Social Device“ Spezialinterview

Die Inhalte wurden von August 2017 bis Februar 2018 auf "Nikkei Technology Online", der Website zur Informationstechnik von Nikkei Business Publications, Inc. veröffentlicht und mit Erlaubnis des Autors nachgedruckt.

* Die Informationen zu institutioneller Zugehörigkeit und akademischen Titeln sind zum Zeitpunkt der Veröffentlichung wahrhaftig und genau.

「Effizienzsteigerung ist eine Unternehmensverantwortung,ermöglicht durch die Unterstützung von Ingenieuren und innovativer Technologie

Die Gesellschaft zeigt ein wachsendes Interesse an globalen Umweltproblematiken, wie zum Beispiel der weltweiten Klimaerwärmung und der Ausbeutung fossiler Brennstoffe. Steigerung der Energieeffizienz zur Senkung des Energie- und Materialverbrauchs ist daher zu einem kritischen sozialen Thema geworden. Dr.-Ing Nico Pastewski ist Innovations- und Technologie-Manager bei der Festo AG & Co. KG in Deutschland, einem weltweit in den Bereichen Automatisierungstechnik und Aus- und Weiterbildung führenden Unternehmen mit ebenso großem Engagement im Bereich Energieverbrauch in der Produktion. Über die Rolle, die Zusammenarbeit bei der Lösung dieser Probleme durch innovative Technologie spielt, und über die Trends der Kerntechnologien diskutierte er mit Aly Mashaly, Master of Science in Elektrotechnik, Manager Power Systems bei ROHM Semiconductor Europe, der im Bereich Advanced Power Devices tätig ist.

Mashaly

Die weltweiten Umweltprobleme sind heutzutage in der Öffentlichkeit Themen, die Besorgnis erregen. Daher sind Unternehmen in allen Gebieten sehr interessiert an Technologien, die die Effizienz steigern können. ROHM ist hier als Hersteller von Halbleitern keine Ausnahme.

ROHM wurde im Jahr 1958 als Hersteller elektronischer Kleinkomponenten gegründet und hat sein Unternehmen bis heute schrittweise expandiert und weiterentwickelt. Heute machen die Halbleiter 90% des Umsatzes aus. Wir bieten eine große Auswahl an Leistungshalbleitern, einschließlich hochintegrierter Schaltkreise (LSIs), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs), wobei die Priorität auf der Effizienzsteigerung liegt. Momentan treiben wir die Entwicklung von Geräten mit Siliziumkarbid (SiC) voran. Die nächste Generation an SiC-Halbleitern ist sehr vielversprechend hinsichtlich Effizienzsteigerung in der Leistungselektronik, da relativ hohe Leistungspegel möglich sind. ROHM ist branchenweit führend bei der Entwicklung von SiC-Technologie und Produkten.

Ich selbst bin Ingenieur für Leistungselektronik; ich bin jemand, der verantwortlich ist für „Power Systems“, die sich in Düsseldorf in Deutschland befinden. Meine hauptsächliche Mission besteht darin, Kunden die besten Lösungen auf Systemebene zu bieten, einschließlich der Leistungshalbleiter von ROHM. Ich fungiere auch als Schnittstelle zwischen den Kunden aus Europa und dem Entwicklungsteam in Japan. Effizienzsteigerung ist ein zentrales Thema bei meiner gesamten Arbeit.

Pastewski

Festo stellt ebenfalls die Effizienz in allen Geschäftsbereichen in den Mittelpunkt. Unser Unternehmen wurde im Jahr 1925 gegründet. Als Familienunternehmen denken wir in Bahnen der Nachhaltigkeit und handeln verantwortungsbewusst. Seit mehr als 60 Jahren stehen wir an der Spitze im Bereich Automatisierung, setzen immer Maßstäbe. Ressourcenschonung und Produktion bei geringeren Kosten ist eines unserer grundsätzlichen Ziele, das auch dem Konzept der nachhaltigen Entwicklung gerecht wird. Heute stellen wir unsere Produkte und Dienstleistungen bereit und begegnen der Herausforderung einer Zukunft im Zeichen der intelligenten Produktion und der Digitalisierung.

