Leistungselektronik: Energie effizienter nutzen

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Steigende Energiekosten belasten nicht nur Privathaushalte, sondern beeinträchtigen als Wettbewerbsfaktor die gesamte deutsche Wirtschaft. Zugleich erfordert der Klimaschutz verantwortungsbewusste Ressourcennutzung und Stromproduktion. Schon heute sind rund 40 Prozent der weltweit verbrauchten Energie elektrische Energie, bis zum Jahr 2040 wird der Anteil nach Schätzungen auf 60 Prozent steigen. Mit innovativer Leistungselektronik soll Strom in Zukunft noch effizienter genutzt werden, indem Verluste bei der Umformung und Verteilung elektrischer Energie auf ein Minimum reduziert werden.
 
Eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern wird mittlerweile durch leistungselektronische Bauteile geschaltet und gesteuert. Die Leistungselektronik ist damit eine Schlüsseltechnologie für eine effiziente Ressourcennutzung. Am Beispiel eines so genannten Solarwechselrichters zur Einspeisung von photovoltaisch erzeugter Gleichspannung in das Stromnetz konnte das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE zeigen, dass alleine durch die Verwendung effizienterer Leistungsbauelemente eine - im Vergleich zu herkömmlichen Geräten - um bis zu 50 Prozent verringerte Verlustleistung erreicht werden kann.

Um bei leistungselektronischen Systemen eine optimale Energieeffizienz zu erzielen, reicht es allerdings nicht aus, nur die Leistung einzelner Halbleiterbauelemente zu optimieren. Notwendig sind vielmehr neue Systemlösungen, die eine Vielzahl unterschiedlicher Elemente und Aspekte einschließen. Dies reicht von neuen Materialien, Bauteilkonzepten und Aufbautechniken über innovative Systemintegrationen und Zuverlässigkeitsaspekte bis hin zur Standardisierung von Bauelementen und zu kostengünstigen Herstellungstechniken. Nur wenn man das Gesamtsystem untersucht und in allen Teilbereichen Innovationen schafft, kann das Ziel - deutliche Energieeinsparung durch neuartige Leistungselektronik - erreicht werden.

Die Energie-Einsparpotenziale, die durch die Leistungselektronik erschließbar sind, werden auf 20 bis 35 Prozent   des derzeitigen Bedarfes an elektrischer Energie geschätzt. Laut einer Studie des European Center for Power Electronics (ECPE) entspräche dies im Jahr 2020 bei einem europaweiten Energieverbrauch von 4.000 TWh der  Leistung von 115 Großkraftwerken.

Das BMBF fördert deshalb auf der Grundlage des Rahmenprogramms IKT 2020 multidisziplinäre Forschungs- und Entwicklungsprojekte zum Thema "Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung" (LES).

Durch den Erfolg von LES motiviert hat, das BMBF diese Linie mit dem Fördervorhaben "LES2" fortgesetzt. In diesem Fördervorhaben stehen neben der Grundlagenforschung neuer effizienter Wandlersysteme vor allem auch ein effizientes und intelligentes Energiemanagement, sowohl in Klein- und Großverbrauchern, als auch in den Energiewandlern der Energiewirtschaft, im Vordergrund.

Konkret sind als Schwerpunkte des Fördervorhabens neue Topologien und Aufbautechniken für effiziente leistungselektronische Umrichter zu erforschen. Diese neuen integrierbaren Bauelemente sollten für hohe Temperaturen und Taktfrequenzen ausgelegt sein. Für intelligente Energiemanagementsysteme ist es erforderlich, eine Elektronik für Energiezwischenspeicher mit hoher Dynamik und skalierbaren Speicherkonzepten zu erforschen. Die neuen Erzeuger und Verbraucher müssen auf Effizienz und Netzkompatibilität optimiert werden. In Zukunft sollen intelligente elektronische Analyse- und Kontrollsysteme mit Hilfe von Sensor- und Datensystemen zur Zustandsüberwachung der Netze eingesetzt werden.

Ein weiterer Schwerpunkt zielt auf die Erforschung von neuen Materialien und Bauelementen, innovativen Aufbau- und Verbindungstechniken sowie fortschrittlichen Anlagen- und Prozesstechniken (z.B. Epitaxie, Analytik, Handhabung neuer Materialien und Systeme).

Die Steigerung der Leistungsdichte und Energieeffizienz im Bereich Leistungselektronik wird erfolgreich in dem Großprojekt "Systemintegrationstechnologien für hochintegrierte Leistungs-Logik-Module am Beispiel der Antriebs und Beleuchtungstechnik", Kurzbezeichnung "ProPower" erforscht. Die notwendigen Untersuchungen werden bis Ende 2014 durch 21 namhaften Projektpartner aus Industrie und Forschung anhand der Schwerpunkte Antriebstechnik / Elektromobilität und LED-Beleuchtung durchgeführt. Hierzu werden Möglichkeiten zur Integration der notwendigen Komponenten zur Herstellung eines kompakten Aufbaus erforscht und Fertigungsverfahren zur Herstellung dieser Elektronik entwickelt.