Leistungselektronik: Treiber für wirtschaftliches Wachstum und Nachhaltigkeit

Was sind die Treiber für wirtschaftliches Wachstum? Ursprünglich gingen Wirtschaftswissenschaftler*innen davon aus, dass das verfügbare Kapital und Arbeit die wichtigsten Faktoren für wirtschaftliches Wachstum seien. Nach dem Zweiten Weltkrieg reifte jedoch zunehmend die Erkenntnis, dass ein wichtiger Faktor in dieser Gleichung fehlte: Innovation, Forschung und Entwicklung (F&E).

Die Einbeziehung von Innovation führte zu einem weltweiten Umdenken im Hinblick auf wirtschaftliches Wachstum. Sie bestimmte, wie und wo Regierungen investieren, um den größtmöglichen Nutzen für ihr Land sicherzustellen.

Neue Technologien können unser Leben verbessern und wirtschaftliches Wachstum steigern, aber wir haben erkannt, dass sie auch negative Auswirkungen auf das Klima haben können, indem sie unseren Kohlenstoff-Ausstoß erhöhen. Der Fokus liegt daher nun auf der Förderung von nachhaltigem Wachstum. Neue Technologien und Innovationen sollen zur Bekämpfung des Klimawandels beitragen, statt unsere Umweltbilanz zu verschlechtern. Es ist daher wichtig, zu wissen, welche Technologien dazu beitragen können, die weltweite Entwicklung und unser Wohlergehen zu fördern und gleichzeitig dabei helfen, Emissionen zu reduzieren.

Robert Solow erhielt den Nobelpreis für Wirtschaftswissenschaften für seine Arbeit in den 1950er Jahren, in der er Technologie und damit verbundene Innovationen als den Schlüssel zur Steigerung des Wirtschaftswachstums eines Landes identifizierte.

Spulen wir vor in die frühen Nullerjahre: 2001 betrachtete Dale Jorgenson die Rolle der Halbleiterindustrie als Wachstumstreiber im späten 20. Jahrhundert und zeigte auf, wie das technologiebasierte Modell für Wirtschaftswachstum funktioniert. Er begann, die letzten Jahrzehnte zu analysieren. Nach dem Krieg gab es eine große Nachfrage nach Telefonen. Um das Jahr 1947 herum entwickelten Wissenschaftler*innen der Bell Labs in den USA „Transistoren“ aus Halbleitermaterialien und ermöglichten damit Telefonunternehmen, Telefonverbindungen zu automatisieren, statt sie manuell herstellen zu müssen.

Kurz darauf wurde damit begonnen, Halbleiter für integrierte Schaltkreise zu verwenden, Millionen von Transistoren speicherten Daten, die Datenspeicherung auf Speicherchips wurde von Mikroprozessoren abgelöst. Das war die Grundlage für das „Mooresche Gesetz“, wonach sich alle zwei Jahre die Anzahl der Transistoren auf Mikrochips verdoppelt und sich die Kosten pro Transistor halbieren. Die sinkenden Kosten produktionssteigernder Geräte trugen dazu bei, dass Computer branchenübergreifend zum Einsatz kamen, wodurch das allgemeine Produktivitätswachstum in einer Weise gefördert wurde, wie man es bisher nicht kannte.

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Jetzt, einige Jahre später, beginnen wir, uns die Frage zu stellen, welche Technologie als nächstes eine derart große Auswirkung auf die Gesellschaft haben wird. Ein großer Unterschied zu den späten 1990er und frühen 2000er Jahren ist das weltweite Bewusstsein für den Klimawandel. Künstliche Intelligenz (KI) ist in aller Munde und manche sind der Ansicht, dass sie eine ähnlich revolutionäre Auswirkung auf die Gesellschaft haben wird wie das Mooresche Gesetz.

KI, Quantencomputer und andere revolutionäre Technologien – sie alle sind auf Elektrizität angewiesen. Es besteht weitgehend Einigkeit darüber, dass Elektrizität eine treibende Kraft für neue Technologien sein und gleichzeitig verschiedene Nachhaltigkeitsziele erfüllen kann.

Dementsprechend wird auch Leistungselektronik, die sich überwiegend mit der Umwandlung, Leitung und Lieferung elektrischer Energie beschäftigt, eine wichtige Rolle für die Zukunft unserer Gesellschaft spielen. Effizienzgewinne in diesem Bereich können für starkes innovationsgetriebenes Wachstum sorgen.

Würde man hier nach einer Entsprechung zu Jorgensens Studie suchen, wären es Leistungshalbleiter. Leistungshalbleiter spielen eine entscheidende Rolle in verschiedenen Bereichen der heutigen Industrie und Gesellschaft – von der Erzeugung und Übertragung von Strom aus erneuerbaren Energien, über Elektromobilität, automatisierte Fabriken, energieeffiziente Rechenzentren bis zu Smart Cities und Smart Homes. Leistungshalbleiter sind darauf ausgelegt, hohe elektrischer Ströme und Spannungen zu steuern und zwischen Stromversorgung und Spannungsregelung zu wechseln.

