Der Wirkungsgrad entscheidet

Kategorie: Ausgabe 2008-03 EnQ Magazin

Effizientes Energiemanagement mit Leistungshalbleitern

Der Bau weiterer Kraftwerke und die Erschließung neuer Energiequellen kann nicht die einzige Maßnahme sein, den künftigen Energiebedarf zu decken. Es muss deswegen das Ziel sein, Energie intelligenter und damit effizienter zu nutzen. Entscheidend dabei ist, den Wirkungsgrad der gesamten Energiekette zu erhöhen. Der Einsatz von Halbleitern liefert hierzu einen wertvollen Beitrag. Halbleiter erhöhen die Energieeffizienz in allen Stufen der Energiewirtschaft – angefangen bei der Erzeugung über die Übertragung bis zum Verbrauch von elektrischer Energie. Eine Schlüsselrolle spielen neben Sensoren und Mikrocontrollern die Leistungshalbleiter. Das Einsparpotenzial ist enorm – durch den umfassenden Einsatz von Leistungshalbleitern kann der weltweite Elektrizitätsverbrauch um 25 bis 30 Prozent reduziert werden, das entspricht in etwa dem Strombedarf der USA. Leistungshalbleiter sorgen überall dort für mehr Effizienz, wo elektrische Energie in die jeweils benötigte Form gewandelt und bedarfsgerecht dosiert werden muss. Leistungsfähige, effiziente Chips und Module im IGBT- und MOSFET-Bereich reduzieren dabei die Verlustleistung und realisieren Energieeinsparungen in einer Vielzahl von Applikationen sowohl im Industrie- als auch im Consumer- und Home-Appliance-Bereich. Auch im Auto sorgen Leistungshalbleiter für eine Reduzierung des Verbrauchs und damit für eine Verringerung des CO2-Ausstoßes.

Saubere Energieerzeugung dank Halbleiter

Mit der zunehmenden Nutzung von erneuerbaren Energien wird an immer mehr Stellen dezentral Strom in die Stromnetze eingespeist; dabei ist es wichtig, dass die vorgegebene Netzcharakteristik bezüglich Spannung und Frequenz eingehalten wird. Um die ständig variierende Zufuhr von beispielsweise Wind- oder Sonnenenergie anzupassen, werden Frequenzumrichter benötigt, deren Herzstück Leistungshalbleiter sind. Ohne diese Leistungshalbleiter wäre eine effiziente, dezentrale Netzeinspeisung von erneuerbarer elektrischer Energie gar nicht möglich. Die ständige Optimierung von Leistungshalbleitern für bestimmte Frequenzen, Ströme und Spannungen sorgt dafür, dass die Verlustleistung auf ein Minimum reduziert wird.

Effiziente Energieübertragung auch über lange Strecken

Bei der Frage, wie die Stromübertragung umweltfreundlicher werden kann, setzt sich vor allem bei langen Strecken von mehr als 1.000 Kilometern das Thema Gleichstrom (DC) mit extrem hohen Spannungen durch. Im Vergleich zu konventionellen Drehstrom- Hochspannungsleitungen mit 400 Kilovolt (AC) verbessert die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) die Energieeffizienz um ein Vielfaches. Zurzeit sind HGÜ-Anlagen mit einer Übertragungsleistung von 3.000 Megawatt bei einer Gleichspannung von +/- 500 Kilovolt im Einsatz. Künftig wird eine Übertragungsspannung von mehr als +/- 800 Kilovolt möglich sein; damit werden Übertragungsleistungen von bis zu 6.400 Megawatt realisierbar. Gleichstrom mit extrem hoher Spannung ist die einzige Möglichkeit, große Energiemengen auch über riesige Entfernungen wirtschaftlich und effizient zu transportieren. Bei einer Langstrecken-HGÜ-Verbindung werden typischerweise 2.000 bis 8.000 Thyristoren eingesetzt. Bei diesen neuen Technologien werden zudem hohe Mengen an IGBTs benötigt.

