In dieser vierteiligen Blogserie werden wir über nachhaltiges Leben sprechen und darüber, wie es dank neuer Energieerzeugungsmethoden, neuer Materialtechnologien und neuester Designtechniken in Zukunft möglich sein wird, mehr Energie zu sparen.

Das Bestreben nach erneuerbaren Energien zur Steigerung von Produktivität und Effizienz

Wie man die Nachfrage nach echter Nachhaltigkeit steigert:
Die Elektrifizierung ist ein wesentlicher Bestandteil des globalen Ziels, fossile Brennstoffe für Bereiche wie Heizung und Verkehr aufzugeben; letzterer wird voraussichtlich in den kommenden Jahren den Strombedarf weiter erhöhen. Die Energiewirtschaft arbeitet daran, konventionelle, auf fossilen Brennstoffen basierende Kraftwerke schrittweise abzuschalten und durch Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien, typischerweise Wind- oder Solarparks, zu ersetzen. Wellenenergie (Abbildung 1) kann die Energieversorgung ergänzen, obwohl weitere Forschung erforderlich ist, um ihre Auswirkungen auf die Gezeitenströmung zu bestimmen.

Umweltenergiequellen sind weniger vorhersehbar als solche, die aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden. Um echte Nachhaltigkeit zu erreichen, muss Energie effizienter gewonnen und Ineffizienzen bei der Umwandlung und Übertragung minimiert werden.

Effiziente Produktion:
Einige Studien zur Steigerung der Effizienz von Photovoltaikzellen umfassen den Einsatz fortschrittlicher Materialien wie Galliumarsenid (GaAs) und effizienter Strukturen wie Mehrfachsolarzellen. Mehrfachsolarzellen verbessern die Effizienz, da sie einen größeren Anteil der absorbierten Photonen nutzen, darunter auch niederenergetische Photonen, die von Einzelsolarzellen nicht absorbiert werden können. Sie bestehen aus Schichten von Einzelsolarzellen mit jeweils unterschiedlicher Bandlücke. Diese Zellen sind entsprechend ihrer Bandlücke absteigend gestapelt, sodass niederenergetische Photonen in den Zellen der unteren Ebenen Elektron-Loch-Paare erzeugen.

Laut der vom US-amerikanischen National Renewable Energy Laboratory (NREL) veröffentlichten Tabelle zur Effizienz der besten Forschungszellen ist die derzeit effizienteste verfügbare Photovoltaikzelle ein Vierfach-Konzentrator, der im Juni 2022 einen Wirkungsgrad von 47,3 % erreichte. Dieser Wert liegt 20 % höher als der von kristallinem Silizium und Einzelzellen, die üblicherweise in Photovoltaikmodulen verwendet werden.

Der Unterschied zwischen kommerziell erhältlichen Zellen und solchen, die in der Forschung verwendet werden, verdeutlicht das Verbesserungspotenzial der Solartechnologie, unterstreicht aber auch die Bedeutung der Kosten. Neuere, komplexere Photovoltaik-Zelltechnologien müssen einen wettbewerbsfähigen Preis pro Watt bieten, um in der Industrie Akzeptanz zu finden.

Generell muss die Effizienz aller Stufen der Solarenergieumwandlung verbessert werden, einschließlich der DC/DC-Wandlung, der DC/AC-Wechselrichter und sogar der elektrischen Verbindungen (Abbildung 2). Diese Verbindungen müssen robust sein und anspruchsvollen Belastungen und Witterungseinflüssen wie Korrosion standhalten, ohne dass der ohmsche Widerstand übermäßig ansteigt.