Zu diesem Zweck entwickelt das Unternehmen neue, zukunftsorientierte Konzepte, basierend auf dem Dreiklang von innovativen und energieeffizienten Technologien, intuitiver Zusammenarbeit von Mensch und Maschine und Aus- und Weiterbildung. Wir bieten ein umfassendes Sortiment an pneumatischen und elektronischen Antriebskomponenten und automatisierten Systemen für die Märkte Fabrikautomatisierung und Prozessautomatisierung. Wir sind uns unserer Unternehmensverantwortung als Mitglied der Gesellschaft immer bewusst, und somit auch der vielfältigen sozialen Probleme, die in den letzten Jahren aufgetreten sind: Klimawandel, alternde Bevölkerung und sinkende Geburtsraten, Verknappung natürlicher Ressourcen und ähnliche Problematiken. Wir denken, dass es unsere Pflicht ist, beim Finden von Lösungen für diese Probleme zu helfen. Wir haben daher sechs Handlungsfelder definiert, um unsere Aktivitäten zu fokussieren. Das erste Feld ist Energieeffizienz (Abb. 1), dann folgen Technische Bildung; Materialeinsatz; Umwelt, Energie und Bauen; Gesundheit und Sicherheit; und Lebenslanges Lernen.

Abb. 1	Ausstellungsfläche zur Vorstellung der Initiativen für Energieeffizienz von Festo
Abb. 1 Ausstellungsfläche zur Vorstellung der Initiativen für Energieeffizienz von Festo

Wir arbeiten, um auch die Energieeffizienz außerhalb unseres Unternehmens zu verbessern, und tragen mit unseren Produkten und Lösungen dazu bei, die Energieeffizienz unserer Kunden zu steigern. Unsere Geschäftstätigkeiten sind global, ebenso unser Kundenstamm...und wir sind überzeugt, dass unser Engagement zur Steigerung der Energieeffizienz der ganzen Welt zugute kommt.

Mashaly

Ich bin sicher, dass die Leistungselektronik zukünftig eine immer größere Rolle spielen wird während wir weiterhin an der Effizienzsteigerung arbeiten, denn die Elektrifizierung in Industriesystemen, Automobilen und anderen Bereichen setzt sich immer mehr durch. Gleichzeitig steigt die Gewichtung elektrischer Energie innerhalb des Gesamtenergieverbrauchs. Aufgrund dieses Anstieges bringt Technologie, die zur Effizienzsteigerung bei der Nutzung elektrischer Energie beiträgt, eine Vielzahl an größeren Vorteilen mit sich.

So nutzen herkömmliche elektrische Leistungssysteme zum Beispiel zur Spannungsumschaltung sehr häufig DC-DC-Wandler oder AC-DC-Wandler. Der Umwandlungswirkungsgrad liegt bei diesen Verfahren bei 85% bis 95%. Das bedeutet, es existiert eine durchschnittliche Verlustleistung von ungefähr 10%. Spannungswandler finden wir fast in allen Bereichen unseres täglichen Lebens, also stellen 10% Verlustleistung eine enorm große Menge dar.

Abb. 2	Wafer für SiC-Leistungshalbleiter: Halbleitermaterialien der nächsten Generation tragen zur Effizienzsteigerung bei
Abb. 2 Wafer für SiC-Leistungshalbleiter: Halbleitermaterialien der nächsten Generation tragen zur Effizienzsteigerung bei

Unsere SiC-Leistungshalbleiter werden in vielen Anwendungen als Technologie angenommen, die zur Lösung dieses Problems beitragen kann (Abb.2). Einige Beispiele hierfür sind die Leistungselektronik in Solaranlagen und Klimaanlagen für Privathaushalte.

Im Vergleich zu herkömmlichen Leistungsgeräten, die auf Silizium basieren, zeigen die SiC-Leistungsgeräte eine wesentlich geringere interne Verlustleistung. Weitere Forschungen im Bereich SiC-Geräte könnten zu einem Umwandlungswirkungsgrad von bis zu 99% führen...sehr nah am theoretischen Maximum. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese Geräte sehr wenig Hitze erzeugen, so können die Kühlsysteme kleiner ausfallen. SiC-Geräte sind auch dann effizienter, wenn kleinere und leichtgewichtigere Produkte realisiert werden sollen.

