Zürich (agrar-PR) - Im Mai 2009 erklärte die Internationale Energieagentur IEA, dass die
wachsende Verbreitung von Mobiltelefonen, Computern und anderen
elektronischen Geräten in den nächsten Jahrzehnten einen immer
grösseren Anteil am Stromverbrauch ausmachen werde. Forscher der ETH
Zürich versuchen dem durch effizientere Stromversorgungen
entgegenzuwirken. Es ist ihnen gelungen, die Verluste in den dort
eingesetzten Wechselstromgleichrichtern um bis zu zwei Drittel zu
reduzieren.
Nach
den Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) wird im Laufe des Jahres
2009 die Zahl der Computernutzer 1 Milliarde überschreiten. Bis 2030 wird sich laut
IEA der Energiebedarf durch Unterhaltungselektronik und Bürogeräte
verdreifachen und zwar auf 1700 Milliarden Kilowattstunden. Das entspricht dem
aktuellen Stromverbrauch aller Haushalte in den USA und Japan.
Der
steigende IT-Stromverbrauch wird also in Zukunft nicht nur die Stromrechnungen
in die Höhe treiben, sondern er gefährdet auch Pläne, die Energiesicherung zu verbessern
und weniger Treibhausgase auszustossen. Im Technologiezeitalter ist der
IT-Stromverbrauch somit ein nicht zu unterschätzender Energieposten in der
allgemeinen Energiespardebatte. Das Schlagwort der «Green IT» macht daher seit
längerem die Runde.
Effizientere Versorgungssysteme
bauen
Ein
Ansatz, dem stetig steigenden Stromverbrauch zu begegnen, besteht darin, die Verluste
in den leistungselektronischen Konvertern, welche die IT-Geräte mit Energie
versorgen, zu reduzieren. Jürgen Biela und Doktoranden der Professur für
Leistungselektronik der ETH Zürich setzten deshalb bei den Gleichrichtern an,
die sich in allen IT-Stromversorgungen befinden. Diese wandeln die Wechselspannung
des Energienetzes in Gleichspannung um und formen aktiv den Eingangsstrom, um
eine Störung anderer Verbraucher zu vermeiden. Dabei entstehen unerwünschte
Verluste: Ihr Wirkungsgrad liegt momentan bestenfalls bei 97,5 Prozent.
Biela
und seine Kollegen konnten nun durch neue Schaltungskonzepte und
Mehrkriterienoptimierungen ein Gleichrichtersystem realisieren, das
diesen
Wirkungsgrad auf 99,2 Prozent verbessert. «Durch einen um ein Prozent
höheren
Wirkungsgrad der IT-Geräte in der Schweiz, könnte die Hälfte
des jährlichen Stromverbrauchs der gesamten ETH Zürich gedeckt werden»,
schätzt Biela die Auswirkung der Effizienzsteigerung ein.
Effizienz und extreme
Kompaktheit widersprechen sich
Der
verbesserte Gleichrichter ist das Ergebnis eines neuen Modellierungs- und
Optimierungsansatzes, der es ermöglicht, das Spannungsfeld zwischen maximal
erreichbarem Wirkungsgrad und minimalem Bauvolumen in Abhängigkeit der
verfügbaren Technologie auszuloten. Denn je kompakter und kleiner ein
leistungselektronisches System gebaut wird, desto geringer wird seine Effizienz.
Die Gratwanderung besteht also darin, die Systeme – den heutigen Bedürfnissen
entsprechend – möglichst klein, aber gleichzeitig mit möglichst geringen
Verlusten zu realisieren. Eine ausserordentlich hohe Effizienz, wie in dem
gebauten System, erreicht man dabei nur mit einer optimalen Kombination aller
Designparameter, die mit Hilfe von analytischen Modellen und
Computersimulationen ermittelt wird.
Mit
dem von Biela und seinen Kollegen entwickelten Ansatz lässt sich jetzt erstmals
der bestmögliche Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Leistungsdichte
berechnen. So können die Forscher feststellen, welcher maximale Wirkungsgrad
bei einer vorgegebenen Leistungsdichte theoretisch überhaupt erreichbar ist.
«Mit den heutigen Materialien ist der von uns erreichte Wirkungsgrad von 99,2
Prozent bei einer Leistungsdichte von 1,4 Kilowatt pro Liter wohl das Optimum»,
betont Biela. Bei einer maximal erreichbaren Leistungsdichte von ca. 6 Kilowatt
pro Liter sinkt der erreichbare Wirkungsgrad auf unter 96 Prozent. Um die hohen
Effizienzwerte in der Praxis genau bestimmen zu können, mussten die Forscher
überdies ein neues Messsystem entwickeln, mit dem der Wirkungsgrad mit einer
Genauigkeit von ±0,05 Prozent bestimmbar ist.
Der
weitere Nutzen des Modellierungs- und Optimierungsverfahrens liegt darin, dass
damit auch das Potential neuer Technologien und Materialien, wie zum Beispiel
Silizium Karbid, ausgelotet werden kann und die Ergebnisse dann den
effektivsten Weg für die gewünschte Verbesserung eines Systems zeigen.
Als nächstes der Gleichspannungswandler
Von
Seiten der Industrie ist das Interesse an der Forschung von Biela und seinen
Kollegen gross. Der Prototyp des Gleichrichters ist bereits für Tests bei einer
grossen Halbleiterfirma. «Unser Verfahren ist keine theoretische Spielerei, es
kann unmittelbar eingesetzt werden», hebt Biela den Praxisbezug der Forschung
hervor.
Der
verbesserte Gleichrichter ist aber für Biela und seine Kollegen nur der erste
Schritt. Sie erweitern den neuen Modellierungs- und Optimierungsansatz jetzt um
den Gleichspannungswandler (
ETH Life-Artikel). Er ist dem Gleichrichter
nachgeschaltet und bringt die Spannung von 400 oder mehr Volt auf 48 Volt, und
dann bis auf 12 beziehungsweise 1 - 1,3 Volt herunter. Diese Spannung wird für
den Mikroprozessor und die Speicherbausteine benötigt. Auch hier lassen sich
noch erheblich Verluste einsparen, um dem Ziel einer «Green IT» einen Schritt
näher zu kommen.