Abbildung: Verbindungen in Solarwechselrichtern, wie beispielsweise die SOLARLOK 2.0-Steckverbinder von TE Connectivity (TE), müssen robust sein, um die Langlebigkeit zu gewährleisten und eine Verschlechterung zu verhindern, die die Energieerzeugung verringern könnte (Quelle: TE Connectivity)

Wenn handelsübliche Zellen einen Wirkungsgrad von über 40 % erreichen, würden sie den maximalen theoretischen Wirkungsgrad von Windkraftanlagen erreichen (Abbildung 3). Laut dem Betzschen Gesetz liegt dieser Maximalwert bei 59,3 %, wobei manche argumentieren, dass dieser Wert eher als Energiekoeffizient denn als Wirkungsgradkoeffizient zu verstehen sei. Allerdings wurden Betz' Forschung und ähnliche Arbeiten vor 1920 durchgeführt. Forschungen des 21. Jahrhunderts, die Faktoren wie Luftströmung und Druckverteilung berücksichtigen und numerische Strömungsmechanik anwenden, legen eine Grenze zwischen 30 % und 59,3 % nahe (andere Verlustmechanismen wie Lagerreibung sind hierbei nicht berücksichtigt).

Abbildung: Die Betz-Grenze beschreibt den maximalen Anteil, der aus Windenergie gewonnen werden kann (Quelle: Mouser Electronics)

Es liegt auf der Hand, dass eine Erhöhung der gesamten installierten Kapazität mehr Strom erzeugen wird, da Wind und Sonnenlicht praktisch überall verfügbar sind. In Großbritannien sorgten Windkraftanlagen kürzlich für Schlagzeilen, indem sie einen Rekordwert von 21,6 GW lieferten und über 50 % des abendlichen Energiebedarfs des Landes deckten.

Effiziente Umwandlung:
Da die von Turbinen und Solarzellen erzeugte Leistung nicht sehr hoch ist, ist die Minimierung von Energieverlusten in den zugehörigen Aufbereitungssystemen entscheidend. Eine gängige Methode ist die Erhöhung der Hauptbusspannung (z. B. von 1000 auf 1500 V), was mehrere Vorteile bietet: Es ermöglicht den Einsatz größerer Solarmodulstränge, wodurch die Anzahl der Anschlusskästen und der Verkabelung reduziert wird. Bei Solar- und Windgeneratoren trägt die Verwendung höherer Busspannungen zur Verringerung der Widerstandsverluste (I²R) bei.
Halbleitertechnologien mit großem Bandabstand, wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC), sind für die Umsetzung dieser Verbesserungen wichtig. SiC-MOSFETs weisen im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumbauelementen eine deutlich höhere Durchbruchspannung im Verhältnis zu ihrer physikalischen Größe auf. Darüber hinaus ermöglicht das überlegene Schaltverhalten von SiC den Einsatz kleinerer passiver Bauelemente zur Stabilisierung des Leistungsflusses im System. Dies trägt zur Kostensenkung, zur Minimierung der Schaltungsgröße und zur Verringerung von Verlusten durch parasitäre Effekte von Bauteilen, wie z. B. unerwünschte ohmsche Widerstände, bei.

Durch den Einsatz effizienterer Wandlungstopologien eröffnen sich weitere Verbesserungsmöglichkeiten. Die synchrone Gleichrichtung steigert die Effizienz der Stromversorgung, indem sie die Verluste der Durchlassdiode eliminiert. Stattdessen wird ein MOSFET mit ähnlichen Eigenschaften, aber deutlich geringeren RDS(on)-Verlusten verwendet. Gleichzeitig gewinnen Resonanzschalttopologien zunehmend an
Bedeutung. Neben der Eliminierung der Verluste herkömmlicher Zwangskommutierungsschaltungen verbessert die Resonanzkommutierung auch die Zuverlässigkeit. Die potenziellen Einsparungen bei Wartung und Geräteersatz tragen dazu bei, die Gesamtkosten pro Watt Ökostrom zu senken.

Wettbewerb beschleunigt den Fortschritt.
Eine nachhaltige und bezahlbare Stromversorgung ist eine globale Herausforderung. Wettbewerb fördert Innovationen, und genau das geschah zwischen 2014 und 2016, als Google seine „Little Box Challenge“ ins Leben rief. Ziel war es, einen 2-kW-Wechselrichter um 90 % zu verkleinern – von der Größe einer Kühlbox auf die eines Laptops. Solch kleine Wechselrichter eröffnen die Möglichkeit für diverse Verbesserungen, beispielsweise für Mikronetze und kostengünstige, verbraucherfreundliche Photovoltaik. Googles Herausforderung forderte ein maximales Volumen von 40 Kubikzoll und einen Wirkungsgrad von über 95 %. Einige Teams erreichten die Vorgaben, und das Team mit den besten Ergebnissen, wie beispielsweise einer Leistungsdichte von 145 Watt pro Kubikzentimeter, erhielt ein Preisgeld von 1 Million US-Dollar. Wäre es nicht an der Zeit, eine ähnliche Herausforderung zu starten, um weitere Durchbrüche zu erzielen?

