Windkraft ist eine der am schnellsten wachsenden Quellen für nachhaltige Energie. Die weltweit installierte Windenergiekapazität an Land und auf See ist in den letzten zwei Jahrzehnten fast um das 75fache gestiegen. Von 7,5 Gigawatt im Jahr 1997 auf rund 564 Gigawatt im Jahr 2018, so die Daten der International Renewable Energy Agency (IRENA). Christian Mildenberger, Geschäftsführer des Landesverband Erneuerbare Energien NRW: „In den vergangenen 20 Jahren hat die Technologie große Sprünge gemacht.“ Im Jahr 1985 hatten typische Anlagen eine Nennleistung von 0,05 Megawatt und einen Rotordurchmesser von 15 Metern. Die heutige Anlagen haben Turbinenkapazitäten von etwa zwei Megawatt onshore. Offshore-Anlagen haben sogar drei bis fünf Megawatt. In Planung sind bereits neue Anlagenklassen mit über sieben Megawatt Leistung, die in drei bis fünf Jahren verfügbar sein werden.

Windkraft richtig nutzen

Um einen größtmöglichen Energieertrag zu erzielen, müssen Anlagen so gesteuert werden, dass sie sich wechselnden Windbedingungen anpassen können. Dazu verarbeiten Steuerungen eine Vielzahl an Daten, die die unterschiedlichsten Sensoren liefern. Zum Beispiel erfassen absolute Drehgeber die Anstellwinkel der Rotorblätter, inkrementelle Drehgeber die Rotordrehzahl.

Damit die Einstellungen frühzeitig vorgenommen werden können, kann mittels LiDAR (Light detection and ranging) die Windgeschwindigkeit und -richtung gemessen werden. LiDAR-Geräte senden dazu Laserstrahlen aus, die von Partikeln reflektiert werden, die sich im Wind mitbewegen. So weiß die Anlage, welche Belastungen durch den Wind sehr kurzfristig, das heißt in den folgenden Sekunden, auf sie zukommen werden.

Strom effizienter umrichten

Ein anderer wichtiger Baustein, um die Effizienz der Anlage zu erhöhen, ist der Umrichter. Heute werden die meisten Windkraftanlagen mit variabler Rotordrehzahl betrieben. Entsprechend liefert auch der Generator Strom mit variablen Frequenzen und Spannungen. Die Leistungselektronik in den Umrichtern steuert und regelt den erzeugten Strom so, dass er immer mit der richtigen Netzfrequenz und -qualität in das öffentliche Netz eingespeist werden kann. Künftige Technologien versprechen eine Verdoppelung der Leistungsdichte im Halbleitermodul, was entscheidende Volumenreduzierungen des Umrichters zulässt. Zudem bietet Leistungselektronik auf Basis von Siliziumcarbid (SiC) deutliche Verbesserungen: SiC-MOSFETs erreichen höhere Schaltfrequenzen, was wiederum den Einsatz kleinerer Filterkomponenten ermöglicht. Gleichzeitig können Schaltverluste reduziert, höhere Leistungsdichten erreicht und in der Summe der Systemwirkungsgrad erhöht werden.

Mit KI Stillstände vermeiden

Elektronik spielt eine entscheidende Rolle, um Windkraftanlagen lange und wirtschaftlich nutzbar zu halten. Durch die immer stärkere Vernetzung und Digitalisierung ist eine Überwachung der Betriebsparameter in Echtzeit möglich. Dabei kommt zunehmend Künstliche Intelligenz (KI) zum -Einsatz. Relevante Parameter und Messdaten innerhalb eines ganzen Windparks werden erfasst und aufbereitet, um den aktuellen Betriebs- und Wartungszustand der Anlagen zu rekonstruieren. Dazu lernt die KI bestimmte Schwingungen oder die Erwärmung von Bauteilen als Symptom von Schäden zu erkennen. Diese Informationen lassen darauf schließen, ob bestimmte -Komponenten bald ausfallen werden, um sie auszutauschen, bevor eine Windenergieanlage ausfällt. -Außerdem lässt sich die Betriebsführung der Einzelanlagen aufeinander abstimmen. Dadurch gelingt es, dass sich hintereinanderstehende Anlagen so zum Wind ausrichten, um die Windenergie optimal zu nutzen.

Innovative Konzepte mit Windkraft

Weltweit hat sich bei Windkraftanlagen die Bauform mit horizontaler Achse und drei Rotorblättern durchgesetzt. Doch die klassischen Rotormodelle könnten durch spannende Projekte Konkurrenz bekommen. Zum Beispiel hat das Start-up Vortex Bladeless ein Konzept entwickelt, das komplett ohne Rotorblätter und Turbinen auskommt. Die Anlagen bestehen im Prinzip aus einer Säule. Der Wind regt diese zu Schwingungen an und ein Generator wandelt diese anschließend in Strom um. Vortex Bladeless schätzt, dass der Strom aus den vertikalen Windkraftanlagen um 40 Prozent günstiger sein kann als der aus herkömmlichen Windrädern. Allerdings ist der Stromertrag deutlich geringer als bei den klassischen Windrädern.

Auf einem anderen Prinzip basieren die Flugwindkraftanlagen von SkySails Power. Ein Lenkdrache zieht während seines Aufstiegs ein Seil in gesteuerten Flugfiguren von einer Winde ab – der verbundene Generator erzeugt dabei Strom. Sobald das Zugseil seine maximale Länge erreicht hat, beginnt die Rückholphase. Der Kite stellt sich automatisch in eine Position, in der seine Zugkraft sehr gering ist, er also ohne viel Widerstand eingeholt werden kann. Der Generator arbeitet jetzt als Motor und wickelt das Seil auf. „Die Systeme arbeiten sehr leise, fallen in der Landschaft praktisch nicht auf und werfen kaum Schatten“, sagt Stephan Wrage, CEO von SkySails Power. Diese Vorteile können nach seinen Worten dazu beitragen, die Akzeptanz für Windenergie weiter zu erhöhen. Wrage: „Damit ist die SkySails-Technologie eine faszinierende Variante der erneuerbaren Stromerzeugung mit Windkraft.“

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Wasserstoff ist ein Energieträger mit enormem Potenzial. Das Gas besitzt viel Energie, verbrennt sauber, ist gut transportierbar und lässt sich über lange Zeit zuverlässig lagern. Damit kann Wasserstoff einen großen Teil zur angestrebten Treibhausgasneutralität bis 2050 leisten. „Sauberer Wasserstoff spielt eine Schlüsselrolle im Rennen um die Dekarbonisierung zahlreicher Sektoren unserer Wirtschaft“, unterstreicht so auch Thierry Breton, EU-Kommissar für den Binnenmarkt. „Als zentrales Element des europäischen Green Deals wird erneuerbarer und kohlenstoffarmer Wasserstoff nicht nur zur grünen Energiewende beitragen, sondern auch bedeutende Business-Chancen für EU-Unternehmen bieten.“

Nachhaltig produziert

Wasserstoff kommt auf der Erde praktisch nur in chemisch gebundener Form vor, zum Beispiel in Wasser, Methan oder Biomasse. Um ihn als Energieträger zu nutzen, muss man den Wasserstoff zunächst aus diesen Verbindungen herauslösen. Dies geschieht mittels Energie in Form von Strom oder Hochtemperaturwärme. Weltweit forscht man, „grünen“, also nachhaltig erzeugten Wasserstoff in großindustriellem Maßstab und damit entsprechend günstig zu produzieren. Dabei stehen vor allem zwei Methoden im Fokus: die Elektrolyse und solarthermische Verfahren.

