Den Wirkungsgrad der Stromversorgung in industriellen Prozessen zu erhöhen und dadurch Energie und CO2 einzusparen, ist Ziel des neuen Verbundprojekts „MMPSiC“: Forscher am Lichttechnischen Institut (LTI) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) untersuchen gemeinsam mit den Industriepartnern Trumpf Hüttinger und Ixys Semiconductor den Einsatz von Leistungshalbleiterschaltern aus Siliziumkarbid. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt mit rund 800.000 Euro.
Zur Stromversorgung von Zonenschmelzanlagen (Float Zone Anlagen), die zur Herstellung hochreiner kristalliner Werkstoffe verwendet werden, nutzt man bis jetzt auf Röhrentechnologie basierende Systeme. Diese Systeme weisen einen elektrischen Wirkungsgrad von maximal 65 % auf. Durch eine Umstellung auf Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid ließe sich der Wirkungsgrad der Prozessstromversorgungen auf über 80 % steigern. Dies würde große Mengen an elektrischer Energie einsparen und Treibhausgasemissionen reduzieren. Zum Beispiel würde sich für eine einzige Float Zone Großanlage, bestehend aus 20 x 150 kW-Prozessstromversorgungen, bei einer jährlichen Laufzeit von 4.800 Stunden eine Einsparung von mehr als 200.000 kWh elektrischer Energie und damit 109 Tonnen CO2 (Umweltbundesamt, Stand Juli 2013) ergeben.
Die Realisierbarkeit solcher Prozessstromversorgungen untersuchen die Forscher nun im Verbundprojekt MMPSiC. Als Halbleitermaterial bietet Siliziumkarbid verschiedene Vorteile: Dank der größeren elektronischen Bandlücke ermöglicht es deutlich höhere Betriebstemperaturen als konventionelle Halbleiter. Leistungselektronik mit Siliziumkarbid zeichnet sich besonders durch höhere Energieeffizienz und Kompaktheit aus.
„Bei der Stromversorgung von energieintensiven industriellen Anwendungen wie dem Zonenschmelzverfahren ist es erforderlich, mit hohen Frequenzen zu schalten“, erklärt der Leiter des Projekts, Dr. Rainer Kling vom LTI des KIT. „Siliziumkarbid ist für diese hohen Frequenzen noch nicht erprobt; wir betreten damit Neuland.“ Neben der Prüfung der Langzeitbeständigkeit gehören auch die Ansteuerung und das Layout der Schaltung zu den Aufgaben der KITForscher im Verbundprojekt MMPSiC.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt das Projekt MMPSiC auf der Grundlage des Programms „Informations- und Kommunikationstechnologie 2020“ (IKT 2020) im Rahmen der Fördermaßnahme „Leistungselektronik zur Energieeffizienzsteigerung“ (LES 2) mit rund 800.000 Euro. Davon erhält das LTI des KIT rund 439.000 Euro. Insgesamt beträgt das Projektvolumen 1,3 Millionen Euro. Das Verbundprojekt ist auf drei Jahre angelegt.
Quelle: Karlsruher Institut für Technologie