Fazit: Wir sind nicht mehr weit davon entfernt.
Die kumulative Wirkung all dieser Verbesserungen – höhere Photovoltaik-Effizienz, fortschrittliche Leistungswandlungstechnologien und Halbleiter mit großem Bandabstand, höheren Busspannungen und höherer Leistungsdichte – steigert die globale Produktion von Umgebungsenergie signifikant. Laut Weltwirtschaftsforum könnten erneuerbare Energien bis 2050 unseren gesamten Bedarf decken, obwohl diese Prognose von vielen Bedingungen abhängt, wie etwa der interregionalen Zusammenarbeit und der Vernetzung der Stromnetze. Um dieses Ziel zu erreichen und alle praktischen und wetterbedingten Herausforderungen zu bewältigen, müssen wir die Technologieentwicklung zur Verbesserung von Produktivität, Effizienz und Bezahlbarkeit fortsetzen.

Vernetzte Speicher: eine Säule des grünen Stromnetzes

Denkt man an ein Stromnetz, das mit erneuerbaren Energien betrieben wird, kommen einem wahrscheinlich Windparks (Bild 1) und Solarparks in den Sinn. Im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken lässt sich die Verfügbarkeit von Strom in diesen Fällen weder steuern noch vorhersagen. Um die Unsicherheit hinsichtlich der Stromverfügbarkeit und -menge zu bewältigen, ist ein netzgekoppelter Energiespeicher erforderlich, der Angebot und Nachfrage zeitlich und quantitativ ausgleicht. Dieser Speicher sollte überschüssige Energie bei günstigen Bedingungen speichern und Engpässe bei weniger idealen Bedingungen, insbesondere nachts ohne Sonneneinstrahlung, abdecken können. Er muss in der Lage sein, kurzzeitige Lastspitzen und hohe Lasten, wie beispielsweise Schnellladegeräte für Elektrofahrzeuge, zu bewältigen. Um die Erwartungen der Verbraucher zu erfüllen, muss dieser große, netzgekoppelte Speicher an Kraftwerken und an anderen Punkten der Infrastruktur installiert werden.

Abbildung: Energiespeicher mit einem für die öffentliche Versorgung geeigneten Volumen müssen Batterieanlagen in Erzeugungsanlagen umfassen (Quelle: Mouser Electronics)

Auf der anderen Seite gibt es sogenannte „Prosumer“ (eine Kombination aus Produzent und Konsument), die über private Generatoren für den lokalen Bedarf verfügen und den Überschuss in das Netz einspeisen; diese benötigen außerdem Speicher in ihren eigenen Anlagen oder Häusern, um Angebot und Nachfrage auszugleichen.

Standort, Größe und Technologie:
Um effektiv zu sein, muss ein netzgekoppelter Speicher eine hohe Speicherkapazität bieten und zudem zuverlässig, kostengünstig und langlebig sein. Die Planung netzgekoppelter Speicher ist ein relativ neues Forschungsgebiet. Die Bestimmung von Standort und Größe, um eine ausreichende Speicherkapazität an den richtigen Stellen zu erreichen, hängt von den Lastmustern, den umliegenden Verbrauchern und der Batterieleistung ab (Abbildung 2). Die Bewertung der effektiven Last-Kubik-Kapazität (ELCC) hat sich als nützliche Methode zur Berechnung des benötigten Speichervolumens eines Netzes erwiesen.

Abbildung: Batteriespeicher werden an vielen Standorten im gesamten Netzwerk angeschlossen (Quelle: Mouser Electronics)

Im Bereich der Batterieleistung hat die Spitzenforschung Verbesserungen bei Materialien, Struktur und Design interner Komponenten wie Elektroden hervorgebracht. Ein Beispiel hierfür ist die Entwicklung von Lithium-Schwefel-Batterien mit hoher Kapazität, die den reichlich vorhandenen Schwefel nutzen, um die weltweite Nachfrage nach Lithium zu decken. Diese Batterien versprechen eine höhere Energiespeicherkapazität als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien.