Bei der Elektrolyse wird Wasser mit Hilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Diese Technik ist bereits weit entwickelt: In Deutschland zum Beispiel gibt es heute schon eine installierte und mit erneuerbarem Strom gespeiste Elektrolyseleistung von insgesamt 30 Megawatt. Allerdings lässt die Effizienz der Elektrolyse derzeit noch Raum für Weiterentwicklungen, denn aktuell führen – vereinfacht gesagt – 100 Watt Strom zu rund 20 Watt Wasserstoff. Zielsetzung ist, diesen Wirkungsgrad auf 75 Prozent zu erhöhen.

Solarthermisches Verfahren

Bei den solarthermischen Verfahren erfolgt die Wasserstoffherstellung direkt mit der Wärmeenergie der Sonne durch eine thermochemische Redox-Reaktion. Dabei wird das Licht der Sonne durch eine Vielzahl von Spiegeln auf einen Brennpunkt konzentriert. Dort entstehen Temperaturen um die 1.500 Grad Celsius. In der Theorie hat dieses Verfahren einen energetischen Wirkungsgrad von 30 bis 50 Prozent – in der Praxis liegt die Ausbeute der solarthermischen Wasserstoffgewinnung laut dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt derzeit allerdings erst bei rund vier Prozent. Verbesserungspotenzial liegt hier vor allem in Reaktormaterialien, die die nötigen Redox-Prozesse bei niedrigeren Temperaturen ermöglichen.

Eine weitere Möglichkeit der Wasserstoffherstellung ist die photoelektrochemische Wasserspaltung. Hierbei wandeln Solarmodule die Sonnenenergie direkt in chemische Energie um, indem sie Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten. Die Wirkungsgrade liegen dabei heute bei rund acht Prozent. Für den wirtschaftlichen Betrieb ist es notwendig, Kosteneffizienz und Wirkungsgrad der solaren Wasserstofferzeugung noch weiter zu verbessern. Das Jülicher Forschungszentrum entwickelte dazu zum Beispiel eine Silizium-Mehrfachstapelsolarzelle, die auf der Dünnschicht-Technologie beruht. Sie kommt mit deutlich weniger Material als die herkömmliche Wafer-Technologie aus und lässt sich damit kostengünstiger herstellen.

Leichter Transport

Grundsätzlich gilt jedoch. Um Wasserstoff in großem Maßstab kostengünstig zu produzieren, ist es notwendig die Anlagen dort aufzubauen, wo nachhaltige Energie günstig ist. Forscher der Fraunhofer-Institute ISI und ISE gehen in einer Wasserstoff-Roadmap für Deutschland davon aus, dass das Regionen sind, in denen die Stromgestehungskosten durch Photovoltaik- und Windkraftanlagen bei unter drei Eurocent pro Kilowattstunde liegen und die Volllaststunden (Vlh) bei solchen Anlagenparks mindestens 4.000 Vlh pro Jahr betragen.

Das bedeutet, dass man den Wasserstoff transportieren muss. Es ist möglich ihn direkt in flüssiger Form, analog zu flüssigem Erdgas zu transportieren, aber auch in chemisch gebundener Form als Ammoniak, Methanol oder LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carriers).

Gerade die LOHC-Technologie ermöglicht es, Wasserstoff sicher und effizient zu transportieren und zu speichern. Dabei bindet man gasförmigen Wasserstoff an eine ungefährliche Trägerflüssigkeit. Schon ein einziger Liter der Trägerflüssigkeit bindet über 650 Liter Wasserstoff. Von ihrer Handhabung und den physikalischen Eigenschaften her ist die ölige Substanz üblichen Kraftstoffen recht ähnlich und lässt sich mit Tanklastern und Zügen einfach und gefahrlos transportieren, denn LOHC ist nicht als Gefahrenstoff eingestuft. Zudem ist es möglich, sobald der Wasserstoff abgespalten ist, sie wiederzuverwenden und somit ein Kreislaufsystem zu ermöglichen.

Technologien existieren

„Aus unserer Sicht existiert die Technologiebasis der gesamten Wertschöpfungskette“, sagt Prof. Dr. Christopher Hebling, Bereichsleiter Wasserstofftechnologien am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. „Jetzt kommt es darauf an, die Weichen so zu stellen, dass das Scale-up für die Realisierung der weiteren Kostenreduktion und das Sammeln von Betriebserfahrungen gelingt.“ Noch in den 2030er Jahren soll grüner Wasserstoff zu wettbewerbsfähigen Preisen produziert werden können. Laut dem Hydrogen Council, einer internationalen Initiative verschiedener Unternehmen, werden die Kosten bis 2030 um bis zu 50 Prozent fallen. „2020 markiert den Beginn einer neuen Ära für Energie: Wenn das Potenzial von Wasserstoff als Teil unseres globalen Energiesystems Realität wird, können wir weniger Emissionen und eine verbesserte Sicherheit und Flexibilität erwarten“, so Benoît Potier, Chairman und CEO von Air Liquide und Co-Vorsitzender des Hydrogen Council. „Damit wird das Jahrzehnt des Wasserstoffs eingeläutet.“

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Streamen, chatten, posten – all das frisst Energie. Jeder Klick verursacht CO₂-Emissionen. „Digitalisierung heißt mehr Daten, mehr Rechenkapazität, mehr Rechenzentren“, so E.ON-Vorstandsmitglied Karsten Wildberger. „Jedes Rechenzentrum verbraucht riesige Mengen an Strom. In 2030 benötigen wir bis zu 13 Prozent des weltweiten Strombedarfs von Rechenzentren.“ Alleine der Technologiesprung zum Mobilfunkstandard 5G wird den Energiebedarf von Rechenzentren drastisch ansteigen lassen. Zu diesem Ergebnis kommt eine von E.ON bei der Universität RWTH Aachen beauftragte Studie. Danach kann 5G den ohnehin stark wachsenden Strombedarf in deutschen Rechenzentren um nahezu 3,8 Terawattstunden bis zum Jahr 2025 zusätzlich erhöhen. Das wäre genug, um alle 2,5 Millionen Menschen der Städte Köln, Düsseldorf und Dortmund ein Jahr lang mit Strom zu versorgen.

Energiebedarf pro Gigabit sinkt

Doch es gibt auch positive Meldungen aus der Branche: Obwohl sich der Bedarf an Rechenleistung durch die anhaltende Digitalisierung in den vergangenen zehn Jahren verzehnfacht hat, ist der Energiebedarf pro Gigabit in Rechenzentren im Vergleich zum Jahr 2010 um den Faktor zwölf niedriger. Gleichzeitig sinken europaweit die CO₂-Emissionen von Rechenzentren. Bis 2030 ist mit einer Absenkung der CO₂-Emissionen um 30 Prozent zu rechnen. Zu diesen Erkenntnissen kommt eine aktuelle Studie des Borderstep Instituts. Immer mehr Rechenzentren greifen auf Strom aus erneuerbaren Quellen zurück. Zum anderen hat sich aber auch die Energieeffizienz der Rechenzentren deutlich verbessert.

Potenziale für mehr Energieeffizienz

Sie lässt sich an der sogenannten Power Usage Effectiveness (PUE) ablesen. Dabei wird die insgesamt im Rechenzentrum verbrauchte Energie ins Verhältnis gesetzt mit der Energieaufnahme der Rechner. Der theoretisch angestrebte Wert liegt bei 1. Wird beispielsweise für die Infrastruktur des Rechenzentrums ebenso viel Energie benötigt wie für die IT-Komponenten, liegt der PUE-Wert bei 2. Der typische Durchschnitt von Rechenzentren liegt heute bei 1,67 und bietet noch deutliches Verbesserungspotenzial.

