Automatisierung

Effizienz um jeden Preis

Expertenstimmen zur Zukunft des Energiemanagements und Energieeffizienz

12.09.2022 - Energie ist eine knappe Ressource geworden. Embedded Systeme, Schaltschränke und IPCs müssen daher intelligent und effizient geplant und gebaut werden, um viel Leistung mit möglichst wenig Stromaufnahme und Stromverlust zu erreichen. Was zeichnet ein energieeffzientes Produkt aus? Welche Maßnahmen werden ergriffen, um Produkte energieeffizienter zu gestalten? Wo ist die Grenze, die man nicht unterschreiben kann? Fragen, die wir Experten aus der Branche gestellt haben.

„Besonderes energieeffizient sind Computer-on-Modules, denn mit ihnen kann man dedizierte Systeme hinsichtlich der gelieferten Performance und damit auch des Energieverbrauchs optimal ausbalancieren.“

Das Thema Energieeffizienz bei Embedded-Computer-Technologie kann man unter vielen Blickwinkeln betrachten. Besonderes energieeffizient sind Computer-on-Modules, denn mit ihnen kann man dedizierte Systeme hinsichtlich der gelieferten Performance und damit auch des Energieverbrauchs optimal ausbalancieren. Allein bei den neuen Intel-Core-Prozessoren der 12 Generation bieten wir aktuell 24 Module auf drei Formfaktoren an. Auch werden mit Computer-on-Modules Systemdesigns extrem schlank. So werden bei den dedizierten Systemen nur die Bauelemente und Controller auf den Carrierboards eindesignt, die man wirklich braucht, was den Stromverbrauch senkt. Im Gegensatz dazu verfügen Standard-Motherboards über diverse Verbraucher, die ungenutzt bleiben. Sicherlich kann man auch die diversen Sleep-States auf die Applikation optimieren, Cores abschalten und dergleichen, um Strom zu sparen. Im Echtzeiteinsatz ist das aber auch teils mit unkalkulierbaren Latenzen verbunden. Man muss also wissen, was man tut, um die gewünschte Funktionalität und optimale Energieeffizienz in Einklang zu bringen. 

Hier haben wir viel Erfahrung, die auch unser Tochterunternehmen Real-Time Systems mit seiner Echtzeit-Hypervisor-Technologie einbringt. Schlussendlich haben Computer-on-Modules aber auch eine wichtige Nachhaltigkeitsfunktion, die sich allein aus dem Design-Prinzip „COMs und Carrier“ ableitet: Wenn die nächste Generation an Prozessoren verfügbar ist, kann man den Energieverbrauch durch den Einsatz neuer Module senken, ohne das Carrierboard neu designen zu müssen. Unternehmen können ihre Designs also mit neuen Modulgenerationen alle ein bis zwei Jahre noch energieeffizienter auslegen, ohne immense Kosten dafür investieren zu müssen, da die NRE-Kosten für den Carrier nicht erneut anfallen. Auch lassen sich existierende Systeme auch noch Jahre später aufrüsten und so ihre Einsatzdauer signifikant verlängern, was besonders nachhaltig ist. Dies sind schlussendlich entscheidende Faktoren für kontinuierliche Verbesserungsprozesse – und das nicht nur in Bezug auf die Energieeffizienz, sondern auch hinsichtlich Security, Performance, Stromaufnahme, Visual Experience, KI und vieles mehr.

„Schon bei der Entwicklung gilt es, zielgerichtet geeignete, energieeffiziente Bauteile auszuwählen und diese in sparsame Schaltkreise zu integrieren.“

Gerade in der Elektronikindustrie ist der Energieverbrauch für das Löten von Bauteilen sehr hoch. Das Wellenlöten von Kontron-Motherboards ‚Made in Germany‘ erfolgt dabei mit BSA-Niedrigschmelzlot. Der Energieverbrauch ist im Vergleich zu üblichen SnCu-Loten um 40 Prozent niedriger, was nicht nur den Energieverbrauch beim Fertigungsprozess deutlich senkt, sondern auch die Lötqualität und die Produktivität erhöht. Die Produktion in Deutschland bedeutet zudem im Vergleich zu Produkten aus asiatischer Fertigung einen erheblich reduzierten Energieverbrauch beim Transport zum Kunden. Vor allem der Dauerbetrieb von Elektronik verursacht aber immense Energiekosten über deren gesamten Lebenszyklus.

Schon bei der Entwicklung gilt es dabei zielgerichtet geeignete, energieeffiziente Bauteile auszuwählen und diese in sparsame Schaltkreise zu integrieren. Gerade für die Onboard-Spannungsversorgung nutzen wir ein spezielles, energieeffizientes Design. Für einen sparsamen Einsatz bieten sich neben verschiedenen Energiesparfunktionen der Plattform- und Betriebssystemhersteller (z. B. Modern Standby, unterschiedliche Boost-Modi für die CPU, …) auch spezielle Tools von Kontron an. Gerade generische Produkte wie Motherboards können mit Hilfe dieser Tools und BIOS-Settings gezielt an die Anforderungen angepasst werden. So kann mit z. B. mit der cTDP (Configurable Thermal Design Power) Funktion – sei es aus thermischen, aber auch aus Gründen des Energieverbrauchs – die maximale Leistungsaufnahme limitiert werden. 

Letztendlich sollte der Kunde bei der Auswahl geeigneter Rechnersysteme nicht unnötig zur „Überdimensionierung“ neigen und die Performance angemessen auswählen. Auf der anderen Seite darf bei allem Energiesparen selbstverständlich die Funktionssicherheit eines Systems beziehungsweise einer Industrie-Anlage nicht leiden.

