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LED-Beleuchtung ist das Aushängeschild von Umweltschützern. Und da ist auch was dran. Laut US-Energieministerium ist Festkörperbeleuchtung eine höchst energieeffiziente Technologie, die 75 bis 90 Prozent weniger Energie verbraucht und 25 Mal länger hält als herkömmliche Glühlampen. Das Ministerium sagt, dass die breit angelegte Einführung den Jahresenergieverbrauch in den USA um das Äquivalent von 44 Großkraftwerken senken könnte. LEDs sind spannend, schick und lassen sich einfach in Wireless-Geräte integrieren. Verbraucher, die viele LED-Birnen kaufen, haben dabei ein gutes Gefühl, weil sie damit zum Umweltschutz beitragen. Was kann man daran nicht gut finden?

Möglicherweise recht wenig. Außer, dass die Beleuchtung zwar einen erheblichen Teil – etwa ein Fünftel – der US-amerikanischen Stromproduktion verbraucht, aber ansonsten lange nicht der größte Energieverbraucher ist. Diesen Titel erhält eine unverzichtbare und dabei völlig unspannende Technologie, die unermüdlich hinter den Fabriktüren und verborgen innerhalb von Haushaltsgeräten arbeitet und sich unter der Bodenverkleidung vieler Autos versteckt sowie in zahllosen anderen Ecken und Winkeln, außerhalb des Blickfeldes und unbeachtet von der Öffentlichkeit. Wenn wir es jedoch ernst meinen mit der Rettung des Planeten, müssen wir unsere kollektive Aufmerksamkeit auf den größten Leistungsverbraucher von allen richten – den Elektromotor.

Genaue Zahlen zusammenzutragen, ist schwierig, aber Werte des US-Energieministerium, die nur ein paar Jahre alt sind, zeigten, dass Elektromotoren für zwei Drittel des industriellen Stromverbrauchs und etwa 50 Prozent des gesamten Elektrizitätsverbrauchs der USA verantwortlich sind. Das sind unglaubliche 2000 TWh pro Jahr. Die Beleuchtung liegt mit 19 Prozent auf dem abgeschlagenen zweiten Platz. Mit derart hohen Zahlen würde selbst die Verbesserung der Elektromotor-Effizienz um ein Prozent bedeuten, dass gut 200 Großkraftwerke nicht betrieben werden müssten.

Umweltschützer mögen den Anteil der Elektromotoren am Gesamtenergieverbrauch übersehen haben. Die Ingenieure sind nicht ganz so spät dran. Fairerweise muss man sagen, die Motivation der Techniker ist nicht ganz uneigennützig. Ihre Kunden wollen immer kleinere, leichtere, langlebigere Motoren, deren Betrieb kostengünstiger ist (im Laufe der Lebensdauer sind die Stromkosten eines Motors üblicherweise 20 Mal höher als sein Kaufpreis). Das Ergebnis ist jedoch das gleiche – höhere Effizienz führt zu einem geringeren Strombedarf.  

Verbesserung des Designs von Elektromotoren

Die Motoreffizienz wird bestimmt, indem man die zugeführte Leistung mit der Leistung vergleicht, die der Motor erzeugt. Wenn beispielsweise 2 Watt elektrische Leistung erforderlich sind, um 1 Watt Motorleistung zu erzeugen, hat das Gerät  eine Effizienz von 50 Prozent. Die Differenz (der Verlust) wird durch die Überwindung von Dingen wie mechanischer Reibung, elektrischem Widerstand und induktiven Verlusten verbraucht. Durch zahlreiche Iterationen haben Ingenieure ihre Konstruktionen mit Innovationen wie reibungsarmen Lagerungen, Magneten mit hoher Permeabilität und bürstenlosen (Induktions-) Ausführungen verbessert. Moderne Motoren weisen eine Effizienz von 80 oder 90 Prozent auf. Ein paar weitere Prozent Verbesserung würden sich deutlich auf die künftige Stromerzeugungskapazität auswirken.

Elektronische tromversorgungen haben in der Motorrevolution ebenfalls eine wichtige Rolle gespielt. Ein modernes Schaltnetzteil produziert eine dreiphasige sinusförmige Eingangsleistung, die wiederum ein rotierendes Magnetfeld erzeugt, wodurch sich der Rotor des Geräts bewegt, ohne dass verlusterzeugende Bürsten zum Einsatz kommen. Zudem ermöglicht die Pulsbreitenmodulation (PWM), mit der die Basisbetriebsfrequenz überlagert wird, die präzise Steuerung von Parametern wie Anlaufstrom, Drehmoment und Schlupf. Die präzise Parametersteuerung hilft, die elektrischen Verluste weiter zu begrenzen.

