Die wichtigsten Entwicklungen zur Förderung grüner Energiesysteme

Innovationen und wichtige Entwicklungen zur Förderung grüner Energiesysteme

Von Adam Kimmel für Mouser Electronics

Einleitung

Die UN-Klimakonferenz in Paris 2015 war ein wichtiger Schritt für die weltweite Bekämpfung des Klimawandels. Im Rahmen dieser Konferenz wurden die Verpflichtungen der Länder im sogenannten Pariser Abkommen festgehalten, in dem sich die Länder verpflichtet haben, den globalen Temperaturanstieg bis zum Jahr 2100 auf unter 2 °C (Ziel 1,5 °C) zu begrenzen. Um dieses Ziel zu erreichen, streben die teilnehmenden Länder bis 2050 eine klimaneutrale Welt an.

Die gute Nachricht für globale Volkswirtschaften ist, dass grüne bzw. erneuerbare Energien nicht nur eine effektive Maßnahme zur Bekämpfung des Klimawandels darstellen. Sie bieten gleichzeitig auch eine Marktchance, die bis 2030 voraussichtlich 2 Billionen Dollar erreichen wird. Dieser Artikel gibt einen Überblick über den aktuellen Stand und die jüngsten technischen Entwicklungen im Bereich der grünen Energie.

Schon heute sind erneuerbare Energien für einen bedeutenden Teil der weltweiten Energieerzeugung verantwortlich. Wasserkraft nimmt dabei den ersten Platz ein, doch auch Windenergie und Solarenergie holen schnell auf. Abbildung 1 zeigt die weltweite Energieerzeugung im Jahr 2021. Sie verdeutlicht, wie Wind- und Solarenergie gegenüber Wasserkraft in den letzten Jahren aufgeholt haben.

Abbildung 1: Moderne erneuerbare Energieerzeugung nach Quellen, Welt 2021. (Quelle: Hannah Ritchie, Max Roser und Pablo Rosado (2022) – „Energy“. Online veröffentlicht auf OurWorldInData.org. Abgerufen von: https://ourworldindata.org/energy)

Solarenergie

Auf dem Gebiet der Solarenergie und Photovoltaik (PV) wurden bedeutende Innovationen verzeichnet. Allerdings gibt es bei der Umsetzung Hindernisse in folgenden Bereichen:

• Die erforderliche Landfläche für die Energieinfrastruktur
• Kosten für Ausrüstung und Installation
• Wechselrichter und Leistungsumwandler
• Technologie zur Integration in das Stromnetz
• Ästhetische Gesichtspunkte in Verbindung mit der großflächigen Installation von Solarmodulen auf den Dächern von Privathäusern oder auf landwirtschaftlichen Flächen

Um die Verpflichtungen des Pariser Abkommens einzuhalten, ist es wichtig, den Anteil der Solarenergie zu erhöhen und den Ausbau zu beschleunigen. Daher haben verschiedene Länder bereits begonnen, die Installation von Solarmodulen gesetzlich vorzuschreiben und den Bürgern damit die Entscheidung abzunehmen. So schreibt etwa Tokio die Installation von Solarzellen auf allen neuen Häusern vor, die ab 2025 gebaut werden.

Solarzellen und integrierte Photovoltaikanlagen
Zwei wesentliche Nachteile der Solarenergie sind ihre Unbeständigkeit und Ineffizienz. Strom aus natürlichen Quellen ist naturgemäß weniger effizient und zuverlässig als hochgradig verarbeitete Energie. So haben kommerzielle Solarzellen beispielsweise nur einen Wirkungsgrad von 15–20 Prozent, wobei die theoretische Obergrenze für ein einzelnes Material bei rund 30 Prozent liegt. Diese Grenzwerte werden vor allem durch Verluste bei der Energieumwandlung und die Streuung des Sonnenlichts vor dem Auftreffen auf die Oberfläche der Sonnenkollektoren bestimmt.

