Hartgelötete Metall-Keramik-Verbunde als Schlüsselkomponenten für die Energiewende

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1 0 Hartgelötete Metall-Keramik-Verbunde als Schlüsselkomponenten für die Energiewende WE POWER THE FUTURE Erlangen, , Dr.-Ing. H. Wampers LAPP Insulators Alumina GmbH

2 Alumina Business unit LAPP Insulators Alumina Gehäuse für Hochleistungselektronik Rohre für Vakuumschalter New Products 1 Produkte Dioden (1-way flow) Schalter (on/ off Funktion) IGCT, GTO, Thryristors 12kV & 8000A Leistungsübertragung ~80 MW (6 ) Metallisierte Rohre - >Ø300mm Mittelspannungsschalter Mittelspannungssicherungen Vakuumdurchführungen Laserstrahl-Erzeugerröhren (CO 2 ) Metallisierte Keramiken (Mo,W,Ag) Schlüsseleigenschaft en Aluminiumoxidkeramik (96%): : Hohe Festigkeit zur Aufnahme der Verbundspannungen Hohe Haftfestigkeit der MoMn-Schicht Keramik-Metallverbund Vakuumdichtigkeit bis 10-9 mbarl/s 5µm Ebenheit des Kupferkontakts Aluminiumoxidkeramik (96%): : Thermische/Chemische Stabilität Hohe elektrische Isolation (>25kV/mm) Hohe Festigkeit zur Aufnahme der Verbundspannungen Geeignete Glasur zur Unterbindung von Kriechströmen Aluminiumoxidkeramik (96%): Hohe elektrische Isolation (>25kV/mm) Hohe Festigkeit zur Aufnahme der Verbundspannungen Ceramic-to-metal joints technology: Vakuumdichtigkeit bis 10-9 mbarl/s Haftfestigkeiten >280MPa Ziel- Branchen HVDC classic (HGÜ) Industrieanwendungen (Fast starters) Mittelspannungsschalter Hochspannungsschalter Vakuumtechnik Lasertechnik Sonderanwendungen HVDC light (IGBT) Produktions standorte Redwitz (D) / Hradec Kralove (CZ) Redwitz (D) / Hradec Kralove (CZ) Redwitz (D) / Hradec Kralove (CZ)

3 2 Anwendungen Energieverteilung und -erzeugung Hochspannunsgleichstromübertragung (HGÜ) HVDC-Baustein Ventilhalle HGÜ 2x15 ( HVDC Thyristoren classic ) Netzstabilisierung Quelle: Andres, J. Prospects for HVDC - Getting more out of the Grid ;November 2006; Siemens AG Quelle: Dorn,J. Leistungshalbleiter für Smart Grids und Systeme zur Leistungsübertragung; Dez 2010; Infineon Technologies Bipolar GmbH&Co.KG

4 3 Industrieanwendungen Antriebe im MW-Bereich Pumpstationen Diesel-elektrischer Antrieb Stahlverarbeitung

5 4 Markt nach Industrien und Anteilen für Hochleistungsgehäuse >Ø HGÜ 6 Mio. ; 18,1% LAPP Alumina 15 Mio ; 45,5% 15,00 Industrie 27 Mio ; 81,9% 17,90 Übrige 18 Mio ; 54,5% HGÜ stellt den deutlich kleineren Bereich dar HVDC Industrie LAPP Alumina liefert in den Top-Qualitätsbereich für HGÜ-Hochleistungskomponenten Lapp Der chinesische Wettbewerb ist enorm (XI an Peri, Shouzhou..) und von Europa aus aufgebaut worden Trotz guter Zukunftsaussichten im HGÜ-Bedarf, wird ein immer größerer Teil direkt aus China geliefert. Andere

6 5 HGÜ-Technik: Zwei Lösungen für unterschiedliche Anforderungen HVDC Classic (Netzgeführte HGÜ) Thyristor-Technik Freileitung oder Massekabel Stufenweise Blindleistungsbereitstellung Kurzschlussleistungsbedarf Leistungsbereich: MW Fernübertragung großer Leistungen Verluste im Bereich 5-7% HVDC Light (Selbstgeführte HGÜ) IGBT-Technik Freileitung oder VPE-Kabel Stufenlose Blindleistungsbereitstellung dynamische Spannungsregelung Schwarzstartfähigkeit Leistungsbereich: MW Windkraft, Elektro-Mobi, Solar Verluste im Bereich 1-3% Quelle: Benz, T. Hochspannungsgleichstromübertragung Autobahnen für den Ferntransport von Elektrizität ;Okt 2009; ABB Group

7 6 Einsatzgebiete für HGÜ-Technik Quelle: Benz, T. Hochspannungsgleichstromübertragung Autobahnen für den Ferntransport von Elektrizität ;Okt 2009; ABB Group