Nanotechnologien können auch zur Lösung von Energiespeicherproblemen beitragen. Forscher haben gezeigt, dass Kohlenstoffnanoröhren das Wachstum von Dendriten – unerwünschten leitfähigen Strängen, die sich im Inneren der Batterie bilden und Kurzschlüsse verursachen, die letztendlich zum Ausfall führen – verhindern und somit die Zuverlässigkeit und Lebensdauer verbessern können.

Festkörperbatterien bieten eine höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien und erhöhen die Sicherheit durch den Verzicht auf flüssige Elektrolyte. Ihre Entwicklung wurde zwar durch die begrenzte Lebensdauer gebremst, doch aktuelle Forschungsergebnisse zu Elektroden aus einer Kombination von Lithiumtitanat und Lithiumvanadiumdioxid könnten eine Lösung für den breiteren kommerziellen Einsatz von Festkörperbatterien bieten.

Prosumer nutzen typischerweise Lithium-Ionen- oder Blei-Säure-Batterien zur Energiespeicherung in ihren Häusern. Die Blei-Säure-Batterietechnologie ist bewährt und zuverlässig, jedoch nicht so kompakt und leicht wie Lithium-Ionen-Batterien und erfordert mehr Wartung. Da sie aber kostengünstiger sind, bleiben sie eine beliebte Wahl für private Prosumer-Installationen. Neben dem wirtschaftlichen Aspekt spielt auch die einfache Bedienung eine wichtige Rolle, um Hausbesitzer zur Nutzung erneuerbarer Energien zu bewegen.

„Prosumer“ müssen sicher sein, dass sich ihre Investition rentiert, ohne dass sie Energieexperten werden oder unzählige Stunden mit dem Betrieb ihrer eigenen Erzeugungsanlage verbringen müssen. Eine ausgefeilte und dennoch benutzerfreundliche Systemmanagement-Software ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass der Haushalt stets die kostengünstigste Energiequelle nutzt und Zuverlässigkeit und Stabilität gewährleistet sind. Beispielsweise könnte der lokale Mikrogenerator zum Laden des Akkus, zur Versorgung des Haushalts oder zur Rückspeisung von Energie ins Netz genutzt werden, sodass nur bei Bedarf Strom aus dem Netz bezogen wird. Idealerweise geschieht all dies zum bestmöglichen Preis.
Speicherung für integrierte Systeme:
Damit die Elektrifizierung zur Nachhaltigkeit beiträgt, ist eine bessere Speicherung überall erforderlich – von der Stromversorgung bis hin zu Leiterplatten wie Anschlusspunkten oder IoT-Gateways. Kleine Festkörperbatterien, die in Dünnschichtverfahren hergestellt werden, versprechen eine höhere Energiedichte und Zuverlässigkeit als herkömmliche Lithium-Ionen-Technologien. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Recyclingfähigkeit, um die Belastung der mineralischen Ressourcen unseres Planeten zu verringern und unsere Zukunft zu sichern.

Fazit:
Um Energiestabilität und -verfügbarkeit zu gewährleisten, den Anforderungen des modernen Lebens gerecht zu werden und zu einem nachhaltigen Stromnetz beizutragen, das die Elektrifizierung unterstützt, benötigen wir große Mengen an Batteriespeichern. Dafür muss die Technologie verbessert werden. Zahlreiche vielversprechende Forschungsprojekte laufen bereits, doch wir stehen weiterhin vor derselben Herausforderung: der Herstellbarkeit und dem Preis von Batterietechnologie. Batterietechnologien für Elektrofahrzeuge (EVs) könnten den Weg in die Zukunft weisen: Ihre Anforderungen an Wirtschaftlichkeit und Leistung in der Massenproduktion sind möglicherweise höher als bei jeder anderen Technologie. Wenn Batterien in einem Elektrofahrzeug gut funktionieren, können sie überall eingesetzt werden; gebrauchte EV-Batterien scheinen sogar eine effektive und kostengünstige Lösung für netzgekoppelte Anwendungen zu sein. Managementsoftware kann dabei helfen, verschiedene Energiequellen und Tarife zu verwalten, um ein optimales Verhältnis von Wert und Stabilität zu erreichen.

