Von Jeremy Cook
Im Rahmen einer umfassenderen Umstellung von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energiequellen gibt es in unserer Gesellschaft einen konzertierten Vorstoß zur Elektrifizierung sämtlicher Bereiche. Die Elektrifizierung reicht dabei von batteriebetriebenen Fahrzeugen bis hin zum Ersatz von Gasherden durch Elektrokochfelder. Unterstützt wird diese Entwicklung durch Smart-Grid-Technologien sowie das entsprechende Aufrüsten der Infrastruktur. Besonders hervorzuheben sind Geräte wie Transistoren auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC), die einen effizienten Wechsel unterstützen, sowie Messgeräte, die intelligente Energienetze ermöglichen.
Elektrifizierungsanwendungen
Im Großen und Ganzen hat die Elektrifizierung aller Bereiche schon vor Jahrzehnten begonnen, und zwar mehr wegen der ihrer Vorteile als wegen Umweltbedenken. So war zum Beispiel die Rasenpflege früher im Wesentlichen eine auf Gas oder Menschenkraft angewiesene Aufgabe. Heute können Verbraucher einen elektrischen Rasenmäher kaufen, den sie nie auftanken müssen und der viel leiser ist als sein Pendant mit Verbrennungsmotor. Dieselbe Technologie ermöglicht es uns, Elektrowerkzeuge zu benutzen, ohne sie an die Steckdose anschließen zu müssen, sowie noch fortschrittlichere Roboter-Rasenmäher, die die Rasenpflege für uns übernehmen.
Beim Smartphone könnte man behaupten, dass die Elektrifizierung aller Bereiche eine Vereinigung, wenn nicht von allem, so doch von vielem ermöglicht. Dieses All-in-One-Paket umfasst eine Fotokamera, einen Videorekorder, einen Taschenrechner, ein GPS-Ortungsgerät und eine Bibliothek – etwas, das es auf der Welt so noch nie gegeben hat. Smartphones und miniaturisierte Computer im Allgemeinen beeinflussen nahezu jeden Aspekt unseres elektrifizierten Lebens.
Betrachten wir diese Bereiche, in denen die Elektrifizierung ihren Einfluss ausdehnen wird:
Anwendung Nr. 1: Individualverkehr
In den USA sind heute rund vier Millionen Elektrofahrzeuge unterwegs. Diese Zahl wird voraussichtlich bis 2030 auf 33 Millionen steigen. Wir haben auch die weite Verbreitung von Elektrofahrrädern (E-Bikes) erlebt, die in vielen Fällen eine effiziente Möglichkeit der Fortbewegung bieten. Laut einem Bericht des US-amerikanischen Energieministeriums entfielen 2022 27 % des Primärenergieverbrauchs der USA auf den Verkehr. Eine weitere Elektrifizierung in diesem Bereich könnte den Verbrauch fossiler Brennstoffe stark verändern.
Die Elektrifizierung findet auch im öffentlichen Sektor statt, von elektrifizierten Bussen bis hin zu Hochgeschwindigkeitszügen, die mit Strom betrieben werden. Zusammen mit der Verbreitung von E-Bikes könnte dies dazu beitragen, den Verkehr zu entlasten und insgesamt weniger Strom pro Personenmeile zu verbrauchen als herkömmliche Fahrzeuge. Ein aktueller Vorteil im Zusammenhang mit der Elektrifizierung ist die Tatsache, dass die zunehmende Verbreitung von Telearbeit dazu führt, dass wir weniger „persönlich anwesend“ sein müssen. Das fällt zwar streng genommen nicht unter „elektrifizierten Verkehr“, macht aber einen Großteil des Individualverkehrs überflüssig, was den gleichen Effekt hat.
Anwendung Nr. 2: Gebäudemanagement
Das Gebäudemanagement soll in den kommenden Jahren stärker elektrifiziert werden, vor allem die Gebäudeheizung. Traditionell wird Wärme durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe vor Ort erzeugt, um einen Bereich direkt oder indirekt zu beheizen. Dabei kann es sich um einen Schornstein und einen Kamin, eine mit Erdgas betriebene Hausheizung oder eine dampfbetriebene Heizungsanlage für das gesamte Gebäude handeln.
Elektrische Wärmezufuhr ist eine effiziente Alternative. Das grundlegende elektrische Heizverfahren besteht darin, dass Strom an einen Widerstand angelegt wird, der überschüssige Energie in Form von Wärme abgibt. Was normalerweise ineffizient und lästig ist (Hitze in elektronischen Geräten wie Computern, die gekühlt werden müssen), ist hier das gewünschte Ergebnis. Gleichzeitig ist die Verwendung von Strom für die direkte Widerstandsheizung in der Regel teurer als das Verbrennen von Gas oder anderen fossilen Brennstoffen.
Wie hier ausführlich erläutert, ist eine effizientere elektrische Heizungsoption der Einsatz einer Wärmepumpe. Sie gibt die Wärme indirekt über einen Kompressionszyklus in das Haus ab und funktioniert umgekehrt wie eine Klimaanlage. Diese Heizmethode ist zwar nicht ideal bei extrem niedrigen Außentemperaturen, kann aber in den meisten Klimazonen gut für die Gebäudeheizung eingesetzt werden.
