Forschung und Entwicklung in der Mikroelektronik als Enabler für Ressourcen- und Energieeffizienz

Ein starker Fokus auf Forschung und Entwicklung ist die Grundlage dafür, dass sowohl die Leistung von Technologien als auch die Leistung ganzer Systeme ständig weiterentwickelt wird. Dies führt zu Verbesserungen in der Ressourceneffizienz und damit auch beim CO₂ -Fußabdruck.

Wir benötigen ressourcensparende, nachhaltigere und ganzheitlich durchdachte Elektronik mit einem Nettogewinn für Gesamtsysteme. Dies gelingt durch Fortschritt in den Bereichen: Green ICT, Green by ICT, Green Energy Systems sowie ÖkoDesign und kreislaufgerechte Technologie. Für eine nachhaltige Elektronik, die die Erreichung der weltweiten Klimaziele unterstützt, müssen alle vier Aspekte aufeinander abgestimmt eingesetzt und weiterentwickelt werden.

ÖkoDesign und kreislaufgerechte Technologie

Zur Erreichung von Net Zero Emissionen im Jahr 2050 müssen die immer zahlreicher werdenden Elektronikgeräte so gestaltet sein, dass sie so wenige Ressourcen wie möglich verbrauchen und nachhaltig verwendet werden können. Gerade seltene Rohstoffe müssen deshalb hocheffizient recycelt und komplette Stoffkreisläufe entwickelt werden. Um Zielkonflikte mit der späteren Leistungsausnutzung zu vermeiden, müssen diese Funktionalitäten dabei direkt im Designprozess integriert werden. Die aktuelle Forschung in diesem Bereich befasst sich u. a. mit der Umweltoptimierung von Produkten, Umweltanalysen von Prozessen, der Ökobilanzierung oder der Lebenszyklusmodellierung.

Green Energy Systems: Ressourceneffiziente Energiesysteme

Neben der Energieeffizienz muss auch die Energieinfrastruktur an Gegebenheiten einer vollständig nachhaltigen Welt angepasst werden. Hierzu gehören Gesamtsysteme, die die Energieversorgung, -verteilung, -speicherung und -nutzung auf intelligente und effiziente Weise kombinieren. IKT kann und muss ein zentraler Schlüssel bei der Bereitstellung sicher verfügbarer, nachhaltiger und gleichzeitig bezahlbarer Energie der Zukunft sein. Energiespeicher- und Energiespeichermanagementsysteme, Energy Harvesting oder intelligente, kommunikationsfähige Stromnetze, die Erzeugung, Verbrauch und das Netz selbst verbinden (Smart Grids), sind nur einige der aktuellen Forschungsschwerpunkte in diesem Bereich.

Green by ICT: IKT-Lösungen zur Ressourcen- und Energieeinsparung

Fortschritte und Entwicklungen im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnik sind elementar für die effiziente Elektrifizierung und Digitalisierung der Welt. IKT-Lösungen können in unterschiedlichsten technischen und wirtschaftlichen Gebieten eingesetzt werden, um so den Energie- und Ressourcenverbrauch sowie den CO₂ -Fußabdruck in Bereichen wie z. B. der Industrie, privaten Haushalten oder der Mobilität, grundlegend zu verringern. Beispiele sind der Ersatz physischer Güter durch digitale Güter, die Optimierung von Lieferketten oder die Simulation verschiedenster Szenarien, um beispielsweise Produktionsweisen (energie-) effizienter und ressourcenschonender zu gestalten.

Green ICT: Umwelt- und ressourcenschonend gestaltete IKT

Es liegt nahe, dass der extrem dynamische und im Rahmen der Digitalisierung schnell wachsende, internationale IKT-Markt einen eigenen signifikanten und messbaren Beitrag zur Erreichung der Klimaschutzziele liefern muss. Dies gelingt jedoch nur, wenn neben den Einzelkomponenten auch Gesamtsysteme und deren Vernetzung über den gesamten Lebenszyklus in die Betrachtung mit einbezogen werden. Die Mikroelektronik setzt hier u. a. bei Ressourceneffizienz in Sensor-EdgeCloud-Systemen, energiesparenden Kommunikationsinfrastrukturen und ressourcenoptimierter Elektronikproduktion an.

Das im August 2022 gestartete Vorhaben »Green ICT @ FMD« beschäftigt sich intensiv mit diesen Aspekten und wird unter dem folgenden Link ausführlich vorgestellt.

Green ICT:

Umwelt- und ressourcenschonend gestaltete IKT

Forschungsschwerpunkte:

Ressourceneffizienz in Sensor-Edge-Cloud-Systemen, Energiesparende Kommunikationsinfrastrukturen, Ressourcenoptimierte Elektronikproduktion

Projektbeispiel: Edge Limit Green ICT

Um energiesparsamere Mobilfunkbasisstationen zu realisieren, arbeiten die Konsortialpartner des Verbundprojekts »EdgeLimit-Green ICT« an einem neuartigen Edge-Cloud-Antennensystem, das Energieverluste bei der Übertragung im Millimeterwellenbereich von 5G durch die Kombination effizienter Bauelemente und optimierter, KI-unterstützter Steuerung um mindestens 50% reduziert.

Green by ICT:

IKT-Lösungen zur Ressourceneinsparung

Forschungsschwerpunkte:

Automatisierungstechnik, Supply Chain Services, Elektroniklösungen für Logistik, Verteilte Sensorsysteme, Datenökosysteme, Energiemanagementsysteme, Predictive Maintenance

Projektbeispiel: ENTRAS – Energieautarkes Trackingsystem

Durchgängige und energieeffiziente Lokalisierung von Waren, Personen und Tieren wird durch das modulare, energieautarke Trackingsystem ENTRAS möglich. Hierbei wurde die satellitengestützte Navigation mit Lokalisierung in drahtlosen Sensornetzen und eine Energieversorgung durch Energy Harvesting kombiniert.

Green Energy Systems:

Ressourceneffiziente Energiesysteme

Forschungsschwerpunkte:

Energiespeicher- und Energiespeichermanagementsysteme, Energy Harvesting, Autarke Mikrosysteme, Effizientes Energiemanagement, Antriebsumrichter, Smart Grids

Projektbeispiel: ebalance plus

Das ebalance-plus-Projekt erweitert die Ergebnisse der Projekte e-balance und SmartGrid Plattform. Auf deren Basis soll eine Lösung entwickelt werden, welche die energetische Flexibilität der Nutzer zur Verbesserung der Netzzuverlässigkeit und Netzeffizienz, unter Verwendung von erneuerbaren Energiequellen, nutzt. Die ebalance-plus-Lösung ist eine IKT-Plattform, die die Integration und Interoperabilität auf jeder Ebene des Energienetzes sicherstellt und einen effektiven Marktrahmen bietet, von dem Strombetreiber und Interessenvertreter mit neuen Geschäftsmodellen profitieren.

ÖkoDesign

und kreislaufgerechte Technologie

Forschungsschwerpunkte:

Umweltoptimierung von Produkten, Umweltanalysen von Prozessen, Ökobilanzierung, Lebenszyklusmodellierung, Carbon Footprinting, Eco-Reliability

Projektbeispiel: NaLamKI

NaLamKI hat das Ziel KI- und Cloud-Technologien als Schlüsseltechnologien der Digitalisierungstrategie der Bundesregierung für die pflanzenbauliche Landwirtschaft nutzbar zu machen und so zur Optimierung landwirtschaftlicher Prozesse beizutragen.