Steigende Gaspreise, Beschränkungen des Ölangebots und die kontinuierliche Förderung erneuerbarer Energien sind Faktoren, die dazu beitragen, dass die Energierechnungen auf einem Allzeithoch sind. Berücksichtigt man zusätzlich die zunehmend strenger werdenden Vorschriften zur Energieeffizienz in Neubauten und lässt Dinge wie Wärmepumpenboiler einfließen, sieht man einen Markt, der für eine neue Generation von Stromgeräten reif ist. Mit welchen Herausforderungen sind Haushalte in Bezug auf Energieeffizienz konfrontiert? Wo wird in einem Haus oder einer Wohnung typischerweise Energie verschwendet? Und wie helfen Stromgeräte bei diesem Problem?
Mit welchen Herausforderungen sind Haushalte konfrontiert?
Obwohl die COVID-Pandemie nun schon drei Jahre andauert, sind die Auswirkungen der weltweiten Lockdowns als Folge des Versuchs, die Ausbreitung des Virus zu kontrollieren, noch immer spürbar. Ohne zu sehr in die Tiefe zu gehen, hatten die unterschiedlichen Lockdowns zur Folge, dass viele tausende Unternehmen schließen mussten, es zu Störungen der Lieferketten kam, Halbleiterreserven immer knapper wurden und die Wirtschaftsleistung schwach war, da Regierungen große Geldsummen liehen in dem Versuch, geleistete Zahlungen an Bürger, die nicht arbeiten konnten, zu decken.
Durch die gestiegenen Lebenskosten in Kombination mit Inflation wird heute die Kaufkraft der meisten Menschen gesenkt, und durch das ausbleibende Lohnwachstum wird es schwieriger, über die Runden zu kommen. Erschwerend kommt hinzu, dass Haus- und Wohnungseigentümer durch die steigenden Energiekosten wegen des Krieges zwischen Russland und der Ukraine unter enormen Druck stehen, sodass viele von ihnen auf das Heizen verzichten müssen.
Schließlich werden der Öffentlichkeit weiterhin gesetzliche Anforderungen zur Effizienz präsentiert, und diese Gesetze schränken ein, was verkauft werden darf und was nicht. Zwar helfen derartige Rechtsvorschriften, die Stromrechnungen und Kohlenstoffemissionen flächendeckend zu senken, sie stellen aber Ingenieure unter Designbeschränkungen, die nicht so einfach gelöst werden können.
Wo wird in Häusern und Wohnungen typischerweise Energie verschwendet?
Um die Energieeffizienz eines Hauses oder einer Wohnung zu verbessern, ist es von entscheidender Bedeutung, zunächst alle Ursachen von Energieverschwendung ausfindig zu machen. Die bei weitem größte Quelle von Verschwendung ist Wärmeverlust durch fehlende Dämmung. Dies ist der Grund, warum alle modernen Gebäude erhebliche Dämmstoffmengen in Dachböden und Wänden haben müssen (interessanterweise gibt es ein starkes Argument dafür, Wandhohlräume wegen Feuchtigkeitsbildung leer zu lassen).
In kalten Klimaregionen besteht der Wärmeverlust aus warmer Luft. Diese entweicht entweder direkt aus dem Gebäude, oder durch Wärmeübertragung der warmen Innenluft, welche die äußersten Bereiche des Gebäudes erwärmt, die daraufhin abkühlen. In warmen Gegenden ist der Wärmeverlust identisch, erfolgt aber umgekehrt, indem kühle Innenluft nach außen entweicht und/oder die warmen äußersten Bereiche des Gebäudes die Innenluft erwärmen. In beiden Fällen wird Energie benötigt, um eine stabile Innentemperatur aufrechtzuerhalten, und schlechte Dämmung bringt durch die angesprochene Wärmeübertragung hohe Energierechnungen mit sich.
Auch durch Beleuchtung wird in modernen Häusern und Wohnungen sehr viel Energie verbraucht. In den meisten Märkten weltweit wurden herkömmliche Glühlampen mit Wolframfaden wegen ihrer extrem schlechten Effizienz ausgemustert, so u.a. in den USA und der EU. Aber selbst mit LEDs und Leuchtstofflampen wird durch Beleuchtung immer noch sehr viel Energie verbraucht. Das ist der Grund, warum das Ausschalten der Lichter in Räumen, die nicht benutzt werden, eine gute Methode zum Senken der Energierechnung ist.
