Energy Efficiency of Power Supplies

Energieeffizienz von Netzgeräten

Time Frame
2001-2002

Funding
Swiss Federal Office of Energy, Canton of Geneva (DIAE / ScanE)

Abstract
The energy efficiency of power supplies varies strongly with the operating point. Power supplies for PCs are typically operated at 20% of their nominal power leading to efficiencies of the order of 65%. Additional energy losses occur in DC/DC-transformations outside the power supply unit, which are needed to deliver the 1.5 V DC power needed by modern processors. Thus, the overall efficiency of the power supply chain in ICT-equipment is of the order of 50%.

1 English Summary

The efficiency of computer power supplies operated at least at 20% of their nominal power lies between 60% and 80%. At lower operating points the efficiency is decreasing rapidly. For PCs in actual use ("On-mode - but low processor activity") we measured operating points of the power supplies between 14% and 25% and a mean efficiency of the power supply units of 66%.

The voltage level of modern processors is as low as 1.5 V and will even decrease in the near future. The DC-output levels of a power supply unit lie usually between 12 V and 3.3 V and a secondary (or even third) power-transformation is needed at the electronic component itself in order to reach the 1.5 V level. The resulting overall efficiency of the power supply systems is therefore of the order of 50%.

The most important technical measures to increase the energy efficiency of the power supply system for ICT equipment are:

using power supply units with an adequate nominal power in order to reach operating points of 50% or more;
setting-up a separate power supply system from 230 V AC to 1.5 V DC for low power modes of the ICT equipments.

The technical saving potential of these two measures is for PCs of the order of 30% of today's electricity consumption.
At the policy level we recommend to pursue two strategies:
introduction of an energy declaration for power supplies;
reinforcement of the requirements of maximal power loads for ICT-equipments in low-power modes and elaboration of similar requirements for the power loads in the on-mode.

2 Project Description

Es ist allgemein bekannt, dass die Energieverluste der Stromversorgungsgeräte (Netzgerät, Power Supply Unit) für Geräte der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) einen bedeutenden Anteil an den Gesamtverlusten dieser Geräte haben. Im Auftrag des Bundesamtes für Energie und mit finanzieller Unterstützung des Kantons Genf wird dieser Frage nachgegangen und insbesondere die Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Auslastung des Netzgerätes untersucht und die Auslastung für typische Anwendungen bestimmt. Mögliche Massnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz werden vorgestellt und Empfehlungen zuhanden des Auftraggebers formuliert.

3 Results

Die Netzgeräte produzieren verschiedene Spannungsniveaus, die typischerweise zwischen 3.3 bis 12 V liegen. Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von 230 V Wechselspannung auf 12 V Gleichspannung beträgt bei einer Belastung von mehr als 20 Prozent der Nennleistung des Netzgerätes zwischen 70 und 80 Prozent. Unter dieser Belastung sinkt der Wirkungsgrad rasch ab. In der Mehrzahl der ausgemessenen Geräte ist der Wirkungsgrad des Ausgangs auf dem Spannungsniveau 5 V vergleichbar mit den 12 V. Falls der Ausgang auf dem tieferen Spannungsniveau mittels Abwärtswandler aus der 12 V oder 5 V Spannung abgeleitet ist, was für alle untersuchten 3.3 V Ausgänge (und teilweise auch für die 5 V Ausgänge) der Fall ist, sinkt der Wirkungsgrad um etwa 10 Prozent.

In der Praxis (Arbeitspunkt "ruhender Bildschirm") liegt die Auslastung des Netzgerätes bei fünf gemessenen PC zwischen 14% und 25%. Mit dieser tiefen Auslastung liegen sie im stark abfallenden Bereich der Wirkungsgradkurve. Der Wirkungsgrad ist entsprechend tief und liegt im Durchschnitt bei 66%. Das benötigte Spannungsniveau auf der Ebene der Prozessoren beträgt heute nur noch 1.5 V und wird in Zukunft noch weiter sinken. Dazu wird die im Netzgerät produzierte Spannung unmittelbar beim Endverbraucher nochmals auf ein tieferes Niveau transferiert. In der ganzen Kette von 230 V Wechselspannung bis hinunter auf 1.5 V Gleichspannung resultiert damit ein Gesamtwirkungsgrad von etwa 50%.

