Auf unserem Weg zur Elektrifizierung von allem

Unsere Gesellschaft erlebt einen konzertierten Vorstoß zur Elektrifizierung aller Dinge, im Rahmen eines umfassenderen Ziels, von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energiequellen umzusteigen. Die Elektrifizierung reicht von batteriebetriebenen Autos bis hin zur Ersetzung von Gasherden durch elektrische Kochfelder, unterstützt durch Aktualisierungen der Infrastruktur und intelligente Netztechnologien. Besonders erwähnenswert sind Geräte wie transistoren auf Basis von Siliziumkarbid (SiC), die effizientes Schalten ermöglichen, sowie Messgeräte, die intelligente Energienetze unterstützen.

Im Großen und Ganzen begann die Elektrifizierung von allem vor Jahrzehnten, mehr wegen der inhärenten Vorteile als aus Umweltbedenken. Die Rasenpflege war zum Beispiel einst eine grundsätzlich benzinbetriebene oder manuelle Angelegenheit. Heute können Verbraucher einen elektrischen Rasenmäher kaufen, den sie nie auftanken müssen und der viel leiser ist als sein Verbrennungspendant. Diese Technologie ermöglicht es uns, Elektrowerkzeuge ohne Stromanschluss zu verwenden, sowie noch fortgeschrittenere robotische Rasenmäher, die den Rasen für uns pflegen.

Im Falle des Smartphones könnte man argumentieren, dass die Elektrifizierung von allem eine Vereinigung von, wenn nicht allem, vielen Dingen ermöglicht. Dieses All-in-One-Paket umfasst eine Fotokamera, Videorecorder, Taschenrechner, GPS-Ortung und eine Bibliothek, wie es die Welt noch nie gesehen hat. Smartphones und miniaturisierte Computer im Allgemeinen beeinflussen fast jeden Aspekt unseres elektrifizierten Lebens.

Betrachten Sie diese Bereiche, in denen die Elektrifizierung ihren Einfluss ausweiten wird:

Heute sind in den USA etwa 4 Millionen Elektrofahrzeuge (EVs) unterwegs, eine Zahl, die bis 2030 voraussichtlich 33 Millionen erreichen wird. Wir haben auch die weitverbreitete Verbreitung von Elektrofahrrädern (E-Bikes) beobachtet, die in vielen Fällen eine effiziente Option für den persönlichen Transport bieten. Die US Energy Information Administration berichtet, dass im Jahr 2022 27 % des Primärenergieverbrauchs der USA auf den Transport entfielen. Eine weitere Elektrifizierung in diesem Bereich könnte einen großen Wandel im Verbrauch fossiler Brennstoffe darstellen.

Man kann sehen, dass die Elektrifizierung auch im öffentlichen Sektor Einzug hält, von elektrifizierten Bussen bis hin zu Hochgeschwindigkeitszügen, die mit Strom betrieben werden. Dies, zusammen mit der Verbreitung von E-Bikes, könnte helfen, den Verkehr zu entlasten und weniger Gesamtenergie pro Personenkilometer zu verbrauchen als herkömmliche Automobile. Als aktueller Erfolg im Zusammenhang mit der Elektrifizierung bedeutet unsere verstärkte Abhängigkeit vom Homeoffice eine verringerte Notwendigkeit, „vor Ort“ zu sein. Dies mag nicht streng als „elektrifizierter Transport“ klassifiziert werden, aber es eliminiert einen Großteil des Bedarfs an persönlicher Fortbewegung und hat somit denselben Effekt.

Das Gebäudemanagement soll in den kommenden Jahren zunehmend elektrifiziert werden, insbesondere die Gebäudeheizung. Traditionell erfolgt die Wärme durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe vor Ort zur direkten oder indirekten Beheizung eines Bereichs. Dies kann ein Kamin und ein Feuerplatz, ein mit Erdgas betriebenes Heizungssystem im Haus oder ein komplettes Gebäudekonzept mit einem Heizkörper-Setup unter Verwendung von Dampf sein.

Elektrische Wärmeeinbringung ist eine effiziente Alternative. Der grundlegende elektrische Heizvorgang besteht darin, Strom auf einen Widerstand anzuwenden, der überschüssige Energie in Form von Wärme abgibt. Was normalerweise eine Ineffizienz und ein Ärgernis ist (Hitze in Elektronik wie einem Computer, der Kühlung erfordert), ist das gewünschte Ergebnis. Gleichzeitig ist es in der Regel teurer, Elektrizität für direkte Widerstandsheizung zu nutzen, als Gas oder andere fossile Brennstoffe zu verbrennen.

Wie hier ausführlich besprochen, ist eine effizientere Option zur elektrischen Beheizung die Verwendung einer Wärmepumpe. Diese überträgt Wärme indirekt in ein Haus durch einen Kompressionszyklus und funktioniert in umgekehrter Weise wie eine Klimaanlage. Obwohl diese Heizmethode bei extrem niedrigen Außentemperaturen nicht ideal ist, kann sie in den meisten Klimazonen gut zur Gebäudeheizung eingesetzt werden.

