„Schnell-Schalten“ - Leistungselektronik als Schlüssel für Energieeffizienz und erneuerbare Energien

Dr. Otto Preiss, Senior Vice President, Power Electronics & MV Drives, Juni 2011

Das Geschäft mit dem „Sand“

�© ABB Group

�August 2, 2011 | Slide 2

Silizium Leistungshalbleiter

Schalten / Steuern

� Ströme > 1 A

� Spannungen > 24V

Anwendungsgebiete

Industrien

Energie

Transport

Das Geschäft mit dem „Sand“

�© ABB Group

�August 2, 2011 | Slide 3

Silizium Leistungshalbleiter

Schalten / Steuern

� Ströme > 1 A

� Spannungen > 24V

Anwendungsgebiete

Industrien

Energie

Transport

mW, �W

kW

W

Hochleistungshalbleiter(∼∼∼∼2.0 Mrd. USD)

Halbleiter(∼∼∼∼250 Mrd. USD)

Leistungshalbleiter(∼∼∼∼14 Mrd. USD)

Inhalt

� Leistungselektronikkurs in 5 Minuten

� Trends – Wo geht die Reise hin

� Bei Leistungshalbleitern

� Bei Schlüsseltechnologien in der Leistungselektronik

� Bei Produkten und Anwendungen

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�August 2, 2011 | Slide 4

Inhalt

� Leistungselektronikkurs in 5 Minuten

� Trends – Wo geht die Reise hin

� Bei Leistungshalbleitern

� Bei Schlüsseltechnologien in der Leistungselektronik

� Bei Produkten und Anwendungen

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�August 2, 2011 | Slide 5

Leistungselektronikkurs in 5 Minuten Schalter aus Silizium

Silizium Leistungshalbleiter

Schalten / Steuern

� Ströme > 1 A

� Spannungen > 24V

Anwendungsgebiete

Industrien

Energie

Transport

Der Leistungshalbleiterschalter im Vergleich

� 12 kV / 2500A nominal25kA max. Abschaltstrom

� ms Schaltzeit

� 50 to 30’000 Schaltzyklen1)

� Keine Verluste

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�August 2, 2011 | Slide 7

� 4.5 kV / 2100A4kA max. Abschaltstrom

� µs Schaltzeit

� “infinite” Schaltzyklen

� Verluste (on and off state)

El.-mech. Silizium

MS Vacuum Schalter IGCThyristor Schalter

1) Abhängig von Abschaltströmen (z.B. max. 50 bei Kurzschlusstroml)

Beispiel

Hauptaufgabe der LeistungselektronikKonditionieren von Strom und Spannung

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�August 2, 2011 | Slide 8

U1, I1, f1 U2, I2, f2

� Spannungs-, Strom- und Frequenzumwandlung

� Wechselstrom zu Geichstrom oder Gleichstrom zu Wechselstrom in jeder beliebigen Kombination

� AC <-> AC

� AC <-> DC

� DC <-> DC

AC

DC

AC

DC

Konditionieren von Strom und Spannung… durch kontrolliertes Zusammenspiel von Schalthandlungen

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�August 2, 2011 | Slide 9

AC

DC

AC

DCAC

DCBeispiel: HGÜ

Mehr als 200’000 Schalter, realisiert durch mehr als 20 Mio. Transistoren

U1, I1, f1 U2, I2, f2

Inhalt

� Leistungselektronikkurs in 5 Minuten

� Trends – Wo geht die Reise hin

� Bei Leistungshalbleitern

� Bei Schlüsseltechnologien in der Leistungselektronik

� Bei Produkten und Anwendungen

�© ABB Group

�August 2, 2011 | Slide 10

WertschöpfungsketteWo geht die Reise hin

�© ABB Group

�August 2, 2011 | Slide 11

Leistungshalbleiter Produkte & Anwendungen

Industrien

Energie

Transport

Schlüsselbausteine

Topologie & Regelung

Kühltechnologien

WertschöpfungsketteWo geht die Reise hin – Trend bei Halbleitern

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�August 2, 2011 | Slide 12

Leistungshalbleiter Produkte & Anwendungen

Industrien

Energie

Transport

Schlüsselbausteine

Topologie & Regelung

Kühltechnologien

Trend Leistungshalbleiter „Höher – weiter – schneller“

� Grundsätzliche Anforderung

� Höhere Spannung, höhere Ströme, höhere Schaltfrequenzen, höhere Temperaturfestigkeit

� Weniger Verluste

� Technische Lösungsansätze

� Ausreizen der Siliziumgrenzen

� Fortschritte in der Aufbau- und Verbindungstechnik

� Neue Materialien

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�August 2, 2011 | Slide 13

SiC GaN C (Diamant)

Trend Hochleistungs-Leistungshalbleiter Höhere Leistung und weniger Verluste

� Si bleibt das Hauptmaterial bis mindestens 2020

� SiC bereits bis 1200V als Diode kommerziell eingesetzt

� Kosten als Haupthürde

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�August 2, 2011 | Slide 14

Maturetechnology

[kV]

20

10

5

SiSiC SiC + GaN?

