Hochspannend!

Bei Schaltprozessen innerhalb elektrischer Geräte geht ein nicht unwesentlicher Teil des Stroms, den sie verbrauchen, in Form von Wärme verloren – das kostet Energie, die besser genutzt werden könnte. Der Leiterplattenhersteller AT&S forscht an Möglichkeiten, Stromumwandlung so effizient wie möglich zu machen.

Strom ist nicht gleich Strom: In herkömmlichen Stromleitungen fließt Wechselstrom, Batterien speichern Gleichstrom. Für unterschiedliche Anwendungen werden unterschiedliche Arten von Strom benötigt, über elektrische Schaltungen kann die eine in die andere umgewandelt werden. Das Problem: Bei jeder Wandlung geht ein kleiner Teil der Energie verloren, das meiste davon als Wärme. Soll der Strom aber zum Beispiel ein Elektroauto antreiben, wird er unzählige Male umgewandelt, bevor er tatsächlich die Räder bewegt. „Mit der Anzahl dieser Wandlungen geht so ein beträchtlicher Teil des Stroms verloren“, sagt Hannes Voraberger. Er ist seit 2008 Leiter der Research and Development (R&D) Abteilung des Leobener Leitplattenherstellers Austria Technologie und Systemtechnik (AT&S).

Gemeinsam mit dem US-amerikanischen Center for Power Electronics Systems (CPES) an der Virginia Tech Universität forscht das Team um Voraberger an Möglichkeiten, den Energieverlust bei Schaltprozessen zu verringern. „Wollen wir wirklich alle Verbrennungsvorgänge auf Elektrizität umstellen, müssen wir unseren Strom intelligent einsetzen. Nur so können wir CO2-neutral werden“, sagt er. „Früher war eine Leiterplatte dazu da, um darauf elektronische Bauteile zu montieren und zwischen diesen Teilen möglichst schnell elektrische Signale zu übertragen.“ Durch die höheren Ansprüche an Leitungsfähigkeit und Effizienz hat sich das geändert. „Leiterplatten sind mittlerweile komplexe dreidimensionale Systeme.“

Steter Tropfen höhlt den Stein

Momentan konzentriert sich die Forschung von AT&S und CPES auf Siliciumcarbid. Leistungsbauelemente aus Silizium kommen in der Elektronik schon lange zur Anwendung, aus Siliziumcarbid sind sie jedoch effizienter und weniger temperaturempfindlich. Dadurch können elektronische Systeme, die auf diesen Bauelementen basieren, viel kleiner gebaut werden. In manchen Elektroautos brauchen die momentan eingesetzten Systeme zur Stromumwandlung den gesamten Raum unter den Rücksitzen. „Mit Siliciumcarbid ließe sich derselbe Effekt auf einem Volumen von weniger als einem Liter erzielen und entsprechend mit geringerem Gewicht realisieren“, so Voraberger. Das heißt für ein Elektroauto: größere Reichweite.

Auf seinem Fachgebiet sind solche starken Verbesserungen aber eher die Ausnahme. „Manchmal können wir die Effizienz einer Schaltung von 96 auf 98 Prozent erhöhen. Für Außenstehende klingt das völlig unbedeutend, tatsächlich wurde die Verschwendung aber von vier auf zwei Prozent halbiert. Bedenkt man, wie oft etwa innerhalb eines Elektrofahrzeugs der Strom umgewandelt wird, kann das viel bewirken.“ Solche Forschungsergebnisse seien entscheidend für eine nachhaltige Zukunft. „Wir können die Klimaziele nur erreichen, wenn wir unsere Energie genau dort einsetzen, wo wir sie brauchen.