Wie der Strom effizienter umgewandelt werden kann
ShutterstockComputer, Kühlschrank, Netzgerät oder Energiesparlampe: Ohne Halbleiter würden sie nicht funktionieren. Halbleiter bestehen aus chemischen Verbindungen, die den Strom transportieren. Der Klassiker sind Silizium-Halbleiter. Studien zeigen nun: Es gibt Alternativen, die effizienter sind.
Neue Materialien wie Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumcarbid (SiC) mit breitem Bandabstand (Wide Band Gap, kurz WBG) versprechen mehr Effizienz bei der Strom-Umwandlung als die klassischen Silizium-Halbleiter. Um das Thema international aufzuarbeiten, hat die Schweiz im Rahmen des IEA Technology Collaboration Programmes 4E (Energy Efficient End Use Equipment) das Teilprojekt PECTA (Power Electronic Conversion Technology Annex) initiiert. PECTA hat folgende Hauptziele:
1. Informationen über neue leistungselektronische WBG-basierte Geräte sammeln und analysieren.
2. International akzeptable Ansätze zur Unterstützung der WBG-basierten Leistungselektronik koordinieren.
3. Das Verständnis bei Regierungen und politischen Entscheidungsträgern fördern.
4. Grundlagen für regulatorische und politische Massnahmen ausarbeiten, um den Markteintritt von WBG soweit zweckmässig zu unterstützen.
Nun liegt ein erster umfassender Bericht vor. Untersucht wurde dabei, wieviel Energie gespart werden könnte, wenn WBG angewendet wird. Rechenzentren weltweit könnten 28’000 GWh/Jahr einsparen. Setzt man WBG bei Photovoltaik (PV)-Wechselrichtern sind es 10’000 GWh/Jahr. Bei Laptops, Tablets und Mobiltelefonen liegen die Einsparungen bei 7’700 GWh/Jahr. Dank WBG-Technologie sinkt aber nicht nur der Energieverbrauch. Auch Verluste bei der Produktion könnten reduziert werden. Schätzungen rechnen mit 35’000 GWh/Jahr in den weltweit installierten Windkraftanlagen.
Die Zahlen zeigen, dass es sich lohnt, Mechanismen und Massnahmen zu untersuchen, die eine Einführung und Marktdurchdringung von WBG-Technologien unterstützen und wenn möglich sogar beschleunigen.
Die Frage ist: Wann sind solche WBG-Technologien marktreif? Wann kann diese Technologie in den Geräten eingebaut werden. Dazu hat PECTA eine «Application Readiness Map» (ARM) entwickelt, die den Zeithorizont abschätzt. Diese ARM basiert auf verschiedenen, bestehenden Roadmaps renommierter Organisationen, insbesondere auf der WBG-Roadmap des European Center for Power Electronics e.V. (ECPE) und deckt verschiedene Anwendungen und Sektoren ab, wie z.B. Transport (Strasse und Schiene), Industrie, Automatisierung, Robotik, Antriebe, ICT und Datenzentren, PV-Wechselrichter, Windgeneratoren und Netzumrichter.
Die ARM zeigt, dass eine grosse Anzahl von WBG-Geräten ohne politische/regulatorische Unterstützung erst im Jahr 2030 oder später einen signifikanten Marktanteil erreichen würde. Deshalb werden mögliche Massnahmen (z.B. regulierende, freiwillige, informationsbasierte usw.) zur Förderung der Energieeffizienz in der Studie analysiert, um mögliche, auf die WBG-Technologie anwendbare Strategien zu ermitteln.
Die vorliegenden Ergebnisse sind lediglich ein erster Schritt. PECTA wird die Arbeit fortsetzen, um weitere Hintergrundinformationen auszuarbeiten und angemessene Empfehlungen für politische Entscheidungsträger abzuleiten.
Roland Brüniger, BFE-Forschungsprogrammleiter Elektrizitätstechnologien
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Sobald ein Gerät mit Kabel aus dem Netz versorgt wird, ist den Betreibern die Energieeffizienz egal. Die Kosten für Energie sind in den meisten Fällen viel zu gering um Aufwand in die Einsparung zu investieren. Ganz anders sieht es im mobilen Einsatz aus und da vor allem in der Elektromobilität. Geringere Verluste bedeuten mehr Reichweite. An der Stelle hat man heute schon einen entscheidende Schritte erreicht. Das gilt für die Leistungselektronik und für Rechenleistung. Die Lösung für Autonomes Fahren mit einem Nvidia Grafik Chip verbraucht in einem Tesla 1000W. Der selbst entwickelte Chip nur 300W. Wenn diese Einsparung mit WBG möglich gewesen wäre dann hätte Tesla keinen eigenen Chip entwickelt. D.h. in der Elektromobilität ist man bereit für Energieeinsparung Geld zu investieren. In einem PC hätte man einfach eine Wasserkühlung eingebaut und die billige Energie aus der Steckdose „kostengünstig“ vernichtet. Regulatorische Maßnahmen sind hier der falsche Weg. Es gibt die Notwendigkeit im Markt um in WBG zu Investieren. Wie wichtig es ist sieht man auch in den Patentanmeldungen von Tesla. Siehe in diesem Artikel https://www.tesla-car-rent.com/2020/05/04/tesla-hybridbatterie/