Halbleiter 16.07.2004, 18:31 Uhr

Halbleiter helfen Energie sparen

VDI nachrichten, Düsseldorf, 16. 7. 04 -Leistungselektronik und besonders die Leistungshalbleiter bestimmen mehr noch als die Mikroelektronik das tägliche Leben und tragen maßgeblich auch zur Energieeinsparung bei. Außerdem übernehmen sie zunehmend Aufgaben, die bisher von mechanischen oder hydraulischen Systemen geleistet wurden.

Etwa 40 % des weltweiten Energiebedarfs werden durch elektrische Energie gedeckt, das entspricht einem Wert von knapp 300 Mrd. $. Elektrische Antriebe verbrauchen rund die Hälfte dieser elektrischen Energie, und nur sehr wenige davon sind für ihren optimalen Einsatz drehzahlgeregelt“, meinte Alexander Lidow, CEO von International Rectifier anlässlich des Fachkongresses PCIM 2004 in Nürnberg. „Die Motoren für Kompressoren in Kühlschränken schalten gesteuert durch Bimetallschalter nur ein und aus, das ist wie Auto fahren mit voller Beschleunigung und anschließendem Halt, um eine bestimmte Geschwindigkeit einzuhalten.“ Laut Lidow ein nicht sehr effizienter Weg, der 60 % an elektrischer Leistung verschwende. Ähnlich verfahre man in der Industrie, wo Motoren in Maschinen oder Pumpanlagen ungeregelt mit voller Last laufen. Mehr als 90 Mrd. $ würden dadurch jährlich verschwendet.
Viele Einsatzmöglichkeiten gibt es für Leistungshalbleiter, die vorwiegend zum Schalten elektrischer Energie eingesetzt werden. Für kleine Leistungen bis hin zu einigen 100 W haben sich MOSFETs (Metal Oxide Field Effect Transistors) etabliert, bis zu einigen 100 kW schalten IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), und für den MW-Bereich gibt es die bereits klassischen Thyristoren und GTOs (Gate Turn-Off Thyristoren). Generell erlauben Leistungshalbleiter die Steuerung und Umformung elektrischer Energie, ohne selbst viel Energie dafür aufwenden zu müssen. Die Industrie unternimmt große Anstrengungen, die Verlustleistung dieser Bauelemente weiter zu reduzieren. Ein viel versprechender Weg ist der allmähliche Übergang vom Halbleitermaterial Silizium zu Siliziumkarbid.
Nach der Antriebstechnik seien die Beleuchtung mit 19 %, die Klimatechnik mit 16 % sowie die Informationstechnik mit 14 % am weltweiten elektrischen Energiebedarf beteiligt, und auch dort würden erhebliche Einsparpotenziale warten, beispielsweise durch den Ersatz von Glühlampen durch kompakte und Energie sparende Leuchtstofflampen. „In der EU sind ab 2006 magnetisch arbeitende Vorschaltgeräte nicht mehr zugelassen, wir haben daher ein komplettes elektronisches Vorschaltgerät auf einem integrierten Schaltkreis entwickelt, das die Kosten für die Kompakt-Leuchtstofflampe entscheidend senken kann“, erläutert Lidow.
„Nach Schätzungen der US-Regierung entfällt auf Netzteile für Konsumelektronik allein in den USA ein jährlicher Energieverbrauch von 207 Mrd. kWh, das sind etwa 6 % des elektrischen Energiebedarfs der USA. Mit effizienteren Designs ließen sich schätzungsweise 15 % bis 20 % einsparen“, ergänzt Arunjai Mittal, Leiter des Geschäftsgebiets Power Management & Supply von Infineon. Beispielsweise beträgt in einem typischen DVD-Rekorder mit 30 W Leistungsaufnahme die Stand-by-Leistung eines mit modernen Leistungshalbleitern ausgerüsteten Netzteils weniger als 100 mW. Der gemäß Energy Star und der europäischen Energiekommission maximal zulässige Wert für konventionelle Netzteile liegt dagegen bei 500 mW.
„Wir können davon ausgehen, dass weltweit jährlich leistungselektronische Bauelemente im Wert von 30 Mrd. $ in Systeme und Subsysteme wie Stromversorgungen oder Antriebe wandern, die wiederum mit einem Wert von 150 Mrd. $ in Automobile, Computer, Industrie- und Konsumelektronik eingehen. Diese Endprodukte repräsentieren ein Weltmarktvolumen von rund 3 Bio. $“, erläutert Rudolf Dögl, Leiter des Nürnberger TMS-Institutes. „Doch oft ist nicht unbedingt das Wachstum dieser Endmärkte für die Leistungselektronik entscheidend, sondern vielmehr der Ersatz bisheriger mechanisch-hydraulischer Lösungen im Maschinen- und Automobilbau.“ So werde z. B. bei Automobilen für die nächsten Jahre eher von einer stagnierenden Produktion ausgegangen, dennoch trägt dieser Sektor zu den höchsten Wachstumsperspektiven für die Leistungselektronik bei, da sich gravierende Veränderungen in der Antriebstechnik und der gesamten Automobilelektronik abzeichneten.
Die Region Nürnberg stellt laut Dögl in der Leistungselektronik ein Cluster dar, das nicht nur europaweit, sondern sogar weltweit einmalig ist. Das Ergebnis eines Benchmarkings mit anderen regionalen Leistungselektronik-Clustern in Deutschland (Ruhrgebiet, Köln, Aachen, Dresden, Stuttgart), in Europa (Villach/Kärnten, Region Livingston/ Schottland, Zürich/Schweiz) und weltweit (Blacksburg/Virginia Channel Island/Kalifornien/USA, Nagano, Osaka und Fukuoka/Japan, Shanghai und Shenzhen/China) attestiere einen deutlichen Vorsprung der Region Nürnberg hinsichtlich der Attraktivität als Standort und Stärke in der Leistungselektronik. Deshalb sei auch der Ausbau von anwendungsbezogenen F&E-Einrichtungen wie dem ECPE (European Centre or Power Electronics) oder dem Anwendungszentrum für KFZ-Leistungselektronik des Fraunhofer Institutes wichtig, besonders durch eine stärkere Vernetzung und übergreifende Zusammenarbeit der an Leistungselektronik arbeitenden Lehrstühle der Universität Erlangen-Nürnberg und den Fachhochschulen.
ACHIM SCHARF

 

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  • Achim Scharf

    Ingenieur Achim Scharf ist Fachjournalist für Technikthemen und schreibt u.a. über Automation, Elektronik und IT-Themen.

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