Technologie: Die Zukunft der Energie vorantreiben

May 19, 2023

Tief im Kern der Sonne kollidieren zwei Protonen von Wasserstoffatomen heftig. Unter enormem Druck verschmelzen sie miteinander und setzen in einem Prozess, der als Kernfusion bezeichnet wird, große Energiemengen frei. Mit Lichtgeschwindigkeit gelangt ein Teil dieser Sonnenenergie zur Erde, wo sie unseren Planeten mit Energie versorgt. Vom Wasserkocher bis zum Auto stammt fast die gesamte Energie, auf die wir angewiesen sind, von der Sonne: Fossile Brennstoffe waren einst Pflanzen, die durch Photosynthese mit Energie versorgt wurden; Sonnenkollektoren absorbieren Sonnenlicht und wandeln es in Elektrizität um; Sogar Windparks und Wasserkraftwerke sind auf die Energie der Sonne angewiesen, um Land und Meer zu erwärmen und so Wind- und Regenflüsse zu erzeugen, die ihre Turbinen antreiben. Um unser zunehmend elektrifiziertes Leben mit Strom zu versorgen, können wir auf eine Fülle sauberer und erneuerbarer Energiequellen zurückgreifen. Und die Technologie ist auf dem neuesten Stand, diese erneuerbare Energie effizienter zu nutzen.

Sonnenkollektoren gehören zu den am weitesten verbreiteten erneuerbaren Energien und erzeugen bereits mehr als 3,5 Prozent des weltweiten Stroms. Aber es gibt Raum für Verbesserungen: Die Einfangung von nur einer Stunde des weltweiten Sonnenlichts würde den Planeten ein Jahr lang mit Energie versorgen. Es werden nicht nur mehr Solarmodule installiert, sondern die Technologie findet auch Wege, sie effizienter zu machen. Durch die Platzierung sechseckiger Linsen in der Schutzglasbeschichtung eines Panels kann beispielsweise das einfallende Licht konzentriert werden, um eine Effizienzrate von etwa 30 Prozent zu erreichen, verglichen mit einem Industriestandard von 15 bis 22 Prozent. Durch das Anbringen dünner Siliziumschichten auf beiden Seiten einer Solarzelle erhöht sich deren Wirkungsgrad auf rund 25 Prozent.

Doch für Silizium, einen der energieintensivsten Bestandteile herkömmlicher Solarmodule, hat die Wissenschaft eine Alternative mit Perowskit-Kristallen entwickelt. Diese können sowohl transparent als auch flexibel gestaltet werden, was die Verwendung von photovoltaischen Baumaterialien wie Fenstern und Dachziegeln und sogar tragbaren Stoffen ermöglicht. Ein weiterer großer Fortschritt war die PERC-Technologie (Passivated Emitter Rear Cell), die nicht absorbiertes Licht zurück in die Solarzelle reflektiert, um dort eine zweite Chance zur Umwandlung in Elektrizität zu erhalten. PERC ermöglicht auch die Bifazialität von Solarmodulen, die das Sonnenlicht auf beiden Seiten einfangen, wobei die Sonnennachführungstechnologie das Panel bewegt, um eine maximale Belichtung zu gewährleisten.

Zu den bekanntesten Formen erneuerbarer Energien gehört die Windkraft, wobei Windkraftanlagen sowohl in Landschaften als auch an Küsten immer häufiger vorkommen. Wind erzeugt bereits mehr als sechs Prozent des weltweiten Stroms, und es werden Technologien entwickelt, die Windkraftanlagen billiger, effizienter und leistungsstärker machen. Ein Hauptaugenmerk lag auf den Rotorblättern, die die kinetische Energie des Windes auffangen, wobei technologische Verbesserungen, einschließlich 3D-Druck, es ermöglichten, die Rotorblätter für eine höhere Effizienz länger und leichter zu bauen. Die Forschung hat dem Rotorblatt außerdem eine sanft gebogene Spitze hinzugefügt, die es ihm ermöglicht, selbst leichte Winde optimal zu nutzen, sowie intelligente Rotorblätter, die sich für Höchstleistungen an die Windströmung anpassen können.

Die Computermodellierung der komplexen Physik der Windströmung bestimmt nicht nur die besten Standorte für Windenergie, sondern auch die genaue Konfiguration der Windkraftanlagen, um den Wind zu maximieren, den sie einfangen, wenn er durch die Farm strömt. Es wurden sogar Windablenkturbinen entwickelt, die den auf den Turm treffenden Wind auf die Rotorblätter umlenken und so noch mehr Energie nutzen. Zu den künftigen Entwicklungen, die darüber hinaus erforscht werden, gehört auch die luftgestützte Windenergie, die wie ein Drachen funktioniert. Da kein Turm vorhanden ist, ist der Einsatz kostengünstiger und die Möglichkeit, größere Höhen zu erreichen, in denen der Wind oft stärker ist.