Aber warum sind Entwicklungen in diesem Bereich gerade jetzt so wichtig?

Das ehrgeizige Ziel, eine kohlenstofffreie Zukunft im Energiesektor zu erreichen, hat signifikante Auswirkungen auf die Stromversorgungssysteme weltweit. Verteilte Energiequellen werden beispielsweise zu dynamischeren Profilen der Stromerzeugung führen. Gleichzeitig werden umweltbezogene Vorteile durch die Elektrifizierung des Verkehrs, die sektorübergreifende Integration via Power-to-X-Technologien die Anforderungen an das Stromnetz erhöhen.

Leistungselektronik und hoch entwickelte Leistungshalbleiter-Technologien bieten Lösungen zur Bewältigung der Herausforderungen, wozu auch eine höhere Netzinstabilität gehört. Mit zunehmender Nutzung erneuerbarer Energien werden kleinere und stärker verteilte Kraftwerksanlagen entstehen. Derartige Strukturen erfordern einen zunehmenden Mix von Gleichstrom-Übertragungsleitungen neben herkömmlichen Wechselstromnetzen.

Leistungshalbleiter spielen eine zentrale Rolle bei der Steuerung des Stromflusses von Gleichstrom-Energiequellen (und Wechselstrom-Energiequellen) in das Netz und stellen Effizienzgewinne in dieser sich entwickelnden Landschaft sicher. Durch die Kombination von hoch effizienten Leistungshalbleiter-Bauelementen und erneuerbaren Energien in der Erzeugung, Übertragung und Verteilung können wir den Weg für zukünftige Stromnetze ebnen.

Leistungselektronik spielt zudem eine wichtige Rolle bei der Erzeugung von Photovoltaik- bzw. Solarenergie sowie bei der Anbindung von Windenergieanlagen an das Netz. Zuverlässige, langlebige und günstige Leistungshalbleiter sind der Schlüssel zu zuverlässiger und günstiger Stromerzeugung aus Windenergie. Die Entwicklung zuverlässigerer Leistungshalbleiter und Leistungselektronik hat ähnliche Auswirkungen in Bereichen wie der Speicherung von kohlenstoffarmem Wasserstoff bzw. anderen Energiespeicheranlagen, der Verbesserung der Elektromobilität und des Verkehrs, Heiz- und Kühlvorrichtungen (z. B. Klimaanlagen) und Haushaltsgeräte.

Die Förderung von Leistungshalbleitern und Leistungselektronik kann daher große Auswirkungen auf Effizienzgewinne über verschiedene Bereiche hinweg haben. Fachleute sind sogar der Ansicht, dass die Förderung der Nutzung von Leistungshalbleitern unerlässlich für eine erfolgreiche Umsetzung nationaler Strategien zum Erreichen von Kohlenstoffneutralität bis zur Mitte des Jahrhunderts ist.

Auch wenn das Ziel in Sichtweite ist, gilt es noch etliche Herausforderungen auf dem Weg dahin zu meistern. Der Übergang von einer linearen zu einer Kreislaufwirtschaft ist eine davon, genauso wie die Notwendigkeit, Industriepraktiken zu ändern.

Regierungen müssen sich für Strategien, Anreize und Ziele zur Förderung von Leistungshalbleiter-Bauelementen und Integrationstechnologien einsetzen, um ihre Dekarbonisierungsziele zu erreichen. Mehr politische Entscheidungsträger müssen anerkennen, dass Leistungshalbleiter von entscheidender Bedeutung sind. Aktuell ist das nicht immer der Fall, weshalb es notwendig ist, das Bewusstsein hinsichtlich des Potentials von Leistungshalbleitern zu stärken und Entwicklungen in dem Bereich zu unterstützen.

IECQ: Konformitätsbewertung entlang der gesamten Lieferkette

Zahlreiche Zulieferer von Bauelementen, Baugruppen oder Materialien sind Teil der Lieferkette, bis ein Endprodukt sich auf den Weg zum Kunden macht. Umso wichtiger wird die Einhaltung von Standards entlang der Lieferkette für Hersteller und Handel, um global erfolgreich zu sein.

IECQ als Konformitätsbewertungssystem zertifiziert die Qualität von Prozessen in Beschaffung und Fertigung nach internationalen IEC-Standards – auch und gerade mit Blick auf die Einhaltung von Grundsätzen der Circular Economy.

