Für die meisten von uns ist unser Zuhause der Mittelpunkt unseres Lebens: Unser persönlicher Rückzugsort, unsere Quelle der Kraft. Hier genießen wir unsere Freizeit, bewältigen alltägliche Aufgaben und verbringen Zeit mit unseren Lieben. Aber unser Zuhause ist auch ein Ort, an dem wir viel Energie verbrauchen, z. B. beim Heizen, Frieren, Kochen, Gärtnern oder Kommunizieren. Hier können wir ein großes Potenzial für unseren individuellen Beitrag zum Klimaschutz realisieren. Ob Kühlschrank, Fernseher, Rasenmäher oder Heckenschere, das Einsparpotenzial durch höhere Energieeffizienz ist sehr groß.
Darüber hinaus wird die Elektrifizierung von Bereichen, die bisher von fossilen Brennstoffen dominiert wurden, zu einem entscheidenden Faktor für die Verringerung der CO2-Emissionen. Dies bedeutet, dass Elektrizität eine immer zentralere Rolle in unserem Leben einnehmen wird. Er verspricht, die Energiequelle zu werden, auf die wir uns für alle unsere täglichen Bedürfnisse verlassen. Elektrische Energie ist die hochwertigste und flexibelste Form von Energie, da wir Strom leicht in Licht, Bewegung und Wärme umwandeln können.
Unsere Halbleiterlösungen mit stromsparenden Chips, Sensoren, Motorsteuerungs- und Konnektivitätssystemen leisten einen wichtigen Beitrag zu energieeffizienten Haushaltsgeräten in unseren vier Wänden.
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Verbrennungsmotorische Werkzeuge gehören der Vergangenheit an. Sie sind laut und vor allem sehr umweltbelastend. Nach Angaben der kalifornischen Luftreinhaltungsbehörde stoßen benzinbetriebene Kleingeräte wie Laubbläser und Rasenmäher in der gleichen Zeit ein Vielfaches der smogbildenden Schadstoffemissionen eines Familienautos aus (z. B. 1 Stunde Laubbläserbetrieb ≙ 1100 Meilen Fahrt). Ein neues Gesetz in Kalifornien zielt daher darauf ab, den Verkauf von mit fossilen Brennstoffen betriebenen Geräten bis 2024 zu verbieten. Grüne Alternativen gibt es bereits: Kabellose Elektrowerkzeuge mit effizienten bürstenlosen Motoren und Lithium-Ionen-Akkus. Diese Alternativen bieten die gleiche oder sogar eine bessere Leistung, insbesondere professionelle Elektrowerkzeuge von 36 bis 72 V. Auch im Heimwerkerbereich beobachten wir den Übergang zu elektrischen und kabellosen Geräten. In vielen Häusern und Gärten werden Rasenmäher- und Staubsaugerroboter oder kabellose Heckenscheren und Bohrmaschinen eingesetzt. Diese batteriebetriebenen Geräte bieten eine hohe Leistung und Effizienz, wenn sie mit modernen Halbleitern ausgestattet sind.Wie können Halbleiterlösungen die Effizienz und Lebensdauer der Werkzeuge verbessern? Werfen wir einen Blick auf die Hauptbereiche Motor, Laden und Batterie.
Motorsteuerung: Heute sind etwa 50 % aller Motoren Bürstenmotoren. Der Trend geht jedoch zu bürstenlosen Motoren, die weniger Batteriekapazität benötigen. Leistungsteile, Mikrocontroller und Sensoren ermöglichen eine wesentlich effizientere Motorkommutierung, was zu einem geringeren Energieverbrauch und einer längeren Lebensdauer des Geräts führt.
Laden: Moderne Ladegeräte verfügen nicht nur über ein besseres Wärmemanagement, das die Verluste während des Ladevorgangs verringert und somit weniger Energie zum Laden der gleichen Kapazität benötigt. Die heutigen Ladegeräte können die Batterien auch intelligenter laden und so die Lebensdauer der Batterien verlängern, so dass jedes Jahr weniger Batterieabfall anfällt.
Batteriemanagement: Zu einem nachhaltigen Gerät gehört auch ein langlebiger Akku. Dies kann jedoch nicht einfach mit einer größeren Batterie erreicht werden, da dies mehr Material erfordern würde und das Gerät trotzdem handlich und leicht sein muss. Die Lösung sind Leistungskomponenten und eine moderne BMS-Architektur, die den Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Batterie verlängern.