„Ein Produkt muss über den kompletten Lebenszyklus hinweg umweltfreundlich und effizient sein.“

Wir betrachten die Energieeffizienz unserer Produkte über ihren kompletten Lebenszyklus hinweg. Das beginnt bei den Lieferketten und reicht über die Fertigung bis hin zum Einsatz beim Kunden und zur Entsorgung am „Lebensende“. Unserer Meinung nach muss ein Produkt während dieser gesamten Zeit umweltfreundlich und effizient sein. Schon jetzt versuchen wir den Energieverbrauch unserer Produkte stetig zu senken. Ein gutes Beispiel dafür ist das Innenleben unserer Panel-PCs: Wir setzen hier ganz bewusst Mainboards und Displays ein, die eine geringe Leistungsaufnahme haben. Sie sind so effizient, dass wir keine zusätzlichen Lüfter benötigen. Darüber hinaus bieten wir den Anwendern verschiedene Features, mit deren Hilfe sich der Energieverbrauch unserer Produkte senken lässt. 

Sämtliche HMI-Lösungen von Rose werden übrigens nach dem Baukastenprinzip gefertigt. Wir können unseren Kunden deshalb ein Refurbishment ihrer Panel-PCs anbieten, wenn Komponenten ihre Verschleißgrenze erreicht haben. Durch den Austausch erhalten die Geräte zugleich Bauteile, die weniger Energie verbrauchen als die ursprünglich verbauten. Um die Energieeffizienz unserer Produkte noch weiter zu erhöhen, achten wir sorgfältig auf unsere Lieferketten und lassen sie künftig unabhängig überprüfen. 

Neben unseren Produkten machen wir auch unsere Fertigungsstätten durch Modernisierung Schritt für Schritt energieeffizienter und setzen verstärkt auf Strom aus Erneuerbaren Energieträgern.

„Ein Produkt, das seine Aufgabe nicht korrekt erfüllen kann, ist die größte Ressourcenverschwendung.“

Für Industrie-PCs und Embedded-Systeme zählt jedes Watt doppelt: Zum einen die Leistungsaufnahme für den Betrieb und zum anderen der Aufwand der Entwärmung – was besonders bei heißen Umgebungen eine Herausforderung ist. Energieeffizienz ist daher eine Primärtugend im Embedded-Bereich und das bezieht sich nicht nur auf den Prozessor, sondern auf alle Komponenten, die für ein lauffähiges System notwendig sind. Wir von TQ achten daher bei der Auswahl aller Bauteile unserer Module und Boards auf eine hohe Energieeffizienz. 
Durch unsere guten Beziehungen zu den Prozessorherstellern können wir frühzeitig die geeignetsten Bausteine identifizieren, um energieeffiziente Lösungen für unterschiedlichste Anwendungsfelder anbieten zu können – denn nicht jede Anwendung hat die gleichen Anforderungen an eine Rechnerplattform. Ein Beispiel ist die Bildverarbeitung, die nicht immer den schnellsten und energiehungrigsten Prozessor braucht, sondern dank spezialisierter Beschleunigereinheiten auch sehr sparsam die Aufgabe stemmen kann. Manchmal erkennt man den notwendigen Rechenbedarf erst im Laufe der Produktentwicklung. Daher achten wir bei unseren Modulfamilien auf eine weite Skalierbarkeit, um auch mal eine Nummer größer oder kleiner anbieten zu können. Damit lässt sich der Energiebedarf auf die jeweilige Anwendung optimal anpassen und gleichzeitig die Funktionsfähigkeit sichern – denn ein Produkt, das seine Aufgabe nicht korrekt erfüllen kann, ist die größte Ressourcenverschwendung.

„Zukünftig wird der Einsatz von Servomotoren in Verbindung mit einem Gleichstrom-Zwischenkreis mit 48 VDC oder 560 VDC sowie der Einsatz von bidirektionalen Schaltnetzteilen zunehmend wichtiger.“

Energieeffizienz in der Anlage bedeutet, die eingesetzte Energie so vollständig wie möglich auszunutzen. Deshalb ist einerseits notwendig, den Energieeinsatz so gering wie möglich zu halten, andererseits die aus dem Prozess zurückfließende Energie weiterzuverwenden. Das bedeutet, dass zukünftig der Einsatz von Servomotoren in Verbindung mit einem Gleichstrom-Zwischenkreis mit 48 VDC oder 560 VDC sowie der Einsatz von bidirektionalen Schaltnetzteilen zunehmend wichtiger wird. Wir haben das bei der Entwicklung unseres Systems Vario-X berücksichtigt und setzen hier auf Netzteiltechnologie. So halten wir die Verluste bei der Bereitstellung des Gleichstrom-Zwischenkreises möglichst gering und bieten die Funktionalität einer optionalen Energierückspeisung ins Versorgungsnetz. 

Zudem haben wir bei Vario-X Funktionen wie Energiemessung und Diagnosemöglichkeiten integriert, um so den aktuellen Energieverbrauch im Blick zu haben und bei Unregelmäßigkeiten eingreifen zu können. Die Grenzen eines solchen Konzepts ergeben sich aus den physikalischen Gegebenheiten. So lässt sich der optimale Wirkungsgrad nur bei bestimmten Nennlasten erreichen und halten. Durch moderne Bauteiltechnologie bieten sich uns neue Möglichkeiten, die eine immer größere Optimierung zulassen. Heute sehen wir hier bei rund 98 Prozent Wirkungsgrad die Grenze des wirtschaftlich Machbaren erreicht.

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+49 0991 2700 111

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Falkenstraße 3
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+49 7191 474310

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Oskar-von-Miller-Str. 1
85386 Eching
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+49 571/5041-159

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