Das größte Potenzial weisen vor allem Technologien im Bereich der Kühlung und Klimatisierung von Rechenzentren auf. Insbesondere die Nutzung der Abwärme kann die Energieeffizienz erheblich steigern. Ein Beispiel hierfür ist das Micro-Datacenter im Eurotheum, einem 110 Meter hohen Hochhaus in Frankfurt am Main. Ein wasserbasiertes Direktkühlsystem hilft dort rund 70 Prozent der eigenen Abwärme zu nutzen, um ansässige Büro- und Konferenzräume sowie die Hotels und Gastronomie vor Ort zu beheizen. Mit der Abwärme aller Rechenzentren in Frankfurt am Main könnte rechnerisch sogar bis zum Jahr 2030 der gesamte Wärmebedarf von Privathaushalten und Bürogebäuden der Stadt gedeckt werden.

Effizientere Chipsätze

Auch die Server in den Rechenzentren selbst bieten ein großes Potenzial für mehr Energieeffizienz – sie verbrauchen rund die Hälfte des Stroms. Chiphersteller entwickeln dazu immer energieeffizientere Chipsätze (Central Processing Unit, CPU) und die Multi-Core-Technologie oder der Einsatz von Grafikprozessoren (Graphics Processing Unit, GPU) ermöglichen die Verarbeitung höherer Lasten mit weniger Strom. Die meisten CPUs verfügen zudem über Power-Management-Funktionen, die den Stromverbrauch optimieren, indem sie je nach Auslastung dynamisch zwischen verschiedenen Leistungszuständen hin und her schalten.

Sparsame Netzteile

Das Netzteil, das den ankommenden Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, macht etwa 25 Prozent des Stromverbrauchs eines Servers aus und steht damit nach der CPU an zweiter Stelle. Hier bieten Wide-Bandgap-Halbleiter in der Leistungselektronik eine erhebliche Verbesserung der Effizienz. Galliumnitrid (GaN) hilft das Gewicht, die Baugröße, die Kosten sowie der Energieverbrauch von Stromversorgungen deutlich zu reduzieren. Die Hochgeschwindigkeits-GaN-Schaltertechnologie ermöglicht eine um 200 Prozent höhere Leistungsdichte in Rechenzentren der nächsten Generation – und damit auch einen deutlich geringeren Kühlbedarf.

Ein anderer Ansatz ist die Umstellung der Stromversorgung bei Rechenzentren von Wechselstrom auf Gleichstrom. Damit könnte ein Großteil der Umwandlungsschritte auf dem Weg von der Einspeisung bis hin zum Endgerät entfallen. Die Energieeffizienz ließe sich so um mehr als zehn Prozent steigern.

Bereits auf dem Weg

Tech-Giganten wie Google, Amazon, Facebook, Apple und Microsoft sind bereits dabei, Rechenprozesse zu rationalisieren. Sie steigen auf erneuerbare Energien um und suchen nach effizienteren Wegen zur Kühlung von Rechenzentren und zur Wiederverwertung ihrer Abwärme. Laut Apple versorgt der Konzern bereits alle seine Rechenzentren zu 100 Prozent mit erneuerbarer Energie. Tatsächlich zeichnen sich die Technologie-Schwergewichte als die Unternehmen aus, die am meisten in Sonnen- und Windenergie investieren. Das geht zumindest aus von Bloomberg übermittelten Zahlen der Internationalen Energieagentur (IEA) hervor.

Digitalisierung verringert CO₂-Emissionen

Bei der Betrachtung des Strombedarfs und der CO₂-Bilanz von Rechenzentren darf aber nicht außer Acht gelassen werden, dass mit digitalen Technologien wesentlich mehr Treibhausgasemissionen eingespart werden können, als ihr Betrieb verursacht. So zeigt eine Studie des Digitalverbands Bitkom, dass in Deutschland die CO₂-Emissionen durch den gezielten und beschleunigten Einsatz digitaler Lösungen in den kommenden zehn Jahren um bis zu 151 Megatonnen CO₂ verringert werden. Die Digitalisierung selbst stößt dabei nur 22 Megatonnen aus. Christian Noll, geschäftsführender Vorstand der Deutschen Unternehmensinitiative Energieeffizienz: „Die Digitalisierung hilft an vielen Stellen Energie intelligenter, sparsamer und günstiger einzusetzen. Diese Potenziale müssen wir unbedingt nutzen. Gleichzeitig brauchen wir immer mehr Rechenzentren, um diese Services und Dienstleistungen weiter auszubauen. Damit wird der effiziente Betrieb der Rechenzentren in Zukunft eine Schlüsselrolle beim Erreichen der Klimaziele einnehmen.“

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Stromnetze spielen eine Schlüsselrolle bei der Erreichung der Klimaneutralität. In einem dezentralen erneuerbaren Energiesystem verbinden die Netze Onshore- und Offshore-Windparks, die kohlenstofffreien Strom produzieren, mit Stromverbrauchern und industriellen Abnehmern. Die Investitionen in neue Übertragungsnetze werden sich in der EU28-Region in den Jahren 2021 bis 2030 auf geschätzt 152 Milliarden Euro belaufen.

Vorhandene Netze optimieren

Dabei erhöht nicht nur der Ausbau das Übertragungspotenzial der Netzinfrastruktur, sondern es stehen auch zahlreiche Technologien zur Verfügung, mit denen sich die Leistungsfähigkeit vorhandener Netze steigern lässt. „Technologien zur Optimierung der Netze ermöglichen es uns, mehr aus den Netzen zu machen, die wir bereits haben. Sie reduzieren die Ausgaben für neue Netzinfrastrukturen. Sie geben uns effizientere Netze, die mehr erneuerbare Energien aufnehmen können und die Menge an Wind- und Solarenergie reduzieren, die wir abregeln müssen“, so Giles Dickson, CEO des Industrieverbandes WindEurope. Er weist zudem darauf hin, dass die meisten der Technologien zur Netzoptimierung bereits erprobt und verfügbar sind.

So lassen sich mithilfe von Systemen zur Echtzeit-Überwachung Übertragungsleitungen enger an ihren thermischen Grenzen betreiben. Dadurch kann die maximale Kapazität besser ausgenutzt werden, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. Eine andere Technologie sind elektronische Systeme, die die Betriebsparameter von Transformatoren – zum Beispiel Öltemperatur, Umgebungstemperatur oder Last – überwachen und damit die Wartung vereinfachen und Ausfälle reduzieren. Über die Datenerfassung hinaus lassen sich mit Hilfe einer auf Geräteebene eingebetteten Intelligenz Alterungsmodelle erstellen oder Hot-Spot-Berechnungen durchführen – mit dem Ziel einer vorausschauenden Wartung. Eine cybersichere Kommunikation über ein gesichertes Netzwerk, auch per Mobilfunk oder andere Wireless-Technologien, ist dafür Voraussetzung. Neue Transformatorentechnologien verbessern die Regelbarkeit des Netzes, reduzieren Störungen und ermöglichen die Verbindung zu Gleichstromnetzen.

Energie über weite Strecken übertragen

Gerade Gleichstromnetze gewinnen mit der zunehmend erforderlichen Anbindung von erneuerbaren Energiequellen an Bedeutung. Denn große Quellen erneuerbarer Energie sind meist weit entfernt von den Verbrauchern, beispielsweise in Windparks auf dem Meer. Das bestehende Netz, überwiegend mit der etablierten Wechselstromtechnik (AC-Technologie) ausgestattet, gibt die für den Transport dieser Strommengen erforderlichen Kapazitäten jedoch nicht her. Zudem geht bei der AC-Technologie während der Übertragung zwischen langen Distanzen zu viel Energie verloren. Daher gewinnen sogenannte Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssysteme (HGÜ, im Englischen HVDC für High Voltage Direct Current) zunehmend an Bedeutung. Dabei wird auf der Versorgungsseite der Wechselstrom vor der Übertragung zunächst in Gleichstrom umgewandelt. In der Empfangsstation wird der Strom dann für den Verbrauch wieder in Wechselstrom umgewandelt. Mit dieser Technologie werden im Vergleich zum Drehstromnetz die Übertragungsverluste im Mittel um 30 bis 50 Prozent reduziert.