Natürlich ist das Temperaturmanagement nicht der einzige Aspekt, um den optimalen Zustand eines Gebäudes aufrechtzuerhalten. Brand- und Sicherheitssysteme sind ebenfalls wichtig und die allgemeine Wartung kann durch maschinelles Lernen und vorausschauende Techniken unterstützt werden. Auf die Funktionen der Benutzeroberfläche kann in der Regel über einen Standardcomputer oder ein Smartphone zugegriffen werden, sodass die Vorteile von Mehrzweckgeräten für alles genutzt werden können, anstatt spezielle Terminals zu verwenden.
Anwendung Nr. 3: Industrielle Prozesse
Die industrielle Beheizung ist eine bemerkenswerte Anwendung, bei der die Elektrifizierung mit den gleichen grundlegenden Herausforderungen konfrontiert ist wie beim Gebäudemanagement. Es werden neue, auf die Industrie zugeschnittene Technologien entwickelt, z. B. Nachrüstsätze, mit denen Gasbrenner effizient gegen elektrische Heizelemente ausgetauscht werden können. Neben der Umstellung von fossilen Brennstoffen auf Elektroheizungen werden auch Anstrengungen unternommen, um bestehende Heizungsanlagen effizienter zu machen, sodass möglicherweise ein Teil des Energiebedarfs komplett entfällt.
Neben dem Heizen können die Industrien auch andere ineffiziente Prozesse untersuchen, Senkung des Druckluftverbrauchs oder Umstellung von weniger effizienten Glühbirnen auf LED-Beleuchtung. Mit solchen Projekten lässt sich eine sofortige und leicht messbare Rendite erzielen – ein Gewinn sowohl für das Unternehmen als auch für die Umwelt.
Schlüsseltechnologie Nr. 1: Smart-Grid-Technologien
Während die Elektrifizierung aller Bereiche ein hehres Ziel zu sein scheint, ist der springende Punkt, dass unsere Infrastruktur für die gegenwärtigen Bedürfnisse ausgelegt ist. Weitere Elektrifizierung bedeutet eine höhere Stromnachfrage und erfordert eine robuste und flexible Versorgung. Ein innovatives Konzept ist ein „virtuelles Kraftwerk“, in dem erneuerbare Ressourcen und Netzspeicher zusammengeführt und mit Bedacht verwaltet werden, um unterschiedliche Energiequellen bestmöglich zu nutzen. Damit die Konzepte intelligenter Energienetze optimal funktionieren, müssen die Gegebenheiten entsprechend angepasst werden, z. B. Zwei-Wege-Messung und eine ausgeklügelte Kontrollstruktur.
Smart-Grid-Komponenten wie Transistoren auf Siliziumkarbidbasis, hochwertige IGBTs und traditionellere Silizium-MOSFETs können ein Energiemanagement mit minimalen Verlusten zwischen Energiequellen und Energieverbrauchern (die je nach Situation ihre Rolle tauschen können) ermöglichen. Stromerfassungstechnologien werden entscheidend sein, um zu wissen, wann Strom an Ressourcen in einem intelligenten Stromnetz geliefert oder von ihnen verbraucht wird und wie diese wechselnden Situationen abgerechnet werden können.
Schlüsseltechnologie Nr. 2: Fortschritte in der Technologie tragbarer Batterien
Während die Prozessheizung auf Steckdosen angewiesen ist, sind viele elektrifizierte „Dinge“ tragbar und benötigen daher eine autonome Spannungsversorgung (Batterien). Relativ neue Batterietechnologien – vor allem Lithium-Ionen (Li-Ion)- und Lithium-Polymer (Li-Po)-Technologien – machen tragbare Geräte wie Smartphones und Elektrofahrzeuge möglich.
Was tragbare Geräte betrifft, so ist mit einer weiteren Entwicklung der Li-Po-/Li-Ion-Batterietechnologie zu rechnen, ebenso wie mit einer entsprechenden Fertigungsinfrastruktur für eine höhere Batteriezellenproduktion. Gleichzeitig hat die derzeitige Batterietechnologie ihre Grenzen. Es ist möglich, dass wir in nicht allzu ferner Zukunft ein grundlegend neues Batterieparadigma erleben werden. Wie hier dargelegt, experimentieren Forscher mit Graphen für die Speicherung elektrischer Energie. Dadurch sind wesentlich schnellere elektrische Lade- und Entladezyklen möglich, als dies gegenwärtig der Fall ist.
Zukünftige Fortschritte, weitere Elektrifizierung
Tempo und Methodik der Elektrifizierung sind eine offene Frage. Wenn keine gravierenden unvorhergesehenen Umstände eintreten, geht der Trend sicherlich in Richtung einer stärkeren Elektrifizierung. Weitere Rechenleistung am Edge und in der Cloud über IoT-Geräte wird dazu beitragen, diese Entwicklung aus Infrastruktursicht voranzutreiben, zusammen mit Fortschritten bei SiC und anderen verwandten Technologien.
Wie auch immer sich die Elektrifizierung in den kommenden Jahrzehnten entwickeln wird, sie könnte, ebenso wie die Verbreitung von Smartphones, unbemerkt ohne bewusstes Zutun vonstatten gehen. Irgendwann werden diese Elektrofahrzeuge, E-Bikes und andere neu elektrifizierte Technologien auf uns zukommen, stillschweigend akzeptiert werden und (hoffentlich) unsere Welt zu einem besseren Ort machen. Andererseits muss noch mehr getan werden, um diese Technologien praktikabel zu machen und die Smart-Grid-Infrastruktur zu verbessern, die unsere zunehmend elektrifizierte Welt versorgen wird.
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