Bereit für EcoDesign 2023/826 IoT halbiert Stromverbrauch von Smart-Home-Gateways

So können Smart-Home-Geräte die funkbasierten IoT-Protokolle Thread und Matter nutzen können, um Wi-Fi-/WLAN-Gateways je nach ihrer Datenanbindung automatisch ein- und auszuschalten. Damit werden die bevorstehenden EU-EcoDesign-Vorschriften zum Stromsparen eingehalten werden.

Die EU strebt eine Senkung des Energieverbrauchs um 11,7% im Vergleich zu den Prognosen für den erwarteten Energieverbrauch im Jahr 2030 an. Durch eine effizientere Energienutzung können die Europäer ihre Energiekosten senken, um die Umwelt zu schützen, den Klimawandel einzudämmen, die Lebensqualität zu verbessern, die Abhängigkeit der EU von externen Öl- und Gaslieferanten zu verringern und ein nachhaltiges Wirtschaftswachstum zu fördern. Um davon zu profitieren, muss die Effizienz in der gesamten Energieversorgungskette – von der Produktion bis zum Endverbrauch – verbessert werden, wobei alle Mitgliedstaaten, Branchen und der öffentliche Sektor mit einbezogen werden müssen.

Die Verordnung EcoDesign 2023/826 ist eine von vielen EU-Initiativen, mit der der Energieverbrauch in den EU-Mitgliedstaaten reduziert werden soll. Sie schreibt neue, reduzierte Grenzwerte für den Stromverbrauch im Standby- und Aus-Zustand für zahlreiche Elektronikgeräte/-systeme im privaten und beruflichen Bereich vor, die in der EU verkauft werden.

EcoDesign 2023/826 könnte jedoch dazu führen, dass Internetdienstanbieter (ISP; Internet Service Provider) und Gateway-Hersteller in eine Zwickmühle geraten. Wie können sie den Energieverbrauch stromhungriger WLAN-Home-Gateways senken? Wie lassen sich Unterbrechungen bei kritischen Smart-Home-Anwendungen wie Sicherheitskameras im Standby-Modus des Gateways vermeiden? Und wie lässt sich ein Gateway ohne Benutzereingriff aus dem Ruhezustand in Betrieb nehmen? Wie bei so vielen Problemen des modernen Lebens liegt die Lösung im Internet der Dinge (IoT).

Was die EU-EcoDesign-Richtlinie 2023/826 vorschreibt

Die Richtlinie 2023/826 über umweltgerechtes Design soll den Stromverbrauch elektronischer Geräte im Aus- und Standby-Modus begrenzen. Sie wird in zwei Phasen eingeführt. Phase 1 tritt am 9. Mai 2025 in Kraft und legt die ersten Beschränkungen fest. Phase 2, nach der alle geplanten Vorschriften in Kraft treten, beginnt zwei Jahre später und wird den Stromverbrauch weiter senken. Für verschiedene Geräte- und Ausrüstungstypen gelten unterschiedliche Grenzwerte.

Der Stromverbrauch elektronischer Geräte im Aus-Zustand wird in Phase 1 auf maximal 0,5 W begrenzt und in Phase 2 weiter auf 0,3 W gesenkt. Die Grenzwerte für den Stromverbrauch im Aus-Zustand gelten, wenn das Gerät nur eine Reaktivierungsfunktion oder eine Anzeige für eine reaktivierungsfähige Funktion bietet. Bei Geräten, die im Standby-Modus eine Informations- oder Statusanzeige bereitstellen, darf der Stromverbrauch 0,8 W nicht überschreiten.

Die Richtlinie legt außerdem spezifische Stromverbrauchsgrenzen für vernetzte Geräte im Standby-Modus auf maximal 2 W fest. Dies gilt, wenn sich das Gerät im Standby-Modus befindet und gleichzeitig mit dem Netzwerk verbunden ist.

Der Stromverbrauch von Geräten mit hoher Netzwerkverfügbarkeit (HiNA; High Network Availability), z. B. Home-Endgeräte (CPE; Customer Premises Equipment), Wi-Fi-/WLAN-Gateways und Breitband-Router, darf im vernetzten Standby-Modus in Phase 1 dann 8 W und in Phase 2 schließlich 7 W nicht überschreiten.