Der mit Abstand größte Erzeuger erneuerbarer Energie ist die Wasserkraft, wobei fließendes Wasser rund 17 Prozent des weltweiten Stroms erzeugt. Obwohl die Wasserkrafttechnologie auf mehr als ein Jahrhundert Erfahrung zurückblickt, werden immer noch Verbesserungen erzielt. Eine der größten Chancen bietet die Wasserkraft mit geringer Fallhöhe, die sogar aus einem sanften Gefälle Strom erzeugen kann. Die Entwicklung eines archimedischen hydrodynamischen Schneckensystems, bei dem das Wasser die Schnecke hinunterfließt und sie beim Absinken dreht, hat gezeigt, wie effektiv Wasserkraft mit geringer Fallhöhe für die großflächige, kleine Wasserkrafterzeugung eingesetzt werden kann.

Der Einsatz von Technologie zum Sammeln und Analysieren von Daten verbessert auch die Effizienz: Viele Wasserkraftwerke sind Jahrzehnte alt, sodass die Auswertung der Einzelheiten ihres Verfalls Probleme proaktiv verhindern kann. Darüber hinaus tragen Analysetools wie hydrologische Vorhersagen, saisonale Wassersystemanalysen, Day-Ahead-Planung und Echtzeitabläufe dazu bei, Wasserkraftwerke effizienter zu betreiben. Dies wird umso wichtiger, da der Klimawandel zu variableren und extremeren Wasserflüssen führt, für die High-Tech-Wettervorhersagen von entscheidender Bedeutung sein werden.

Mit all dieser Energie, die von der Sonne stammt, arbeiten Wissenschaftler daran, die Kernfusion der Sonne auf der Erde nachzuahmen. Lange Zeit als Science-Fiction-Thema betrachtet, ist die Realität der Kernfusion, die sichere und reichlich vorhandene Energie auf der Erde liefert, zunehmend eine Frage des „Wann“ und nicht des „Ob“. Ein Projekt, das die Machbarkeit der Kernfusion demonstrieren soll, ist ITER, der International Thermonuclear Experimental Reactor. Das ITER-Projekt stellt sich einer der größten technischen und technologischen Herausforderungen aller Zeiten und bringt Wissenschaftler aus der ganzen Welt zusammen, um die weltweit größte Maschine ihrer Art zu bauen, den ITER Tokamak. Hier werden Wasserstoffisotope auf 150 Millionen Grad Celsius erhitzt und theoretisch miteinander verschmelzen, um zehnmal mehr Energie freizusetzen, als sie aufnehmen. Bei mehr als einer Million Komponenten und 10 Millionen Teilen ist Technologie der Schlüssel zu einem Projekt dieser Größenordnung. Und das Technologiedienstleistungsunternehmen Capgemini arbeitet seit Jahren mit ITER zusammen.

Capgemini arbeitet mit Unternehmen und Organisationen zusammen, um ihre Aktivitäten durch die Nutzung der Leistungsfähigkeit der Technologie zu transformieren. In Zusammenarbeit mit ITER hat Capgemini durch die Kombination von Ingenieurs-, Technologie- und Projektmanagement-Know-how umfassende Unterstützung bei der Verwirklichung seiner Vision geleistet. Von der Unterstützung beim Bau technischer Gebäude bis hin zur Anwendung fortschrittlicher Ingenieurskompetenz, um sicherzustellen, dass die Visionen von Wissenschaftlern und Ingenieuren realisierbar sind – Capgemini arbeitet seit mehr als einem Jahrzehnt mit ITER zusammen, um dieses beispiellose Projekt zu verwirklichen. Außerdem wurden die Funktionen für einen digitalen Zwilling entwickelt – eine präzise digitale Kopie des geplanten Tokamak. Durch die Zusammenführung aller verfügbaren Daten, die allen Beteiligten zugänglich sind, ermöglicht der digitale Zwilling die Prüfung jedes Elements, die Simulation der Bauphasen und die Verbesserung des Entwurfs durch die Identifizierung und Lösung von Problemen. Durch die Bereitstellung aller Daten in einer einzigen, einheitlichen Quelle ermöglicht Capgemini ITER, fundiertere Entscheidungen zu treffen und die Gesamteffizienz und -leistung des Projekts zu verbessern. Die Vision besteht darin, dass der digitale Zwilling eine entscheidende Komponente bei der Umsetzung dieses Experiments für kommende Generationen sein soll.

Da die Welt versucht, ihre Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu beenden, sind die Verbesserungen bei Solar-, Wind- und Wasserkraft – zusammen mit dem Versprechen der Kernfusion – von entscheidender Bedeutung, um das Ziel der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung zu erreichen: erschwinglich, zuverlässig, nachhaltig und kostengünstig moderne Energie für alle. Wir haben die Fähigkeit, kohlenstofffreie Energie zu erzeugen: Die Sonne hat die Antwort geliefert – und Technologie hilft, diese zu erschließen.