Nun ergreifen die Ingenieure noch weitere Maßnahmen:

Zunächst einmal geben sie Hochspannungsdesigns den Vorzug gegenüber herkömmlichen Hochstromdesigns. Der Grund dafür ist, dass die Motornennleistung das Produkt aus Versorgungsspannung und -strom (VxA) ist. Eine höhere Stromstärke erhöht die Leistung, erfordert jedoch auch den Einsatz größerer Spulen, wodurch Motorkosten und -größe zunehmen. Hohe Spannungen (in der Größenordnung von 10 kV) haben die gleiche Auswirkung auf die Leistung. Es sind jedoch keine teuren und schweren Kupferspulen dafür erforderlich.

Zweitens drehen die Ingenieure den Motor schneller. Der Grund dafür ist hauptsächlich, dass ein kompakterer Motor auf diese Weise die gleiche Arbeit leistet wie eine größere, langsamer rotierende Maschine, aber dies hat auch eine geringe Auswirkung auf die Effizienz. So schränkt eine Erhöhung der Betriebsfrequenz die Stromwelligkeit – ein Artefakt des zunächst gleichgerichteten Netzeingangsstroms und eine Verlustursache – sowie elektromagnetische Interferenz (EMI) ein. Der Hochfrequenzbetrieb reduziert darüber hinaus die Drehmomentwelligkeit, die Motorvibrationen verursachen kann, sowie vorzeitige Abnutzung.

Halbleiter mit breiter Bandlücke kommen zu Hilfe

Eine Herausforderung bleibt. Die Silizium-MOSFETs und -IGBTs, die als Schaltelemente in Elektromotor-Versorgungen eingesetzt werden, stoßen an ihre Grenzen. Das hat vier Ursachen:

• Die Komponenten vertragen die höheren Temperaturen nicht, die unter Betriebsbedingungen mit höheren Belastungen entstehen.

• Ihre relativ niedrige Durchbruchspannung schränkt ein, wie hoch die Entwickler die Eingangsspannungen ansetzen können.

• Schaltverluste – verursacht durch Restwiderstand und -kapazität, immer wenn ein Transistor von „EIN“ auf „AUS“ umschaltet – erhöhen die Betriebsfrequenzanstiege (was Effizienzgewinne an anderer Stelle zunichte macht).

• Aufgrund der langen Schaltzeit haben die Geräte eine relativ niedrige maximale Schaltfrequenz.

Die Rettung naht in Form von Halbleitern mit breiter Bandlücke (WBG). Materialien wie Galliumnitrid (GaN) haben eine Bandlücke von 2 eV bis 4 eV im Vergleich zu 1 eV bis 1,5 eV bei Silizium. Eine Bandlücke ist das Maß für die Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron zum Leiten in einem Halbleiter freizusetzen.

Da die Elektronen von GaN mehr Energie benötigen, um sich von einem Atom zu befreien und zur Leitung beizutragen, als die Elektronen von Silizium, neigt der Halbleiter sehr viel weniger zu unvorhergesehenem Schalten, das durch den Hitzeaufbau verursacht wird anstatt durch das absichtliche Anlegen einer kontrollierten Spannung. GaN weist zudem eine höhere Durchbruchspannung auf als Silizium, kann etwa in einem Viertel der Zeit schalten, und die Schaltverluste betragen etwa 10 bis 30 Prozent der Verluste eines Siliziumtransistors für eine bestimmte Schaltfrequenz und einen bestimmten Motorstrom. Da die Elektronen im GaN sich zudem aufgrund des Kristallgitters des Transistors sehr viel freier bewegen können als die Elektronen des Siliziums, können GaN-Geräte viel schneller schalten. 

Da kommerzielle GaN-Lösungen jetzt kostengünstiger werden, sind sie eine brauchbare Option für kostensensible Elektromotor-Versorgungen – besonders wenn der Endkunde die Energiekosten für die Lebensdauer des Motors und den Kaufpreis berücksichtigt. Der Einsatz dieser energieeffizienten Technologie wird sich zum Teil durch den Kundenbedarf verstärken. LEDs sind teurer als konventionelle Beleuchtung, aber wenn die Betriebskosten und die lange Lebensdauer in Betracht gezogen werden, erweisen sie sich am Ende als sehr viel kostengünstiger als andere Beleuchtungsarten. Deshalb haben die Verbraucher diese Technologie angenommen. Jetzt ist es an den Haushaltsgeräteherstellern, die gleichen Vorteile GaN-basierter Elektromotoren in ihren Waschmaschinen und Kühlschränken zu vermitteln. Auf diese Weise werden sowohl die Verbraucher als auch die Umweltschützer die Umwelt des Planeten in Zukunft positiv beeinflussen.