Energie für die Roboter der Zukunft

Die Welt der Fertigung befindet sich im Wandel. Vor hundert Jahren wurde eine Fabrik weitgehend von der Muskelkraft seiner Mitarbeiter angetrieben. Heute verbrauchen Fabriken riesige Mengen an elektrischer Energie. Diese Energie versorgt die Computer, die automatisierten Anlagen und die Roboter, die unsere Fabriken so effizient machen. Aber elektrische Energie ist nicht unbegrenzt verfügbar. Was wird also unternommen, um zu gewährleisten, dass diese Energie effizient genutzt wird?

Wie effizient sind elektrische Geräte?

Fabriken benötigen Energie, um die Produkte herzustellen, die wir kaufen und Tag für Tag nutzen. Eine Menge Energie. Eine kleine Fabrik kann soviel Energie in einer Woche verbrauchen wie ein Haushalt in einem ganzen Monat. Größere Fabriken können diese Menge an einem einzigen Tag oder sogar innerhalb weniger Stunden verbrauchen. Damit wir uns die Produkte, die wir benutzen oder verbrauchen, auch in Zukunft noch leisten können, müssen wir unsere Fabriken weiter automatisieren. Doch jede Verbesserung, z. B. durch den Einsatz von Robotern, macht es auch erforderlich, dass diese Maschinen elektrische Energie effizient nutzen.

Um dies zu realisieren, kommt der Elektronikbranche eine Schlüsselrolle zu, insbesondere all ihren Wissenschaftlern und Ingenieuren, die die Komponenten und Materialien erforschen, designen und entwickeln. Um die Leistungsfähigkeit der heutigen Generation von Haushaltsgeräten zu relativieren, müssen wir nur auf die Audiosysteme der 1980er Jahre zurückblicken. Damals hatten die Verstärker eine Effizienz von etwa 50 – 60 %. Das heißt, von jedem Watt Ausgangsleistung wurde etwa die Hälfte nicht genutzt. Die verlorene Energie wurde vor allem in Form von Wärme freigesetzt, und zwar auch bei Waschmaschinen, Kühl- und Gefriergeräten sowie Fernsehgeräten.

Wie trägt Elektronik dazu bei, die Geräte effizienter zu machen?

Hier gibt es zwei unterschiedliche Ansätze, um die Effizienz zu erhöhen:

Erster Ansatz: Die Komponenten selbst

Im Laufe der Zeit sind die Komponenten immer kleiner und effizienter geworden. Neue Materialien ermöglichen es uns auch, neue Komponenten in kleinerer Paketgröße herzustellen als zuvor, die noch dazu leistungsfähiger sind. Diese Forschungsarbeit wird geleistet, weil die Kunden fordern, dass die Komponenten, die Bausteine elektronischer Schaltkreise, effizienter sein müssen.

Zweiter Ansatz: Strategien für den Einsatz elektronischer Komponenten in elektrischen Schaltkreisen

In den 1980er Jahren gab es nur eine begrenzte Anzahl von Konzepten für den Bau eines Verstärkers. Das war teilweise auf die Einschränkungen der Komponenten selbst zurückzuführen. Darüber hinaus waren die Kosten für einen nur marginal effizienteren Schaltkreis immens hoch. Die Leistungsverbesserungen rechtfertigten diese Kosten nicht.

Aber die Ingenieure wussten, dass sie, wenn sie über die entsprechenden elektronischen Geräte verfügten, äußert intelligente Wege verfolgen könnten, die letztendlich die Elektronik sehr effizient machen könnten.

Eine weitere Veränderung ergab sich durch das verstärkte Aufkommen der Digitaltechnologie. Vor Jahren wurde ein Gerät, das analoge Signale verarbeitete (z. B. ein Verstärker), ausschließlich mit analogen Schaltkreisen hergestellt. Heute kombinieren leistungsstarke, kompakte und effiziente Verstärker die besten Elemente aus digitaler und analoger Technologie. Dies trifft  beispielsweise auf Fernsehgeräte und Surround-Sound-Heimkinosysteme zu. Das Ergebnis: kompakte, leistungsfähige und effiziente Audioverstärker für unsere Home-Audiosysteme.

Das richtige Timing ist alles

Die Stromversorgung der elektronischen Schaltkreise ist eine weitere große Herausforderung. Netzteile verwandeln den Wechselstrom aus der Steckdose in Gleichstrom – die Art der Elektrizität, die unsere Telefone zum Laden und Betreiben vieler anderer großer und kleiner Haushaltsgeräte verwenden können. Manchmal benötigt das angeschlossene Gerät viel Energie, manchmal sehr wenig. Und gelegentlich braucht es überhaupt keine Energie. Normalerweise ist das Bereitstellen einer konstanten Energiemenge eine relativ einfache Aufgabe, die effizient durchgeführt werden kann. Die Herausforderung beginnt, wenn sich der Energiebedarf ändert. Der Fachbegriff ist „Lastwechsel“.

Dies ist die Herausforderung, der sich Ingenieure stellen, wenn sie Netzteile entwickeln und bauen. Das ist ein bisschen so, als wenn man versucht, ein Puzzle zu lösen. Meistens gibt es eine exzellente Lösung für die Bereitstellung einer geringen Energiemenge, und eine andere Lösung ist hervorragend geeignet für die Bereitstellung großer Energiemengen. Es ist jedoch eine echte Herausforderung, diese Schaltungen so zu gestalten, dass sie auch in weniger effizienten Betriebsmodi gut und nicht mittelmäßig sind.