Auch Geräte im Standby-Modus können zum Energieverbrauch beitragen, obwohl sie technisch gesehen im „Aus-Zustand“ sind. Gut konzipierte Spannungsversorgungs-Schaltungen ziehen im Standby-Modus wenig oder gar keinen Strom, aber preiswertere Spannungsadapter können auch erhitzen, wenn sie nicht in Betrieb sind (typischerweise durch Verwendung von Linearreglern und aufgrund von schlechtem Energiemanagement).
Auch Hochleistungsgeräte wie z.B. Waschmaschinen, Staubsauger und Geschirrspüler können durch Leistungsumwandlung Strom verschwenden. Diese Haushaltsgeräte erfordern für den Antrieb induktiver Vorrichtungen (Motoren, Magnetspulen usw.) manchmal eine DC-Spannung, und durch diese Umwandlung kann viel Energie verschwendet werden.
Und schließlich können auch Häuser mit erneuerbaren Energiequellen (wie z.B. Solar- und Windenergie) Strom verschwenden, wenn sie nicht mit Batteriespeichersystemen ausgestattet sind. Wenn während Spitzenzeiten des Energieverbrauchs der durch die erneuerbaren Energiequellen erzeugte Strom nicht verwendet wird, wird er verschwendet.
Welche Energiemöglichkeiten eröffnen sich in Häusern und Wohnungen?
Wenn eine Tür schließt, dann öffnet sich eine andere – und das trifft im Bereich der Energieeffizienz absolut zu. Die zunehmende Regulierung die Geräteeffizienz betreffend in Kombination mit steigenden Energiepreisen ist für Ingenieure die beste Zeit, um nach den modernsten Methoden zur Verbesserung der Energieeffizienz zu suchen.
Mit Wärme als größter Faktor stellen Temperaturgradienten mit Energierückgewinnung und -extraktion für Ingenieure eine große Chance dar. Wärmepumpen beginnen beispielsweise Gasboiler abzulösen. Dies geschieht dank ihrer ausschließlichen Abhängigkeit von Strom, ihrer sichereren Installation und der Fähigkeit, Wärmeenergie effizienter als Gasboiler zu transportieren (Wärmepumpen können sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden).
Die schnelle Skalierung der IoT-Branche wird zusammen mit Niedrigstromgeräten eine verstärkte Nutzung von Energy Harvestern zur Folge haben. Dadurch können Ingenieure mehr Energiequellen erforschen, wie z.B. Piezo-Parkett, das Energie erzeugt, wenn man darauf läuft, und thermoelektrische Generatoren, die an Wärmeanleitungen angebracht werden können, um Energie zu erzeugen.
Darüber hinaus bietet das Aufkommen des intelligenten Zuhauses, sogenannte Smart Homes, neue Möglichkeiten für die Energieeffizienz. Die Zahl der Geräte in Haushalten steigt, weshalb es unmöglich werden kann, permanente Stromquellen zu finden, sodass Haushalte von Methoden des Energy Harvesting abhängig werden.
Auch die verstärkte Nutzung von Elektrofahrzeugen bietet große Chancen für Stromnetze im Bereich erneuerbare Energie. Aufgrund der mangelnden Fähigkeit, zu Spitzenzeiten erneuerbare Energie zu speichern, ist es schwierig, sich auf erneuerbare Energiequellen zu verlassen. Aber an das Stromnetz angeschlossene Elektrofahrzeuge könnten als virtuelle Batterien agieren, die zur Stabilisierung des Stromnetzes laden und entladen. Besitzer von Elektrofahrzeugen, die zu diesem System beitragen, könnten entweder Gutschriften bzw. Credits für das kostenlose Laden ihres Fahrzeugs oder einen finanziellen Anreiz erhalten.
Die Smart Homes der Zukunft könnten sogar Echtzeit-Energiepreise und vernetzte Geräte miteinander kombinieren, um die beste Zeit zu bestimmen, in der Geräte wie Waschmaschinen und Geschirrspüler betrieben werden. Haus- und Wohnungseigentümer könnten ihre Wasch- oder Geschirrspülmaschine beladen und den Eco-Startmodus aktivieren, woraufhin das Smart Home zu dem Zeitpunkt, wenn Spitzenenergie erzeugt wird (was die billigste Zeit für Energie ist) diese Geräte betreibt.
