Smarter Transformator für die Energiewende

ETH-Elektrotechniker entwickelten einen «smarten» elektronischen Transformator, der Mittelspannung äusserst effizient in Niederspannung wandelt. Solche smarten Transformatoren sind ausserdem deutlich kleiner als herkömmliche Transformatoren. Sie sind unter anderem dort im Vorteil, wo der Raum begrenzt ist oder es auf ein geringes Gewicht ankommt, wie beispielsweise in Eisenbahn-Triebfahrzeugen.

Bahnverkehrs-Fahrleitungen führen meist Wechselstrom mit mittlerer Spannung. In den Triebfahrzeugen wird die Spannung auf einen niedrigeren Wert heruntertransformiert. «Dazu verwendete Transformatoren sind aus technischen Gründen grösser, je tiefer die Frequenz des Wechselstroms ist, und die ist im Bahnverkehr in der Schweiz und mehreren anderen europäischen Ländern mit 16,7 Hertz verhältnismässig tief», erklärt Daniel Rothmund. Er ist einer von zwei Doktoranden in der Gruppe von ETH-Professor Johann Kolar, welche den Transformator bauten.

«Smarte Transformatoren» wenden daher einen Trick an: In einem vorgeschalteten Konverter wird die Wechselstromfrequenz um ein Vielfaches erhöht. Der Transformator selbst kann dann klein gebaut werden. Ein nachgeschalteter Konverter erzeugt anschliessend wieder eine Wechselspannung mit der gewünschten Frequenz.

Rothmund und sein Kollege Thomas Guillod mussten für ihren elektronischen Transformator viele Komponenten selbst entwickeln, da es für die verwendete Mittelspannung von 10'000 Volt nur wenige Bauteile ab Stange zu kaufen gibt. Wichtig waren vor allem Siliziumkarbid-Bauelemente – von einer amerikanischen Firma hergestellte Prototypen –, welche extrem schnelles Schalten ermöglichen. So gelang es den ETH-Doktoranden, Mittelspannung auf eine sehr hohe Frequenz von bis zu 75'000 Hertz zu konvertieren, und sie konnten ein Transformator-System bauen, das bei vergleichbarer Leistung nur einen Drittel so gross ist wie bisherige «smarte Transformatoren». Während die Energieeffizienz bisheriger Systeme bei rund 96 Prozent liegt, erreichten Rothmund und Guillod eine von 98 Prozent – mit anderen Worten: Sie konnten die Energieverluste von 4 auf 2 Prozent halbieren. 

Die Entwicklung erfolgte im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms 70 zur Energiewende, in welchem Technologien zur Umsetzung der Energiestrategie 2050 erforscht werden.