Nachhaltigkeit: Elektronik als Retter der Welt

Es ist allgemein unbestritten, dass Nachhaltigkeit der Schlüssel zu einer Zukunft mit weniger Kohlenstoffemissionen ist, und viele Regierungen und andere Organisationen haben Initiativen ins Leben gerufen, mit denen Lösungen für alle Aspekte des täglichen Lebens gesucht und umgesetzt werden. Diese Lösungen sind zwar vielfältig, haben jedoch alle das Ziel, den Energieverbrauch zu senken – und zwar insbesondere den Verbrauch von Energie, die aus nicht nachhaltigen Energiequellen stammt. Auch wenn kein einzelner Ansatz das Problem lösen kann, so ist doch jedes einzelne Element ein kleiner Schritt, der zur Gesamtlösung beiträgt.

Die Nachhaltigkeit kann in vielen Bereichen zum Tragen kommen, von der Nutzung sauberer Energiequellen (z. B. Sonnen- und Windenergie) bis hin zu einem möglichst hohen Wirkungsgrad dieser Energie. Selbst wenn „saubere“ Energie zur Verfügung steht, ist die Vermeidung aller Arten von Abfall der Schlüssel zu einer nachhaltigen Zukunft, wie sie in den Zielen für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen („Sustainable Development Goals“, SDGs) beschrieben ist.

Technologien, die für unser tägliches Leben unverzichtbar geworden sind, verbrauchen viel Energie. Dies gilt insbesondere für Elektromotoren. Sie werden häufig eingesetzt und verbrauchen 40 Prozent der weltweiten Energie. Der Technologiesektor leistet ebenfalls einen wichtigen Beitrag zu einem nachhaltigen Leben, beispielsweise durch die Entwicklung von Halbleiterbauteilen mit höherem Wirkungsgrad und die Überwachung unseres Energieverbrauchs.

Nachhaltigkeit im Designprozess

Die Designphase ist entscheidend dafür, wie ein Produkt funktioniert. Nachhaltigkeit beginnt somit bereits hier, und die Designer müssen bei ihren Entscheidungen dieses Ziel berücksichtigen, indem sie einen möglichst hohen energetischen Wirkungsgrad und einen geringen Verbrauch im Standby-Betrieb anstreben.

Die Gerätehersteller entwickeln glücklicherweise Bauteile und Subsysteme mit ausgezeichneten Nachhaltigkeitsmerkmalen. Dazu zählen Bauteile wie Mikrocontroller, drahtlose Kommunikationsmodule und zahlreiche leistungsbezogene Komponenten.

Daneben gibt es verschiedene Development Tools, die Entwicklern bei der Optimierung des Energieverbrauchs eines neuen Designs helfen. Ein solches Gerät ist das Netz- und Messgerät Otii Ace Pro von Qoitech (Bild 1). Dieses kleine und innovative Gerät misst Spannung und Strom mit einer hohen Abtastrate und kann präzise Spannungen liefern.

Das Otii Ace Pro bietet Funktionen zur Schätzung der Batterielebensdauer, Echtzeitanalysen und eine vollständig konfigurierbare Benutzeroberfläche. Mit diesem Tool können Entwickler den Stromverbrauch, den Kriechverluststrom und den Strom im Ruhezustand messen und aufzeichnen. Anhand dieser Daten können sie nachhaltige Entscheidungen treffen.

Natürlich wird jede Technologie, die zur Erzeugung und Umwandlung von Energie gehört, auf ihre Nachhaltigkeit hin überprüft. Dies gilt vor allem für Leistungshalbleiter.

Verlustarme Halbleitertechnologien für Leistungsapplikationen

Jahrzehntelang war Silizium die Grundlage für alle Leistungsgeräte. Angesichts der Anforderungen an den Wirkungsgrad, vor allem in Bereichen wie der nachhaltigen Stromerzeugung mit Wind- oder Sonnenenergie, lassen sich die Designziele mit Silizium immer seltener erreichen. Neue Materialien mit großer Bandlücke wie Siliziumkarbid (SiC) zeichnen sich durch geringere Verluste, Betrieb bei hohen Temperaturen und Zuverlässigkeit aus.