Pastewski

Auch wenn die Energieeinsparungen bei jedem einzelnen Gerät oder in jeder einzelnen Anlage nur minimal sind, würde es große Auswirkungen auf die Gesellschaft haben, wenn diese Technologie flächendeckend eingeführt würde - so, wie es bei Automobilen und bei industriellen Anlagen und Geräten stattgefunden hat. Die heutigen Anlagen und Geräte nutzen enorme Mengen an Halbleitern, und ich denke, Halbleitergeräte spielen eine entscheidende Rolle dabei, wenn wir die Effizienz in der gesamten Gesellschaft steigern wollen.

Mashaly

Für den Bereich Elektrofahrzeuge (EV) stieg ROHM im Jahr 2016 bei der „FIA-Formel-E“ ein, einer Meisterschaft, die als weltweit erste Rennserie für Formelwagen mit Elektromotor bekannt ist. Als offizieller Technologiepartner des Venturi Formula E Teams liefern wir SiC-Leistungshalbleiter für den Wechselrichter des Antriebsstrangs. Ich denke, wenn man sich das einmal ansieht, bekommt man ein Verständnis für das Potenzial von SiC-Leistungshalbleitern (Abb. 3). Durch den Einsatz von SiC konnten wir dazu beitragen, dass Größe und Gewicht reduziert werden konnten, und die Effizienz des gesamten Antriebssystems verbessert wurde. In der dritten Saison im Jahr 2016 statteten wir die Wechselrichter mit bei ROHM entwickelten SiC-Dioden aus. Nächstes Jahr, in der vierten Saison, werden wir Full-SiC-Leistungsmodule einschließlich MOSFETs liefern, und wir haben vor, die Wechselrichter unter Verwendung unserer SiC-Technologie sogar noch kleiner und leichtgewichtiger zu machen.

Abb. 3	 Von ROHM gesponserter Rennwagen von Venturi Formula-E und sein Wechselrichter, der mit SiC-Leistungshalbleitern ausgestattet ist
Abb. 3 Von ROHM gesponserter Rennwagen von Venturi Formula-E und sein Wechselrichter, der mit SiC-Leistungshalbleitern ausgestattet ist

Mittlerweile zieht die Formel-E als Innovationsfeld für Elektrofahrzeuge die Aufmerksamkeit der Automobilhersteller und Zulieferer auf sich. Manche Menschen denken vielleicht, dass es sich hierbei um eine spezielle Technologie handelt, weil sie in Rennautos eingesetzt wird, aber für kommerziell genutzte Elektrofahrzeuge (EVs) kann die gleiche Technologie wie für die SiC-Leistungshalbleiter in den Rennwägen der Formel-E genutzt werden. ROHM wird auch weiterhin die Effizienzsteigerung in der Gesellschaft mit seinen SiC-Leistungshalbleitern und anderen Elektroniktechnologien fördern.

Pastewski

Wie schon zuvor erwähnt engagiert sich Festo auch dafür, die Energieeffizienz weltweit zu verbessern. Zu diesem Zweck haben wir eine ganze Reihe an Aktivitäten ins Leben gerufen, die fast alle Bereiche der Wertschöpfungskette abdecken, die den Geschäftserfolg unseres Unternehmens möglich macht. Diese Aktivitäten beschränken sich nicht nur auf Deutschland: Sie machen in Europa und sogar in globalem Maßstab immer größere Fortschritte.

