Sparen im ganz Großen und ganz Kleinen

Stuttgart/Reutlingen – Gleiche Leistung bei weniger Energieeinsatz: In der Steigerung der Energieeffizienz sieht der Weltklimarat eine der Möglichkeiten, den Temperaturanstieg der Atmosphäre zu begrenzen. Diesen Anspruch verfolgen Forscher und Ingenieure sowohl bei den größten als auch bei den kleinsten Produkten von Bosch – tonnenschweren Industriekesseln und winzigen Halbleitersensoren:

Riesen-Industriekessel
Dampfkessel sind die größten und schwersten Produkte von Bosch im Bereich der Energieversorgung. Sie sind mehr als zwölf Meter lang und kommen im Betrieb auf ein Gewicht von mehr als 130 Tonnen. Pro Stunde können sie rund 55 Tonnen Dampf liefern, etwa für die Valenzi GmbH & Co. KG, die im niedersächsischen Suderburg jährlich etwa 4 000 Tonnen Pilze, 2 000 Tonnen Früchte und 700 Tonnen Suppeneinlagen verarbeitet und produziert. Dabei helfen zwei effiziente Dampfkessel von Bosch:

• Sie liefern jeweils fünf Tonnen Dampf pro Stunde. Das Kesselspeisewasser wird zunächst in die integrierten Abgaswärmetauscher eingeleitet und mit heißem Rauchgas vorgewärmt. Der Kesselwirkungsgrad steigt so um etwa fünf Prozent – der Brennstoffverbrauch sinkt im gleichen Verhältnis.
• Die elektronische Verbundregelung der Erdgas-Brenner sorgt für die optimale Dosierung von Brennstoff und Verbrennungsluft. Im Vergleich zur mechanischen Regelung bei den alten Feuerungen wird eine präzisere Einstellung erzielt – der Brennstoffverbrauch verringert sich weiter. Die Feuerungsleistung wird stufenlos an den tatsächlichen Dampfbedarf angepasst und kann bis auf circa 17 Prozent der Nennleistung gedrosselt werden. Die Häufigkeit von Brennerschaltungen nimmt damit stark ab. Energieverluste durch das Vorlüften der Rauchgaswege werden vermindert.
• Die Motorendrehzahl der Gebläse wird in Abhängigkeit von der Brennerleistung geregelt. Dies führt im Teillast-Bereich zu einer wesentlich geringeren elektrischen Leistungsaufnahme.
• Die Kessel sind mit Warmhalteeinrichtungen ausgerüstet: Dafür ist im Kesselboden eine Heizschlange eingebaut. Damit kann der im Betrieb befindliche Kessel den zweiten bei gesenktem Druck warmhalten. Das spart Energie, vermeidet Korrosion und stellt die schnelle Verfügbarkeit sicher.
• Die Lebenserwartung einer Kesselanlage beträgt zwischen 20 und 40 Jahre. Typische Effizienzgewinne bei Tausch oder Modernisierung von Altanlagen betragen je nach Ausgangslage zwischen zehn und 30 Prozent. Bei heutigen Brennstoffkosten amortisieren sich selbst große Anlagen schnell.
• Valenzi erwartet durch die Investition in die neue Anlage eine Energiekosteneinsparung von rund 40 000 Euro im Jahr. Die CO₂-Emissionen werden um circa 300 Tonnen pro Jahr verringert.

Winzige Halbleitersensoren
Halbleitersensoren sind die kleinsten Produkte von Bosch. Diese MEMS-Sensoren (Mikro-Elektro-Mechanische-Systeme) sind die „Sinnesorgane“ von Handys und anderer Elektronik. Dafür schaffen Ingenieure feinste Strukturen aus Silizium, die sich bei der Bewegung des wenige Millimeter kleinen Sensorgehäuses um Bruchteile eines Tausendstelmillimeters verschieben. Die feinsten gemessenen Bewegungen sind sogar kleiner als die Hälfte eines Atomdurchmessers. Bei diesen winzigen Bewegungen ändern sich die elektrischen Eigenschaften. Diese werden letztlich in einen Datenstrom übersetzt, dank dessen ein Handy „weiß“, in welcher Lage es sich befindet. Daraufhin dreht es das Bild in die korrekte Position. Die Dimensionen, mit denen Bosch dabei arbeitet, sind winzig: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von 70 Tausendstelmillimeter (70 Mikrometer). Manche Komponenten in den Sensoren messen nur noch einen Mikrometer – 70 Mal weniger als der Durchmesser eines Haares.

Auf diese Weise hat die Bosch-Tochter Bosch Sensortec (BST) auch die weltweit kleinste und stromsparendste Sensoreinheit namens BMI160 gebaut. In dem mit 2,5 × 3,0 × 0,8 Millimeter winzigen Gehäuse finden sich unter anderem ein Beschleunigungs- und ein Drehratensensor (Gyroskop). Der Sensor misst zum Beispiel die Raumlage von Handys mit großer Genauigkeit. Weitere Anwendungen sind Tablets, Wearables, Fernsteuerungen, Spielesteuerungen, Head-Mounted Displays oder Smart Glasses. Das Problem: Bisherige Sensoren verlangen mobilen Geräten zu viel Strom ab. Wenn sich der Beschleunigungssensor und das Gyroskop des BMI160 in vollem Betriebsmodus befinden, beträgt der typische Stromverbrauch hingegen nur noch 950 Mikroampere – das ist weniger als die Hälfte des Marktstandards und bedeutet Weltrekord.

„Daher kann unser Chip nun den ganzen Tag im Handy laufen. Er muss zwischendurch nicht mehr abgestellt werden, um den Akku des Smartphones zu schonen“, sagt Torsten Ohms, der für diese Chipentwicklung bei Bosch Sensortec verantwortlich ist. Eine der Anwendungen: Das Handy erfasst mit den Sensoren alle Aktivitäten des Nutzers und teilt ihm am Ende des Tages mit, wie viel Energie er auf seinen Wegen zur Arbeit, im Büro, treppauf und treppab verbraucht hat. „Wer abnehmen möchte, kann zum Beispiel sein Abendessen nach dem Kalorienverbrauch des Tages auswählen“, sagt Ohms.

Um Energie zu sparen, haben er und seine Kollegen unter anderem die Silizium-Strukturen des Chips noch weiter verfeinert. Damit wird die Bewegung noch effizienter als zuvor in einen elektrischen Strom umgesetzt. Daher reicht weniger Energie, um die schwachen elektrischen Signale zu verstärken. Weiterhin kann der Sensor seine Daten selbst zwischenspeichern, statt diese ständig an den besonders energiehungrigen Hauptprozessor des Handys zu übertragen. „Zudem legen wir einige Teile des BMI160 lahm, wenn sie nicht gebraucht werden. Bleibt das Handy für zwei Stunden ruhig auf dem Tisch liegen, muss der Sensor auch keine Drehrate bestimmen. Daher bleibt das Gyroskop ausgeschaltet. Erst wenn der Beschleunigungssensor eine Bewegung detektiert, springt es wieder an“, erklärt Ohms.

Internet:
Details zu Kesseln bei Valenzi:
http://bit.ly/1tVQ1JE
Details zum Sensor BMI160:
http://bit.ly/1l9lGCj

Leserkontakt (Sensoren):
Tina Horstmann,
Telefon: +49 7121 35-35924