Ingenieure integrieren Photovoltaikanlagen, wo immer dies möglich ist, um damit die Gesamtleistung des ineffizienten Prozesses zu erhöhen. Die höchste Leistungsfähigkeit erzielen Solarzellen auf nach Süden ausgerichteten Flächen ohne Schatten. Um einen maximalen Ertrag zu erzielen, können Systemdesigner daher die Anzahl der Solarpaneele optimieren. Außerdem bietet die große Grundfläche von Solarmodulanlagen einen zusätzlichen Nutzen. Dazu gehören etwa die Beschattung von Parkplätzen durch Solaranlagen oder die Nutzung hoher Gebäude, deren Flachdächer für die Menschen am Boden nicht einsehbar sind.

Offshore-Solarparks
Da der Platz für die Solarenergie von entscheidender Bedeutung ist, besteht ein weiterer neuer Trend darin, Solarenergiesysteme auf dem offenen Meer zu installieren. Mit ihren riesigen Flächen bieten unsere Meere natürliche Vorteile für schwimmende Offshore-PV-Anlagen, die auch als „Floatovoltaik“ bezeichnet werden. Zu diesen Vorteilen gehören die flüssigkeitsgekühlte Integration mit Meerwasser und eine zusätzliche Energiequelle durch das Wasser, das die Sonnenstrahlen auf die Solarpaneele reflektiert. Außerdem hat die Flüssigkeitskühlung einen deutlich höheren Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung als luftgekühlte Systeme. So lässt sich die Größe der Komponenten bei einer vergleichbaren Menge an Energieerzeugung reduzieren.

Solarenergie für die Landwirtschaft
Wie Floatovoltaik nutzt auch Agrovoltaik (auch Agrophotovoltaik genannt) große Flächen für die Installation von PV-Anlagen. Hierbei werden die Solarmodule auf landwirtschaftlichen Flächen aufgestellt und in die Nutzung der Ackerfläche integriert. Dieses Verfahren liefert beständige Energie auch an abgelegenen Standorten, die keinen direkten Zugang zum Stromnetz haben. Zudem dient es als Ergänzung zu dem für die Landwirtschaft bereitgestellten Netzstrom. Die Stromerzeugung auf Flächen, die bereits rentabel bewirtschaftet werden, erhöht deren Wert, und die Paneele können die Bodentemperaturen und die Verdunstung verringern, was den Ertrag des Ackerlandes erhöht.

Konzentrierte Solarenergie (CSP)
Eine andere Möglichkeit, die natürliche Ineffizienz der Solarenergie abzumildern, besteht darin, die erneuerbare Energie mithilfe von Spiegeln oder Linsen der konzentrierten Solarenergie (Concentrated Solar Power, CSP) auf einer kleinen Fläche zu sammeln und sie dann in Wärmeenergie für den bedarfsgerechten Einsatz umzuwandeln. Die Umwandlung von thermischer in elektrische Energie ähnelt der Funktionsweise von Stirlingmotoren und Dampfturbinen. Weitere Faktoren, die CSP ermöglichen, sind der Zugang zu Hochspannungsleitungen, eine ausreichende Anbaufläche und hochwertiges Sonnenlicht (wie im Südwesten der USA).

Innovation bei PV-Materialien
Kommerzielle PV-Anlagen, die aus einem einzigen Material bestehen, haben einen sehr niedrigen Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent. Zur Überwindung dieser Grenze gibt es jedoch bedeutende Fortschritte im Bereich der Materialien. So erhöht bereits die Verringerung der Materialstärke der PV-Zellen die physische Flexibilität der Materialien, senkt die Kosten und verbessert dank eines geringeren Materialverbrauchs auch das Nachhaltigkeitsprofil. Außerdem verringern dünnere Solarzellen Leitungsverluste über die Materialdicke (Erwärmung von dickerem Material), was wiederum die Energieumwandlungseffizienz erhöht.