Großes Einsparpotenzial bei Antrieben und Traktion

Motoren gehören zu den größten industriellen Energieverbrauchern, auf sie entfallen gut 55 Prozent des Industriestromverbrauchs. Halbleiterlösungen können in entsprechenden Steuergeräten den Energiebedarf von Antrieben sowie auch von Pumpen, Ventilatoren und Kompressoren durch eine bedarfsgerechte Steuerung deutlich senken. Durch drehzahlgeregelte Antriebe, die mit Invertertechnik und Leistungselektronik arbeiten, lassen sich im Gegensatz zu konventionellen Antrieben bis zu 40 Prozent des Stromverbrauchs einsparen. Derzeit sind weltweit nur etwa 5 bis 10 Prozent drehzahlgeregelt. Würde die deutsche Industrie zu 50 Prozent auf elektronisch gesteuerte Antriebe umstellen, ergäbe sich daraus eine Elektrizitätseinsparung von bis zu 560 Terawattstunden bis zum Jahr 2020. Um diese Leistung zu erzeugen, müssten 56 große Kraftwerke ein Jahr unter Volllast laufen.

Höhere Wirkungsgrade in Netzteilen

Ein weiterer Bereich, bei dem mittels Halbleiter einiges an Energie eingespart werden kann, ist die Stromversorgung. Hier geht es vor allem um eine effiziente AC/DC-Stromwandlung bei Geräten wie beispielsweise Fernsehern, Notebooks, Spielkonsolen, PCs und Servern. Immer mehr und leistungsfähigere Computer verbrauchen immer mehr Energie. Wird hier nichts getan, können die Stromkosten insbesondere in Unternehmen mit großen Rechenzentren bald die Anschaffungskosten der Hardware übersteigen. Energieeffiziente Stromversorgung kann hier einen wichtigen Beitrag leisten. Herkömmliche Netzteile können lediglich 60 bis 70 Prozent des eingesetzten Stroms effektiv im Gerät nutzen, rund 30 bis 40 Prozent werden als Verlustwärme an die Umgebung abgegeben. Mit energieeffizienten Leistungshalbleitern lassen sich diese Leitungsverluste reduzieren. So können heute damit bereits Wirkungsgrade von 90 Prozent und mehr erzielt werden, was einer Verringerung der Verlustleistung von bis zu 70 Prozent entspricht.

Spritsparen mit Halbleitern

Autos sind für gut 10 Prozent des weltweiten CO2-Ausstoßes verantwortlich. Die Senkung des Treibstoffverbrauchs und damit einhergehend die Reduzierung der Schadstoffemission gilt als einer der wichtigsten Hebel für den Klimaschutz. Mit neuen Richtlinien zur Festlegung von Obergrenzen des Schadstoffausstoßes werden die Automobilhersteller dazu aufgefordert, effizientere und sparsamere Modelle zu entwickeln. Produkte wie Leistungshalbleiter, Sensoren und Mikrocontroller liefern einen wichtigen Beitrag zur Verbrauchs- und Schadstoffverringerung im Auto. Eine Schlüsselrolle nimmt dabei die intelligente Steuerung von Motor und Antriebsstrang ein. Hier kommen unter anderem Mikrocontroller zum Einsatz, die das Luft-Kraftstoff-Gemisch sowie den idealen Einspritz- und Zündzeitpunkt für die einzelnen Zylinder regeln. Die gezielte Steuerung der Verbrennung im Motor mittels Halbleiter erlaubt es, die chemische Energie, die im Kraftstoff gespeichert ist, so effizient wie möglich in mechanische Energie umzuwandeln. Damit lässt sich der Kraftstoffverbrauch deutlich reduzieren. In Zukunft wird neben dem Motor- und Antriebsmanagement die bedarfsgerechte Regelung von Zusatzaggregaten eine immer wichtigere Rolle spielen. Je mehr Motor und Lichtmaschine durch elektrische Verbraucher belastet werden, desto höher ist auch der Kraftstoffverbrauch und damit der CO2-Ausstoß – es sei denn, wirksamere Halbleiterbauteile erhöhen die Effizienz der Systeme. Dazu ein Beispiel: Durch die elektronische Steuerung der Lenkung gegenüber ungeregelten Systemen lassen sich bei einer angenommenen Fahrleistung eines Autos von 150.000 Kilometern 885 Kilogramm CO2 einsparen. Das Einsparpotenzial zieht sich durch nahezu alle Anwendungsfelder im Auto. Infineon arbeitet hier an einer Reihe neuer Halbleiterlösungen, zum Beispiel für hochpräzise Benzin-Direkteinspritzungen, variable Turbolader, effiziente Getriebe mit Doppelkupplung und für die Ansteuerung von Hybridmotoren, sowie an Lösungen für den Einsatz energiesparender Leuchtdioden.