Informierte Entscheidungen treffen

Die meisten Ingenieure hätten gerne mehr Informationen zu den geplanten Anwendungsfällen für die Elektronik, die sie entwickeln. Wenn sie ein Netzteil bauen, das in einer Fabrik zur Versorgung eines Roboters eingesetzt werden soll, dann wüssten Sie gerne, wie viel Strom wann verbraucht wird. Wenn ein Roboter beispielsweise etwas aufnimmt, wird viel Energie benötigt. Sobald er das Stück wieder abgelegt hat, verbraucht er nur noch sehr wenig Energie. So benötigt ein Roboterarm, der ständig schnell bewegt wird, mehr Energie als einer, der langsam bewegt wird.

Aber ein Roboter ist ein Universalwerkzeug, das viele unterschiedliche Aufgaben erfüllen kann. Die Energiemenge, die ein Roboter verbraucht, wenn er schwere Fahrzeugteile hebt, ist eine andere, als wenn er für die Herstellung von Büromöbeln eingesetzt wird.

Wäre es nicht eine tolle Sache, wenn all diese energieverbrauchenden Geräte miteinander kommunizieren könnten, um ihren Energieverbrauch zu organisieren und zu optimieren?

Industrie 4.0: Höhere Energieeffizienz durch Maschine-zu-Maschine-Kommunikation

Hier kommen Initiativen wie Industrie 4.0 ins Spiel. Der Begriff ist ziemlich weit gefasst, definiert aber im Kern das nächste Zeitalter der industriellen Revolution. Es ist das Zeitalter der Interkommunikation, wo Roboter und andere Fertigungseinrichtungen untereinander und mit ihren menschlichen Bedienern kommunizieren, um Produkte in der Fabrik noch effizienter herzustellen.

Einer der Bereiche für eine Effizienzsteigerung ist der Energieverbrauch. Wenn sich die Maschinen untereinander koordinieren könnten, könnten sie unter Umständen ihren Energieverbrauch glätten und Verbrauchsspitzen verringern. Und so könnten wir wiederum, wie schon gesagt, Energie effizienter nutzen.

Aber das funktioniert natürlich nicht immer. Wenn Material von einem Fließband aufgenommen und verpackt werden muss, gibt es enge zeitliche Grenzen, die eingehalten werden müssen. Wenn aber die Maschinen untereinander kommunizieren würden, könnten sie gemeinsam einen effizienteren Ablauf finden, der ebenso zu einem gleichmäßigeren Energieverbrauch führt.

Infineons Beitrag zur Energieeinsparung

Infineon liefert einen Großteil der Elektronikkomponenten für Netzteile. Bis vor kurzem basierte der überwiegende Anteil dieser Komponenten aus einem Basissubstrat hochreinen Siliziums. Das ist das Material, aus dem Silizium-Chips bestehen. Fortschritte in der Materialforschung haben aber Alternativen ergeben, die ideal geeignet sind für den Einsatz in Leistungselektronik. Eines dieser Materialien, denen eine immer größere Bedeutung zukommt, ist Siliziumkarbid, auch bekannt als SiC.

SiC wird schon seit geraumer Zeit in der Elektronik eingesetzt, wird aber erst in den letzten zehn Jahren produktiv in Leistungselektronik genutzt. Zu den Vorteilen von SiC gehört seine hohe Stromdichte, durch die es ideal für die hohen Spannungen und Stromstärken von Netzteilen geeignet ist.

In einer Branche, in der jede Kleinigkeit zählt, helfen Infineons CoolSiCTM Schottky -Dioden Ingenieuren, die Effizienz von Netzteilen um weitere ein bis zwei Prozent zu verbessern. Das scheint vielleicht nicht viel, macht aber in einer Branche einen Unterschied, in der heute ein Effizienzgrad von über 90 % an der Tagesordnung ist.

Höhere Effizienz bedeutet gleichzeitig weniger Verschwendung von Energie, die sonst als Wärme abgeführt werden müsste. Das führt zu leichteren und kompakteren Designs. Darüber hinaus sind weniger Ressourcen erforderlich, um diese Wärme abzuführen (in der Regel ein Kupfer-Kühlelement und ein Ventilator).

Durch Koppelung so hocheffizienter Komponenten mit Industrie-4.0-Maschinen, die miteinander kommunizieren, können die Netzteile außergewöhnlich hohe Wirkungsgrade erzielen und so die Energieverschwendung reduzieren. Wenn sie darüber hinaus „wissen“, wie sich die Energiemengen, die sie bereitstellen, und die der anderen Maschinen um sie herum ändern, können sie entsprechend reagieren und den optimalen, effizientesten Modus wählen.

Schlussbemerkung

Wir wollen gewährleisten, dass die Fabriken der Zukunft unsere begrenzten Ressourcen so effizient wie möglich nutzen. Dank der gemeinsamen Anstrengungen von Wissenschaftlern lernen wir mehr über die fantastischen Eigenschaften von Materialien, die dies ermöglichen können. Und mit der Unterstützung kluger Ingenieure werden diese Materialien und Erkenntnisse zu energiesparenden Lösungen und Komponenten, die dies auch ermöglichen werden.

Weitere Themen