weiterzubetreiben.

Das StakPakTM ist für höchste Lebensdauer und Zuverlässigkeit ausgelegt. Beschleu-nigte Lebensdauertests haben gezeigt, dass die Lebenserwartung in den Zielanwen-dungen mindestens 30 Jahre beträgt. Während des Betriebs vergehen dabei durch-schnittlich mehr als 10 Millionen Baustein-Betriebsstunden zwischen zwei Ausfällen.