Autor: Bernd Schniggenfittig, Director Europe Infrastructure, Infineon Technologies AG

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EnQ Magazin 03/2008

Wenn der Strom nicht einfach nur aus der Steckdose kommen soll

Kategorie: Ausgabe 2008-02

Welche Form der Energiegewinnung ist am günstigsten, welche schützt das Klima?

Das beherrschende Thema der Sommerpause war eindeutig der Anstieg der Energiekosten. Immer wieder erreichten die Ölpreise neue Rekordstände an den Börsen und lösten damit teils heftige Diskussionen über die Energieversorgung in Deutschland aus. Die dabei unter verschiedenen wirtschaftlichen und politischen Gesichtspunkten gestellte Frage war immer die gleiche: Gibt es eine Energiequelle, die das Portemonnaie schont und die Umwelt so wenig wie möglich belastet?

Geht dem Atomstrom die Kohle aus?

Hauptenergieträger ist in Deutschland nach wie vor das Öl, allerdings mit abnehmender Tendenz. Betrug sein Anteil an den Primärenergiequellen vor 40 Jahren noch rund 50 Prozent, so liegt er heute nur noch bei 35 Prozent. Dafür verantwortlich ist in erster Linie die immer geringere Verwendung von Öl bei der Stromerzeugung. Dennoch sind die Preise nicht zuletzt aufgrund der zunehmenden Mobilität und der immer aufwendiger werdenden Förderbedingungen dramatisch gestiegen. Der im Vergleich zu anderen Energieträgern hohe CO2-Ausstoß lässt Öl darüber hinaus zu einer äußerst umweltbelastenden Energiequelle werden. Wesentlich günstiger in Bezug auf Umweltbelastung und Preisentwicklung ist hingegen der Einsatz von Gas. Bisher vor allem für Heizungen genutzt, findet es inzwischen auch verstärkt in der Stromerzeugung Verwendung. Dies kann sich allerdings aufgrund der engen Preiskopplung an das Erdöl schnell ändern. Weitere erschwerende Faktoren liegen in der Tatsache begründet, dass die Gasvorräte ebenso endlich sind wie die Ölquellen. Darüber hinaus verfügt Deutschland kaum über eigene Gasreserven und ist somit auf Lieferungen aus dem Ausland angewiesen. Bei Braun- und Steinkohle, die ein Viertel des deutschen Primärenergiebedarfs abdecken, ist aufgrund der weltweiten Ressourcen in den nächsten 100 Jahren nicht von ähnlichen Engpässen wie bei Gas und Öl auszugehen. Dafür ist bei keiner anderen Energiequelle die Diskrepanz zwischen Kosten und Umweltbelastung so groß wie bei der Verwendung von Kohle. Eine mit Braunkohle produzierte Kilowattstunde kostet lediglich 3 Cent, dem gegenüber stehen aber massive Eingriffe in die Natur beim Abbau der Kohle sowie der enorme CO2-Ausstoß bei der Energieerzeugung. Kohle wird deswegen nur dann einen langfristigen Beitrag zur Energieversorgung leisten können, wenn es den Versorgern gelingt, ihre Bemühungen um CO2-freie Kohlekraftwerke in die Realität umzusetzen. Am heftigsten drehte sich die Diskussion der vergangenen Wochen um die Zukunft der Kernenergie. Dabei war festzustellen, dass die Angst vor der Atomkraft in der Bevölkerung merklich geschwunden ist. Fast jeder zweite Deutsche hält inzwischen den Verzicht auf Kernkraft sogar für falsch. Tatsächlich erzeugen die heute insgesamt 17 am Netz befindlichen Atomanlagen 26 Prozent des Stroms in der Bundesrepublik bzw. 11 Prozent der Primärenergie. Der von der rot-grünen Regierung beschlossene Ausstieg aus der Atomenergie sieht das schrittweise Herunterfahren der Meiler bis 2022 vor. Angesichts steigender Energiekosten plädieren die Befürworter der Kernenergie für einen Ausstieg vom Ausstieg oder zumindest eine Verlängerung der Laufzeiten. Nicht nur die geringen Produktionskosten von 3 Cent pro Kilowattstunde bei älteren Kraftwerken und 4,8 Cent bei neueren sprächen dafür. Auch die Umweltfreundlichkeit mit praktisch keinen CO2-Emissionen wird als Argument ins Feld geführt. Laut BDI vermeiden deutsche Kernkraftwerke einen jährlichen CO2-Ausstoß von 100 bis 150 Millionen Tonnen. Die Kritiker entgegnen, dass der notwendige Bau neuer Kraftwerke gigantische Summen verschlingen werde und der Preis für eine Kilowattstunde damit nicht auf dem heutigen Niveau zu halten sei. Von der ungeklärten Frage der Endlagerung des Atommülls ganz zu schweigen.

