Stromfresser auf Diät: Ladegeräte brauchen bald sehr viel weniger Energie

Stromfresser auf Diät: Ladegeräte brauchen bald sehr viel weniger Energie

von Wolfgang Kempkens

Deutsche Unternehmen entwickeln eine Technik, mit der Netzteile 50 Prozent Energie sparen. Die Verbraucher profitieren.

Ladegeräte für Laptops oder Handys, die sich unangenehm erwärmen, könnten bald der Vergangenheit angehören. Denn Forscher haben einen Weg gefunden, damit nur noch ein geringer Teil der elektrischen Energie in nutzlose Wärme umgesetzt wird. Neue Halbleitermaterialien aus dem diamantähnlichen Material Siliziumkarbid und Galliumnitrid sorgen dafür, dass Schaltnetzteile künftig bis zu 50 Prozent weniger Energie verlieren. Denn sie vertragen höhere elektrische Spannungen als Netzteile mit elektronischen Bauelementen aus Silizium.

Um gleich bleibende Leistungen zu erzielen, reichen kleinere Ströme. Das bedeutet geringere Verluste, weil Kabel und Leiterbahnen sich weniger erhitzen. Den Weg zu diesen kostengünstigen verlustarmen Bauteilen haben ausnahmsweise mal nicht Firmen aus Asien oder den USA geebnet, sondern vier deutsche Unternehmen.

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Neue Beschichtung bringt ErfolgWas die Innovation bringt, zeigt eine kleine Beispielrechnung: Jedes Ladegerät hat eine Verlustleistung von zwei Watt. Wenn man von 60 Millionen PCs und Laptops in deutschen Haushalten ausgeht, dann ergibt sich bei einer Nutzungsdauer von einer Stunde pro Tag ein Verlust von knapp 45 Millionen Kilowattstunden pro Jahr. Die stellen immerhin einen Wert von knapp 12 Millionen Euro dar. Davon ließe sich künftig also die Hälfte einsparen. Haushalte dürften dabei das kleinste Einsparpotenzial haben. Weit höher, aber nicht bezifferbar ist es in Unternehmen und im öffentlichen Dienst.

Die nötige Produktionstechnik wurde von Wissenschaftlern im Forschungsvorhaben NeuLand, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 4,7 Millionen Euro gefördert wurde entwickelt. Aixtron, ein Spezialist für die Beschichtung von Wafern, hat dafür eine so genannten Gasphasenepitaxieanlage entwickelt, die auch mit den widerspenstigen Werkstoffen Siliziumkarbid und Galliumnitrid fertig wird. Damit ist der Weg zur Massenproduktion der neuartigen Wafer und damit deutlichen geringeren Kosten verbunden.

Um Bauteile aus Siliziumkarbid und Galliumnitrid herzustellen, müssen Wafer, also runde Scheiben aus Silizium oder Siliziumkarbid, mit elektrisch aktiven Materialien beschichtet werden. Das geschieht in so genannten Gasphasenepitaxieanlagen, in denen die Basismaterialien erhitzt werden. Sie verdampfen und legen sich wie Feinstaub auf die Wafer.

Gängige Materialien lassen sich schon bei Temperaturen von wenigen 100 Grad Celsius verarbeiten. Die neuen Werkstoffe verdampfen dagegen erst bei mehr als 1000 Grad. Die Aixtron-Forscher hatten zwei Aufgaben zu lösen: Zum einen mussten sie dafür sorgen, dass die teilweise giftigen, brennbaren und ätzenden Ausgangsmaterialien wie Ammoniak, Silan und Metalle gleichmäßig verdampfen. Zum anderen galt es, die gefährlichen Werkstoffe sicher einzuschließen.

Wir haben den Beschichtungsprozess industriell nutzbar gemacht“, sagt Aixtrons Vice President Michael Heuken, der auch Professor im Lehr- und Forschungsgebiet Galliumnitrid-Bauelementtechnologie der Technischen Hochschule Aachen ist. Weil jetzt eine Massenfertigung möglich ist, werden die Beschichtungskosten drastisch reduziert, glaubt Heuken.

Auch Offshore-Windparks könnten profitierenDass in jedem Arbeitsgang Wafer mit einem ungewöhnlich großen Durchmesser von 200 Millimetern beschichtet werden, trägt ebenfalls dazu bei, dass Kosten sinken. Denn so können mehr Bauteile hergestellt werden als bei üblichen 150-Millimeter-Wafern.

Für die Herstellung der Elektronik aus diesen Wafern ist Infineon in München zuständig, heute schon Weltmarktführer in der Leistungselektronik. Weil weniger Wärme entsteht, lassen sich mehr Funktionen auf gleichem Raum konzentrieren (wobei allerdings wieder der Stromverbauch steigen könnte).

Projektpartner SMA Solar Technology aus dem niedersächsischen Niestetal, Spezialist für Wechselrichter, die den in Solaranlagen erzeugten Gleich- in Wechselstrom umwandeln, erwartet, dass künftig weniger Bauteile nötig sind, was Kosten reduziert. Die Nürnberger SiCrystall schließlich stellt die Wafer aus Siliziumkarbid her.

Umwelt und Geldbeutel freuen sichÜberall, wo hohe elektrische Ströme umgewandelt werden, sind die neuen Bauteile einsetzbar. Etwa in Offshore-Windparks. Der erzeugte Drehstrom wird in vielen Fällen in Gleichstrom umgewandelt, weil sich die erzeugte Energie in dieser Form verlustärmer an Land transportieren lässt. Dort muss sie wieder in Drehstrom zurückverwandelt werden.

Auch in elektronischen Steuerungen von Motoren in der Industrie und im Haushalt sowie in Sende- und Empfangsstationen für den Mobilfunk wird sich die neue Technik einsetzen lassen. Mit Energieeinsparungen um bis zu 50 Prozent, die die Projektpartner erwarten, freuen sich Umwelt und Geldbörsen - und auch Ladegeräte sollten künftig kühl bleiben.

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