10 kV20 kHz10 kV

1 5 20 [kHz] Schaltfrequenz

ABB-WeltrekordErster 10-kV-Leistungshalbleiter (IGCT Chip Set)

� Hochleistungshalbleiter der nächstenGeneration

� Hochspannungs-”Schalter”

� Sperrspannung > 10kV

� Rekord 3200 A @ 6kV, 125°C

� Leistungsdichte: 470 kW/cm2

� Hochspannungs-Diode

� Sperrspannung > 10kV

� “Sanfter” Abschaltung

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�August 2, 2011 | Slide 15

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Time (us)

IA (A

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

VA

K (V

)

Current (A)Voltage (V)

20 MW / Schalter

WertschöpfungsketteWo geht die Reise hin – Trend bei Schlüsselbausteinen

�© ABB Group

�August 2, 2011 | Slide 16

Leistungshalbleiter Produkte & Anwendungen

Industrien

Energie

Transport

Schlüsselbausteine

Topologie & Regelung

Kühltechnologien

Warum Topologie und Regelung wichtig sindNahe am Sinus zu minimalen Kosten

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�August 2, 2011 | Slide 17

0 0.01 0.02 0.03-5000

0

5000

t in s

volta

ge in

V

0 0.01 0.02 0.03 0.04

-5000

0

5000

t in s

volta

ge [V

]

0 0.01 0.02 0.03 0.04

-5000

0

5000

VDC

S1

S3

MU

S1

S2

S3

S4

VDC

VDC/2

VDC/2

M D1

D2

Vdc

T13

T23

T12

T22T52

T62

T53

T63 T43

T42

T33

T32

Cp3

Cp2

Cn3 M

Cn1

Cp1

Cn2

Vdc/6

T11

T21T51

T61

T41

T31

iCp2

Vdc/6

2Vdc/62Vdc/6

� Mehr Schalter � komplexere Topologien

� Von “Kupfer zu Silizium”

� Von passiven zu aktiven Bauteilen

� Von wenig Rechenleistung zu mehr Rechenleistung

ABB-WeltrekordErster IGBT-basierter transformatorloser MS-Antrieb

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�August 2, 2011 | Slide 18

� Mittelspannungsantrieb ACS2000

� 4.16 – 6.9 kV, 0.3 – 2 MVA

� Regenerativ

� Transformatorlos

� 2009: 1. Pilot bei Jura Cement

Warum Kühlung wichtig istVerlustleistung als technische Limite …

0 50 100 150 200

Herd-platte

Mikro-prozessor

Leistungs-halbleiter

W/cm2

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�August 2, 2011 | Slide 19

= = = = = = Verlust

= = P = = THalbleiter TKühlkontakt

RHalbleiter zu Kühlkontakt

-

… für weitere Leistungserhöhungen

Leistungs-halbleiter

Herdplatte

Mikro-prozessor

100%

40%

2007 2011

… zur Erhöhung der Leistungsdichte

ABB NS-Antriebe

Kühltechnologie-Trends

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�August 2, 2011 | Slide 20

Standard-Kühlkörper

Mehrseitige Kühlung

Flüssigkeits-kühlung

Heat-Pipe2-Phasen-Kühlung

„Nutzen“ / Komplexität

Zeitachse

ABB-Stand der TechnikHeat-Pipe-Kühlung

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�August 2, 2011 | Slide 21

� 2008: Weltweit erste Heat-Pipe für Mittelspannungsanwendung(Generatorschalter)

