Halbleiter und Software sind der Schlüssel für mehr Nachhaltigkeit

Die Rolle von Halbleitern im Alltag ist mittlerweile wohlbekannt. Die Covid-19-Pandemie hat viele Branchen weltweit betroffen. Und jetzt, da die Welt aus der Pandemie herauskommt, sehen Marktbeobachter einen starken Anstieg der Verbrauchernachfrage – von der Konsumgüterindustrie bis zur Automobilindustrie und darüber hinaus. Das Angebot ist knapp, die Kosten steigen, und die Märkte sind volatil.

Die Halbleiterindustrie befindet sich im Aufschwung und wächst jährlich um 26 Prozent. Inzwischen erzielt die Branche einen Jahresumsatz von mehr als 600 Milliarden US-Dollar. Dies entspricht fast 100 US-Dollar pro Jahr für jeden Menschen weltweit (Bild 1).

Bedeutet dieses beachtliche Wachstum, dass ein Rückgang bevorsteht? Das ist unklar. Halbleiter haben sich jedoch in der Vergangenheit als äußerst resilient gegenüber Konjunkturzyklen erwiesen. In den letzten drei Jahrzehnten betrug die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate für Halbleiter mehr als 8,5 Prozent. Zurückzuführen ist diese Resilienz auf die wachsende und tiefgreifende Bedeutung von Halbleitern für wichtige Megatrends der Bereiche Elektrifizierung, Experience, Automatisierung, Kommunikation und mehr.

So groß die Branche auch ist, der durch Chips geschaffene Wert ist weitaus größer. Marktkenner schätzen diesen auf mehrere Billionen US-Dollar. Der Grund dafür liegt in der Funktionsweise der Chips. Es sind Halbleiterchips, welche die Welt um uns herum messen, Signale verarbeiten, die Cloud mit Energie versorgen und ermöglichen, dass Software auf Computern, Handys, Autos und in Fabriken läuft. Einfach ausgedrückt: Ohne Chips gäbe es viele der Technologien, auf die sich Menschen verlassen, nicht. Und die Software, die auf den Chips läuft, sowie der zusätzliche Wert durch den Preisaufschlag auf umweltfreundliche Produkte erhöhen den Einfluss der Technologie erheblich.

Auswirkungen der Technologie eines Halbleiterherstellers

Um positive Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit zu erreichen, ist zunächst zu klären, wie sich diese messen lässt. Dies soll hier aus Sicht des Unternehmens Analog Devices (ADI) erfolgen. Dabei geht es nicht nur darum, was mit eigenen Technologie getan wird, sondern auch darum, wie Kunden die Technologie von ADI einsetzen, um die Umwelt zu schonen. Treibhausgasemissionen (THG) sind eine Möglichkeit, die Auswirkungen auf die Umwelt zu messen. Und tatsächlich sind Verkehr und Transport, Gebäude/Produktion und Elektrizität für 74 Prozent der gesamten THG-Emissionen weltweit verantwortlich.

ADI hat ein Modell entwickelt, welches die Emissionseinsparungen veranschaulicht, die Anwender mit Technologie des Unternehmens erzielen (Bild 2). Einige Unternehmen sind auf dem besten Weg, mit ADI-Technologie bis 2025 insgesamt 250 Millionen Tonnen Treibhausgase pro Jahr einzusparen. Bis 2030 sind fast 600 Millionen Tonnen realistisch. Damit sich die 600 Millionen Tonnen erreichen lassen, muss die Welt Emissionen von 51 Milliarden Tonnen pro Jahr einsparen. Nur so lässt sich eine „Netto-Null“-Bilanz für Treibhausgasemissionen erzielen. Natürlich gibt es noch andere Technologien von ADI, die ebenfalls einen positiven Einfluss auf die Umwelt haben. Diese Technologien können im Laufe der Zeit hinzukommen. Zum besseren Verständnis wird im Folgenden auf das Thema Elektrifizierung eingegangen.

Elektrifizierung ist ein weit gefasster Begriff, der nicht nur Elektrofahrzeuge aller Art umfasst, sondern eigentlich alle Produkte mit einem Stecker. Der Begriff Elektrifizierung umfasst auch das Stromnetz, an welches alle Gegenstände mit Steckern angeschlossen sind. Aus wirtschaftlicher Sicht entwickelt sich die Automobilindustrie schnell zu einem der wichtigsten Treiber, die sich auf das Stromnetz auswirken. Die Automobilindustrie befindet sich tatsächlich in der bedeutendsten Umbruchphase ihrer Geschichte. Stand heute haben alle großen OEMs angekündigt, ihre Investitionen von Motoren für fossile Brennstoffe hin zu Elektrofahrzeugen zu verlagern. Dies ist äußerst positiv für Halbleiter- und Softwareunternehmen (Bild 3).

Autos von heute enthalten durchschnittlich Halbleiter im Wert von 450 US-Dollar. In entsprechenden Elektroautos befinden sich jedoch etwa dreimal so viele Halbleiter. Derzeit sind 16 Millionen Elektrofahrzeuge auf den Straßen unterwegs. ADI geht davon aus, dass sich diese Zahl in den nächsten fünf Jahren auf mehr als 125 Millionen Elektrofahrzeuge erhöhen wird. Dies bedeutet, dass in den nächsten fünf bis zehn Jahren etwa die Hälfte aller Halbleiter für den Automobilmarkt in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen wird.