Gateway-Stromverbrauch durch EcoDesign verringern?

HiNA-Geräte bilden das Rückgrat eines vernetzten Zuhauses. Um sicherzustellen, dass Benutzer und Smart-Home-Anwendungen wie Sicherheitskameras, Thermostate oder Leckdetektoren bei Bedarf über eine aktive Datenverbindung zum Internet und zur Cloud verfügen, sind sie immer eingeschaltet. Diese Gateways verbrauchen die volle Leistung, auch wenn im Heimnetzwerk keine Aktivität stattfindet, z. B. nachts oder wenn die Benutzer im Urlaub sind. Moderne Gateways sind mit stromhungrigen WLAN-Funkeinheiten mit hohem Durchsatz ausgestattet, die ständig 10 bis 25 W Energie verbrauchen und somit den Energieverbrauch, die CO2-Emissionen und die Stromkosten erhöhen.

In der EU gibt es schätzungsweise 180 Mio. Breitbandanschlüsse in Privathaushalten. Nehmen wir an, dass es in jedem Haushalt einen WLAN-fähigen Breitbandrouter gibt, der durchschnittlich 15 W pro Tag verbraucht. Dies entspricht einem Gesamtenergieverbrauch von 24 TWh pro Jahr.

Da die durchschnittliche CO2-Intensität der Stromerzeugung in der EU auf 210 g CO2e/kWh (2023) geschätzt wird, würden die jährlichen CO2-Gesamtemissionen der 180 Mio. CPEs etwa 5 Mio. Tonnen betragen – das entspricht den Emissionen von 40 Mrd. km Autoverkehr (125 g CO2e/km). Die Gesamtkosten für den Stromverbrauch der Home-Gateways werden auf 6,85 Mrd. € pro Jahr geschätzt (basierend auf einem durchschnittlichen Strompreis in der EU von 0,289 €/kWh).

Wenn die EcoDesign-Verordnung 2027 vollständig in Kraft tritt, wird jedes Gateway im aktiven Betrieb weiterhin durchschnittlich 15 W verbrauchen. Nehmen wir der Einfachheit halber an, dass die Gateways 12 Stunden am Tag aktiv sind. Während der anderen 12 Stunden Inaktivität würden sie in den 7W-EcoDesign-Standby-Modus versetzt. Dies würde den jährlichen Energieverbrauch der Gateways um bis zu 27% senken, was einer Einsparung von 6,3 TWh Energie, 1,3 Mio. t CO2-Emissionen und 1,8 Mrd. € an jährlichen Stromkosten entspricht.

Herausforderungen bei EcoDesign-Gateways

Bei den meisten Smart-Home-Endgeräten und Haushaltsgeräten wie Smart-TVs, Waschmaschinen, Kaffeemaschinen und anderen ist der stromsparende Standby-Modus seit Jahrzehnten eine gängige Funktion. Daher sollte die Umsetzung der EcoDesign-Reduzierungen bei diesen Geräten unkompliziert sein. Bei WLAN-Gateways und Breitband-Routern wurde der Standby-Modus jedoch bisher kaum umgesetzt. Der Grund ist einfach: Während des Gateway-Standby-Modus gäbe es im Haushalt keine Netzwerkverbindung. Kritische Smart-Home-Anwendungen wie Sicherheitskameras, Thermostate und Leckdetektoren wären während der Standby-Zeit des Gateways getrennt und nicht betriebsbereit. Dies würde Nutzeraktivitäten, die eine Verbindung erfordern (wie das Surfen im Internet) verhindern.

Technisch gesehen lassen sich Gateways leicht in den Standby-Modus zwingen. Sie jedoch auf eine ausgeklügelte und automatisierte Weise ohne Nutzereingriff zu aktivieren – wenn z. B. ein Leckdetektor, eine Sicherheitskamera oder eine Waschmaschine eine Verbindung benötigt – stellt für ISPs und Gateway-Hersteller eine komplexe Herausforderung bei der Produktentwicklung dar.