So sind beispielsweise Umrichter ein wichtiges Bauteil bei der Umwandlung von Gleichspannung aus Solar‑/Photovoltaik-Paneelen in Wechselspannung für das Stromnetz. Aktuelle Silizium-Wechselrichter können einen Wirkungsgrad von 98 Prozent erreichen, während Umrichter auf SiC-Basis sogar 99 Prozent erreichen. Dies mag zwar gering erscheinen, bedeutet aber eine Halbierung der Verluste, und bei einer installierten Solarleistung von 60 Gigawatt (GW) in den Vereinigten Staaten entspricht dieser 1%ige Gewinn einer zusätzlichen verfügbaren Solarleistung von 600 MW. Übertragen auf die installierte Solarleistung von 208,9 GW in Europa würde der Leistungsgewinn durch die SiC-Technologie 2089 MW betragen.

Die SiC-Technologie wird natürlich in vielen Anwendungen eingesetzt, unter anderem in Elektrofahrzeugen, wo ein effizientes und robustes Betriebsverhalten für eine größere Reichweite mit einer einzigen Ladung sorgt. Onsemi bietet eines der umfangreichsten SiC-Produktprogramme an. Die EliteSiC-MOSFETs M3S wurden für Hochfrequenzanwendungen entwickelt, um den Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit zu optimieren. Im Vergleich zu früheren Generationen zeichnen sich diese Bauteile durch rund 40 Prozent geringere Gesamtschaltverluste aus, was maßgeblich zur Systemeffizienz beiträgt.

Nachhaltigkeit in Industrieanwendungen

Wir werden zwar unsere Konsumgewohnheiten in Zukunft einschränken, aber wir werden immer konsumieren müssen. Um die Nachhaltigkeit in diesem Bereich zu verbessern, müssen die Fertigungsstätten, die diese Produkte herstellen, in ihrem Betrieb nachhaltiger werden. Das Internet der Dinge (IoT) und sein enges Pendant, das Industrial IoT (IIoT), ermöglichen die Platzierung von stromsparenden Sensoren in Fabriken und Lagern, um den Energieverbrauch in Bereichen wie der Beleuchtung zu überwachen und zu steuern.

Die Beleuchtung wird nur dann benötigt, wenn Menschen anwesend sind, wobei viele vollautomatisierte Anlagen komplett ohne Licht betrieben werden. Der manuelle Betrieb von Beleuchtungen über Schalter ist keine nachhaltige Option, da sie zwangsläufig eingeschaltet bleiben und Energie verschwendet wird. Der Einsatz von IIoT-Sensoren zur Erkennung der Anwesenheit von Menschen und zur entsprechenden Steuerung der Beleuchtung vermeidet Verschwendung und senkt die Betriebskosten.

Die Instandhaltung ist ein wichtiger Bereich des Fertigungsbetriebs, denn sie stellt sicher, dass die Maschinen mit optimalem Betriebsverhalten arbeiten und nicht ausfallen, was zu Stillstand und geringeren Produktionsergebnissen führen kann. Typischerweise wird die Instandhaltung nach einem (vom Hersteller festgelegten) Plan durchgeführt, und zwar basierend auf einer Schätzung, wann sie erforderlich sein könnte. Dies ist jedoch kein nachhaltiger Ansatz, da er sich an der Zeit und nicht am Bedarf orientiert.

Da bei den meisten Maschinen die beweglichen Teile schneller verschleißen, sind Vibrationen und Geräusche die wichtigsten messbaren Phänomene, die auf eine notwendige Wartung hinweisen können. Die Entwicklungsplattform CN0549 von Analog Devices für die zustandsorientierte Überwachung (Bild 2) – mit dem IEPE-Datenerfassungsboard CN0540, dem Schaltungs-Evaluierungsboard CN-0532 und dem Montageblock EVAL-XLMOUNT1 – misst Vibrationen mit einem Beschleunigungsmesser und ermöglicht die Erfassung großer Datensätze, um eine Basislinie für die Maschine zu erstellen.

Anhand eines Algorithmus oder eines einfachen Schwellenwerts lässt sich der Wartungsbedarf durch das Personal überwachen. Dies ist ein nachhaltiger Ansatz, da er eine unnötige frühzeitige Wartung vermeidet und gleichzeitig sicherstellt, dass Verschleiß erkannt und behoben wird, bevor er zu einem teuren Ausfall der Maschine führen kann. (neu)