Damit kommen wir wieder dazu zurück, wie wichtig es ist, technologische Fortschritte sicherzustellen, da dadurch das Wirtschaftswachstum insgesamt gefördert wird. Ein unlängst von der IEC veröffentlichtes White Paper konstatiert die zentrale Rolle, die Leistungshalbleiter beim Übergang zu einer energieeffizienten Gesellschaft, deren Treibhausgasemissionen auf null reduziert werden, spielen. In dem Bericht wird die Notwendigkeit strategischer Maßnahmen auf politischer Ebene zur Bewältigung der Herausforderungen hervorgehoben und mehr Engagement seitens der Regierungen, konsequentere Maßnahmen und eine bessere Finanzierung zur Weiterentwicklung von Leistungshalbleiter-Technologien und deren Integration gefordert.

Normen spielen eine wesentliche Rolle bei der Beseitigung technischer Risiken, der Verbesserung der Qualität von Produkten und dem schnelleren Erreichen von Marktakzeptanz. Das technische Komitee IEC/TC 47 erarbeitet internationale Normen zur Gestaltung, Herstellung, Verwendung und Wiederverwendung verschiedener Halbleiter-Bauelemente. IEC/TC 22 fokussiert sich speziell auf leistungselektronische Systeme und Geräte. Dieses Jahr wurde eine neue Ausgabe der Norm IEC 60146 veröffentlicht, die sich mit den Eigenschaften und Anforderungen an Halbleiter-Stromrichter auseinandersetzt. IEC TS 62578 liefert umfassende Informationen zu den Einsatzbedingungen und Merkmalen bestimmter leistungselektronischer Systeme und Geräte im Zusammenhang mit aktiven Einspeisestromrichtern, sog. Active-Infeed-Converter-Anwendungen (AIC-Anwendungen).

Zusammen mit dem IEC-Qualitätsbewertungssystem für elektronische Bauteile (IECQ) bieten die internationalen IEC-Normen eine einzigartige Lösung für Hersteller, Lieferanten und Käufer von Halbleitern bzw. Geräten, in denen Halbleiter zum Einsatz kommen. Haben elektronische Bauteile und Halbleiter oder Prozesse im Zusammenhang mit elektronischen Bauteilen ein IECQ-Zertifikat, schafft das Vertrauen, dass Halbleiter so funktionieren wie in den Spezifikationen des Halbleiter-Herstellers beschrieben. IECQ-Zertifikate werden weltweit als Instrument zur Überwachung und Kontrolle der Lieferkette genutzt, wodurch Kosten und Zeit bis zur Markteinführung reduziert werden können und die Notwendigkeit mehrmaliger Neubewertungen von Elektroniklieferanten entfällt.
IECQ bietet auch eine Reihe von Umweltdienstleistungen, wie Ökodesign-Zertifizierungen und die Verifizierung von Angaben zum CO₂-Fußabdruck von Produkten aus der Elektronikbranche und anderen.

Auch wenn es bereits einige internationale und nationale Normen gibt, müssen Normungsgremien und Industrie noch enger zusammenarbeiten, um die neuen Anforderungen an die Energielandschaft bei der Umsetzung der Dekarbonisierungsmaßnahmen zu meistern.

Die IEC spielt beispielsweise eine führende Rolle bei den Bemühungen, verschiedene Gleichstromtechnologien (wie Niederspannungsgleichstrom) dahingehend sicher zu machen, dass sie überall zum Einsatz kommen können, um den Energieverlust über die Stromlieferkette zu reduzieren und die Integration einer zunehmenden Zahl von erneuerbaren Energiequellen voranzutreiben. Die IEC hat zudem ein strategisches Leitbild für eine All Electric und Connected, Net-Zero Society verabschiedet und richtet ihre umfrangreiche Arbeit auf dieses Ziel aus.

Ein Land und die langfristige Entwicklung seiner Bevölkerung sind abhängig von den politischen Strategien, die sie prägen. Die Geschichte hat uns immer wieder gezeigt, wie stark technologische Innovationen die Gesellschaft verändern können.

Die Welt setzt auf wirtschaftliche Nachhaltigkeit. Investitionen in Leistungselektronik und damit verbundene Technologien sind vor diesem Hintergrund eine wichtige Voraussetzung für die Bewältigung der Herausforderungen der Dekarbonisierung und Digitalisierung auf dem Weg zu einer energiebewussten Gesellschaft.

Redaktioneller Hinweis:

Der englischsprachige Originalartikel von Priyanka Dasgupta erschien erstmals auf etech.iec.ch in der Ausgabe 03/2024 unter:
https://etech.iec.ch/issue/2024-03/powering-economic-growth-and-sustainability

Inhaltliche Beschreibungen, Darstellungen und Meinungen in diesem IEC-Text können von denen der DKE abweichen.

Components & Technologies konzentriert sich auf Bauteile, Komponenten und Materialien, die in unterschiedlichsten Endprodukten verbaut werden und dort zur Anwendung kommen. Qualität und Eigenschaften der fertigen Produkte werden durch die eingesetzten Komponenten und Materialien entscheidend beeinflusst. Weitere Inhalte zu diesem Fachgebiet finden Sie im