„Die HGÜ-Technologie trägt erheblich zu einer klimaneutralen Energiezukunft bei, indem sie die Integration von erneuerbarer Energieerzeugung auf großen Flächen und in weiter Entfernung ermöglicht“, erklärt Niklas Persson, Managing Director Grid Integration bei Hitachi ABB Power Grids. Das Unternehmen lieferte unter anderem für das NordLink-Projekt – dem „grünen Kabel“ zum Austausch deutscher Windenergie mit norwegischer Wasserkraft – die beiden Konverterstationen. Ohne die HGÜ-Technologie wären die Verluste bei der Energieübertragung über die längste Seekabel-Stromverbindung der Welt viel zu hoch.

Mit HGÜ Strom noch effizienter wandeln

In modernen HGÜ-Systemen werden zwei grundlegende Umrichtertechnologien in den Konverterstationen eingesetzt: konventionelle netzgeführte Stromquellenwandler (LCCs) und Spannungszwischenkreisumrichter-Technologie (Voltage Source Converter, VSC). Letztere bestehen aus einer Reihenschaltung sogenannter Submodule, die aus IGBT-Halbbrücken mit Speicherkondensatoren aufgebaut sind. Sie ermöglichen eine deutlich höhere Netzstabilität, reduzieren die elektrischen Verluste signifikant und minimieren den Aufwand für die Filterung. Besonders niedrige Schalt- und Leistungsverluste sowie eine hohe Zuverlässigkeit verspricht dabei der Einsatz von Leistungselektronik auf Basis von Siliziumcarbid. Laut Mitsubishi Electric können dabei die Verluste im Halbleiter um 50 Prozent reduziert werden. Damit kommt noch mehr der wertvollen „sauberen“ Energie aus regenerativen Quellen beim Verbraucher an.

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Rund 30 bis 70 Milliarden Geräte bildeten in 2020 das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT). Auch wenn die Schätzungen weit auseinandergehen, sicher ist: ihre Zahl wird weiter wachsen. Klar ist auch, dass diese Geräte Energie verbrauchen. Bereits im Jahr 2014 warnte die Internationale Energieagentur (IEA), dass der Stromverbrauch der weltweit vernetzten Geräte bei rund 616 Terawattstunden liegt. Diese Schätzung erfolgte damals auf Basis von 14 Milliarden vernetzten Geräten. Das ist ungefähr so viel, wie in deutschen Haushalten jährlich an Endenergie verbraucht wird.

Nachhaltige Lösungen für die Stromversorgung der IoT-Geräte zu finden, ist also ein nicht zu unterschätzender Beitrag auch für den Klimaschutz. Eine Option ist dabei das sogenannte „Energy Harvesting“. Unter diesem Schlagwort sind Technologien vereint, die die Umgebungsenergie nutzen. Sie erzeugen zum Beispiel aus Bewegungen und Vibrationen, Luftströmungen oder Temperaturunterschieden Strom. Die Leistungsabgabe liegt dabei typischerweise zwischen 0,0001 bis 500 Milliwatt. „Energy Harvesting-Lösungen bilden die Basis zur Versorgung einer Vielzahl von batterielosen IoT-Applikationen, die uns im Rahmen der digitalen Transformation in Zukunft unser Leben erleichtern werden“, ist sich Dieter Bauernfeind von Elec-Con technology sicher. Zusammen mit der Technischen Hochschule Deggendorf und der Firma Lintech entwickelt sein Unternehmen zum Beispiel einen Energie-Generator mit Positionsfunk, der Strom aus mechanischer Bewegung gewinnt. Das System soll in der Logistik eingesetzt werden.

Energy Harvesting: Aus Bewegung wird Energie

Dabei kommen piezoelektrische Materialien zum Einsatz. Sie erzeugen Elektrizität als Reaktion auf mechanische Stimulation wie Vibration oder Bewegung. Piezoelektrische Energy Harvester lassen sich heute unter anderem mit Hilfe der MEMS-Technologie realisieren, also als winzige Bauelemente, die Logikelemente und mikromechanische Strukturen in einem Chip vereinen.

Eine andere Technologie, um aus Bewegung Energie zu gewinnen, nutzt eine Gruppe von Forschern an der Chinese University of Hong Kong: Sie verwenden ein spezielles intelligentes Makrofasermaterial, das bei jeder Art von Verbiegung Energie erzeugt. Die Forscher bauten daraus einen Energy Harvester, der am Knie eines Menschen befestigt wird und beim Laufen des Trägers 1,6 Mikrowatt Energie erzeugt. Das reicht aus, um zum Beispiel einen Gesundheitstracker zu -betreiben.

Strom aus LED-Licht

Eine wichtige Energiequelle ist auch die Photovoltaik. Allerdings werden viele IoT-Geräte innerhalb von Gebäuden eingesetzt, wo kein helles Sonnenlicht zur Verfügung steht. Die Lichteinstrahlung beträgt dort üblicherweise nur 30 bis 50 Lux – direktes Sonnenlicht erreicht dagegen bis zu 130.000 Lux. Ein Forscherteam der Universität Uppsala hat daher spezielle Indoor-Photovoltaikzellen entwickelt. Sie basieren auf Kupferkomplex-Elektrolyten, die Licht aus Leuchtstofflampen und LEDs mit einem Wirkungsgrad von 34 Prozent in Strom wandeln können. „Die Kenntnis der Spektren dieser Lichtquellen macht es möglich, spezielle Farbstoffe so abzustimmen, dass sie Licht in Innenräumen absorbieren“, erklärt Marina Freitag, Assistenz-Professorin an der Fakultät für Chemie der Universität Uppsala.

Funkwellen und Wärme als Energiequellen

Auch Radiowellen stellen eine Umgebungsenergie dar. Ein Pionier bei der Nutzung dieser Energiequelle ist Drayson Technologies. Das Unternehmen hat mittlerweile die dritte Generation seiner Freevolt-Technologie auf den Markt -gebracht, die Strom aus NFC-, Mobilfunk- oder Wi-Fi-Netzen gewinnen kann. Dabei erreicht die Lösung eine „RF-to-DC“-Effizienz von bis zu 80 Prozent – und liefert so ausreichend Energie, um zum Beispiel moderne Smartcards zu versorgen.

Viel Energie steckt auch in der Wärme, die zum Beispiel von Motoren, Maschinen oder dem menschlichen Körper abgegeben wird. Abhängig von den physikalischen Eigenschaften des thermoelektrischen Materials und der Menge der verfügbaren Wärmeenergie können thermoelektrische Generatoren zwischen 20 Mikrowatt und zehn Mikrowatt pro Quadratzentimeter erzeugen.

Da sich das Profil von Energy Harvesting-Generatoren stark von dem einer Batterie unterscheidet, werden spezielle Power-Management-Interfaces benötigt. Sie steuern zum Beispiel Rechenprozesse im Chip in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Energie. Zudem wandeln sie Strom und Spannung auf ein Niveau um, mit dem das IoT-Gerät betrieben werden kann. Chip-Hersteller bieten dazu inzwischen spezielle ICs. Sie können oftmals die Energie aus verschiedenen Quellen managen und vereinfachen die Integration von Energy Harvesting in ein IoT-Gerät erheblich.

