Zürich - Forschern an der Professur für Leistungselektronik (PES) der ETH Zürich http://www.pes.ee.ethz.ch ist es dank einem neuen Modellierungs- und Optimierungsansatz gelungen, die Verluste in Wechselstromgleichrichtern um bis zu zwei Drittel zu reduzieren und somit auf unter ein Prozent zu drücken. "Wir berücksichtigen dabei viele Details, etwa, wie genau Spulen als Teil des Gesamtsystems gebaut werden müssen", so PES-Mitarbeiter Jürgen Biela im Gespräch mit pressetext. Da Gleichrichter in der Stromversorgung von Computern und anderen Elektronikgeräten genutzt werden, verspricht das deutliche Stromeinsparungen in der IT und Unterhaltungselektronik. Jede Effizienzsteigerung ist in diesem Bereich wichtig, denn immerhin wird sich der Stromverbrauch durch IKT und Unterhaltungselektronik nach Prognosen der Internationalen Energieagentur (IEA) http://www.iea.org bis 2030 verdreifachen.
Schon in diesem Jahr wird die Zahl der weltweiten Computernutzer die Mrd.-Marke knacken, so die IEA, während bis 2030 der weltweite Stromverbrauch von IKT und Unterhaltungselektronik sogar auf 1,7 Petawattstunden - das sind 1,7 Bio. Kilowattstunden - steigen wird. Effizientere Gleichrichter, die Netz-Wechselspannung in die für den Betrieb der Elektrogeräte nötige Gleichspannung umwandeln, können einen Beitrag leisten, um diese Verbrauchsexplosion abzufedern. "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", sagt Biela. Bisher lag der Wirkungsgrad von Gleichrichtern laut ETH Zürich bei maximal 97,5 Prozent, während die PES-Forscher nun ein System realisiert haben, das 99,2 Prozent erreicht.
Um die außerordentlich hohe Effizienz zu erreichen, bedarf es einer optimalen Kombination diverser Designparameter. Diese werden mittels analytischen Modellen und Computersimulationen ermittelt. Zu den Parametern, welche die Forscher mit ihren Modellen optimieren können, zählt beispielsweise die Größe und Bauweise von Spulen, aber auch die Querschnittsfläche von Halbleiter-Bauelementen, welche beeinflusst, wie viel Strom geleitet werden kann. "Häufig meint man da, desto größer die Fläche, desto besser", sagt Biela. Doch im Kontext eines Gleichtrichtersystems kann es bei zu großem Querschnitt zu Effekten kommen, welche die Effizienz reduzieren. Auch das können die Forscher mit ihrem Modellierungs- und Optimierungsansatz berücksichtigen.
Die ETH-Gruppe setzt nun dazu an, neben dem Gleichrichter auch den zugehörigen Spannungswandler zu modellieren, welcher die hohe Eingangsspannung auf die Betriebsspannung von Computern oder Netzgeräten reduziert, denn auch hier gibt es Einsparungspotenziale. Somit könnten noch mehr Komponenten eines Netzteils in den Berechnungen berücksichtigt werden. Der Ansatz ist auch auf neue technologische Entwicklungen in diesem Bereich anwendbar, etwa spezielle Transistoren, an denen Fujitsu arbeitet (pressetext berichtete: http://pressetext.com/news/090627006/). "Mit unserer Methode könnten wir voraussagen, welche Effizienzverbesserung dank solch einer Komponente im Rahmen eines Gesamtsystems tatsächlich erreichbar wäre", sagt Biela. Generell sei es möglich, mithilfe der Modellierung beispielsweise die Auswirkung verschiedener Halbleitertechnologien zu untersuchen.