Wärmepumpen ermöglichen es, die Heizung zu elektrifizieren und den Bedarf an fossilen Brennstoffen zu verringern. Diese Technologie war schon immer wichtig für den Übergang zu grüner Energie. Die aktuellen geopolitischen Spannungen und die unvorhersehbaren Öl- und Gaspreise haben diese Technologie noch stärker ins Rampenlicht gerückt. Wärmepumpen übertragen die in der Umwelt gespeicherte Wärmeenergie, z. B. in der Luft, im Wasser oder im Boden, mit Hilfe des bekannten Kältemittelkreislaufs in ein Gebäude. Die bereitgestellte Energie kann dann zum Heizen, zur Warmwasserbereitung und sogar zum Kühlen genutzt werden. Kurz gesagt: Wärmepumpen wandeln Wärme aus der Umwelt in Energie um, die im Haus genutzt werden kann. Unsere Halbleiterlösungen unterstützen die gesamte Bandbreite der Wärmepumpenfunktionen im Innen- und Außengerät. Stromversorgungsbauteile treiben den Wechselrichter des Kompressors und den Ventilator an, Sensoren messen die Temperatur und Halbleiterbauelemente unterstützen die Fernsteuerung und die Internetkonnektivität.
Beim kohlenstofffreien Betrieb von Wärmepumpen wird kein Gas verbraucht, sondern die Kompressorpumpe wird mit Strom betrieben, der idealerweise aus erneuerbaren Energien stammt. Eine Wärmepumpe kann 1 kW Strom verbrauchen, um ihren Motor zu betreiben und Energie aus der Umwelt zu beziehen, und dann 3 bis 6 kW Wärmeenergie an ein Gebäude abgeben. Aus diesem Grund sind Wärmepumpen - einfach ausgedrückt - so hocheffizient: Da die Energie aus der Umwelt entnommen wird, verbraucht die Wärmepumpe weniger Strom, als sie letztlich liefert. In Kombination mit Energiespeichersystemen können Wärmepumpen Schwankungen in der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien ausgleichen, so dass immer mehr Strombedarf durch Photovoltaik und Windkraft gedeckt werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die Sanierung bestehender Gebäude auf eine Netto-Null-Kohlenstoffbilanz einen noch effizienteren Betrieb von Wärmepumpen.
Wärmepumpen übertragen gespeicherte Wärmeenergie aus der Umwelt, z. B. aus der Luft, dem Wasser oder dem Erdreich, mit Hilfe des Kältemittelkreislaufs in ein Gebäude. Luft-Wärmepumpen zum Beispiel saugen über einen Ventilator Außenluft an, die der Wärmepumpe Umgebungswärme zuführt. In der Wärmepumpe wird durch die Temperatur der Außenluft ein Kältemittel verdampft, d. h. es wird gasförmig. Dieses Gas wird dann durch den Kompressor verdichtet. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Gases (Kältemittel). Im Verflüssiger wird das heiße Kältemittelgas nun kondensiert und gibt dabei seine Wärme ab. In dem zu beheizenden Gebäude zirkuliert Wasser als Heizmedium. Dieses Wasser nimmt die vom Kältemittel im Verflüssiger abgegebene Wärme auf und leitet sie an ein Verteilersystem zum Heizen oder zur Warmwasserspeicherung weiter.
Der IEA zufolge werden Wärmepumpen zum wichtigsten Mittel, um die Raumheizung und Warmwasserbereitung weltweit zu dekarbonisieren, und zwar in einem Szenario, in dem alle Regierungen ihre Energie- und Klimazusagen vollständig einhalten. Die IEA schätzt, dass Wärmepumpen das Potenzial haben, die globalen Kohlendioxid (CO2)-Emissionen bis 2030 um mindestens 500 Millionen Tonnen zu reduzieren - das entspricht dem jährlichen CO2-Ausstoß aller Autos in Europa heute. Die Zahlen sprechen für sich: In der Europäischen Union, mit den größten Märkten in Frankreich, Italien und Deutschland, stieg der Absatz im Vergleich zum Vorjahr um rund 35 % auf über 2,2 Millionen Einheiten. Weltweit stieg der Absatz von Wärmepumpen im Jahr 2021 um mehr als 13 %.
Klimatisierung: Energiesparen auf die intelligente Art
Die letzten sieben Jahre waren die wärmsten, die jemals aufgezeichnet wurden. Kein Wunder, dass der Bedarf an Raumkühlung stark ansteigt. Im Jahr 2021 entfallen fast 16 % des gesamten Stromverbrauchs in Gebäuden (~ 2 000 TWh) auf die Kühlung. Das Potenzial für Energieeinsparungen ist riesig: "Der wachsende Bedarf an Klimaanlagen ist einer der kritischsten blinden Flecken in der heutigen Energiedebatte", sagt Fatih Birol, Exekutivdirektor der IEA. Höhere Effizienzstandards könnten den Bedarf an neuen Kraftwerken verringern, die Emissionen reduzieren und die Kosten senken.