Mehrfacher Umweltnutzen mit Energy Harvesting

Auch wenn das Potenzial an durch Energy Harvesting erzeugter Energie nicht unbedeutend ist, fallen zwei Argumente noch viel stärker ins Gewicht. Energy Harvesting-Lösungen reduzieren die Wartungskosten für IoT-Geräte erheblich, da Batterien deutlich seltener ausgetauscht werden müssen. Im Idealfall kann man sogar komplett auf eine Batterie verzichten und damit die Umwelt von giftigen Materialien entlasten. Viele Argumente sprechen also für Energy Harvesting-Lösungen. Entsprechend optimistisch sind die Marktaussichten für diese Technologie: Laut Market Study Report wird der weltweite Energy Harvesting-Markt von 2020 bis 2028 durchschnittlich um 10,15 Prozent pro Jahr wachsen und ein Umsatzvolumen von rund 9,45 Milliarden US-Dollar erreichen.

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Oftmals wird im Zusammenhang mit erneuerbaren Energien davon gesprochen, dass sie unendlich verfügbar sind. Doch ist dem wirklich so? Steht tatsächlich global genügend nachhaltige Energie für die Materialflüsse in unserer Gesellschaft zur Verfügung, ohne die planetaren Grenzen zu sprengen?

Betriebsstoff für das System Erde

Im Grunde genommen ist der Planet Erde ein System, das mit seiner Umgebung lediglich Energie austauscht. Der weitaus größte Teil der ins System eingebrachten Energie ist Sonnenstrahlung, ergänzt durch geringfügige Anteile an planetarer Bewegungsenergie und Erdwärme. Diese Energieströme nutzt die Erde schon immer restlos selbst. Ihre vielen Teilsysteme wie die Ozeane, die Atmosphäre und Wälder, aber auch reflektierende Eisflächen wurden damit gewissermaßen in Betrieb gehalten.

Die meisten dieser Teilsysteme wandeln die eintretende Energie in weitere erneuerbare Energieströme um, zum Beispiel in Wind- und Wasserströmungen oder in die Produktion von Biomasse. Dabei wird den eintretenden Energieströmen freie Energie, die sogenannte Exergie, entzogen. Unabhängig von der Nutzung, ob im natürlichen Erdsystem oder der von Menschen erschaffenen Technosphäre, wird die gesamte Energie letztlich wieder ins All abgestrahlt.

Auch Solarparks verändern das Klima

Wenn die Menschheit zunehmend Anteile der erneuerbaren Energieströme für ihre Aktivitäten abzweigt, reduzieren sich die dem Erdsystem zur Verfügung stehenden Anteile. Solche Störungen kann das Erdsystem bis zu einem gewissen Grad ausgleichen. Sind sie jedoch zu groß, steigt das Risiko, dass sogenannte Kipppunkte überschritten werden. Schnelle und irreversible Veränderungen im Erdsystem wären die Folge: etwa das Abschmelzen der Polkappen, das wiederum den Klimawandel beschleunigt. Um diese Kipppunkte nicht zu überschreiten, darf die Größe der genutzten Landfläche nicht über der planetaren Belastungsgrenze liegen. Solaranlagen anstelle von Wäldern etwa stören die Biodiversität, die Verdunstung und damit den Wasserkreislauf, die Rückstrahlung von Wärme ins All und vieles mehr.

Die gleichen Obergrenzen wie für die solare Nutzung gelten auch für die Ernte der sogenannten chemischen Energie – also für die Land- und Forstwirtschaft, die Nahrungs- und Futtermittel, Heizmaterial, Treibstoffe sowie Baumaterialien produziert. Die Erzeugung technischer Energie steht auf vielen Flächen in Konkurrenz zur Nahrungsmittelerzeugung.

Um die verschiedenen Potenziale an erneuerbarer Energie vergleichen beziehungsweise summieren zu können, haben sie die Empa-Forscher in elektrische Energieäquivalente umgerechnet. Die Berechnungen verwenden die Wirkungsgrade von heute verfügbarer Kraftwerkstechnik. Es macht einen Unterschied, ob Solarenergie, Holz oder Wasserkraft Elektrizität erzeugt. Diese Umwandlungsverluste schmälern die mögliche Ernte einiger Potenziale nochmals erheblich.

Die Erde braucht die meiste Energie für sich

Das Ergebnis der Studie überrascht: 99,96 Prozent der aus dem All auf die Erde eintreffenden Energie wird für den Antrieb des Erdsystems und für die Nahrungsmittelproduktion benötigt, daher können bloß 0,04 Prozent technisch genutzt werden. Das hört sich nicht nach viel an – tatsächlich jedoch liegt dieses Potenzial immer noch etwa um das Zehnfache über dem heutigen globalen Energiebedarf.

Das Ergebnis aus der Betrachtung der Umwandlungsverluste ist wenig überraschend. Solarzellen sollten bevorzugt die verfügbare Energie ernten und nutzen. Denn fast alle erneuerbaren Energieressourcen – auch Wind- und Wasserkraft sowie die Biomasseproduktion – werden letztlich von der Sonne angetrieben. Eine direkte Nutzung der Sonnenenergie bedeutet weniger Umwandlungsschritte und dadurch weniger Verluste.

Verfügbare nachhaltige Energie noch kleiner

Also einfach massenweise Solaranlagen bauen und das Energieproblem ist gelöst? Ganz so einfach ist es natürlich nicht. In seiner Studie hat das Empa-Team nur den ersten Schritt betrachtet – die Berechnung des verfügbaren Energiepotenzials. Die tatsächliche verfügbare Menge an Energie wird kleiner sein: Limitierende Faktoren sind etwa die Verfügbarkeit von Rohstoffen, aber auch Finanzkapital und Arbeitskraft, Umweltauswirkungen bei der Rohstoffgewinnung oder Produktion, Betrieb und Entsorgung der Anlagen sowie der Bedarf an zusätzlicher Infrastruktur für die Energieverteilung, und -speicherung.

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Das Ziel der Klimaneutralität haben sich immer mehr Regierungen und Unternehmen auf ihre Fahnen geschrieben. Was ein Ausbau erneuerbarer Energien und eine Steigerung der Energieeffizienz mit sich bringen soll. Doch das alleine wird nicht reichen. Denn die rechtzeitige Erreichung der Ziele des Pariser Klimaabkommens wird ohne negative Emissionstechnologien nicht möglich sein. Laut der Internationalen Energieagentur IEA müssten mindestens 15 Prozent der notwendigen Emissionsminderungen durch Technologien zur CO₂-Abscheidung, -Nutzung und -Speicherung (CCUS, Carbon Capture, Utilization and Storage) realisiert werden. Dies bedeutet eine fast 100fache Steigerung der CCUS-Kapazität bis 2050. Auch Dr. Carsten Rolle, Geschäftsführer vom Weltenergierat Deutschland, ist dieser Überzeugung. „Ohne die Integration von negativen Emissionen in Klimaschutzstrategien werden die Pariser Klimaziele nicht erreichbar sein. Umso drängender ist es für Politik und Gesellschaft, deren Weiterentwicklung und Anwendung zu diskutieren und zu fördern.“

Gleichgewicht zu unvermeidbaren Emissionen

Die im Pariser Klimaabkommen verankerte Klimaneutralität bedeutet, dass ein Gleichgewicht zwischen dem Ausstoß der vom Menschen verursachten Treibhausgasemissionen auf der einen und dem Abbau der Gase durch Senken auf der anderen Seite erreicht wird. Genau für dieses Senken braucht es negative Emissionstechnologien. Denn trotz aller Fortschritte beim Ausbau erneuerbarer Energien und bei der Reduzierung des Energieverbrauchs wird es auch in Zukunft Treibhausgasemissionen geben. Solche, die kaum oder nur mit einem sehr hohen Kostenaufwand vermieden werden können. Hierdurch entsteht der Bedarf an negativen Emissionen, die der Atmosphäre entzogen werden müssen. Hinzu kommt der Bedarf an Kompensation der Emissionen, die durch Zeitverzug in den Klimaschutzbemühungen entstehen. „Je später das Ziel einer vollständigen Vermeidung aller anthropogenen Emissionen erreicht ist, desto höher wird später der Bedarf an negativen Emissionstechnologien beziehungsweise Senken sein“, erklärt Carsten Rolle.

