Energieeffizienz wird oft als „erster Brennstoff“ für die saubere Energiewende bezeichnet, da sie die schnellste und kostengünstigste Möglichkeit zur Reduzierung von CO2-Emissionen bietet. In der All Electric Society liegt der Fokus besonders auf der Umwandlung von Elektrizität, wobei die Leistungselektronik eine zentrale Rolle spielt.
Energieeinsparungen lohnen sich, denn die kostengünstigste und klimafreundlichste Kilowattstunde ist die, die gar nicht erst verbraucht wird. Eine hohe Energieeffizienz zu erreichen, ist entscheidend, um unnötige Energieverluste zu vermeiden. Energieeffizienz bezieht sich auf das Verhältnis von Energieeinsatz zu nutzbarem Output. In den vergangenen Jahren und Jahrzehnten wurden viele Anstrengungen unternommen, um weniger Energie zu verschwenden, etwa durch effizientere LED-Beleuchtung, verbesserte Fahrzeugkraftstoffeffizienz und Fortschritte bei industriellen Prozessen. Der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen (IPCC) schätzt, dass die Umsetzung aller Optionen zur Steigerung der Energieeffizienz bis 2030 mehr als fünf Gigatonnen CO2-Äquivalente einsparen könnte.
„Energieeffizienz hat viele zusätzliche Vorteile. Sie verbessert die Luftqualität, hilft Unternehmen, Energie zu sparen, damit sie die Einsparungen in andere produktive Bereiche reinvestieren können, und fördert effizientere industrielle Prozesse“, sagt die EU-Kommissarin Kadri Simson.
Globale Energieeffizienz steigt
Seit 2020 sind die globalen Investitionen in Energieeffizienz laut der IEA um 45 Prozent gestiegen. Beispielsweise haben fast alle Länder inzwischen Effizienzstandards für Klimaanlagen, und die Anzahl der Länder mit Standards für effizientere Industriemotoren hat sich in den letzten zehn Jahren verdreifacht. Allerdings hat sich die globale Verbesserung der Energieintensität – die Energiemenge, die zur Erzeugung einer Einheit des Bruttoinlandsprodukts (BIP) erforderlich ist – verlangsamt. Im Jahr 2023 verbesserte sie sich nur um 1,3 Prozent, weit unter der Rate, die erforderlich ist, um die Klimaziele zu erreichen.
„Die Klimaziele der Welt hängen davon ab, ob es uns gelingt, das globale Energiesystem viel effizienter zu gestalten. Wenn Regierungen das 1,5-°C-Ziel erreichen und gleichzeitig die Energiesicherheit unterstützen wollen, ist eine Verdoppelung des Fortschritts bei der Energieeffizienz in diesem Jahrzehnt entscheidend“, sagte der IEA-Exekutivdirektor Fatih Birol.
Nationale Beispiele zeigen, dass es auch anders geht. So verbesserte die Europäische Union ihre Energieintensität 2022 um acht Prozent und 2023 um fünf Prozent. Die USA erreichten 2023 eine Verbesserung von vier Prozent.
Reduzierung von Umwandlungsverlusten
In der All Electric Society konzentrieren sich die Bemühungen hauptsächlich auf die effizientere Nutzung von Elektrizität. Ein entscheidender Hebel in dieser Hinsicht ist die Reduzierung von Verlusten bei der Umwandlung elektrischer Energie. Wenn Strom in Bezug auf Spannungsform (Gleich- oder Wechselstrom), Spannungsniveau, Stromstärke und Frequenz umgewandelt wird, entstehen unvermeidlich Verluste. Statische und dynamische Leitungsverluste in den Halbleitermaterialien der Leistungselektronik erhöhen die Schaltverluste bei der Bereitstellung, Verteilung und Nutzung elektrischer Energie und steigern so den Verbrauch wertvoller Primärenergie. Allein in Europa werden jährlich schätzungsweise drei Terawattstunden elektrische Energie durch Umwandlungsverluste verschwendet – und diese Zahl steigt. Um erhebliche Energieeinsparungen zu erzielen, müssen die Verbesserungen bei den Halbleitermaterialien selbst beginnen.
Steigerung der Effizienz mit SiC und GaN
Die derzeit in der Leistungselektronik etablierten Siliziumkomponenten werden durch leistungsfähigere Halbleiter mit breiten Bandlücken (WBG) ersetzt, die überlegene physikalische und elektrische Eigenschaften aufweisen. Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) bieten höhere Schaltgeschwindigkeiten und bessere thermische Eigenschaften. SiC wird insbesondere für Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeuge und Industriemotoren nachgefragt, während GaN bei Niederspannungsanwendungen wie Schnellladegeräten für Verbraucherprodukte glänzt. Insgesamt ermöglichen beide Halbleitermaterialien deutlich höhere Effizienzen bei der Leistungsumwandlung: In typischen Anwendungen wie Stromversorgungsmodulen oder Wechselrichtern können Effizienzsteigerungen von drei bis fünf Prozent erzielt werden.
Zukunft mit Ultra-Wide-Bandgap (UWBG) Halbleitern
Es ist bereits absehbar, dass in Zukunft selbst WBG-Komponenten von Halbleitern mit ultraweiten Bandlücken (UWBG) übertroffen werden. Ein vielversprechender UWBG-Halbleiter ist Aluminiumnitrid (AlN). Im Vergleich zu etablierten Siliziumkomponenten weisen AlN/GaN-Transistoren, die bereits erfolgreich auf AlN-Wafern in Forschungsprojekten hergestellt wurden, bis zu dreitausendmal geringere Leitungsverluste auf und sind etwa zehnmal leistungsfähiger als SiC-Komponenten.