Besonders intelligente Klimaanlagen können diese Vorteile nutzen, indem sie den Stromverbrauch senken und den Komfort durch gezielte Kühlung erhöhen. Um die Leistung an den tatsächlichen Bedarf anzupassen, können diese Geräte ihre Umgebung "sehen", "hören" und "fühlen". Sensoren und Steuerungen erkennen die Anzahl und den Standort der Personen in einem Raum. Anhand dieser Informationen passt die Klimaanlage dann die Ventilatorgeschwindigkeit und den Schwenkbereich an. Das intelligente System misst auch die Temperatur, die CO2-Konzentration und die Luftqualität, um zu entscheiden, wann frische und kühle Luft zugeführt werden soll, was zu erheblichen Energieeinsparungen beiträgt.
Es ist eine unsichtbare, aber wichtige Aufgabe. Ihr Ladegerät ist dafür zuständig, Ihr Smartphone, Tablet und andere Geräte mit der "richtigen" Stromart und Spannung zu versorgen. Das heißt, es wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um und wandelt die ursprüngliche Spannung von 230 V (110 V in den USA) in eine niedrigere Spannung um, die das Gerät verwenden kann, z. B. 5 V. Andernfalls wird Ihr Gerät nicht geladen und kann sogar beschädigt werden. Bei dieser Umwandlung geht jedoch Energie verloren. Man spürt es: Das Ladegerät wird warm - oder sogar heiß, je nach den Bauteilen und der Qualität des elektronischen Systems.
Modernste Mikroelektronik im Inneren des Geräts kann diese Abwärme deutlich reduzieren. Die Halbleitertechnologie Galliumnitrid (GaN) hat hier besonders geeignete Eigenschaften: Diese Transistorbauelemente ermöglichen eine höhere Schaltfrequenz im Spannungswandler bei gleichzeitig sehr geringen Verlusten. Vereinfacht ausgedrückt: GaN-Halbleiter helfen, elektrische Energie im Gerät einzusparen - und das in einem beachtlichen Umfang.
Eine geringere Wärmeentwicklung ist wichtig, und gleichzeitig brauchen wir leistungsfähige und praktische Geräte. GaN kann auch diese Herausforderung lösen. Die Größe des Geräts kann ohne Leistungseinbußen verringert werden. Umgekehrt kann ein Ladegerät mit der ursprünglichen Größe mehr Geräte aufnehmen, ohne dass die Ladezeit beeinträchtigt wird. Technisch gesehen ermöglichen GaN-Halbleiter eine höhere "Leistungsdichte". Damit trägt die GaN-Technologie von Infineon zu verschiedenen Vorteilen für die Umwelt bei: Einsparung von Materialien und Ressourcen, Begrenzung des Transportaufwands und Reduzierung des Elektroschrotts.
Ab Dezember 2024 wird eine wichtige neue Verordnung in der EU in Kraft treten: Smartphones, Tablets und Kopfhörer müssen dann mit einem USB-C-Anschluss ausgestattet sein, vor allem aus Gründen der Nachhaltigkeit. Später werden andere Gerätetypen folgen. In naher Zukunft wird nur noch ein Standardstecker für die Stromversorgung verschiedener elektronischer Geräte notwendig sein: Das bedeutet auch, dass wir die Anzahl der Ladegeräte deutlich reduzieren und damit den Elektronikmüll verringern. Die Halbleiter von Infineon, darunter GaN-Leistungsstufen und -Transistoren, sind die Treiber dieser neuen Technologie: Sie ermöglichen effizientes und schnelles Laden.
Kühlschränke - angenehm leise mit energieeffizienten Motoren
Das Geräusch eines ständig laufenden Kühlschranks gehört der Vergangenheit an, als diese Motoren einfach ein- und ausgeschaltet oder den ganzen Tag über laufen gelassen wurden. Dies führte zu einem immensen Energieverbrauch und Lärm. Moderne Kühlschränke sind intelligent und vernetzt. Ihre Motoren werden von Leistungschips, Sensoren und Mikrocontrollern gesteuert (mit anderen Worten: "inverterisiert"). Diese Komponenten machen die Motoren angenehm leise, energieeffizient und letztlich kleiner. Die Inverterisierung ermöglicht es den Geräten, nur so viel Strom zu verbrauchen, wie sie tatsächlich benötigen. Das ist viel effizienter, als den Motor den ganzen Tag ein- und auszuschalten.