Natürlich ist das Temperaturmanagement nicht der einzige Aspekt, um ein Gebäude in optimalem Zustand zu halten. Auch Brand- und Sicherheitssysteme sind wichtig, und die gesamte Wartung kann durch maschinelles Lernen und prädiktive Techniken unterstützt werden. Die Funktionalität der Benutzeroberfläche kann in der Regel über einen Standardcomputer oder ein Smartphone abgerufen werden, wodurch effiziente Mehrzweckgeräte für alles genutzt werden, anstatt spezielle Terminals zu verwenden.

Industrielle Heizungen sind eine bemerkenswerte Anwendung, bei der die Elektrifizierung vor denselben grundlegenden Herausforderungen steht wie in Gebäudeverwaltungsszenarien. Neue Technologien, die speziell auf die Industrie ausgerichtet sind, werden entwickelt, wie zum Beispiel Nachrüstsätze, die Gasbrenner effizient gegen elektrische Heizelemente austauschen können. Neben dem Wechsel von fossilen Brennstoffen zu elektrischen Heizungen werden Anstrengungen unternommen, bestehende Heizsysteme effizienter zu gestalten, was möglicherweise einige Energiebedarfe gänzlich reduzieren könnte.

Abgesehen von der Heizung können Industrien auch andere Energieineffizienzen bei Prozessen in Betracht ziehen, wie z.B. die Reduzierung der Nutzung von Druckluft oder den Wechsel zu LED-Beleuchtung anstelle von weniger effizienten Glühlampen. Solche Projekte können eine sofortige und leicht messbare Rendite bieten - ein Gewinn sowohl auf Unternehmensebene als auch für die Umwelt insgesamt.

Während die Elektrifizierung von allem ein nobles Ziel zu sein scheint, ist der Elefant im Raum die Tatsache, dass unsere Infrastruktur für die heutigen Bedürfnisse ausgelegt ist. Weitere Elektrifizierung bedeutet eine erhöhte Stromnachfrage und erfordert eine robuste und flexible Versorgung. Ein innovatives Konzept ist ein „virtuelles Kraftwerk“, bei dem erneuerbare Ressourcen und Netzspeicherstellen zusammengeführt und sorgfältig verwaltet werden, um unterschiedliche Energiequellen richtig zu nutzen. Dieses Konzept erfordert Fähigkeiten wie bidirektionale Zählung und eine ausgeklügelte Steuerungsstruktur, um intelligente Energienetzkonzepte optimal funktionieren zu lassen.

Smart Grid-Komponenten wie siliziumkarbidbasierte Transistoren, hochwertige IGBTs und traditionellere Silizium-MOSFETs können ein Energiemanagement mit minimalen Verlusten zwischen Energiequellen und Energieverbrauchern ermöglichen (die je nach Situation ihre Rollen wechseln können). Strommesstechnologien werden entscheidend sein, um zu wissen, wann Elektrizität zu Ressourcen in einem intelligenten Stromnetz bereitgestellt oder von diesen bezogen werden soll und wie für diese wechselnden Situationen abgerechnet werden kann.

Während die Prozessheizung definitiv eine verkabelte Angelegenheit ist, sind viele elektrisierte „Dinge“ tragbar und benötigen daher eigenständige Stromversorgungen (Batterien). Relativ neue Fortschritte in der Batterietechnologie – insbesondere Lithium-Ionen- (Li-Ionen) und Lithium-Polymer- (Li-Po) Technologien – machen tragbare Geräte wie Elektroautos und Smartphones möglich.

Aus Sicht tragbarer Geräte ist mit einer Weiterentwicklung der Li-Po/Li-Ionen-Akkutechnologie zu rechnen, zusammen mit der zugehörigen Fertigungsinfrastruktur, um mehr Zellproduktion zu ermöglichen. Gleichzeitig hat die aktuelle Akkutechnologie ihre Einschränkungen. Es ist möglich, dass in naher Zukunft ein grundsätzlich neues Batterieparadigma die Oberhand gewinnt. Wie hier erkundet, experimentieren Forscher mit Graphen für die Speicherung elektrischer Energie, was wesentlich schnellere Lade- und Entladezyklen ermöglichen könnte, als dies derzeit möglich ist.

Das Tempo und die Methodik der Elektrifizierung sind eine offene Frage. Abgesehen von massiven unvorhergesehenen Umständen ist der Trend sicherlich mehr Elektrifizierung. Weitere Rechenleistung am Rand und in der Cloud über IoT-Geräte wird dies aus infrastruktureller Sicht vorantreiben, zusammen mit Fortschritten in SiC und anderen verwandten Technologien.

Wie die Elektrifizierung sich in den kommenden Jahrzehnten auch entwickeln mag, könnte sie, ähnlich der Verbreitung von Smartphones, unbemerkt bleiben, ohne bewusste Überlegungen. An einem bestimmten Punkt werden diese Elektroautos, E-Bikes und andere neu elektrifizierte Technologien auf uns zukommen, stillschweigend akzeptiert und (hoffentlich) unsere Welt zu einem besseren Ort machen. Andererseits sind weitere Anstrengungen erforderlich, um diese Technologien realisierbar zu machen und die Smart-Grid-Infrastruktur-Upgrades umzusetzen, die unsere weiter elektrifizierte Welt antreiben werden.