Meilensteine der Elektronik

Drei Megatrends im Power- und Energie-Management bis 2020

| Redakteur: Kristin Rinortner

Dave Heacock, Senior Vice President TI, Clara/USA: "Wir müssen nach Möglichkeiten Ausschau halten, mithilfe von Power-Management-Techniken für eine kosteneffektivere und energieeffizientere Datenspeicherung zu sorgen"
Dave Heacock, Senior Vice President TI, Clara/USA: "Wir müssen nach Möglichkeiten Ausschau halten, mithilfe von Power-Management-Techniken für eine kosteneffektivere und energieeffizientere Datenspeicherung zu sorgen" (Bild: Texas Instruments)

Die Halbleiterbranche wird in den kommenden Jahren weiter mit Herausforderungen beim Energiemanagement konfrontiert sein. Dave Heacock, Senior Vice President TI über drei Trends, bei denen die Entwicklungen im Sektor Power Management in den kommenden Jahren am meisten bewegen wird.

Die Weltbevölkerung verbraucht ungefähr 17 Terawatt Leistung aus den unterschiedlichsten Energiequellen. Der höchste Verbrauch ist in entwickelten Ländern wie den USA zu verzeichnen. Das Problem besteht im Finden von Möglichkeiten, diese enormen Energiemengen auf effiziente Weise bereitzustellen. Die Lösung für dieses Problem sind richtungsweisende Entwicklungen auf dem Gebiet der Leistungselektronik.

Hand in Hand mit unseren Technologiepartnern entwickeln wir Energie-Innovationen mit dem Ziel, einige dieser komplexen Herausforderungen durch Fortschritte in der Halbleitertechnologie und bei den Stromversorgungs-Topologien zu bewältigen.

Hochspannungstaugliche Analog- und Mixed-Signal-Halbleiterlösungen werden in den kommenden Jahren für mehr Energieeffizienz sorgen. Durch die einzigartige Kombination von Hochspannungs-Fertigungsprozessen mit Power-Management-ICs, die höhere Spannungen verkraften, werden effiziente Stromversorgungs-Lösungen möglich, die eine Vielzahl von Märkten erschließen können. (Mehr über die Innovationen auf dem Hochspannungs-Sektor erfahren Sie in unserem Whitepaper „Redefining power management through high-voltage innovation”.)

Lassen Sie uns im Folgenden einen Blick auf drei Trends werfen, bei denen die Entwicklungen im Sektor Power Management in den kommenden Jahren am meisten bewegen wird.

Megatrend Nr. 1: Die Leistungsdichte

Unter der Leistungsdichte versteht man den Energiefluss pro Volumen-, Flächen- oder Masseeinheit. Entwicklungsingenieure sind bestrebt, effizienter und mit weniger Platzbedarf mehr Energie bereitzustellen. In Produkten wie zum Beispiel Server-Stromversorgungen oder Batterien für Elektrofahrzeuge verlangen sie deshalb nach größtmöglicher Leistungsdichte.

Es überrascht folglich auch nicht, dass Jahr für Jahr viele neue Techniken und Konzepte zur Anhebung der Leistungsdichte erscheinen.

Wir sind bei Texas Instruments stets auf der Suche nach einem ganzheitlicheren Konzept für das Leistungs- und Energieproblem. Wir betrachten die gesamte Stromversorgungs-Kette, statt uns nur auf ein bestimmtes Element zu konzentrieren. Daher können wir innovative Ansätze für traditionelle Probleme vorlegen.

Wie kann ich zum Beispiel Energie aus dem Netz so umwandeln, dass sie sich zur Versorgung einer Serverfarm eignet? Unseren Kunden geht es um die Gesamt-Energiekosten (für die Energie selbst und die Kühlung) sowie darum, wie schnell sich eine Lösung für sie bezahlt macht. Sie sind dabei durchaus bereit, unterschiedliche Technologien und Konzepte zu evaluieren und zu testen und damit neue Wege zu finden, die ihnen helfen, ihre Kosten zu senken und ihre Effizienz zu steigern.

Hersteller wie Texas Instruments bringen hier neue Werkstoffe wie etwa Galliumnitrid (GaN) auf Siliziumsubstraten ins Spiel, um höhere Schaltfrequenzen zu erzielen und an Eingangsspannungen bis zu 700 V noch höhere Wirkungsgrade zu realisieren.

Abgesehen von der Entwicklung dieser HEMT-Bausteine (High-Electron Mobility Transistor) entwickeln wir mehrere Gatetreiber, die sich speziell für GaN-FETs eignen. Nicht zuletzt stellen wir fortschrittliche MCMs (Multi-Chip-Module) vor, die Gatetreiber und GaN-Leistungs-FETs in einem Gehäuse enthalten.