Langfristige Speicherung unter der Erde

Die Abscheidung von Kohlenstoff wird schon seit Jahrzehnten zur Verbesserung der Qualität von Erdgas eingesetzt. Neue Technologien speichert CO₂ jetzt auch langfristig. Wie zum Beispiel auf Island. Das Schweizer Unternehmen Climeworks errichtet dort die weltweit größte Direct Air Capture and Storage-Anlage zur Versteinerung von atmosphärischem CO₂. Dabei wird Kohlenstoffdioxid der Umgebungsluft entzogen und CO₂-freie Luft zurück in die Atmosphäre abgegeben. Das aus der Luft gefilterte CO₂ wird unter die Erdoberfläche transportiert. Dort reagiert es durch natürliche Prozesse mit dem Basaltgestein und verwandelt sich über einen Zeitraum von mehreren Jahren selbst zu Carbonaten. Das heißt mineralisiert. Was Kohlenstoffdioxid so dauerhaft aus der Atmosphäre entfernt. Die Anlage wird nonstop in Betrieb sein und pro Jahr 4.000 Tonnen Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre filtern.

Gerade bei den Grundstoffindustrien und besonders in der Zementindustrie bietet die Abscheidung und Speicherung von CO₂ einen Ausweg. So soll im norwegischen Zementwerk Brevik von Heidelberg Cement ab 2024 eine Anlage jährlich 400.000 Tonnen CO₂ abscheiden. Das dann dauerhaft eingelagert werden soll. Ziel ist eine Verringerung der CO₂-Emissionen des im Werk produzierten Zements um 50 Prozent.

Vom Klimagas zum Rohstoff

Doch die dauerhafte Speicherung des Kohlendioxids ist nur eine Möglichkeit. Noch spannender ist es, dem „Abfallprodukt“ einen Wert zu verleihen und das CO₂ in marktfähige industrielle und kommerzielle Produkte umzuwandeln. Denn CO₂ ist ein vielseitiges Molekül, das chemisch in eine Vielzahl von Produkten umgewandelt werden kann, darunter Kraftstoffe, Chemikalien, Baumaterialien und Polymere. So hat zum Beispiel das Unternehmen Covestro eine Technologie entwickelt, die CO₂ als Rohstoff für nachhaltige Kunststoffe nutzt. „Die Kunststoffindustrie kann mit der Umstellung auf eine treibhausgasneutrale Produktion zur Bekämpfung des Klimawandels beitragen. Dafür müssen wir vom Erdöl wegkommen und alternative Rohstoffe wie CO₂ nutzen“, sagt Dr. Markus Steilemann, Vorstandsvorsitzender von Covestro.

Das Verfahren verwendet chemische Katalysatoren, um Reaktionen zwischen CO₂ und einem herkömmlichen Rohstoff anzutreiben. Dabei entstehen sogenannte Polymere auf nachhaltigere und wirtschaftlich tragfähige Weise. Allerdings ersetzt dieses Verfahren nur ein Teil des Erdöls. Doch es entstehen besser wiederverwertbare Kunststoffe, deren Bestandteile leichter recycelt werden könnten. Der auf CO₂ basierende Rohstoff wird bereits zur Herstellung von weichem Schaumstoff für Matratzen, für Kleber in Sportböden, Polsterungen in Schuhen und in Autoinnenräumen eingesetzt. An der Schwelle zur Marktreife stehen elastische Textilfasern. Forschungsprojekte haben gezeigt, dass sich CO₂ auch für Dämmstoffe aus Hartschaum und für Tenside, zum Beispiel in Waschmitteln, nutzen lässt. So wird aus dem schädlichen Klimagas ein wertvoller Rohstoff – und ein weiterer nachhaltiger Schritt zur Klimaneutralität gemacht.

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Die Modernisierung der Motoren der Welt ist essenziell im Kampf gegen den Klimawandel. Denn sie wird den CO₂-Fußabdruck der Welt reduzieren. Stellen Sie sich vor, Sie würden der Welt sieben neue Amazonas-Regenwälder hinzufügen“, veranschaulicht Ryan Morris, Vorsitzender und CEO des Elektroantriebherstellers Turntide Technologies die Bedeutung energieeffizienter Antriebstechnologie. Turntide hat einen drehzahlvariablen Antrieb entwickelt. Dieser ist durch die Kombination einer modernen Computer- und Softwaresteuerung und mit einem geschalteten Reluktanzmotor rund 25 Prozent effizienter als herkömmliche Antriebe. Kunden haben die Effizienz ihrer Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen um bis zu 65 Prozent gesteigert. Dies erfolgte durch Ersetzen der alten Antriebe mit fester Drehzahl, durch die drehzahlvariablen von Turntide.

Zehn Prozent Strom mit Elektromotoren einsparen

Unabhängige Forschungsergebnisse zeigen, dass sich der weltweite Strombedarf durch den Austausch ineffizienter Antriebe durch optimierte, hocheffiziente Anlagen um bis zu zehn Prozent senken ließe. „Der Beitrag, den die Umstellung von Industrie und Infrastruktur auf diese äußerst energieeffizienten Antriebe und Motoren zu einer nachhaltigeren Gesellschaft leisten kann, ist gar nicht hoch genug einzuschätzen“, betont daher auch Morten Wierod, Leiter des Geschäftsbereichs Antriebstechnik von ABB.

Weltweit gibt es verschiedene gesetzliche Vorgaben und regulatorische Rahmenbedingungen, um die Energieeffizienz elektrischer Antriebe zu steigern. In der Europäischen Union existiert zum Beispiel die Ökodesign-Verordnung (EU 2019/1781) mit strengen Anforderungen an die Energieeffizienz von Motoren und Drehzahlregelungen. Mit der Verordnung sollen bis 2030 jährlich 110 Terawattstunden eingespart werden, was dem Stromverbrauch der Niederlande entspricht. Dies bedeutet, dass jährlich 40 Millionen Tonnen CO₂-Emissionen vermieden und die jährlichen Energiekosten der Haushalte und der Industrie in der EU bis 2030 um rund 20 Milliarden Euro sinken werden. Die Richtlinie unterscheidet bei Elektromotoren vier Wirkungsgradklassen, deren aktuelle Grenzwerte bei IE1 (niedrigste Klasse) bis IE4 liegen. Analog zu den Motoren sind IE-Klassen für Umrichter und IES-Klassen für Umrichter-Motor-Kombinationen definiert.

Effizienter mit Drehzahlregelung

Der Einsatz von Komponenten mit hohem Wirkungsgrad bildet allerdings nur die Basis für ein Antriebssystem, das möglichst wenig Energie verbraucht. Das größte Potenzial lässt sich dann heben, wenn Antriebsauslegung und Bewegungsprofile dem tatsächlichen Prozessbedarf entsprechen. Die Nutzung von Umrichtern zur Anpassung der Leistung oder die Einspeisung der Bremsenergie in den Zwischenkreis sind weitere Optimierungsmöglichkeiten. So können drehzahlgeregelte Antriebe den Energieverbrauch um 30 bis 50 Prozent senken, indem sie genau die Leistung zur Verfügung stellen, die tatsächlich benötigt wird.