Produziere mehr, konsumiere weniger

Elektrotechniker suchen schon lange, lange vor der aktuellen Klimakrise, nach Möglichkeiten, den Energieverbrauch durch Produktdesign zu senken. Geringerer Stromverbrauch bedeutet weniger Wärmeentwicklung, kleinere Kühlkörper, kleinere Netzteilkomponenten, weniger Platz für den Akku und eine längere Akkulaufzeit. Im Allgemeinen führt dies zu einem attraktiveren und marktgängigeren Produkt, das sich im Vergleich zu weniger ausgereiften Alternativen besser behaupten kann.

Die verbesserte Auslegung der Batterie mit erhöhter Nennkapazität ist durch den Wunsch motiviert, zur Säuberung des Planeten beizutragen, stellt aber auch ein sehr wichtiges Verkaufsargument für umweltbewusste Verbraucher dar.

Es ist notwendig, Innovationen im Bereich der Energieeinsparung zu fördern, von Leistungsumwandlungsschaltungen bis hin zu den integrierten Systemen, die die Anwendung ausführen.

Energiesparendes Design für Netzteile:
Ökodesign-Richtlinien stellen sehr hohe Anforderungen an Leistung und Effizienz, insbesondere für Geräte wie Ladegeräte und Netzteile. Die USA, die EU und China haben die geltenden Anforderungen für diese Geräteart kürzlich erweitert. Aktuell schreiben die Level-VI-Richtlinien des US-Energieministeriums (DOE) und die EU-Ökodesign-Verordnung 2019/1782 ähnliche Anforderungen an die durchschnittliche Effizienz und die Leerlaufleistung vor. Um diese Anforderungen zu erfüllen, setzen große Distributoren verstärkt auf Halbleitertechnologie mit großem Bandabstand (Abbildung 1), insbesondere auf Galliumnitrid (GaN). GaN-Transistoren sind eine attraktive Option für die in den Ökodesign-Richtlinien festgelegten Leistungsstufen unter 250 W. Zu ihren Vorteilen gegenüber herkömmlichen Siliziumtransistoren zählen geringe Leitungsverluste im Verhältnis zur Nennspannung, geringe Schaltverluste bei hohen Frequenzen, hohe Wärmeleitfähigkeit und Zuverlässigkeit bei hohen Betriebstemperaturen. Darüber hinaus bieten sie eine günstigere Kombination aus Nennspannung und RDS(ON) als herkömmliche Siliziumkarbid-MOSFETs. Mit diesen Transistoren erreichen die Entwickler von Netzteilen Spitzenwirkungsgrade von über 96 %, und das alles mit Geräten, die leichter und 30 % kleiner sind als frühere Modelle mit der gleichen Nennleistung.

Abbildung: Halbleiterhersteller haben Widebandgap-Technologien kommerzialisiert und fördern deren Einsatz mit Referenzdesigns und Evaluierungsboards (Quelle: Texas Instruments)

Energieeinsparung in der Computertechnik:
Integrierte Mikrocontroller (MCUs) bilden seit Langem das Herzstück von Technologien mit extrem niedrigem Stromverbrauch und Komponentendesigntechniken, die darauf abzielen, die Leistung und Lebensdauer kleinster Elemente des Internets der Dinge (IoT) zu verbessern. Diese Faktoren sind in den letzten Jahren unerlässlich geworden, da eine große Anzahl von fernvernetzten Sensoren und Aktoren für verschiedene Steuerungs- und Überwachungsanwendungen in intelligenten Gebäuden, Städten, Infrastrukturen und Fabriken eingesetzt wird. Der Austausch dieser Batterien vor Ort ist oft unpraktisch, daher bleibt nur die Möglichkeit, diese Komponenten so zu konstruieren, dass sie ihre gesamte Lebensdauer mit einer kleinen Batterie betreiben können, oder die notwendige Schaltung zur Energiegewinnung aus Umgebungsquellen zu integrieren. Der Betrieb mit einer so begrenzten Energiequelle erfordert ein sehr sorgfältiges Management des gesamten für die Stromversorgung der Geräte vorgesehenen Budgets.