Um die theoretische Grenze im Bereich von 30 Prozent zu überwinden, besteht ein weiterer Fortschritt in der Verwendung von PV-Materialien und Beschichtungen auf Basis von Bismut (Bi). Das führende Beschichtungsmaterial ist Perowskit, das die theoretische Wirkungsgradgrenze auf 43 Prozent anhebt, indem es die Wellenlängenabsorption des Sonnenspektrums erweitert, was wiederum die Menge der verfügbaren Quellenenergie erhöht. Die Haltbarkeit der Perowskite bleibt jedoch eine offene Frage, die die Dauer der erhöhten Effizienz während der Lebensdauer der Solarzellen begrenzen könnte. Andere Folien und Beschichtungen haben eine Effizienzsteigerung von 5–10 Prozent gezeigt, indem sie, ähnlich wie CSP-Anlagen, die Sonnenstrahlen einfangen und umleiten.

Windenergie und Wasserkraft

Technologische Fortschritte und eine zunehmende Marktakzeptanz haben erneuerbare Energien erschwinglicher gemacht. Doch obwohl der Bau neuer Wind- und Solaranlagen derzeit wirtschaftlicher ist als der von Kohle- oder Gaskraftwerken, dominieren fossile Brennstoffe im Vergleich zu erneuerbaren Energien noch immer den weltweiten Verbrauch.

Da die Nachfrage nach grüner Energie aufgrund globaler Nachhaltigkeitsverpflichtungen jedoch derzeit stark ansteigt, sinken auch die Kosten pro Einheit (kWh) von Wind- und Solarstromerzeugungskapazitäten – teilweise sogar unter den Preis pro Kilowattstunde für fossile Brennstoffe. Angesichts der uneingeschränkten globalen Nachfrage stellen erneuerbare Energien mit ihren niedrigeren Kapitalkosten und kWh-Preisen im Vergleich zu fossilen Energieträgern ein überzeugendes Geschäftsmodell dar.

Der größte Anteil an der erneuerbaren Energieerzeugung entfällt auf die Wasserkraft, die sich das Vorkommen von Wasser zunutze macht. Dabei wird die kinetische Energie des fließenden Wassers genutzt, das eine Turbine in Bewegung setzt, die wiederum einen gekoppelten Generator antreibt und so Strom erzeugt. Viele Innovationen im Bereich der Windenergie nutzen zudem die Integration von Meeresquellen.

Montage und Bau von Turbinen vor Ort
Aufgrund der enormen Größe von Windrädern gestaltet sich der Transport kompletter Windkraftanlagen sehr schwierig und stellt Logistikverantwortliche vor Herausforderungen. Daher entwerfen Ingenieure Turbinen für den Zusammenbau vor Ort und den Transport in Einzelteilen. Dies vereinfacht den Transport der Windräder und reduziert gleichzeitig die Zahl der Einzelteile. Dies wiederum ermöglicht eine Steigerung der Produktionsmengen der übrigen Teile, was die Wirtschaftlichkeit der Turbine durch Größenvorteile verbessert.

Aerodynamik der Rotorblätter und numerische Modellierung
Um die Effizienz der Windenergieerzeugung zu steigern, konzentrieren sich Ingenieure auf die Konstruktion der Rotorblätter. Dazu verwenden sie beispielsweise eine numerische 3D-Modellierung oder computergestützte Strömungsmechanik (CFD), mit der statische und dynamische Bedingungen analysiert werden, um das optimale Design vorherzusagen.

Digitale Zwillinge
Bei digitalen Zwillingen wird ein digitales Gegenstück eines physischen Teils nachgebildet. In diesen digitalen Zwilling fließen die Leistungsdaten des physischen Teils zur Modellkalibrierung ein. So können Designaktualisierungen schnell digital vorgenommen werden, bevor Hersteller einen neuen physischen Prototyp herstellen, was eine große Zeit- und Kostenersparnis darstellt.

Energy Harvesting
Das sogenannte Energy Harvesting macht sich die Tatsache zunutze, dass unterschiedliche Eigenschaften die Möglichkeit zur Energiegewinnung bieten. So werden beispielsweise viele Wassertanks für Wohngebäude erhöht aufgestellt, um einen gleichmäßigen Druck zu gewährleisten. Ingenieure haben daher Möglichkeiten entwickelt, um die natürlichen Unterschiede in der thermischen Energie, dem Salzgehalt und dem Gezeitendruck im Meer für die Wasserkraft zu nutzen.