� Weiterentwickelt für Trocken-transformatoren

� Kompaktere Bauweise

� Tiefere Betriebskosten

� Hohe Verfügbarkeit

� Antriebsprototypen in Erprobungsphase

� 30% kleiner bei gleicher Leistung

Bild auf Anfrage

WertschöpfungsketteLeistungselektronikbasierte Anwendungen

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�August 2, 2011 | Slide 22

Leistungshalbleiter Produkte & Anwendungen

Industrien

Energie

Transport

Schlüsselbausteine

Topologie & Regelung

Kühltechnologien

WertschöpfungsketteLeistungselektronikbasierte Anwendungen

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�August 2, 2011 | Slide 23

Leistungshalbleiter Produkte & Anwendungen

Industrien

Energie

Transport

Schlüsselbausteine

Topologie & Regelung

Kühltechnologien

WertschöpfungsketteLeistungselektronikbasierte Anwendungen

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�August 2, 2011 | Slide 24

Leistungshalbleiter Produkte & Anwendungen

Industrien

Energie

Transport

Schlüsselbausteine

Topologie & Regelung

Kühltechnologien Grösster Verursacher

von CO2

Zweitgrösster Verursacher

von CO2

Grösster Verbraucher el. Energie

WertschöpfungsketteLeistungselektronikbasierte Anwendungen

� Energieeffizienz – Einsparpotenzial

� MS-Antriebe: 230 TWh

� < 4% der Motoren nutzen MS-Antriebe

� 30% der Motoren haben Einsparpotenzial

� NS-Antriebe: 1700 TWh

� 10 x installierte MS-Motoren-Leistung

� 30% nutzen NS-Antriebe

� 30% der Motoren haben Einsparpotenzial

� Einsparpotenzial Total 1930 TWh

� Ca. 275 GW installierte Kraftwerksleistung

� Amortisation in 0,5 – 3 Jahren

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�August 2, 2011 | Slide 25

Produkte & Anwendungen

Industrien

Energie

Transport

Einsparpotenzial mit drehzahlvariablen AntriebenWarum sind Einsparungen möglich?

Zwei Hauptgründe

1. Prozesse nutzen selten Maximalbetrieb

� Pumpen, Lüfter, Kompressoren

� „Statt mit Vollgas auf der Bremse zu stehen, sollten wir lieber das Gaspedal benutzen“

2. Viele Pumpen, Lüfter etc. sind zusätzlich überdimensioniert

� Verbrauchen ohne Antriebe noch die überdimensionierte Energie

� Wo geht die nicht genutzte Energie hin?

� Wärme, Lärm, Vibration …

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�August 2, 2011 | Slide 26

�© ABB Group

�August 2, 2011 | Slide 27

Beispiel Pumpenauswahl – „eine kleine Pumpe“Beispiel aus den USA

Basisberechnung ergibt: 160 Liter/Sek. bei einer Druckhöhe von 30 m

Der Aufseher des Betriebs (Operation Supervisor) – mindestens 190 l/s planen. Er hat auch gehört, dass die Anlage wahrscheinlich innerhalb von 5 Jahren ausgebaut wird. Seine Empfehlung: Maximalfluss 230 l/s.

Der Junior-Projekt-Ingenieur (Junior Project Engineer) – Da Handbücher empfehlen Sicherheitsmargen. Er addiert 15% zu dem berechneten Wert.

Der Vorgesetzte der Ingenieure (Senior Project Engineer) – ist sich nicht sicher, ob der Junior-Ingenieur alle Merkmale richtig berechnet hat; er addiert deswegen 10% zu jeder Grösse.

Einkaufsabteilung – sendet die Anfrage an verschiedene Pumpenlieferanten

Pumpenlieferant – bestätigt die „Anforderungen“ im Gespräch mit dem „Senior Project Engineer“ und wählt eine Pumpe mit dem höchsten Wirkungsgrad, die auch den Anforderungen entspricht.

Quelle: Hydraulic Institute

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�August 2, 2011 | Slide 28

Pumpenauswahl… warum Drehzahlregelung vorteilhaft ist

105 kW

Eine Senkung der Pumpenleistung von 45 kW entspricht etwa €20’000/Jahr

50

40

30

20

10

30025020015010050

60 kWDrossel-ventil

Dru

ck [m

]

Fluss [l/s]

Quelle: Hydraulic Institute

Installiert: eine Pumpe mit 252 l/s und 82% Wirkungsgrad

Gebraucht: 160 l/s bei 30 m und 80% Wirkungsgrad = 60 kW (75-kW-Motor)

Betrieb: 160 l/s bei 50 m und 75% Wirkungsgrad = 105 kW (120-kW-Motor)

Beispiel: Projecto Valorsul

� Kunde: Portugal

� Ca. 1 Mio. Tonnen Abfall p.a.