Prozessor- und MCU-Hersteller haben Energiesparfunktionen entwickelt, um Anwendungsentwicklern zu helfen, diese Leistungs- und Energieziele zu erreichen. Dynamische Spannungsanpassung ermöglicht es dem Gerät, seine Betriebsfrequenz und -spannung anzupassen, um kurzfristige Spitzen im Rechenbedarf zu bewältigen und gleichzeitig mit niedriger Spannung und Frequenz zu arbeiten. Dadurch wird der Stromverbrauch bei geringer Auslastung minimiert. Moderne Ultra-Low-Power-MCUs bieten verschiedene Energiesparmodi, die es ermöglichen, Subsysteme und Peripheriegeräte zu deaktivieren, unnötige Takte zu stoppen, die dynamische Speichernutzung beizubehalten oder zu reduzieren und die Zeit bis zur Wiederaufnahme des Betriebs nach dem Verlassen eines dieser Modi zu optimieren. Dank dieser Flexibilität kann eine energiesparende Anwendung schnell nur die für eine bestimmte Aufgabe benötigten Subsysteme aktivieren, die entsprechende Verarbeitung mit hoher Geschwindigkeit abschließen und die Schaltung so schnell wie möglich in den Standby-Modus zurückversetzen. Weitere Innovationen, wie z. B. Speicherzugriffsbeschleuniger für Grafik und Echtzeitverarbeitung, sparen die Energie, die normalerweise verloren geht, wenn ein Prozess auf den Abschluss eines vollständigen Zugriffszyklus warten muss. Es gibt außerdem Standalone-Modi, die es Peripheriegeräten ermöglichen, zu funktionieren, während der Kern ausgeschaltet ist, sowie Energiespar-Timer, die es ermöglichen, dass einige einfache Aufgaben weiterlaufen, während der größte Teil des Geräts und der Taktsignale abgeschaltet ist.

Der KI-Effekt:
Definitionsgemäß erfordert mehr Arbeit in kürzerer Zeit mehr Energie. Um diesen Trend umzukehren, müssen wir unsere Arbeitsweise verändern. Künstliche Intelligenz (KI) ist hierbei führend und bewältigt Aufgaben wie Musteranalyse für Bilderkennung und Anomalieerkennung effizienter als herkömmliche Rechenverfahren. MCU-Hersteller unterstützen Entwickler bei der Nutzung von Mini-Neuronalen Netzen und anderen Machine-Learning-Frameworks (wie Entscheidungsbäumen) in tief eingebetteten Systemen. Ziel ist es, fortschrittliche Funktionen und Kontextbewusstsein bei extrem niedrigem Stromverbrauch und oft in Echtzeit bereitzustellen. Dies hat einen neuen Zweig im Embedded-Design hervorgebracht: Tiny Machine Learning, das schlanke Frameworks wie TensorFlow Lite und TinyML nutzt. Ähnliche Frameworks werden in Geräte wie Inertialsensoren integriert, damit diese Aufgaben wie die grundlegende Aktivitätserkennung selbstständig ausführen können. Dadurch kann das System offline arbeiten und Energie sparen.

Zusammenfassend
lässt sich sagen, dass die Elektrifizierung, gepaart mit dem natürlichen menschlichen Wunsch nach leistungsfähigeren Maschinen – Maschinen, die mehr leisten und schneller arbeiten –, den Strombedarf für Haushaltsgeräte und zum Laden von Akkus mobiler und drahtloser Geräte erhöht. Die Entwicklung von Systemen mit extrem niedrigem Stromverbrauch kann die nächste Generation von Maschinen hervorbringen, die unser Leben und unsere Umwelt besser kontrollieren können. Allerdings muss bei dieser Entwicklung auch ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung und Energieverbrauch gefunden werden.

Autor: Mark Patrick

Autorisierter Distributor
von Mouser Electronics
www.mouser.com