Warum könnten sich energieeffiziente Häuser und Wohnungen zum nächsten großen Markt für Stromgeräte entwickeln?
Es ist offensichtlich, dass ein dringender Bedarf an der Verbesserung der Energieeffizienz im Alltag besteht, sei es aus Umweltschutz-, gesetzlichen oder wirtschaftlichen Gründen. Die meisten Geräte setzen auf Elektrizität als ihre primäre Energiequelle, was für Elektronikingenieure erfreulich ist, und es ist möglich, dass in Häusern und Wohnungen zukünftig die Notwendigkeit von Gasanschlüssen vollständig entfällt. Wenn das passiert, werden Stromgeräte auf jeder Ebene der Energieproduktion und -nutzung eine entscheidende Rolle spielen.
Alle von Haus- und Wohnungseigentümern betriebenen Geräte müssen so effizient wie möglich sein, darunter kleinste Energieverbraucher wie batterielose Niedrigenergie-IoT-Sensoren oder auch leistungsstarke Motoren, die in Wärmepumpen und Waschmaschinen zum Einsatz kommen. Niedrigenergie-Geräte, die Energy Harvester verwenden, müssen in der Lage sein, Energiemengen im Nanowattbereich aus Vibrations- und RF-Einstreuungsquellen zu extrahieren. Dazu werden effiziente DC-DC-Wandler benötigt, die auf kleinstem Raum Platz finden. Geräte, die viel Energie benötigen, erfordern neue Lösungen, um hohe Strömen und Spannungen effizient zu handhaben. Hier sind SiC und GaN vielversprechend.
Zwar sind Elektrofahrzeuge gut für die Umwelt – die extrem hohen Ströme und Spannungen, die für das Laden von Elektrofahrzeugen verwendet werden, können jedoch große Verluste mit sich bringen. Daher sind Ladegeräte für Elektrofahrzeuge, sogenannte EV-Ladegeräte, möglicherweise ein Prime Markt für Stromgeräte, die darauf abzielen, die Energieeffizienz zu verbessern. Wenn der Einsatz von virtuellen Batterien tatsächlich an Fahrt aufnimmt, müssen diese Art von Stromgeräten auch bi-direktional sein und sehr geringe Konversationsverluste aufweisen.
Auch Steckdosen und Lichtschalter sind Stromgeräte mit einem anderen potenziellen Markt. Durch das Abschalten der Stromversorgung in nicht genutzten Bereichen des Zuhauses kann in erheblichem Maße Energie gespart werden, weshalb intelligente Steckdosen und Schalter verwendet werden könnten, um automatisch die Stromversorgung zu trennen, wenn niemand im Raum ist. Kombiniert mit intelligenten Sensoren und einer Cloud-basierten Infrastruktur könnte das Zuhause sogar Verhaltensmuster von Bewohnern vorhersagen, um zu prognostizieren, wann Strom benötigt wird, und dann entscheiden, wie dieser Strom am besten bereitgestellt wird, um den Energieverbrauch zu minimieren.
Fazit
Energieeffizienz war schon immer von Bedeutung, aber aufgrund von steigenden Lebenskosten, steigenden Kraftstoffpreisen und strengeren gesetzlichen Vorschriften wird sie zu einem entscheidenden Faktor beim Produktdesign. Aber wo Schatten ist, gibt es auch Licht, und der Bedarf an mehr Effizienz stellt für Leistungsverstärker und Leistungswandler eine riesige Chance dar. Wärmepumpen ersetzen Gasboiler, was Elektronikingenieuren die Möglichkeit eröffnet, erheblichen Einfluss auf die Effizienz von Heizsystemen zu nehmen, die Verwendung von IoT-Systemen im Zuhause bringt einen Bedarf an Energy-Harvesting-Systemen mit sich, die in der Lage sind, Strom aus den kleinsten Energiequellen zu extrahieren, und durch die Einführung von Elektrofahrzeugen in großem Umfang müssen Häuser heutzutage mit Ladesystemen nachgerüstet werden, die in der Lage sind, aus einem Watt das Maximum herauszuholen.