Das in den nächsten 10 Jahren erwartete starke Wachstum im Bereich der Erzeugung erneuerbarer Energien wird zu einer erhöhten Nachfrage für Kondensatoren führen, die für zahlreiche kritische Zwecke benötigt werden, darunter die Stromumwandlung in den schnell wachsenden Solar- und Windsegmenten. Dazu wird sich die global installierte Kapazität für erneuerbare Energiequellen laut Marktforschungsunternehmen Frost & Sullivan im kommenden Jahrzehnt mehr als verdoppeln. Die Gesamtkapazität wird von 1.566 GW im Jahr 2015 auf 3.203 GW im Jahr 2025 steigen.
Angeführt wird dieses Wachstum von der Fotovoltaik (PV), die in diesem Zeitraum 33,4 Prozent der neuen Kapazitäten stellen wird. An zweiter Stelle folgt die Windenergie mit 32,7 Prozent der zusätzlichen Kapazitäten. In anderen Bereichen, beispielsweise bei der Wasserenergie, wird das Wachstum weniger rasant vonstattengehen.
Frost & Sullivan verweisen im Zuge des Aufschwungs der erneuerbaren Energien auf mehrere Faktoren, darunter den Preisabfall durch technologischen Fortschritt und erhöhte Wirtschaftlichkeit durch Massenproduktion. So ist beispielsweise der Preis für Sonnenkollektoren von 2008 bis 2013 um 70 Prozent gesunken. Durch solche Preisstürze konnten die erneuerbaren Energien ihre Wettbewerbsfähigkeit gegenüber den fossilen Brennstoffen stärken.
Solarmaximum
Kondensatoren spielen auf dem Solarmarkt eine wichtige Rolle. Sie sind u. a. in PV-Wechselrichtern verbaut, welche den in den Solarzellen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln, der dann in das Netz eingespeist werden kann. Wechselrichter nutzen typischerweise große Kondensatoren, welche den Strom speichern.
Der weltweite Markt für PV-Wechselrichter belief sich laut IHS im Jahr 2014 auf 6,6 Milliarden US-Dollar. Derzeit unterliegt das Geschäft einem starken Wettbewerb, da chinesische Lieferanten in den Markt eingetreten sind, um die wachsende private Nachfrage zu stillen.
Für diese Wechselrichter ist Zuverlässigkeit von größter Bedeutung. Solarsysteme müssen lange Zeit betrieben werden können; einige Hersteller bieten sogar Garantien über 25 Jahre für ihre Systeme an. PV-Kollektoren können den Großteil ihrer Ausgabeleistung über 40 Jahre und länger halten. Da diese Systeme im Freien installiert werden und verschiedenen Witterungsbedingungen ausgesetzt sind, müssen sie auch innerhalb eines breiten Temperaturspektrums zuverlässig funktionieren.
Aufgrund ihrer wesentlichen Rolle in Solarsystemen müssen PV-Wechselrichter außerdem Wetterextremen standhalten und über einen langen Zeitraum funktionsfähig bleiben können. In der Vergangenheit waren Wechselrichter nur für wesentlich kürzere Zeiträume geeignet, in manchen Fällen kaum mehr als fünf Jahre. Die meisten neuen Produkte jedoch verfügen über eine viel längere Lebensdauer; so bietet SolarEdge Technologies beispielsweise 12 Jahre Garantie auf seine Wechselrichter.
Kondensatorausfall
Der Kondensatorausfall ist eine wichtige Ursache für Fehlfunktionen in PV-Wechselrichtern. Diese Komponenten unterliegen verschiedenen Belastungen, darunter Vibrationen, mechanischer Belastung und Dauerbetrieb bei Höchstspannungen. Experten weisen außerdem darauf hin, dass Elektrolytkondensatoren, die nicht auf Festelektrolyten basieren, schneller altern als Elektrolytkondensatoren, die auf Festelektrolyten basieren. Dies kann eine verkürzte Lebensdauer dieser Kondensatoren und damit der PV-Wechselrichter, in denen sie verbaut sind, nach sich ziehen. Daher verwenden einige Hersteller von Wechselrichtern andere Kondensatoren, darunter Dünnfilm- und Keramikkondensatoren, die über eine längere Lebensdauer verfügen.