Der Wursthersteller Rügenwalder Mühle hat zum Beispiel die Lüfterantriebe für seine 30 Rauchkammern durch moderne IE4-Antriebspakete ersetzt. Statt der alten zweistufigen, polumschaltbaren Asynchronmotoren werden die Lüfter jetzt durch eine Kombination eines Synchronreluktanzmotor und Frequenzumrichter angetrieben. Der Motor verfügt über einen Rotor, der im Gegensatz zur herkömmlichen Synchronmotor-Konstruktion ohne Magnete oder Wicklungen auskommt. Rotorbedingte Leistungsverluste, die rund 40 Prozent der Energieverluste eines Elektromotors ausmachen, gibt es dadurch fast keine mehr. Insgesamt konnten so fast 50 Prozent Energie eingespart werden. Die Investition amortisierte sich dadurch für die Rügenwalder Mühle schon nach etwas mehr als einem Jahr.

Strom sparen mit Leistungselektronik

IE4-Motoren gibt es aber auch in vielen anderen Motortypen. Bei Drehstrom-Asynchronmaschinen genauso wie bei Motoren mit Permanentmagneten oder bei EC-Motoren (EC = Electronically Com mutated). Die Motoren können alle mit einem Frequenzumrichter kombiniert werden und so als drehzahlvariabler Antrieb fungieren. Teils benötigen sie grundsätzlich für den Betrieb sogar einen elektronischen Regler wie den EC-Motor oder den Synchronreluktanzmotor. Damit spielt hier die Leistungselektronik eine große Rolle bei der Energieeffizienz des Gesamtsystems. Die Marktanalysten von Navigant gaben daher schon vor einigen Jahren die Empfehlung, Wide-Bandgap-Halbleiter, vor allem auf Basis von Siliziumcarbid, anstelle von herkömmlichen Halbleitern zu verwenden.

Was dieses Material leisten kann, zeigt ein Antrieb, den der Automobilzulieferer Marelli zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM für die Formel E entwickelt hat. Die extrem kompakte Leistungsstufe auf Basis von Siliziumcarbid ermöglicht im Vergleich zu einem siliziumbasierten Aufbau gleicher Leistung einen Umwandlungswirkungsgrad von bis zu 99,5 Prozent. Außerdem reduziert sie Gewicht und Größe um die Hälfte und besitzt eine um 50 Prozent höhere Wärmeableitung in das Kühlsystem.

„Industrielle Energieeffizienz bietet gegenüber anderen Schwerpunktbereichen das größte Einzelpotenzial zur Bekämpfung des Klimanotstands“, so das Fazit von ABB-Manager Morten Wierod. „Sie ist im Grunde die unsichtbare Lösung für das Klimaproblem unserer Welt.“

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Gebäude sind für etwa 40 Prozent des gesamten Energieverbrauchs verantwortlich. Aber auch für einen fast ebenso hohen Anteil an CO₂-Emissionen in Europa. Besonders der Bereich der Raumwärme und der Warmwasserbereitung bietet großes Potenzial zur Reduktion energiebedingter Treibhausgasemissionen.

Wärmepumpen auch für Altbauten

In einigen europäischen Ländern ist dazu das Heizen mit erneuerbaren Energien über Wärmepumpen zum Standard bei Neubauprojekten geworden. Auch in älteren Gebäuden, die meist höhere Vorlauftemperaturen von bis zu 70 Grad Celsius benötigen, lassen sich inzwischen Wärmepumpen einsetzen. All das dank effizienterer Kältemittel oder neuer Kompressortechnologien. Ein Feldtest des Fraunhofer ISE zeigt, dass im Altbau mit Außenluft-Wärmepumpen die CO₂-Emissionen im Vergleich zu einer Gas-Brennwertheizung um 19 bis 47 Prozent niedriger liegen. Bei Erdreich-Wärmepumpen sogar um bis zu 57 Prozent.

Sonne vom Dach

Einen besonderen Charme hat der Einsatz von Wärmepumpen auch, weil sich ein Teil des zum Betrieb notwendigen Stroms mit einer eigenen Photovoltaikanlage erzeugen lässt. „Je mehr Solarstrom auf dem Dach produziert wird, desto größer ist auch der eigene Beitrag zum Klimaschutz“, betont Prof. Dr. Volker Quaschning, Professor für Regenerative Energiesysteme an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW). Eine Anlage mit zehn Kilowatt Spitzenleistung, die etwa 50 bis 60 Quadratmeter des Hausdachs belegt, kann jährlich vier bis fünf Tonnen CO₂ vermeiden.

Solarstromspeicher ermöglichen es dabei, dass die Energie rund um die Uhr zur Verfügung steht. Deren Effizienz steigt immer weiter, wie Prof. Quaschning feststellen konnte. 20 Speicher hat die HTW aktuell unter die Lupe genommen. Von denen bei 13 Systemen eine hohe Systemeffizienz bescheinigt werden konnte. Die Forscher der HTW führen die verbesserten Wirkungsgrade unter anderem auf den verstärkten Einsatz von Siliziumcarbid-Leistungshalbleitern in den Wechselrichtern zurück. Die effizientesten Systeme erreichen dadurch über einen weiten Leistungsbereich Wirkungsgrade oberhalb von 97 Prozent.

Hoffnungsträger Wasserstoff

Gaswirtschaft und Hersteller klassischer Heizungssysteme sind allerdings skeptisch, ob sich die Energiewende alleine mit elektrischen Heizsystemen umsetzen lässt. Sie schätzen, dass es bis 2050 einen Mix aus elektrisch betriebenen Wärmeerzeugern sowie aus Gas-Brennwertgeräten und Brennstoffzellen geben wird. Forscher setzen große Hoffnung auf CO₂-neutral hergestellten Wasserstoff. Mit dem Energieträger ließen sich sehr kurzfristig deutliche Erfolge bei der Verringerung der CO₂-Emissionen erzielen. Würde dem Erdgas 20 Prozent Wasserstoff beigemischt könnten die Treibhausgasemissionen schon jetzt um rund sieben Prozent pro Jahr verringert werden. Grundsätzlich wäre das heute schon möglich wäre.

Allerdings ist der Einsatz von Wasserstoff für die Wärmeerzeugung in Gebäuden umstritten. Nils Borg, geschäftsführender Direktor des European Council for an Energy Efficient Economy, meint dazu: „Wasserstoff ist keine brauchbare Option, wenn es um die Beheizung von Gebäuden geht. Zum Beispiel braucht es in etwa fünfmal mehr Wind- oder Solarstrom, um ein Haus mit Wasserstoff zu heizen, als das gleiche Haus mit einer effizienten Wärmepumpe zu heizen.“ Dabei könnten Brennstoffzellen für zusätzliche Effizienz sorgen. Sie produzieren sowohl Strom als auch Wärme für ein Gebäude und erreichen so Wirkungsgrade von bis zu 56 Prozent. „Mit der Brennstoffzellenheizung steht uns schon heute eine marktreife und hocheffiziente Technologie zur Verfügung, die für mehr Klimaschutz sorgt“, meint auch Timm Kehler, Vorstand bei Zukunft Erdgas.