Megatrend Nr. 2: Die Energieeffizienz

Wir werden in den kommenden Jahren auch ein intelligenteres Management des Stromnetzes erleben. An Verbreitung gewinnen werden Techniken wie die Spitzenabdeckung (Peak Shaving). Dabei wird zur Nachtzeit, wenn der Energiebedarf gering ist und die Kosten niedrig sind, Energie vom Netz abgeschöpft, um diese dann zu Spitzenbedarfszeiten wieder einzuspeisen.

Hierdurch lässt sich der Energiebedarf eines Wohn- oder Gewerbegebäudes in Spitzenlast-Phasen unter einem bestimmten Wert halten, sodass sich die Nachfrage nach Energie über den Tag hinweg ausgleicht.

Zusätzlich verkompliziert wird die gesamte Lage durch alternative Energiequellen, deren Verfügbarkeit über den Tag meist stark variiert, denn im Unterschied zu Gaskraftwerken sind Wind und Sonneneinstrahlung starken Schwankungen unterworfen.

Mit einer dem Peak Shaving ähnlichen Technik werden Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen kosteneffektiver werden. Diese Anlagen können bei entsprechender Verfügbarkeit maximalen Gebrauch von alternativen Energiequellen machen und die Energieerzeugung mit einem Erdgas-Block ergänzen.

Kosteneffektive Energiespeicherung im Verbund mit effizienter Leistungswandlung ist die Voraussetzung dafür, dass Konfigurationen dieser Art in der Zukunft allgemeine Verbreitung finden. Ohne verbesserte Leistungswandlungs-Techniken nämlich wären die Verluste, die beim Ein- und Ausspeichern entstehen, schlichtweg zu hoch, um noch praktikabel zu sein.

Meines Erachtens wird es nicht mehr lange dauern, bis in vielen Haushalten eigene Energiespeicher stehen, die entweder für Elektrofahrzeuge genutzt werden oder zur Begrenzung des Energiebedarfs aus dem zentralen Stromnetz. Wir werden diese stromhungrigen Anwendungen somit nutzen können, ohne die Energieversorgungs-Infrastruktur übermäßig zu belasten.

Die Verbraucher profitieren dabei von niedrigeren Kosten (durch nächtliches Aufladen zu günstigen Tarifen und Entladen zu den Spitzenlastzeiten während des Tages) und werden sich gegenüber früher vermehrt ihres Energieverbrauchs bewusst.

Megatrend Nr. 3: Speichern und Bereitstellen von ‚Big Data‘

Bei ‚Big Data‘ geht es um das Erzeugen, Speichern, Abrufen und Auswerten von Daten mit beeindruckenden Zahlen, was die Mengen, die Geschwindigkeiten und die Vielfalt angeht. Die Datenmengen durch private Internetnutzung, Emails und Datenverkehr belaufen sich weltweit auf 6706 Petabyte im Monat. Branchenfachleute gehen überdies davon aus, dass bis 2020 alljährlich Daten im Umfang von 35 Zetabyte generiert werden.

Können wir uns die Energie leisten, die nötig ist, um diese Datenmengen täglich zu speichern und den Anwendern zur Verfügung zu stellen? Zweifellos müssen wir nach Möglichkeiten Ausschau halten, mithilfe von Power-Management-Techniken für eine kosteneffektivere und energieeffizientere Datenspeicherung zu sorgen.

Faktum ist, dass die Verbraucher auf Informationen zugreifen möchten – die meisten allerdings nicht rund um die Uhr an sieben Tagen der Woche. Ist die nötige Rechenleistung für diese Zugriffsmöglichkeit jedoch einmal installiert, variieren die Kosten über den Tag hinweg nicht sehr.

Da die Unternehmen keine Gebühren für dieses ‚Bereithalten‘ erheben können, sind sie auf der Suche nach neuen Möglichkeiten zum Skalieren ihres Energiebedarfs unter Beibehaltung ihrer Maximalkapazität – all dies natürlich ohne Schmälerung ihrer Profitabilität. Hierfür wird eine Verbesserung des Konzepts nötig sein, das den Rechenzentren zugrunde liegt.

Wirkungsvollere Lösungen für die Zukunft

Wir leben in einer interessanten Zeit, in der Innovationen auf dem Gebiet der Leistungselektronik das Problem lösen, mehr Energie bereitzustellen und zu speichern und die Bereitstellung effizienter zu machen. Wir müssen offen dafür sein, neu an traditionelle Probleme heranzugehen, indem wir mit fortschrittlichen Halbleitertechnologien und Stromversorgungs-Topologien an einer nachhaltigeren, wirkungsvolleren Zukunft für alle Menschen arbeiten.

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