EPCOS bietet einen Leistungskondensator (PCC) an, der für solche Anwendungen geeignet ist. Dieser kompakte Leistungskondensator verfügt über sehr niedrige ESR- und ESL-Werte und kann direkt auf dem IGBT-Modul verbaut werden. Dank der Unempfindlichkeit und dem kleinem Formfaktor des PCC kann dieser Kondensator in Wechselrichtern mit begrenztem Einbauplatz in Fotovoltaikanlagen verbaut werden.
Große Probleme mit Modulwechselrichtern
Die mit Kondensatoren in PV-Wechselrichtern einhergehenden Möglichkeiten — und Probleme — nehmen mit der neuen Generation von Wechselrichtern, den sogenannten Modulwechselrichtern, zu. PV-Wechselrichter wurden bisher in Strangkonfigurationen verwendet, in denen die Ausgabeleistung mehrerer Solarmodule kombiniert wurde. Im Gegensatz dazu ist jeder Modulwechselrichter mit nur einem Solarmodul gepaart. Das bedeutet, dass eine Minderung in der Ausgabeleistung eines einzelnen Moduls nicht die Ausgabeleistung der gesamten Anordnung unverhältnismäßig mindert.
Modulwechselrichter können direkt in Sonnenkollektoren und somit zu Gleichstrom-Solarmodulen integriert werden. Dies vereinfacht den Einbau und reduziert die Materialkosten. Zudem werden auf diese Weise im Vergleich zu Strangwechselrichtern die hohen Kosten für Modulwechselrichter ausgeglichen. Für das Modulwechselrichtersegment wird ein schnelles Wachstum erwartet; so sollen sich die weltweiten Markteinnahmen laut dem Marktforschungsunternehmen IHS von 329 Millionen US-Dollar im Jahr 2013 bis zum Jahr 2018 auf 1,1 Milliarden US-Dollar beinahe verdreifachen. Da Modulwechselrichter in manchen Fällen jedoch direkt mit den PV-Modulen verbunden sind, ist es für diese Geräte von wesentlicher Bedeutung, dass ihre garantierte Lebensdauer der Lebensdauer der Sonnenkollektoren selbst entspricht — also ca. 25 Jahre.
Nur ein Wort: Kunststoffe
In manche Modulwechselrichter können mittlerweile Polyesterfilmkondensatoren verbaut werden. Eine Möglichkeit umfasst einen Stützkondensator von EPCOS, der auf Polyesterfolie (einer Art Kunststoff) basiert. Durch die Verwendung dieses Geräts werden Probleme mit der Lebensdauer, wie sie bei Elektrolytkondensatoren auftreten, umgangen.
Windenergie
Kondensatoren spielen auch bei der Windenergie eine wachsende Rolle. In den letzten Jahren konnte sich auf dem Windmarkt eine neue Generation von Turbinen mit Direktantrieb behaupten. Diese Turbinen nutzen eine direkte Verbindung zwischen dem Rotor und dem Generator. Laut der Befürworter der Direktantrieb-Technologie macht dieser neue Ansatz Windturbinen weniger komplex und mindert so den Wartungsaufwand. Dies ist insbesondere für Offshore-Turbinen interessant, deren Standort Reparaturen kostspielig macht.
Die Generatoren in Direktantrieb-Turbinen erfordern Kondensatoren, die eine hohe Kapazität, Zuverlässigkeit und Unempfindlichkeit mit sich bringen. EPCOS bietet eine Serie von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit Schraubanschluss für diesen Markt, die für Turbinen mit Direktantrieb geeignet sind. Zusammen mit ihrer hohen Kapazität entsprechen diese EPCOS-Kondensatoren allen Anforderungen an Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Temperaturbeständigkeit. Die Kondensatoren verfügen über eine hohe Energiedichte, was dem beengten Raum in Windturbinen entgegen kommt. Sie können je nach Anwendungen in Windenergieanlagen in Reihe oder parallel geschaltet werden.
Kapazität für Änderung
Dank der steigenden Investitionen in erneuerbare und Produktion von erneuerbaren Energien sehen Kondensatorhersteller den Markt als zunehmend attraktive Absatzmöglichkeit. Sie bieten nun auch Teile an, die speziell auf die Anforderungen von Solar- und Windsystemen abgestimmt sind. Dadurch ermöglichen sie eine schnellere Umsetzung, geringere Wartungskosten und einen höheren Wirkungsgrad der erneuerbaren Energien.