� Anwendung: Lüfter in Abfallbewirtschaftung

� Ziel: Energieeinsparung

� Lieferumfang:

� Drei NS-Antriebe 400V / 200kW

� Drei MS-Antriebe 6,4kV / 700kW

� Messresultate vor Ort

� 9 MWh Einsparung täglich

� Ca. 240’000 € jährlich

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�August 2, 2011 | Slide 29

ACS 2000

ACS 800

Beispiele einiger bestätigter Energieeinsparungen

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�August 2, 2011 | Slide 30

Kunde Industrie Anwendung Leistung[kW]

Einsparung[kWh] [ %]

PeñaColorada Bergbau Lüfter 1’250 2'423'750 35%

China SteelTaiwan Metall Druckpumpe 672 3'030'720 61%

Cruz Azul,Mexico Zement Saugzug-Lüfter 1’470 5'309'640 54%

Repsol YPF,Argentina Chemie Lüfter 3’000 7'560'000 43%

Daqing PlasticFactoryChina

Chemie Mixer 1’300 2'600'000 31%

Mittelwert der Energieeinsparung: 42%

WertschöpfungsketteLeistungselektronikbasierte Anwendungen

� Übertragungstechnologien

� HGÜ

� Netzstabilisierung (FACTS)

� Einkopplung erneuerbare Energieerzeugung

� Wind / Solar / Wasser

� Batteriespeicherung

� Stromnetzversorgung von Schiffen im Hafen

� DC-Netze

� Datacenters

� Windfarmen

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�August 2, 2011 | Slide 31

Industrien

Energie

Transport

Produkte & Anwendungen

Wussten Sie, dass ABB …

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�August 2, 2011 | Slide 32

� Solar Inverter

� Von MS-Inverter für Solarfarmen ...

� ... bis zu Inverter für NS-Solarpanels auf Gebäuden

� 3 .. 8kW

� transformatorlos

� Batteriespeicherung

� Modulare Energiespeicherlösungen

� 100 kW .. 4 MW

WertschöpfungsketteLeistungselektronikbasierte Anwendungen

� Bahntransport

� Antriebssysteme

� Bahnnetzversorgung

� Schiffstransport

� Antriebssysteme

� Prozesssteuerung

� DC-Verteilnetze auf Schiffen

� E-Mobility

� Ladeinfrastruktur

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�August 2, 2011 | Slide 34

Industrien

Energie

Transport

Produkte & Anwendungen

Wussten Sie, dass ABB …Rekorde mit energieeffizienten Bahnantrieben

�© ABB Group

�August 2, 2011 | Slide 35

� Indian Railways, Modernisierung

� 4.6 MW pro Lokomotive

� Erfolgreicher Test mit Kohlezug von 5000 t

� Umrichterverluste um >20% reduziert

� DB ICE 1, Umrichterersatz

� 4.8 MW pro Antriebskopf

� 15% Energieeinsparung

� Warum möglich?

=> Technologie

Wussten Sie, dass ABB …ABB Schritte in der Elektrofahrzeugindustrie

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�August 2, 2011 | Slide 36

� Ladeinfrastruktur für Batterien

� Stunden .. Minuten

� AC-Ladung

� 1 .. 40 kW

� DC-Ladung

� 50 kW

� Zu Hause, öffentlich, „Tankstelle“

ABB charging offeringGeneva Motor Show

March 3-13, 2011

ECOtality investmentEV charging solutions, NAM

January 10, 2011

ABB DC charging solutionsWorldwide pilot installations

2010-

installed under discussion

Fast charger introductionGeneva Motor Show

March 4-14, 2010

…

…

Leistungselektronik im Zentrum von Energieeffizienz

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�August 2, 2011 | Slide 37

Leistungshalbleiter Schlüsselbausteine

Topologie & Regelung

Kühltechnologien

Produkte und Anwendungsgebiete

Industrien

Energie

Transport

�© ABB Group

�August 2, 2011 | Slide 38© ABB Group August 2, 2011 | Slide 38

Verluste entlang der EnergieketteLeistungselektronik als eine Schlüsseltechnologie

etwa 60% Verluste

Verfügbare Energie bis zu 80% Verluste

Verfügbare Energie

100%20%

100%40%

Übertragung& Verteilung

Strom-erzeugung

Primärenergie-gewinnung & -transport

Endnutzer� Industrie� Haushalte

Das Geschäft mit dem SandWeiterhin „schnell schalten“ …

�© ABB Group

�August 2, 2011 | Slide 39

…für Energieeffizienz und CO2-Reduktion

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Energie-effizienteIndustrien

EffizienteNetze

Neue Erneuerbare

Ökologische Transport-systeme

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�August 2, 2011 | Slide 40