Unsere internen Aktivitäten bilden die Grundlage für viele unserer Initiativen. In unserer Technologiefabrik in Scharnhausen in Deutschland implementieren wir zum Beispiel Methoden zur Visualisierung der Energieeffizienz unserer Produktionssysteme. Wir haben mit ein paar wenigen Anlagen und Geräten begonnen, aber heute können wir die Energieeffizienz jeder Maschine im Werk überwachen. Wenn es darum geht zu bestimmen, wie die verschiedenen Geräte und Anlagen mit maximaler Effizienz betrieben werden können, sind die Daten von unschätzbarem Wert. Dieses Fachwissen spiegelt sich dann nicht nur in unserem eigenen Engagement im Bereich Fertigung, sondern wird auch an die Produktentwicklung weitergegeben und in unsere Produkte integriert. Die Ergebnisse unseres internen Einsatzes steigern auch die Energieeffizienz in den Produktionssystemen der Kunden.

Viele der Produkte in unserem Sortiment bieten hilfreiche Unterstützung bei Energieeinsparungen für Produktionsmaschinen. Wir bieten auch Produkte an, die unseren Kunden bei der Visualisierung ihres eigenen Energieverbrauchs helfen. Kürzlich haben wir Produkte für Maschinenüberwachungssysteme vorgestellt, die auf dem Konzept des Internets der Dinge (idD) basieren. Unser neues Energie-Effizienz-Modul MSE6-E2M, kurz E2M ist ein intelligentes Wartungsgeräte-Modul, das den Druckluftverbrauch in den Produktionsanlagen unserer Kunden misst, regelt und überwacht, und wichtige Produktionsdaten sichtbar macht. Mit der Einführung des Festo Motion Terminal im Jahr 2017 revolutionieren wir die pneumatische Automatisierungstechnologie im Digitalzeitalter. Zum ersten Mal haben wir pneumatische Funktionen in Form von Motion Apps implementiert, die über Software gesteuert werden können. Dazu gehören auch neue energiesparende Funktionen mit besonders effizienten Bewegungssequenzen. Wir sind überzeugt, dass die Digitalisierung eine drastische Entwicklung in den pneumatischen Antriebssystemen vorantreiben wird, die wir seit vielen Jahren herstellen.

Mashaly

Wir vollziehen in den Produktionsanlagen von ROHM dieselbe Entwicklung. Wir sind ein untypischer Hersteller von Halbleitern, da wir den gesamten Prozess von der Beschaffung von Rohstoffen bis hin zur Fertigung von Geräten und Endprodukten selbst abwickeln. Wir verfügen auch über Produktionsanlagen in Japan und Übersee. Weltweit haben wir 36 Produktionsunternehmen. In jedem einzelnen davon werden hocheffiziente Fertigungsanlagen und Geräte installiert und moderne Mittel zur Senkung des Energiebedarfs genutzt. Vieles von dem Fachwissen, dass wir durch diesen Prozess gewinnen, hilft uns bei der Entwicklung neuer Halbleitergeräte und der Lösungen, die auf ihnen basieren. Unser vertikal integriertes Fertigungssystem hilft uns dabei, Probleme genau bestimmen zu können, denn wir untersuchen sie in unseren eigenen Werken. Diese Methode unterstützt uns auch sehr effizient bei der Lösung von kundenseitigen Problemen, die wir analysieren und im Anschluss beheben. Basierend auf unseren eigenen Erfahrungen können wir unseren Kunden Herausforderungen bereits im Entwicklungsstadium erklären, und ihnen Lösungen anbieten, ehe diese zu ernsten Problemen in ihren Anwendungen geworden sind. Hersteller von Halbleitern müssen heutzutage mehr bieten als nur hochleistungsstarke Halbleiter-Geräte: Wir müssen unseren Kunden auch zeigen, wie sie die Herausforderungen und Probleme meistern können, mit denen sie konfrontiert sind. Und eine der besten Möglichkeiten Lösungen für kundenseitige Probleme zu finden besteht darin, sie zunächst in unseren eigenen Werken und Laboratorien zu lösen.

Um optimale Lösungen bieten zu können, ist auch eine effektive Einstellung hinsichtlich des Kundensupports von entscheidender Wichtigkeit. Damit wir an Energieeffizienz interessierten Kunden mit noch mehr effektivem Support zur Seite stehen können, haben wir im September 2017 unser eigenes „Power-Lab“ in Düsseldorf in Deutschland eingerichtet - ein neues Entwicklungs-& Forschungszentrum. Es ist ausgestattet mit den neuesten Messinstrumenten und Simulationsumgebungen für die Auswertung von Leistungshalbleitern auf Systemebene.