Strom kommt aus der Dose

Wasser auf die Mühlen der regenerativen Energien?

Auf der Seite der regenerativen Energien ist das Wasser mit einem weltweiten Anteil von etwa 16 Prozent an der Stromerzeugung die wichtigste Quelle. Ganz im Gegensatz zur Nutzung in Deutschland, wo Wasser nur einen Anteil von 4,3 Prozent an der Stromerzeugung bzw. 0,5 Prozent an der Primärenergie hält. Die ungleich geringere Verwendung liegt vor allem in den strengen Naturschutzgesetzen begründet. Sie lassen vielerorts kaum Spielraum für den Bau neuer Wasserkraftwerke, und dies obwohl Wasser je nach den Bedingungen eine sehr günstige Energiequelle sein kann und aus Wasserkraft gewonnener Strom absolut umweltfreundlich ist. Im Vergleich zur Braunkohle liegen die anfallenden CO2-Emissionen 28-mal niedriger. Im Gegensatz zur Wasserkraft ist der Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung mit mittlerweile 6,4 Prozent signifikant. Dies liegt nicht zuletzt daran, dass Strom aus Wind relativ günstig herzustellen ist. Darüber hinaus fördert die Bundesregierung mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz jede Kilowattstunde mit 9 Cent. Ein unwesentlicher CO2-Ausstoß beschert der Windkraft darüber hinaus ebenso gute Zukunftschancen wie die Möglichkeit, Offshore-Windparks auf offener See zu bauen. Deren Realisierung gestaltet sich allerdings schwieriger als angenommen. Dennoch hält die Bundesregierung an ihrem Ziel fest, bis 2025 15 Prozent des Strombedarfs aus Windenergie zu gewinnen. Trotz der erkennbaren Vorteile der Wasser- und Windkraft ist die populärste erneuerbare Energiequelle nach wie vor die Solartechnologie – und dies obwohl sie unter 1 Prozent an der Stromerzeugung ausmacht. Neben dem positiven Image der Sonnenenergie liegt dies auch daran, dass private Erzeuger mit einer Solaranlage auf dem Dach jede Kilowattstunde für 40 bis 50 Cent verkaufen können. Sonnenenergie ist damit die einzige Energiequelle, die auch Privathaushalte zum Erzeuger machen kann. Um der Solarenergie aus energiepolitischer Sicht bei den hiesigen klimatischen Bedingungen zum Durchbruch zu verhelfen, bedarf es vieler weiterer technologischer Innovationen. Gibt es sie nun, die Energiequelle, die das Portemonnaie schont und die Umwelt so wenig wie möglich belastet? Momentan kann die Antwort nur lauten: Nein, es gibt sie nicht. Es bleibt vielfach eine Entscheidung zwischen Geldbeutel und Umweltschutz. Diese ist allerdings nicht nur mit dem Gewissen zu treffen, sondern basiert auf dem Druck der Notwendigkeiten. Wasser-, Windoder Sonnenenergie sind – bei allem Potenzial – heute nicht in der Lage, ein hochindustrialisiertes Land wie die Bundesrepublik ausreichend zu versorgen. Die Bundesregierung versucht dabei, dem Bürger seine Entscheidung abzunehmen, denn sie will den Energiemix in Deutschland grundlegend umstrukturieren. Nicht nur den Ausstieg aus der Atomenergie, sondern auch die Reduktion aller CO²-ausstoßenden Energieträger hat sie zum Ziel. Bis zum Jahr 2020 will sie den gesamten Primärenergieverbrauch in Deutschland um etwa 40 Prozent senken. Die in diesem Zusammenhang geführten Diskussionen greifen allerdings oftmals zu kurz, denn sie konzentrieren sich fast ausschließlich auf die Erzeugerseite, während Nachfragepotenziale und die damit in Zusammenhang stehenden Effizienzeffekte viel zu oft vernachlässigt werden. Denn wesentlich freier als bei der Auswahl dieser oder jener Energiequelle ist der Abnehmer bei der Entscheidung für eine effiziente Verwendung. Der richtige Einsatz moderner Technologien schont Geldbeutel und Umwelt zugleich.

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EnQ Magazin 02/2008