Thermische Energieumwandlung im Meer und Gradient-Energiegewinnung
Von der Wasseroberfläche bis in Tiefen von Hunderten von Metern können die Wassertemperaturen stark schwanken. Meereswärmekraftwerke (OTEC) bringen unter Einsatz von warmem und kaltem Meerwasser eine Arbeitsflüssigkeit in einem Dampfkompressions-Kältekreislauf zum Verdampfen und Kondensieren. Je größer hierbei der Temperaturunterschied ist, desto höher sind Energieeffizienz und -ertrag. In ähnlicher Weise lässt sich auch durch osmotische und gezeitenbedingte Druckunterschiede Energie erzeugen, da der Ausgangszustand ein Gleichgewicht mit dem energieärmeren Zustand sucht.

Energiespeicherung und Netzintegration

Eine wichtige Quelle für Innovationen im Bereich der grünen Energie ist die Energiespeicherung. Erneuerbare Energien sind unbeständig. Durch Energiespeicherung kann der Nutzer oder das Versorgungsunternehmen bestimmen, wie die Schwankungen ausgeglichen werden sollen.

Batteriechemie
Mit zunehmender Elektrifizierung entwickelt sich auch die Batteriechemie ständig weiter. Technologien wie Lithium-Eisenphosphat (LFP), Natrium-Ionen und Festkörperbatterien sind in der Lage, die Leistungsdichte, die Lade-/Entladegeschwindigkeit und das Sicherheitsprofil zu verbessern.

Für die Langlebigkeit von Lösungen zur Elektrifizierung ist eine Verbesserung der Batteriechemie entscheidend. Da jedoch immer mehr Batterieprodukte für immer mehr Anwendungen entwickelt und eingesetzt werden, ist es ebenso wichtig, ihre Sicherheit zu gewährleisten. Das gilt besonders für Lithium-Ionen-Batterien, die anfällig für thermisches Durchgehen sind.

Produkt-Highlight: Analog Devices LTC6811 Multizellen-Batteriemonitor
Analog Devices hat ein robustes System entwickelt, das die Batterieüberwachung für ISO-26262-konforme Systeme löst: Der 12-Kanal-Multizellen-Batteriemonitor LTC6811 (Abbildung 2) kann bis zu 12 in Reihe geschaltete Batteriezellen mit einem maximalen Messfehler von 1,2 Millivolt (mV) messen. Mit einem Zellenmessbereich von 0 bis 5 V bietet der LTC6811 einen Messfehler von höchstens 1 % und kann alle Zellen des Systems in nur 290 µs messen. Außerdem verfügt der LTC6811 über eine isoSPI™-Schnittstelle für eine HF-immune Hochgeschwindigkeitskommunikation mit dem Host-Prozessor über große Entfernungen.

 
Abbildung 2: Analog Devices LTC6811 12-Kanal-Multizellen-Batteriemonitor. (Quelle: Mouser Electronics)

Der Monitor verfügt über einen passiven Abgleich und eine PWM-Duty-Cycle-Steuerung zur Leistungsregelung und Verlängerung der Lebensdauer für jede Zelle. Er kann direkt von der Batterie oder von einer externen Stromquelle betrieben werden und verfügt zudem über einen 16-Bit-Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler (ADC) mit einem programmierbaren Rauschfilter der dritten Ordnung. Diese Funktion ist wichtig, da das Rauschen eine der kritischen Messgrößen in elektrischen Systemen ist.

Seine Robustheit und breite Anwendbarkeit für verschiedene Batteriechemien und -systeme machen den LTC6811 unter anderem perfekt für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV) und Plug-in-Hybride (PHEV), Netzstromspeicher, Batterie-Backup-Systeme und leistungsstarke tragbare Geräte. Wenn eine Lösung eine Batterie mit dem angegebenen Ladezustand verwendet, kann der LTC6811-Monitor außerdem die Leistung der Batterie messen und anzeigen, wenn die Leistungskennzahlen abfallen, um einen drohenden Ausfall vorherzusagen.

