Die Zukunft der Energie

Die Digitalisierung von Strom

Welche Möglichkeiten gibt es, damit uns Strom zur Verfügung steht, wann und wo wir ihn benötigen?

Das rasche wirtschaftliche Wachstum in Ländern wie China und Indien führt dazu, dass wir als Planet auf dem Weg sind, unseren Energieverbrauch bis 2030 um mindestens 50 % steigern. Ein Großteil dieses massiven Wachstums wird in entfernten Gebieten erzielt, die niemals zuvor an das Stromnetz angeschlossen waren. Und gleichzeitig werden die traditionellen Quellen, auf die wir uns für die Stromerzeugung verlassen haben, immer knapper. Dies alles führt dazu, dass wir aggressiver als je zuvor nach neuen Energiequellen suchen – und neuen Möglichkeit zur Stromübertragung.

Damit hat das Rennen für die Suche nach und die Maximierung erneuerbarer Energien und für die Entwicklung innovativer Möglichkeiten zum Speichern von Strom, damit er verwendet werden kann, wenn beispielsweise die Sonne nicht scheint und kein Wind bläst begonnen. Intelligente Netze sind für dieses Ziel von grundlegender Bedeutung: Sie nutzen Software, Sensoren, elektronische Zähler und das Internet, um Informationen zu verwalten, damit Stromangebot und -nachfrage effizienter verarbeitet werden können und der Strom bereitgestellt wird, wann und wo er benötigt wird.

In dem Video, dem Artikel und der Infografik unten wird der massive Wandel untersucht, den die Energiebranche während der weltweiten Umstellung der Stromversorgung durchläuft. Der Übergang ist signifikant und wird auch uns durch das Erzeugen, Messen, Monetisieren, Speichern, Steuern, Übertragen und Verbrauchen von sowie Handeln mit elektrischer Energie beschäftigen. Welche Rolle spielen intelligente Stromnetze dabei? Wie kann die 3DEXPERIENCE Plattform Unternehmen unterstützen, die in Bezug auf die Erzeugung und Bereitstellung von Energie für effizientere Kooperationen und Innovationen umdenken?

Treten wir in das Solarzeitalter ein?

Im Jahr 2035 werden riesige Solaranlagen in den sonnendurchfluteten Tropen und Wüsten weltweit die Sonnenenergie aufnehmen, um daraus Elektrizität zu generieren und an Stromnetze abzugeben, die sie über die inzwischen zuverlässige drahtlose Stromübertragung bereitstellen. Es wird genug Energie gespeichert, dass eine nächtliche Stromerzeugung möglich ist.

Millionen von Privathaushalten und Büros können durch bezahlbare und effiziente Sonnenkollektoren und Strom erzeugende Fenster bei Tageslicht ebenfalls, nur etwas kleiner dimensioniert Strom erzeugen. Menschen fahren emissionsfreie Autos, die bereits in den 2010er Jahren durch große Autokonzerne wie Audi, BMW, Toyota und Honda hergestellt wurden, die Wasserstoff als Kraftstoff nutzen. Für ihre Herstellung wurde Solarenergie für die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff eingesetzt. Und bei Einbruch der Nacht blickt die Menschheit fasziniert nach oben zu den neuen glitzernden Objekten zwischen den Sternen – riesige, die Erde umkreisende Solaranlagen, die im ewigen Sonnenlicht des Weltraums rund um die Uhr Energie gewinnen und über Mikrowellen- oder Laserstrahlen an riesige Bodenrezeptoren auf der Erde senden.

Fantasie? Weit gefehlt! Die Idee der Solarenergie – und ihr Potenzial, zur vorherrschenden Stromquelle auf der Erde zu werden – verfügt über Wurzeln bereits aus einer Zeit vor der aufkommenden Bedrohung durch den Klimawandeln und knapper werdenden, leicht erreichbarer fossiler Brennstoffe. Die erste Solarenergiezelle wurde bereits 1883 entwickelt, während der Autor Isaac Asimov 1941 seine Kurzgeschichte „Reason“ veröffentlichte, in der eine Raumstation beschrieben wird, die mithilfe von Mikrowellenstrahlen große Mengen an Solarenergie herunterbeamte. Der US-Wissenschaftler Peter Glaser entwarf 1968 einen Plan zur Verwirklichung der Träume von Asimov, dessen Umsetzung nur durch die technologischen Beschränkungen der damaligen Zeit nicht möglich war.