Pastewski

Ja, ich stimme Ihnen zu, technischer Support ist wichtig. Wir unterstützen unsere Kunden durch ein umfassendes Angebot an Dienstleistungen für die energieeffiziente Nutzung von Druckluft - angefangen bei der Erzeugung über die Aufbereitung bis hin zur Verteilung zum jeweiligen Einsatz in unseren Pneumatik-Produkten und Systemen. Wir führen umfassende Druckluft-Audits durch, um Ansatzpunkte für potenzielle Verbesserungen zu finden, und wir waren weltweit das erste Unternehmen, das gemäß der entsprechenden Norm EN ISO 11011 zertifiziert wurde. Wir nutzen dieses Fachwissen, um intern unsere eigenen Werke hinsichtlich Energietechnik zu optimieren. Hiermit leisten wir einen Beitrag zur Reduzierung des CO2-Ausstosses in unserem Unternehmen und bei unseren Kunden weltweit. Das Fachwissen unserer Techniker wird eine entscheidende Rolle dabei spielen, eine effizient orientierte und nachhaltig denkende Gesellschaft zu verwirklichen. Ich denke, dass es drastische Veränderungen bei vielen Technologien geben wird, während wir die Gesellschaft verändern, und viele Techniker werden neue Disziplinen zu meistern haben. Technische Aus- und Weiterbildung ist eines der Handlungsfelder, die Festo als Priorität festgelegt hat, und wir bieten positive Unterstützung für Techniker, die ihr Wissensspektrum erweitern und ihre Fertigkeiten weiter ausbauen. Wir möchten dazu beitragen, dass unsere Gesellschaft sowohl durch Aus- und Weiterbildung effizienter wird, als auch durch die Entwicklung neuer Technologien und Produkte. Der enorme Anstieg der Datenmengen und die Komplexität der Vernetzung von Anlagen und Geräten sowie der Unternehmensbereiche erfordert auch neue und flexible Qualifizierungslösungen für Personal in Industrieumgebungen und Studenten während der Berufsbildung. Das praktische Training für die Anwendung neuer Technologien wird unter Verwendung der cyber-physischen Forschungs- und Lernplattform „CP Factory“ von Festo Didactic durchgeführt. Diese Plattform stellt die Stationen einer realen Produktionsanlage modellhaft dar. Hier kann Anlagenprogrammierung gelernt werden, es können Netzwerke eingerichtet werden und viele andere Bereiche optimiert werden, wie zum Beispiel Energieeffizienz und Datenverwaltung.

Mashaly

In der Leistungselektronik, die mein primäres Verantwortungsgebiet ist, läuft die drastische Revolution bereits. Ein Beispiel hierfür ist die Technologie für Halbleiter mit breitem Bandabstand, einschließlich der SiC-Geräte, die ich vorhin erwähnte. Sie kombinieren hohe Durchbruchsspannung mit niedrigem Durchlasswiderstand, können mit hohen Frequenzen betrieben werden, und halten relativ hohen Temperaturen stand.

Diese Technologie ist zwar noch relativ neu, aber dank ROHM zieht sie momentan auf dem Markt eine enorme Menge an Aufmerksamkeit auf sich. Wir haben es geschafft, SiC in vielen verschiedenen Produkten einzuführen. Die Energieeffizienz fängt an, sich global und innerhalb der gesamten Gesellschaft zu verbessern. Nach der Revolutionsphase beginnt die Entwicklungsphase. Ich denke, dass eine Vielzahl an weiteren Herausforderungen auf dem Markt für Leistungselektronik ans Licht kommen wird. Als einer der weltweiten Marktführer für Leistungshalbleiter der nächsten Generation wird ROHM weiterhin durch Entwicklung von Lösungen für die Probleme der Zukunft zur frühzeitigen Realisierung einer energieeffizienten Gesellschaft beitragen.

Vielen Dank für eine faszinierende Diskussion.

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