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Erlangen, 4.-5.12.2012, Dr.-Ing. H. Wampers LAPP Insulators Alumina GmbH

WE POWER THE FUTURE

Hartgelötete Metall-Keramik-Verbunde als

Schlüsselkomponenten für die Energiewende

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Business unit LAPP Insulators Alumina

Produkte

Schlüssel-

eigenschaft

en

Ziel-

Branchen

Produktions

standorte

Dioden (1-way flow)

Schalter (on/ off Funktion)

IGCT, GTO, Thryristors

12kV & 8000A

Leistungsübertragung ~80 MW (6”)

Gehäuse für Hoch-

leistungselektronik

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

Redwitz (D) / Hradec Kralove (CZ)

Metallisierte Rohre

- >Ø300mm

– Mittelspannungsschalter

– Mittelspannungssicherungen

Rohre für

Vakuumschalter

Aluminiumoxidkeramik (96%): :

– Thermische/Chemische Stabilität

– Hohe elektrische Isolation (>25kV/mm)

– Hohe Festigkeit zur Aufnahme der

Verbundspannungen

– Geeignete Glasur zur Unterbindung

von Kriechströmen

Redwitz (D) / Hradec Kralove (CZ)

Vakuumdurchführungen

Laserstrahl-Erzeugerröhren (CO2)

Metallisierte Keramiken (Mo,W,Ag)

New Products

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

Redwitz (D) / Hradec Kralove (CZ)

Alumina

HVDC classic (HGÜ)

Industrieanwendungen (Fast starters) Mittelspannungsschalter

Hochspannungsschalter

Vakuumtechnik

Lasertechnik

Sonderanwendungen

HVDC light (IGBT)

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Hochspannunsgleichstromübertragung (HGÜ)

Anwendungen Energieverteilung und -erzeugung

Ventilhalle HGÜ („HVDC classic“) Netzstabilisierung

Quelle: Andres, J. „Prospects for HVDC - Getting more out of the Grid“;November 2006; Siemens AG

HVDC-Baustein 2x15 Thyristoren

Quelle: Dorn,J. „Leistungshalbleiter für Smart Grids und Systeme zur Leistungsübertragung; Dez 2010; Infineon Technologies Bipolar GmbH&Co.KG

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Industrieanwendungen

Pumpstationen StahlverarbeitungDiesel-elektrischer

Antrieb

Antriebe im MW-Bereich

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HVDC Industrie

Markt nach Industrien und Anteilen für

Hochleistungsgehäuse >Ø3“ 2010

6 Mio. €;

18,1%

27 Mio €;

81,9%

HGÜ

Industrie

HGÜ stellt den deutlich kleineren Bereich dar

LAPP Alumina liefert in den Top-Qualitätsbereich

für HGÜ-Hochleistungskomponenten

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.

15,00

17,90

Lapp Andere

LAPP Alumina

15 Mio €; 45,5%

Übrige

18 Mio €; 54,5%

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HGÜ-Technik: Zwei Lösungen für unterschiedliche

AnforderungenHVDC Classic (Netzgeführte HGÜ)

Thyristor-Technik

Freileitung oder Massekabel

Stufenweise Blindleistungsbereitstellung

Kurzschlussleistungsbedarf

Leistungsbereich: 300-6.400 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: 50-1.100 MW

Windkraft, Elektro-Mobi, Solar

Verluste im Bereich 1-3%

Quelle: Benz, T. „Hochspannungsgleichstromübertragung – Autobahnen für den Ferntransport von Elektrizität“;Okt 2009; ABB Group

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Einsatzgebiete für HGÜ-Technik

Quelle: Benz, T. „Hochspannungsgleichstromübertragung – Autobahnen für den Ferntransport von Elektrizität“;Okt 2009; ABB Group

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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 vergebenQuelle: Stark, G. „Hochspannungsnetzausbau in Deutschland; Mai 2012; ABB Group

Anwendungen Energieverteilung und -erzeugung

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Abmessungen

Spannungsklasse 12 – 10.000 V, bis 8.000 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. 350.000 Gehäuseeinheiten p.a.

Gehäusespektrum von LAPP Insulators Alumina

Spezialprodukte

IGCT – Integrated Gate Commutated Thyristor (exklusiv ABB)

LTT – Light Triggered Thyristor (exklusiv Siemens)

GTO – Gate Turn Off Thyristor

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Höchste Produktanforderungen an Performance und Life Cycle

Technische Anforderungen für Gehäuse:

Al2O3 > 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 Jahre70 – 80 verschiedene Typen

Preisbereich: € 10 - € 200 pro Set

Al2O3

ceramic

Ni/Braze/MoMn

Contact piece (OF-Copper)Nickel

Mo-Sandwich

mit Chip

Kaltverschweißtes Gehäuse und Mo-Package

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Hartlöttechnik für Cu/Cu- und Al2O3/Cu-Verbunde

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 10-9mbarL/s

Al2O3

OF-CU - Membran

OF-CU

Kontakt

Lotkehle

(Ag-Cu 820°C)

OF-CU - Membran

MoMn-Metallisierung + Ni

Al2O3

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Steigerung der Performance und Herausforderungen

6400 MW

800kV3200MW

500kV

5000MW

660kV

Quelle: Dorn,J. „Leistungshalbleiter für Smart Grids und Systeme zur Leistungsübertragung; Dez 2010; Infineon Technologies Bipolar GmbH&Co.KG

Nicht vollflächiges Anliegen des Chips führt zur lokalen Überhitzung

(80MW/Thyrsitor pro 130cm²=615 kW/cm² )

Ausfall der Anlage/Neues Anfahren (Schwarzstart)

Druckverteilung bei nicht

vollflächigem KontaktMolybdän schmilzt bei Temperatur

> 2600°C

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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

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HGÜ mit IGBT-Technik (HVDC Light®)

Substrate mit MoMn-Beschichtung

Flexible Schaltung ohne Blindleistungskompensation

Max. Leistung 2400 MW

Verluste geringer als bei HVDC classic

Einsatz für Windparks, Solaranwendungen…

Neues IGBT-Modul; max. 2400MW

Quelle: Stark, G. „Hochspannungsnetzausbau in Deutschland; Mai 2012; ABB Group

Anwendungen Energieverteilung und -erzeugung

Herkömmliches IGBT-Modul ~300MW

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Globales Projekt: DESERTEC

Asia Super Grid: Erreichtung eines elektrischen Versorgungsnetzes aus

erneuerbaren Energien zur Versorgungdes Ost-Pazifischen und

Nord-Europäischen Raumes

Europa wird zur „Schaltzentrale“ der Energieverteilung

Solar Tower

Fresnel Collector

Parabolic Collector

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WE POWER THE FUTURE