Technologien für eine solarbetriebe Welt sind schon heute verfügbar und lassen Kritiker verstummen, denen zufolge die globale Solarenergie niemals das Problem der Fernübertragung von sonnigen zu weniger sonnigen Gebieten bewältigt und niemals Speicherlösungen zu Verfügung stehen würden, mit denen die Stromerzeugung auch nach Sonnenuntergang fortgesetzt werden könnte.

Zum Beispiel baut China bereits Hochspannungsleitungen, um den erzeugten Strom von den aufkeimenden Solaranlagen quer über das ganze große Land zu verteilen. Nur in den ersten drei Monaten des Jahres 2015 hat der asiatische Riese sein Stromnetz um 5 Gigawatt an Solarkapazität erweitert – dies entspricht der gesamten Solarversorgung einer großen europäischen Nation wie Frankreich.

Speicherlösungen, die bereits weltweit eingesetzt werden, haben zwei Arbeitsmethoden erfolgreich vorgeführt. Eine Methode benutzt Solarenergie, um Salzschmelzen zu erzeugen, durch deren wärmespeichernde Eigenschaft Turbinen zur Stromerzeugung die ganze Nacht über angetrieben werden können. Andere Solaranlagen benutzen demgegenüber Sonnenstrahlen, um Gas zu komprimieren, das bei Dunkelheit freigegeben wird, um diese Turbinen anzutreiben.

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Eine radikalere Antwort auf Probleme bei der Stromerzeugung, nachdem die Sonne untergegangen ist, besteht in der Suche nach einem Ort, an dem die Sonne niemals untergeht – dem Weltall. Sowohl China als auch Japan planen die Realisierung weltraumgestützter Solar Power Stations (SBSP) bis 2030, die vorherige Projekte dieser Art in den Schatten stellen. „Eine wirtschaftlich tragbare Space Power Station würde wirklich riesig sein, mit einem Gesamtbereich an Sonnenkollektoren von 5 bis 6 Quadratkilometern“, erläutert Wang Xiji von der Chinese Academy of Sciences.

Welcher Grund spricht jedoch für die Errichtung von Power Stations im Weltall? Ein wesentlicher Grund besteht darin, die wesentlich höhere Sonnenstrahlung des Weltalls zu nutzen – mehr als 60 % der Sonnenenergie gehen durch Reflexion und Absorption in der Erdatmosphäre verloren –und tun dies weiterhin rund um die Uhr. „Weltraumgestützte Solarkollektoren können zehn Mal mehr Elektrizität erzeugen als bodenbasierte Kollektoren pro Flächeneinheit“, führt Duan Baoyan, chinesischer Raumfahrtingenieur, an.

SBSP bieten große Herausforderungen, insbesondere die Sicherstellung einer extrem präzisen Übertragung, um zu verhindern, dass große Teile der Erdoberfläche durch einen extrem leistungsstarken, wandernden Lichtstrahl verbrannt werden. „Bei der Stromübertragung mithilfe von Mikrowellen besteht eine wesentliche Herausforderung darin, wie der Strom mit Zielgenauigkeit an eine Empfangsstation auf dem Boden übertragen werden kann. Das Übertragen von Mikrowellen aus einer Höhe von 36.000 km auf eine flache Fläche mit einem Durchmesser von 3 km entspricht dem Einfädeln eines Fadens “, so Yasuyuki Fukumuro der japanischen Weltraumagentur JAXA.

Das japanische Unternehmen Shimizu Corporation hat sogar noch eine verblüffendere SBSP-Alternative vorgeschlagen – einen 400 km breiten Gürtel mit Solarzellen um den 11.000 km langen Äquator des Mondes. Dieser als Luna Ring titulierte Gürtel könnte genug Energie reflektieren, um den weltweiten Energiebedarf in einem Herzschlag zu erfüllen.