Dezentrale Energiespeicherung und Mikronetze
Angesichts der Weiterentwicklung von Trends und Innovationen im Bereich Wind- und Solarenergie stellt die Integration dieser Energie in das Stromnetz die nächste entscheidende Hürde für die Energiewende dar. Wie bei Galliumnitrid- und Siliziumkarbid-Halbleitern ermöglicht auch die Netzelektronik die Kommunikation verschiedener Energieformen durch Energieintegration. Außerdem bietet diese Technologie die Möglichkeit der dezentralen Energiespeicherung in alternativen Energieformen.

Die Netzelektronik ermöglicht zudem den Betrieb sogenannter Mikronetze, auch Inselnetze oder Microgrids genannt. Hierbei handelt es sich um eine lokal abgegrenzte Ansammlung von Stromquellen, die, ähnlich wie Generatoren, unabhängig funktionieren oder in das Netz integriert werden können. Auf diese Weise lassen sich alle erneuerbaren Energiequellen additiv nutzen: Sie ergänzen die primäre Netzstromversorgung oder stärken die Widerstandsfähigkeit bei Stromausfällen und erhöhen damit die Effizienz der Stromnutzung. Für abgelegene Mikronetze ohne Zugang zum primären Stromnetz sind Batteriemonitore wie der LTC6811 daher von entscheidender Bedeutung, um die Leistung sicherzustellen.

Mikrocontroller
Mikrocontroller geben Betreibern die Kontrolle über die Verteilung der erneuerbaren Energie. Durch die Integration dieser Controller mit KI-gesteuerten intelligenten Systemen lässt sich die Energiebilanz für optimale Effizienz automatisieren und an einen veränderten Energiebedarf oder Spitzenlastzeiten anpassen. Außerdem können sich die Controller an Spannungsschwankungen anpassen, die durch Stromunterbrechungen verursacht werden, und diese Abweichungen direkt in der Anwendung korrigieren.

Vehicle to Grid (V2G)
Eine der wichtigsten Veränderungen, die die Entwicklung der Elektrifizierung mit sich gebracht hat, ist die Art und Weise, wie Ingenieure über Energie denken. Sie handhaben Energie nämlich zunehmend wie eine Flüssigkeit, die je nach Bedarf hin und her fließen kann. Der Zugang zu grüner Energie (bzw. der fehlende Zugang) stellt im Hinblick auf eine breite Akzeptanz jedoch auch nach Erreichen der Kostenparität eine große Herausforderung dar.

Vor diesem Hintergrund könnte die Verbreitung von Elektrofahrzeugen das Zugangsproblem lösen, denn diese Fahrzeuge können als mobile Batterien fungieren oder eine bidirektionale Verbindung zwischen dem Fahrzeug und dem Stromnetz herstellen. Das ist vor allem für abgelegene Gegenden von Vorteil, die nicht an das Stromnetz angeschlossen sind, da sie bei einem Überschuss an gespeicherter Energie ihre Stromversorgung auf diese Weise sichern können. Die V2G-Technik kann also nicht nur den Strombedarf und die Schwankungen des bestehenden Stromnetzes verringern, sondern ist zudem ein Argument für das Geschäftsmodell von Lkw der US-Klasse 8 (Straßenfahrzeuge, schwere Lkw). Das macht V2G zu einem bedeutenden Wegbereiter für grüne Energie.

Fazit

Trotz der umfassenden Entwicklungen und Trends im Bereich der grünen Energie bestehen die größten Herausforderungen im Hinblick auf eine breite Akzeptanz nach wie vor in der Unterbrechung der Stromversorgung und der Ineffizienz. Um diese Hürden zu überwinden, nutzen neue Entwicklungen die Vorteile der Dezentralisierung, um ein Zwischenspeichersystem hinzuzufügen und die Strombereitstellung auf die letzte Stufe zu verlagern. Ergänzend dazu nutzen Ingenieure die vorhandenen Eigenschaften der natürlichen Energie, um ihre Effektivität weiter zu erhöhen.

Wie schnell und effektiv sich grüne Energie durchsetzen wird, hängt von der Art und Weise ab, wie diese Innovationen in das bestehende Stromnetz integriert werden.