Das Prinzip ist einfach: Durch die ständige Erfassung von Daten wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Motordrehzahl tragen die Sensoren dazu bei, dass ein Gerät effizienter arbeitet. Auf der Grundlage dieser Daten berechnet ein Minicomputer oder Mikrocontroller die erforderlichen Steuerbefehle, damit der Kühlschrank weniger Energie verbraucht. Leistungschips setzen diese Befehle für die optimale Drehzahl des Motors um und halten die Temperatur des Kühlschranks konstant. Auf diese Weise wird die Kühlung an den aktuellen Bedarf angepasst, da die Motordrehzahl je nach Belastung geregelt wird.
Wussten Sie, dass im Jahr 2025 die Zahl der intelligenten Haushalte weltweit voraussichtlich 500 Millionen erreichen wird? Vernetzte Geräte wie intelligente Kühlschränke oder Klimaanlagen machen unser Leben bequemer, aber sie verbrauchen auch zusätzliche Energie. Angesichts der klimatischen Herausforderungen müssen wir intelligente Wege finden, um den Gesamtenergieverbrauch zu begrenzen, insbesondere den Verbrauch durch intelligente Funktionen. Und genau hier kommen Sensoren ins Spiel. Sie ermöglichen es vernetzten Geräten, ihre Umgebung intuitiv zu verstehen und entsprechend zu reagieren. Wir nennen das "kontextbezogenes Bewusstsein". Neben der Sicherheit und dem Komfort für die Bewohner des Smart Home ermöglicht diese Fähigkeit auch Energieeinsparungen. Sensoren sorgen dafür, dass Geräte nicht einfach immer eingeschaltet sind, sondern nur dann laufen, wenn sie gebraucht werden. Und das mit großem Nutzen: Wir reduzieren den CO₂-Ausstoß, erhöhen die Lebensdauer der Geräte und senken die Kosten.
Klicken Sie auf die rechte Seite und entdecken Sie drei Beispiele für Sensoren, die eine echte Wirkung haben:
Jeder würde zustimmen, dass es in den meisten Fällen keinen Sinn macht, Strom zu verbrauchen, wenn niemand in der Nähe ist - sei es generell zu Hause, in einem Raum oder in der Nähe eines elektrischen Geräts. Umgekehrt ist es sehr praktisch, dass sich Geräte einschalten, wenn eine Person den Raum betritt oder in der Nähe ist: Die Klimaanlage beginnt zu laufen, das Licht geht an, die Musik beginnt zu spielen. Der Energieverbrauch sollte an den tatsächlichen Bedarf und die Raumbelegung gekoppelt sein. Wie erreichen wir das? Mit hoher Empfindlichkeit sind XENSIV™-Radarsensoren in der Lage, Personen und Bewegungen in einem Raum zu erkennen und Geräte einzuschalten oder in den Tiefschlafmodus zu versetzen. Auf diese Weise erhöhen Radarsensoren nicht nur den Komfort und das Nutzererlebnis (z. B. ist die Musik da, wo man ist), sondern optimieren auch den Energieverbrauch vieler Smart-Home-Anwendungen.
Kennen Sie die neuesten TV-Innovationen? Eine davon ist sicherlich der Samsung Frame TV. Wenn er nicht benutzt wird, zeigt der Bildschirm ein Kunstwerk anstelle des "schwarzen Raums". Das Modell 2021 arbeitet mit einem Infineon XENSIV™ 60GHz Radarsensor. Dieser Sensor kann erkennen, ob sich Personen im Raum befinden, und schaltet den Kunstmodus ab, sobald eine bestimmte Zeit lang niemand mehr anwesend ist. Das spart nicht nur OLED-Lebenszeit, sondern auch Energie.
Eine wirksame Messung der Luftqualität ist in Zeiten von Pandemien besonders wichtig geworden. Neben den Vorteilen für die Gesundheit und das Wohlbefinden trägt eine professionelle Luftregulierung auch zur Senkung des Energieverbrauchs bei. Intelligente Lüftungssysteme können über Sensoren gesteuert werden, die die CO₂-Konzentration in Abhängigkeit von der Anzahl der anwesenden Personen messen. Je nach den Ergebnissen wird der Raum mit einer berechneten Menge an Frischluft versorgt - nur so viel wie nötig. Der gleiche Effekt wird erzielt, wenn das Fenster geöffnet und zum richtigen Zeitpunkt geschlossen wird. Dadurch wird der Aufwand für Heizung und Kühlung reduziert. Wussten Sie, dass 50 % des Energieverbrauchs in der EU in Gebäuden und in der Industrie auf Heizung und Kühlung entfallen? Es gibt ein enormes Potenzial für Energieeinsparungen. So kann z. B. eine Lüftungsanlage mit einem XENSIV™ PAS CO2-Sensor bis zu 55 % Energie einsparen. Die Auswirkungen sind noch größer, wenn sie mit intelligenten Thermostaten und Gebäudeautomationssystemen kombiniert werden.
