Rainer Marquardt

Gewinner des Europäischen Erfinderpreis 2026

Im ersten Jahrhundert der Elektrifizierung wurden viele potenzielle Anwendungen durch fehlende oder rudimentäre Steuerungsmethoden eingeschränkt, da elektronische Converter, die eine effiziente Steuerung ermöglichen, unbekannt oder noch nicht realisierbar waren. Dieser fundamentale Mangel wurde erst seit dem Beginn der 1980er Jahre durch die großen Fortschritte der Halbleitertechnologie und der elektronischen Systeme gemindert. Für zahlreiche wichtige Anwendungen, wie u.a. elektrische Hochgeschwindigkeitszüge, elektrische Autos, Industrieantriebe, Stromversorgungen für Computer, wurden technisch und industriell gut realisierbare Converter verfügbar.

Für die zukünftig wichtigen Anwendungen im Hochleistungsbereich erschienen geeignete Converter jedoch weiterhin sehr weit entfernt von der technischen und industriellen Realisierbarkeit, weil die notwendigen Bedingungen für Energienetz-Anwendungen fehlten: Sehr hohe Leistungen bis in den Gigawatt-Bereich, in Kombination mit extrem hohen Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Funktionssicherheit und Effizienz. Professor Marquardt hat diese Anforderungen frühzeitig erkannt und sie in den Mittelpunkt seiner Arbeiten an der Universität gestellt.

Ein Meilenstein moderner elektrischer Energiesysteme

Um das Jahr 2000, als Professor Marquardt begann über den Modular Multilevel Converter (MMC) nachzudenken, war die Leistungselektronik bereits sehr ausgereift und für viele Anwendungen - von kleinen Leistungen bis zu mehreren Megawatt - gut geeignet. Digitale Regelungssysteme waren erfolgreich eingeführt worden und ermöglichten hohe Flexibilität, sowie die wichtige digitale Schnittstelle zu übergeordneten Computern der Leittechnik. Für Anwendungen, welche eine höhere Leistung erforderten, bestand die übliche Lösung darin, mehrere Standardumrichter mit je einem eigenen, netzseitigen Transformator einzusetzen.

Professor Marquardt war jedoch überzeugt, dass eine wesentlich bessere Lösung möglich sein musste. Es sollte ein frei skalierbares Konzept sein, das ohne zusätzliche Transformatoren auskommt und keinerlei Einschränkungen hinsichtlich der erreichbaren Leistungen, Spannungen oder der Funktionalität aufweist. Um eine einfache industrielle Realisierung zu ermöglichen, musste das Konzept streng modular sein und auf neuartigen “Bausteinen” basieren, die er “Submodule” nannte.

Modulare Realisierungen von Standardumrichtern waren bereits vor dem Jahr 2000 mehrfach vorgeschlagen worden. Die Aufteilung der bekannten Standardumrichter in einzelne “Bausteine” führte jedoch immer zu sehr vielen, technisch komplexen Schnittstellen zwischen den Bausteinen, sodaß für die angestrebten, hohen Leistungen keine realen Fortschritte gemacht wurden. Die Submodule mussten daher technisch sehr einfache Schnittstellen aufweisen. Professor Marquardt gelang es, die neuartigen Submodule so zu gestalten, dass nur ein Glasfaserkabel für die Kommunikation und zwei weitere elektrische Kabel erforderlich wurden, die niederfrequente Ströme führen. Dadurch ergab sich ein weiterer praktischer Vorteil für die Realisierung großer Converter: Die Submodule eines MMC konnten räumlich freizügig in nahezu jeder geometrischen Konfiguration angeordnet werden.

In der Retrospektive läßt sich ein MMC in folgender Weise vereinfacht erklären: Die Submodule erfüllen die Funktion steuerbarer Spannungsquellen. Diese lassen sich in beliebiger Anzahl in Serie schalten, um die Zweige eines beliebigen Converters zu bilden. Mittels einer ebenfalls beliebig wählbaren Anzahl derartiger Zweige läßt sich ein Converter mit beliebiger Spannung, Leistung und Funktion konfigurieren. Ein derartiger Converter (MMC) benötigt gemeinhin keinerlei passive Filter zur Reduktion elektromagnetischer Störungen, keinen zentralen DC-Kondensator und keine zusätzlichen Transformatoren zur Energieeinspeisung der Submodule.

Die innere Struktur des MMC, sowie der Freiheitsgrad jedes Submodul individuell zu steuern, ermöglicht, einen MMC nach Defekten in der Elektronik zuverlässig weiter zu betreiben sowie extrem hohe Wirkungsgrade über 99% zu erzielen. Das Entwicklungspotential des MMC ist auch künftig sehr hoch, da das Konzept sowohl von Fortschritten der digitalen Steuerungsmethoden, der Halbleiter und der internen Topologie der Submodule profitiert.

Das Rückgrat zukünftiger Energiesysteme

Rainer Marquardt studierte Nachrichtentechnik (elektronische Kommunikation) an der Universität Hannover und arbeitete anschließend als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Leistungselektronik, wo er seine Arbeit mit Auszeichnung abschloß und zum Dr.-Ing. promovierte. Danach arbeitete er bei der Siemens AG in Erlangen in der Forschung und Entwicklung moderner Drehstromantriebe und der Leistungselektronik. Im Jahr 2000 wechselte er als ordentlicher Professor an die Universität der Bundeswehr in München, um das “Institut für Leistungselektronik und Steuerungen” zu leiten.

Dort richtete er die Forschung auf die zukünftigen Anforderungen der Leistungselektronik in Hochleistungs- und Netzanwendungen aus. Im Jahr 2001 meldete er das erste MMC-Patent an. Schon früh erkannte er das enorme Potential der Technologie als auch die erheblichen Hindernisse und Bedenken, die vor dem Einsatz von MMCs in industriellen Anwendungen überwunden werden mussten. Professor Marquardt arbeitete bei der Einführung der neuen Technologie viele Jahre mit Industriepartnern zusammen.

Einen Meilenstein erreichte die industrielle Einführung des MMC mit dem “Trans Bay Cable Project” in Kalifornien: Zwischen zwei MMC-Stationen (Pittsburg und San Francisco) wurde eine 400MW-Gleichstromverbindung mittels eines Seekabels installiert, die eine steuerbare Stromübertragung ermöglichte und zugleich ein Kohlekraftwerk ersetzte. Es folgten international eine Reihe weiterer, erfolgreicher Projekte, darunter das Nan`ao – Multiterminalnetz in China und die französisch-spanische INELFE – Verbindung, die eine steuerbare, bidirektionale Stromübertragung von zwei Gigawatt zwischen den beiden Ländern realisierte. Heute ist die MMC-Technologie unverzichtbar für moderne Energiesysteme und gewinnt zunehmend an Bedeutung für den Ausbau schnell wachsender Energie-Infrastrukturen, einschließlich neuer Rechenzentren.

“Eine neue Idee zu entwickeln ist eine Sache. Sie in reale Anwendungen zu überführen, erfordert viel mehr Arbeit, viel mehr Ausdauer und viel mehr Geduld”, so Rainer Marquardt. “Wenn der Erfolg nicht garantiert scheint, werden nicht viele Menschen ihre Zeit investieren. Echter Fortschritt hängt oft von Menschen ab, die das Potenzial neuer Ideen erkennen können.”