In Fahrzeugen steigt nicht nur der Anteil an Hardware. Auch der Anteil an Software wird zunehmen, und zwar enorm. Schätzungen zufolge wird Software bis 2030 der größte Umsatztreiber der Automobilindustrie sein, noch vor dem Autoverkauf. Diese tektonische Verschiebung stellt für Unternehmen wie ADI eine große Chance dar, einen Mehrwert für Halbleiter aufzubauen. Tatsächlich wird dieser Wert nun erfasst.

Beispielsweise basiert die kürzlich von ADI eingeführte drahtlose BMS-Technologie auf einer kompletten, von Grund auf neu entwickelten Plattform, die nicht nur Hardware, sondern auch einen völlig neuen drahtlosen Protokoll-Stack umfasst. Das System unterstützt Over-the-Air-Updates und erreicht die branchenweit höchste Sicherheitseinstufung.

Kein Elektrofahrzeug ohne Batterie

Aus technologischer Sicht ist die Batterie die Komponente, die Elektrofahrzeuge erst ermöglicht. Batterien für Elektrofahrzeuge müssen zum Laden an das Stromnetz angeschlossen werden, und können auch als Speicherelemente dienen, um Energie zurück in das Netz zu speisen. Die Geschäftsmodelle, wie Verbraucher, Ladeunternehmen und OEMs diese Energie erstatten oder bezahlen, entwickeln sich weiter und das Ökosystem verändert sich.

ADI liefert Technologie für beide Seiten des Ladekabels mit Halbleitern und Software für das Batteriemanagementsystem (BMS), das die Energieversorgung zwischen Batterie, Antriebssystem des Fahrzeugs und Netz sicherstellt.

Netzbelastung im Griff behalten

Die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen stellt erhebliche Anforderungen an das Management des Stromnetzes. Zuerst steht die elektrische Last im Mittelpunkt. Die maximale Belastung durch die 125 Millionen Elektrofahrzeuge liegt bei etwa 10 TWh. Obwohl dies im Vergleich zum erwarteten Anstieg der weltweiten Stromproduktion von 25.000 auf 28.000 TWh recht wenig ist, ist die Last sowohl zeitlich als auch räumlich auf einzigartige Weise dynamisch, da sich Elektrofahrzeuge innerhalb der Infrastruktur bewegen. Daher muss sich die Gesamtlast nicht nur handhaben, sondern auch in Echtzeit steuern lassen, um alle elektrischen Geräte im Netz nahtlos und ohne Unterbrechung zu versorgen.

Auf der Netzseite des Ladekabels liefert ADI Technologie für Präzisionsmessungen sowie für Steuerungen und die Signalverarbeitung in Echtzeit. Komponenten des Herstellers befinden sich weltweit in aktuellen Umspannstationen und statten das Netz mit Intelligenz aus, um eine zuverlässige Energieversorgung und Netzverwaltung sicherzustellen. ADI geht davon aus, dass sich diese Art von Geräten zum neuen Standard entwickeln wird, da das Stromnetz durch neue Energiequellen und neue Verbraucher immer dezentraler und störungsbehafteter wird.

Obwohl fossile Brennstoffe weiterhin einen Teil des weltweiten Energiebedarfs decken werden, wird zukünftig ein Großteil der benötigten Energie aus sauberen Energiequellen stammen. Die Zunahme von sauberen Energiequellen findet auf globaler Ebene statt und wird nicht nur durch Klimavereinbarungen, sondern auch durch wirtschaftliche Erwägungen angetrieben. Solar- und Windenergie sind billiger als Öl, und die Besitzer von Elektrofahrzeugen freuen sich über die Ersparnis.

Saubere Energiequellen arbeiten jedoch intermittierend und müssen mit Energiespeichersystemen verwaltet werden, um eine reibungslose Einspeisung in das Netz zu gewährleisten. Obwohl der Markt für Energiespeicher viel kleiner ist als der für Elektrofahrzeuge, wächst die Anzahl der Energiespeichersysteme noch schneller als die Produktion von Elektrofahrzeugen und ist auf ein präzises BMS angewiesen, das auf ihre spezifischen Anwendungsfälle zugeschnitten ist. Diese Herausforderung bietet erhebliche Chancen für die von ADI entwickelte Technologie.

Zukunftsaussichten

Mit Blick auf die Zukunft zeigt sich, dass die Möglichkeit, mit Halbleitern die Treibhausgasemissionen zu verringern, Druck auf die vorgelagerten Lieferketten ausübt, mit der Zeit umweltfreundlicher zu werden. Eine wirklich treibhausgasfreie BOM (Bill of Materials) zu erreichen, ist für Halbleiter sehr schwierig. Es lohnt sich jedoch für diejenigen, die dies als erste erreichen. Die Konsumenten von heute zahlen mehr für umweltfreundliche Produkte, und es wird erwartet, dass die Halbleiterindustrie diesem Beispiel folgen wird.

Und es gibt weitere Maßnahmen. Ausgehend von seinem BMS entwickelt ADI ein Programm für nachhaltige Batterien. Zusammen mit Partnern gewinnt das Unternehmen Einblicke in den Lebenszyklus der Batterie, um Anomalien zu erkennen, den Zustand der Batterie zu überwachen und den Wert für Second-Life-Anwendungen außerhalb des Fahrzeugs zu bewerten. Die Elektrifizierung mit Halbleitern ist die Schlüsseltechnologie, um schnell in eine emissionsfreie Zukunft zu gelangen. (na)