Weitere Herausforderungen stellen die Systemwartung in der lebensfeindlichen Umgebung des Weltraums und der Transport von SBSP-Stationen in den Orbit dar. Eine kommerziell betreibbare Space Power Station würde wahrscheinlich über 10.000 Tonnen wiegen – heutzutage können jedoch nur wenige Raketen Nutzlasten über 100 Tonnen transportieren.

Während die Erzeugung von SBSP-Stationen eine große Herausforderung darstellt, die denen ähneln, vor denen die Menschheit bei ihren ersten Weltraumprojekten in den 1960er Jahren gestellt wurde. Viele haben sich gefragt, warum Menschen überhaupt ins Weltall fliegen müssen, und doch schwingt das technologische Fachwissen aus der Erfüllung dieser Herausforderungen noch bis in die moderne Welt nach.

Bodenkontrolle

Während SBSP-Stationen eine ausgezeichnete Grenze bilden, um mithilfe der Technologie neue Horizonte zu erschließen, liegt das wirkliche Potenzial in den Entwicklungen vor Ort. Die Wahrheit ist, dass genug Sonnenenergie auf die Erdoberfläche trifft – durch die Atmosphäre jedoch abgeschwächt – um den Energiebedarf der Menschheit um ein Vielfaches zu übertreffen. Das 2015 durch führende Energieexperten Großbritanniens veröffentlichte Globale Apollo Programm argumentierte, dass die Sonne 5.000 Mal mehr Energie auf der Erdoberfläche bereitstellt, als die Menschheit aktuell nutzt.

Darüber hinaus ist die Solarenergie über die Jahre immer günstiger geworden. Die Kosten für Solarmodule sind auf 5 % der Kosten von vor 25 Jahren gesunken, während deren Effizienz steigt. Aktuell konvertieren Silizium-basierte Solarzellen rund 20 % des auf sie fallenden Sonnenlichts in Elektrizität – das Dreifache im Vergleich zu früheren Kollektoren. Neue Kollektoren, die auf Verbundstoffen wie Galliumarsenid basieren (ein besserer elektrischer Leiter als Silizium) versprechen weitere Verbesserungen. Dies gilt unabhängig von der Tatsache, dass Solarkollektoren aufgrund verschiedener Faktoren wie Energieverluste durch Reflexion und die Leitfähigkeit von Materialien (Shockley-Queisser-Limit) inhärente physikalische Beschränkungen der ultimativen Effizienz aufweisen.

Wie kommt es also, dass derzeit nur 1 % des weltweiten Elektrizitätsbedarfs durch Solarenergie bereitgestellt wird? Die wichtigste Beschränkung besteht nicht durch technologische Grenzen sondern die politische Trägheit, die in erster Linie durch persönlichen Interessen der riesigen Unternehmen für fossile Brennstoffe gesteuert werden und durch fehlende sachgerechte Investitionen, wie in großen Berichten wie dem Globalen Apollo Programm und dem MIT-Bericht „The Future of Solar Energy“ von 2015 angeführt. Sie zeigen, wie umfangreiche globale Subventionen die wahren Kosten der Erzeugung fossiler Brennstoffe verschleiern und gleichzeitig auch die Kosten für durch sie verursachte Gesundheits- und Umweltschäden nicht berücksichtigt werden.

Ein weiterer Grund wird gemäß Stéphane Declée, Vizepräsident der Branche für Energie und Prozesstechnik bei Dassault Systèmes, einem globalen Softwareunternehmen, auf die „Diskrepanz zwischen Gesetzgebern, Bestimmungen und technologischen Playern“ reduziert.