Können Smart-Home-Geräte ein Wake-up des Gateways initiieren?

Was wäre aber, wenn die zahlreichen Smart-Home-Geräte zuhause dem Gateway eigenständig und automatisch signalisieren, in den Ruhemodus zu wechseln, sobald sie sie nicht mehr benötigt werden – und diesen wieder aktivieren, wenn sie eine Internetverbindung erfordern? Das mag wie eine technische Prognose klingen, aber neue, sich schnell entwickelnde IoT-Technologien wie Thread und Matter könnten dazu beitragen, dass dies schon sehr bald gängige Praxis wird.

Silicon Labs hat als Anbieter funkbasierter IoT-Technologie eine patentierte IoT-Lösung zur Automatisierung des Gateway-Power-Managements entwickelt. Diese senkt den Energieverbrauch, ohne die Smart-Home-Anbindung durch ein Gateway im Ruhe-/Standby-Modus zu beeinträchtigen. Im Proof-of-Concept-System können Smart-Home-Geräte dem Gateway über die IoT-Funkprotokolle Thread und Matter signalisieren, in den Sleep-Modus zu wechseln, wenn keine Anbindung benötigt wird. Umgekehrt erfolgt die Aktivierung, wenn eine Internet- oder Cloud-Anbindung erforderlich ist. Erkennt z. B. ein Bewegungssensor eine Bewegung oder der Hausbesitzer öffnet ein intelligentes Schloss (Smart Lock), können diese Geräte das Gateway nahtlos aktivieren und die vollständige Datenanbindung wiederherstellen.

Im Gegensatz zum von der EU-EcoDesign-Richtlinie vorgeschriebenen Gateway-Standby-Stromverbrauch von 7 W ermöglichen die stromsparenden IoT-Funk-MCUs von Silicon Labs wie der MG24 dem Gateway, in inaktiven Zeiten in einen Sleep-Modus mit einem Stromverbrauch von nur 0,3 W zu wechseln.

Wie wirkt sich diese drastische Reduzierung des Stromverbrauchs auf die Zahlen auf EU-Ebene aus?

Die IoT-basierte Gateway-Power-Management-Lösung könnte den jährlichen Energieverbrauch um 49%(!) senken, was einer Energieeinsparung von fast 12 TWh, einer Reduzierung der CO2-Emissionen um 2,4 Mio. t und einer Einsparung von 3,5 Mrd. € an Stromkosten bei den 180 Mio. Home-Gateways pro Jahr entspricht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die IoT-basierte Lösung den ISPs und der Gemeinschaft doppelt so viel einsparen könnte, wie die EcoDesign-Verordnung vorschreibt. Gleichzeitig bietet sie Nutzern zuhause einen reibungslosen Betrieb und sorgt dafür, dass Smart-Home-Anwendungen vernetzt und betriebsbereit bleiben.

Einsparpotenzial in Großstädten der EU – Potenzial energieeffizienter Technologien, die Betriebskosten und CO2-Emissionen in großem Maßstab zu senken.

Verbesserte Nutzerfreundlichkeit und weniger CO2-Ausstoß

Der Weg zur Einhaltung der EU-EcoDesign-Richtlinie muss für ISPs und Gateway-Hersteller nicht schwierig sein. Die von Silicon Labs entwickelte automatisierte Power-Management-Lösung für IoT-Gateways ermöglicht es ihnen, die EcoDesign-Anforderungen der EU zu erfüllen und sogar zu übertreffen – ohne dabei auf den Komfort und die Sicherheit im Smart Home verzichten zu müssen. Die Umstellung bestehender WLAN-Home-Gateways auf Multiprotokoll-IoT-Gateways beschleunigt dabei die Innovation im Bereich Smart Home und die Einführung neuer Mehrwertdienste für ISPs und Gateway-Hersteller.

Mit intelligenten, energieeffizienten Gateways genießen Smart-Home-Nutzer in Europa ein nahtloses Erlebnis, sparen gleichzeitig Geld und schützen unseren Planeten.

(mc)

* Wael Guibene ist EcoSystem Technical Lead bei Silicon Labs.

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