8 7 Anwendungen Energieverteilung und -erzeugung HGÜ in China: Geplant mehr als 220GW bis 2018 > 800kV erfordert 6 Gehäuse (Top-Segment) Pro GW werden 800 Gehäuse gebraucht, d.h. 6400MW 5120 Gehäuse Starker chinesischer Wettbewerb, Aufträge werden zu 50% in China vergeben Quelle: Stark, G. Hochspannungsnetzausbau in Deutschland; Mai 2012; ABB Group

9 8 Gehäusespektrum von LAPP Insulators Alumina Abmessungen Spannungsklasse V, bis A (= 80MW pro Gehäuse!) Durchmesser 2 bis 6 Produktionsmethode Aufbereitung Granulat 96% Trockenpressen und Grünbearbeitung Keramik Metallisieren (MoMn 5-18µm mit Siebdruck) Löten (Ag-Cu -Lot 820 C) in Formiergas Ni-Galvanisieren (3-8 µm galvanisch/chemisch) ca Gehäuseeinheiten p.a. Spezialprodukte IGCT Integrated Gate Commutated Thyristor (exklusiv ABB) LTT Light Triggered Thyristor (exklusiv Siemens) GTO Gate Turn Off Thyristor

10 9 Höchste Produktanforderungen an Performance und Life Cycle Kaltverschweißtes Gehäuse und Mo-Package Mo-Sandwich mit Chip verschiedene Typen Preisbereich: pro Set Nickel Contact piece (OF-Copper) Ni/Braze/MoMn ceramic Al 2 O 3 Technische Anforderungen für Gehäuse: Al 2 O 3 > 92% Durchmesser bis 200 mm MoMn-Metallisierung mit hoher Haftfestigkeit Verbindung mit Gehäuseflanschen aus OF-CU, NiFe42 oder NiFeCo Verbindung Gehäuse/Deckel durch Kunden über Kaltverschweißung He-Vakuumdichtigkeit bis 10-9 mbar L/s 5 µm Ebenheit nach dem Löten für Kontaktstück-Innenseite = Chipkontakt Lebenszyklus >30 Jahre

11 10 Hartlöttechnik für Cu/Cu- und Al 2 O 3 /Cu-Verbunde OF-CU Kontakt OF-CU - Membran OF-CU - Membran Lotkehle (Ag-Cu 820 C) MoMn-Metallisierung + Ni Al 2 O 3 Al 2 O 3 Verbundaufbau durch MoMn-Metallisierung 5-18µm oder W-Metallisierung Vernickelung mit Schichtdicken von 2-5µm (chemisch/galvanisch) als Flussmittel Löten mit Ag-Cu-Eutektikumlot in Formiergasatmosphäre Erzeugung eines vakuumdichten Verbundes bis 10-9 mbarl/s

12 11 Steigerung der Performance und Herausforderungen 3200MW 500kV 5000MW 660kV 6400 MW 800kV Druckverteilung bei nicht vollflächigem Kontakt Molybdän schmilzt bei Temperatur > 2600 C Nicht vollflächiges Anliegen des Chips führt zur lokalen Überhitzung (80MW/Thyrsitor pro 130cm²=615 kw/cm² ) Ausfall der Anlage/Neues Anfahren (Schwarzstart) Quelle: Dorn,J. Leistungshalbleiter für Smart Grids und Systeme zur Leistungsübertragung; Dez 2010; Infineon Technologies Bipolar GmbH&Co.KG

13 12 Spezialitäten in der Hochleistungselektronik: IGCT s & LTT s High-end Anwendung: Weiterentwicklung zum GTO Schaltung durch Gatesignal mit geringeren Leitungsverlusten als bei GTO s Meiste Anwendungen ohne Snubber (RC- Dämpfungsglied) möglich Höhere Arbeitsfrequenzen als GTO s (500Hz) Einsatz vor allem in Track-Anwendungen IGCT von LAPP Alumina Vernickeltes Kontaktstück mit eingelötetem Saphirglasfenster zur Lichtzündung Geringerer Steueraufwand durch Laserdioden auf Erdpotential Einsatz in HGÜ-Kopplung Leistungsklasse 600kV LTT von LAPP Alumina

14 13 Anwendungen Energieverteilung und -erzeugung HGÜ mit IGBT-Technik (HVDC Light ) Neues IGBT-Modul; max. 2400MW Substrate mit MoMn-Beschichtung Flexible Schaltung ohne Blindleistungskompensation Max. Leistung 2400 MW Verluste geringer als bei HVDC classic Einsatz für Windparks, Solaranwendungen Herkömmliches IGBT-Modul ~300MW Quelle: Stark, G. Hochspannungsnetzausbau in Deutschland; Mai 2012; ABB Group

15 14 Globales Projekt: DESERTEC Solar Tower Fresnel Collector Parabolic Collector Asia Super Grid: Erreichtung eines elektrischen Versorgungsnetzes aus erneuerbaren Energien zur Versorgungdes Ost-Pazifischen und Nord-Europäischen Raumes Europa wird zur Schaltzentrale der Energieverteilung

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