„Unsere Kunden müssen sich an die sich ändernden Regularien und Anforderungen anpassen. Durch den Einsatz unserer 3DEXPERIENCE Plattform können Solarenergie-Player die Funktionsfähigkeit und Sicherheit ihrer Lösungen vielen unterschiedlichen Stakeholdern demonstrieren, von Regulierern zu Kapitalgebern, von lokalen Gemeinschaften zu Medien.“

Eine weitere Herausforderung, so Declée, besteht darin, dass „mit einem wachsenden Anteil an nicht ständig verfügbaren erneuerbaren Energiequellen wie Solarenergie die Stromerzeugung nicht immer zu den Zeiten mit der höchsten Nachfrage durch Kunden stattfindet.“ Die Lösung besteht laut Declée darin, Systeme zu entwickeln, die die Nachfrage auf präzisere Weise steuern. Ein Beispiel hierfür sind intelligente Stromnetze, die die nicht ständig verfügbare Versorgung mit einer flexibleren Nachfrage besser ausgleichen können, indem beispielsweise ein Teil der erneuerbaren Energie zur späteren Verwendung gespeichert wird.

Lebendige Beispiele

Neben Projekten, die von Ländern wie China und Japan ausgeführt werden, laufen in vielen Ländern innovative Programme, mit denen noch effizientere und kosteneffektivere Möglichkeiten zur Erzeugung und Speicherung von Energie ermittelt werden sollen. Das riesige Kraftwerk Solana in Arizona stellt ein ausgezeichnetes Beispiel für das Potenzial eines Solarwärmekraftwerks (CSP, Concentrated Solar Power) zum Voranbringen einer solaren Zukunft dar. Die 3.000 riesigen Spiegel fokussieren die Wüstenstrahlen, um überhitzten Wasserdampf zu erzeugen, der riesige Turbinen antreibt und dadurch genug Strom zur Versorgung von 70.000 Haushalten erzeugt. Darüber hinaus verfügt Solana über riesige Tanks, die mit Salzschmelze gefüllt sind, in der genug Wärme während des Tages gespeichert werden kann, dass die Turbinen noch 6 Stunden nach dem Sonnenuntergang mit voller Kapazität laufen. Kein Wunder also, dass sich die Anzahl an CSP-Kraftwerken bis 2018 verdoppelt haben soll.

Technologiesprünge in kleineren Maßstäben glätten ebenfalls den Weg für eine solarbetriebene Zukunft. Neue transparente polymere Solarzellen (PSC, Polymer Solar Cell) untermauern „Solarfenster“, die Elektrizität zu produzieren, indem Infrarotlicht absorbiert und sichtbares Licht durchgelassen wird. „Unsere PSCs sind leicht und flexibel und können Elektrizität in großen Mengen und zu niedrigen Kosten produzieren“, erläutert Yang Yang, der Leiter des UCLA-Teams, das sie entwickelt hat. „Das Solarfenster ist eine bahnbrechende Idee.“

Auch das Transportwesen unterliegt dem Wandel. 2015 wurde Weltumrundung durch ein durch Sonnenenergie angetriebenes Solar Impulse-Ultraleichtflugzeug gestartet, während es in der etablierteren Luftfahrt wahrscheinlicher ist, dass mithilfe der Sonne Wasserstoff für den Kraftstoff erzeugt wird. Elektrische Autos, die mit solar erzeugtem Wasserstoff angetrieben werden, fahren bereits auf den Straßen und erzielen beeindruckende Ergebnisse. Eicke Weber, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme fährt ein solches Auto, das 300 km fahren kann und dafür nur 5 Minuten an einer solar betriebenen Wasserstoff-Tankstelle aufgeladen werden muss.

Die bestehende Technologie hat bereits die Möglichkeiten für eine solare Zukunft mit weltraumgestützten Stationen eröffnet, um unseren besten Ingenieure herauszufordern, die Grenzen des technisch Machbaren zu den Sternen zu verlagern. Wir benötigen dazu lediglich einen Gangwechsel bei den politischen und wirtschaftlichen Prioritäten, damit die Sonne hell auf diese mögliche Energierevolution scheint.

Und mit Unternehmen wie Dassault Systèmes, die Unterstützung beim Erfassen der Zusammenhänge leisten und eine klarere und gemeinsame Vision dessen vermitteln, was die Zukunft bringen kann, kann der Traum einer solarbetriebenen Zukunft möglicherweise schon bald Wirklichkeit werden.

Video, Infografik und Artikel, die durch das BBC Advertising Commercial Production-Team in Zusammenarbeit mit Dassault Systèmes erstellt worden waren, wurden zunächst als Werbebeitrag auf bbc.com veröffentlicht.