Das Zusammenspiel verschiedener Systeme hat HPS Home Power Solution quasi auf die Spitze getrieben. Deren Heimspeichersystem „picea“ umfasst eine Batterie (25 Kilowattstunden) als Kurzzeitspeicher. Und eine alkalische Elektrolyse (Wirkungsgrad 70 bis 80 Prozent) für die saisonale, chemische Speicherung von Energie (1.500 Kilowattstunden) in Form von grünem Wasserstoff. Eine PEM-Brennstoffzelle (elektrischer Wirkungsgrad 45 bis 55 Prozent) gewinnt aus dem Wasserstoff wieder Strom. Durch die Einbindung der Abwärme aus der Brennstoffzelle in den Wärmekreislauf wird ein Gesamtnutzungsgrad der elektrischen Energie aus der Photovoltaikanlage von 90 Prozent über das gesamte Jahr erreicht.

Nachhaltige Gebäude sparen Energie

Nicht zu vernachlässigen sind klimafreundliche nachhaltige Gebäude und die digitale Techniken. Das Smart Home regelt die Heizkörper automatisch herunter – zum Beispiel nach dem Öffnen eines Fensters. Oder löscht das Licht, wenn die Bewohner zur Arbeit gehen. Auch in großen Büro- und Geschäftskomplexen werden digitale Lösungen eingesetzt, die Heizung, Lüftung oder Klimatisierung je nach Wetterverhältnissen oder Anzahl der anwesenden Angestellten automatisch regeln. Smart Homes und intelligente, vernetzte Gebäude können laut des Digitalverbandes Bitkom bei einer moderaten Verbreitung der entsprechenden Technologien bis 2030 allein in Deutschland rund 16 Megatonnen CO₂ einsparen.

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Die technologische Entwicklung in der Elektromobilität hat in den letzten Jahren große Sprünge gemacht. Bis spätestens 2027 werden Pkw und Transporter mit Elektroantrieb in Europa in allen Fahrzeugklassen in der Herstellung billiger als Verbrenner sein. So eine neue Studie von Bloomberg New Energy Finance (BNEF). Vor allem fallende Batteriekosten und dezidierte Produktionslinien für Elektrofahrzeuge werden danach den durchschnittlichen Verkaufspreis senken, selbst ohne Subventionen. Damit wäre ein großes Akzeptanzproblem von Elektrofahrzeugen gelöst: der hohe Preis.

Reichweiten steigen 

Zweiter häufig genannter Grund, sich gegen ein Elektrofahrzeug zu entscheiden, ist die Reichweite. Doch auch hier ist eine rasante Entwicklung zu beobachten. Die Autos von Tesla erreichen bereits mehr als 650 Kilometer Reichweite. Der Air von Lucid Motors erreicht durch einen besonders geringen Luftwiderstand, geringes Gewicht und eine effizientere Leistungselektronik sogar über 830 Kilometer. Auch Tesla setzt seit 2018 im Hauptwechselrichter des Model 3 auf Wide-Bandgap-Halbleiter. In diesem Fall Siliziumcarbid, wodurch sie effizienter sind und Gewicht sowie Platz für die Kühlung sparen. Raghu Das, CEO von IDTechEx: „Der VW-Konzern und viele andere arbeiten an strukturellen Batterien und Superkondensatoren, um die Reichweite zu erhöhen.

Inzwischen kommerzialisieren Tesla und Lucid einen ersten Schritt in diese Richtung.“ Zudem zeichnet sich der Trend ab, in den Fahrzeugantrieben höhere Spannungen von 800 bis 1.000 Volt zu verwenden. Dadurch kann der Wirkungsgrad erhöht und Gewicht eingespart werden. „Wir arbeiten derzeit an der Serieneinführung mehrerer Premium-800-Volt-Projekte“, bestätigt Bert Hellwig, der bei ZF für die Entwicklung elektrischer Antriebssysteme zuständig ist.

Batterie in zehn Minuten geladen

Trotz aller Fortschritte in der Elektromobilität – Erfolgsfaktor und Rückgrat des Wandels in der Mobilität ist die Ladeinfrastruktur. Dabei kommen verschiedene Systeme zum Einsatz. Heute handelt es sich bei der überwiegenden Mehrheit der eingesetzten Ladestationen um Wechselstromsysteme. Wobei ein Modul im Fahrzeug den Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Die Ladeleistung beträgt 22 beziehungsweise 11 Kilowatt. Bei den übrigen Ladestationen handelt es sich um schnellere Gleichstromsysteme mit einer Ladeleistung zwischen 30 und 50 Kilowatt, bei denen sich der Gleichrichter in der Ladestation befindet. Zudem sind bereits erste High-Power-Charging-Stationen in Betrieb. Sie laden Fahrzeugbatterien mit einer Leistung von bis zu 350 Kilowatt. Europas leistungsstärkste Ladestation schafft sogar 400 Kilowatt. Der Hersteller Ingeteam setzt dabei auf MOSFETs auf Basis von Siliziumcarbid. Abhängig von der Ladeleistung des Fahrzeugs kann damit die Batterie innerhalb von zehn Minuten zu 80 Prozent geladen werden. Das ist vergleichbar mit der Betankung eines Autos mit einem herkömmlichen Verbrennungsmotor.

Unabhängiger von Ladestationen

Weniger Pausen an Ladestationen verspricht zudem die Integration von Photovoltaik in die Karosserien. Ein Beispiel hierfür ist der Sion von Sono Motors: „Wir haben einen Weg zur Bereitstellung nachhaltiger, kostenfreier Energie über verschiedene Transportformen hinweg gefunden, indem wir den traditionellen Lackierprozess durch integrierte Solartechnologie ersetzt haben“, sagt Jona Christians, Mitbegründer und Chief Executive Officer von Sono Motors. Die Solartechnologie von Sono Motors ist dabei preiswerter, leichter und viel effizienter als herkömmliche Glas-Solarzellen. Im Sion sorgen die eingearbeiteten Solarzellen ergänzend zur Batterieladung für bis zu 245 Kilometer zusätzliche Reichweite pro Woche.

Elektromobilität auch im Schwerlastverkehr

Gut 35 Prozent der Verkehrsemissionen gehen allerdings auf das Konto von Nutzfahrzeugen, so das deutsche Umweltbundesamt. Alle Lkw-Hersteller setzen daher auf die Elektrifizierung ihrer Fahrzeugflotte, sind sich aber noch uneinig, ob reine batterieelektrische oder Fahrzeuge mit Brennstoffzelle der richtige Weg sind. Volvo Trucks plant zum Beispiel den Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen vor allem für den Schwertransport über größere Entfernungen. Auch Hyundai bekennt sich zur Brennstoffzellen-Technologie und hat bereits erste Lkw in Europa in den Markt gebracht.

In den kommenden Jahren will das Unternehmen eine vollständig neue Modellserie einführen. Zwei 200-Kilowatt-Brennstoffzellensysteme sollen dem 44-Tonner eine Reichweite von 1.000 Kilometern pro Tankfüllung verleihen. Die VW-Tochter Traton fokussiert sich dagegen auf batterieelektrische Fahrzeuge. Hier ist man der Meinung, dass im Lkw-Verkehr, gerade auf der Langstrecke, reine E-Lkw im Vergleich zu Wasserstoff-Lkw in den allermeisten Fällen die günstigere und umweltfreundlichere Lösung sein werden. „Denn der Wasserstoff-Lkw hat gegenüber dem ausschließlich batterieelektrischen E-Lkw einen gravierenden Nachteil: Nur ein Viertel der Ausgangsenergie fließt am Ende in den Antrieb, drei Viertel gehen von der Energiequelle bis zur Straße verloren – beim E-Lkw ist das Verhältnis umgekehrt“, so Traton-CEO Matthias Gründler.

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