Viele intelligente Geräte (z. B. Türklingeln, Videokameras, intelligente Lautsprecher) verwenden Mikrofone, um Töne aufzunehmen, Befehle oder Eingaben zu empfangen und die Kommunikation zu ermöglichen. Die meiste Zeit befinden sich diese Geräte im Standby-Modus, bis sie durch eine bestimmte Eingabe "aufgeweckt" werden. Aus diesem Grund verfügen die eingebauten XENSIV™ MEMS-Mikrofone über zwei Modi: Im Normalmodus hat das Mikrofon die beste akustische Leistung und ermöglicht eine klare Audioeingabe. Im Energiesparmodus wird der Energieverbrauch des Mikrofons drastisch reduziert, während es immer noch in der Lage ist, zu "hören" - vor allem auf Weckwörter wie "Alexa" oder "Siri" oder Auslöser wie das Geräusch einer sich öffnenden Tür. Sobald eine solche Eingabe erkannt wird, schaltet das Mikrofon in den normalen Modus, um eine optimale Audioaufnahme zu gewährleisten. Die Tatsache, dass intelligente Lautsprecher über mehr als vier Mikrofone verfügen und bis zu 90 % der Zeit im Energiesparmodus verbringen, birgt ein großes Energiesparpotenzial.
In einer idealen Welt würden elektrische Geräte in Gebäuden störungsfrei laufen und Energie auf die effizienteste Weise verbrauchen. Das ist natürlich nicht immer der Fall. In die kritischen Elemente eines Systems integrierte Sensoren können den Zustand von Geräten wie HVAC oder Beleuchtung überwachen. Die gesammelten Daten können Abweichungen von den Normalwerten zeigen, die auf eine Abnahme der Leistung und Effizienz hinweisen. Die Folgen: Teure Ausfallzeiten und höherer Stromverbrauch. Aufgrund von Alterung und Degradation laufen Geräte nicht mehr mit ihrer optimalen Leistung. Dies kann durch verschiedene Sensoren festgestellt werden. In einer HLK-Anlage erkennt z. B. der barometrische Drucksensor DPS368 einen reduzierten Luftstrom aufgrund eines verstopften Filters, der Magnetstromsensor TLI4971 zeigt einen Motorausfall an und das Mikrofon IM69D130 erkennt Geräuschanomalien im Kompressor. Neben der Zustandsüberwachung ermöglichen die Sensoren auch den nächsten Schritt: Vorausschauende Wartung.Intelligentes Gefühl, intelligente Nase, intelligentes Ohr und intelligentes Auge: Alle Sensoren von Infineon sind von menschlichen Funktionen inspiriert und in der Lage, ihre Umgebung zu interpretieren, einschließlich impliziter Absichten und des Kontexts. Es scheint fast so, als würden die Geräte mit eingebauten Sensoren intuitiv verstehen, was wir von ihnen wollen. Deshalb nennen wir diese intelligente Technologie "Intuitive Sensing". Sensoren verbinden die reale und die digitale Welt und machen das Leben nicht nur einfacher und sicherer, sondern auch umweltfreundlicher.
Video: Energieeinsparungen mit Sensoren
Winzige Größe, große Wirkung: Der XENSIV™-Radarsensor von Infineon ist Teil der neuesten Innovation von Samsung, dem Frame TV. Mit seiner Anwesenheitserkennung kann er den Energieverbrauch des Bildschirms deutlich senken.
Innovative Produkte für Haus und Garten
Eine Vielzahl innovativer Lösungen unterstützt das Energiesparpotenzial im häuslichen Umfeld und verwandelt es in ein grünes und intelligentes Zuhause, das zur Reduzierung der CO2-Emissionen beiträgt. Leistungshalbleiter, Mikrocontroller, Konnektivitätslösungen und verschiedene Arten von Sensoren senken den Energieverbrauch erheblich und verbessern gleichzeitig den Komfort und das Wohlbefinden der Hausbewohner.
Wide-Bandgap-Technologien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) spielen hier eine besondere Rolle, da sie die Energieeffizienz auf die nächste Stufe heben. Mit höherer Leistungsdichte und kleineren Formfaktoren sind sie der Schlüssel zu nachhaltigen Designs in Haushaltsgeräten, Photovoltaik und Energiespeicherlösungen.
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