Die wichtigste Massnahme zur Erhöhung der Energieeffizienz ist die Verwendung eines Netzgerätes, das dem Leistungsbedarf des Endgerätes angepasst ist. Das Ziel sollte eine Auslastung von 50% und mehr sein, wo der Wirkungsgrad des Netzgerätes maximal ist. Würden beispielsweise alle PCs in der Schweiz so betrieben, könnte gemäss einer ersten einfachen Schätzung eine Stromeinsparung von rund 55 GWh/Jahr (16% des Stromverbrauchs der PCs) erzielt werden.

Im Bereitschafts- oder Standby-Zustand benötigen heute viele Geräte der Informations- und Kommunikationstechniken nur noch wenige Watt bis sogar einige Milliwatt an elektrischer Leistung, was wenigen Prozent - oder sogar deutlich darunter - der Nennleistung des Netzgerätes entspricht. Für diese kleinen Leistungen sollte die Stromversorgung von der Steckdose bis hinunter auf die Niedergleichspannung getrennt und energieoptimiert ausgeführt sein. Damit könnten die Energieverluste des Netzgeräts im Bereitschafts-, Standby- oder Aus-Zustand des Endgerätes drastisch reduziert werden und der Leistungsbezug eines PC im Aus-Zustand z.B. von 4 Watt auf 1 Watt reduziert werden. Würden in der Schweiz alle PCs im sogenannten Aus-Zustand statt 4 nur noch 1 Watt benötigen, könnte gemäss einer ersten einfachen Schätzung eine Stromeinsparung von rund 62 GWh/Jahr (18% des Stromverbrauchs der PCs) erzielt werden. Falls beide Massnahmen umgesetzt würden, ergäbe sich eine Stromeinsparung von insgesamt 117 GWh/Jahr.

Zuhanden des Auftraggebers empfehlen wir:

das Forschungsthema von den Netzgeräten auf die Stromversorgung der Komponenten, der Geräte und der Gerätesysteme auszudehnen,
die Erkenntnisse dieser Studie in die Ausbildung der Informatik-Lehrlinge einzubringen,
im internationalen Rahmen eine Initiative für eine Energiedeklaration der Netzgeräte zu starten,
im Rahmen der Arbeiten zur Aktualisierung und Weiterentwicklung der Energielabels zwei Richtungen zu verfolgen:

1. die Verschärfung der Anforderungen an den Leistungsbezug der IKT-Geräte im Bereitschafts-/Standby-/Auszustand, und
2. die Ausarbeitung von Anforderungen für den Leistungsbezug im On-Zustand.

Diese Ergebnisse sind in die laufenden Arbeiten der California Energy Commission zur Erarbeitung einer Energiedeklaration für interne PC Power Supplies eingeflossen.

4 Publications

Bernard Aebischer und Alois Huser. Energy efficiency of computer power supplies. Proceedings of the 3rd International Conference on Energy Efficiency in Domestic Appliances and Lighting (EEDAL '03), 1-3 October 2003, Torino/Italy [pdf, 58 kB].

Aebischer B., Huser A., 2003, Energy Efficiency of Computer Power Supplies. Swiss Federal Office of Energy, Berne (Final Report, in English)

Aebischer B., Huser A., 2002, Energieeffizienz von Computer Netzgeräten. Bundesamt für Energie, Bern, Dezember 2002. (Final Report, in German with English summary)

5 Presentations

Aebischer B. (2004). Energy efficiency of power supplies in ICT-equipment, invited presentation, at the EU-expert-meeting "Code of Conduct on Efficiency of External Power Supplies", Ispra, November 10

Aebischer B. and Huser A. (2002). Energy efficiency of power supplies (PS) in ICT-equipment. Conference on Energy Efficiency in Domestic Appliances (EEDAL '03), 1-3 October 2003, Torino/Italy, Presentation in English [pdf, 703 kB]