Die Übertragung von elektrischer Energie ist ein zentrales Element im Gesamtsystem der Energieversorgung: Seit der Entdeckung der Elektrizität wurden kontinuierlich Technologien entwickelt und weiterentwickelt, um Energie effizienter, sicherer und über größere Entfernungen hinweg zu übertragen. Und mit dem wachsenden Bedarf an erneuerbaren Energien und der fortwährenden Urbanisierung ist die Notwendigkeit innovativer Technologien in der Energieübertragung insbesondere in den letzten Jahren weiter gestiegen. Es müssen beispielsweise größere Distanzen möglichst verlustfrei überwunden werden oder Stromnetze und deren Energieverteilung intelligenter verwaltet werden. Der folgende Artikel liefert einen Überblick über technologische Durchbrüche und Innovationen, von Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) über intelligente Stromnetze bis hin zu quantenmechanischer Energieübertragung.
Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ)
Die Hochspannungs-Gleichstromübertragung, oft einfach als HGÜ bezeichnet, ist eine Technologie zur Übertragung von elektrischer Energie über große Entfernungen mit Hilfe von Gleichstrom (DC). Sie gewinnt immer mehr an Bedeutung. Im Vergleich zur herkömmlichen Wechselstromübertragung (AC) bietet die HGÜ geringere Übertragungsverluste und ist somit effizienter. Allerdings benötigt sie, zum Erhalt der Kompatibilität mit dem auf Wechselstrom basierenden Netz, eine komplexere und damit auch teurere Infrastruktur an jenen Schnittstellen, an denen Gleichstrom zu Wechselstrom gewandelt wird und umgekehrt. Andererseits ist es dadurch auch kein Problem, Netze unterschiedlicher Art zu verbinden (beispielsweise 50 Hz Netze mit 60 Hz Netzen).
Einige der Hauptvorteile der HGÜ sind:
- geringere Übertragungsverluste, besonders über sehr weite Distanzen hinweg
- Fähigkeit, Netzwerke mit unterschiedlichen Frequenzen oder asynchronen Netzen zu verbinden
- bessere Kontrolle über den übertragenen Stromfluss
Aufgrund dieser Vorteile wird die HGÜ häufig für die Übertragung von Energie aus abgelegenen Energiequellen, wie z.B. Offshore-Windparks, in dicht besiedelte städtische Gebiete verwendet. Aber auch Überland oder interkontinentale Ansätze sind in vielen Projekten angedacht.
Drahtlose Energieübertragung
Ein weiterer zukunftsträchtiger Ansatz ist die drahtlose Energieübertragung. Diese Technologie ermöglicht es, Energie ohne physische Verbindungen, wie Kabel oder Drähte, zu übertragen. Dies geschieht in der Regel durch elektromagnetische Felder oder Wellen, zum Beispiel durch Mikrowellen oder gerichtetes Licht bzw. Laser. Zu den wichtigsten Vorteilen dieser Variante zählen die Flexibilität, da keine physischen Verbindungen notwendig sind, sowie der Komfort, der das Aufladen von Geräten ohne den Gebrauch von Steckdosen oder Kabeln ermöglicht. Zudem bietet sie das Potential für neue Anwendungsgebiete, wie beispielsweise das Aufladen von Elektrofahrzeugen während der Fahrt oder die „solare Eroberung“ des Weltalls bzw. die Energieübertragung von hypothetischen Solarkraftwerken zur Erde.
Intelligente Netztechnologie
Die Entwicklung von Smart Grids oder intelligenten Stromnetzen wird die Art und Weise revolutionieren, wie wir Energie übertragen, verteilen und nutzen. Durch den Einsatz von Sensoren, fortschrittlichen Kommunikationsnetzwerken und automatisierten Systemen können Smart Grids die Energieübertragung effizienter, zuverlässiger und anpassungsfähiger machen, beispielsweise indem sich der Strombedarf in Echtzeit an die Nachfrage bindet und die entsprechenden Energiepuffer im Netz drastisch verringert werden können.
AIoT
AIoT ist eine Kombination aus Artificial Intelligence (AI), also künstlicher Intelligenz, und dem Internet der Dinge (IoT). Der Grundgedanke ist, dass mit dem Fortschritt bei Smart Cities, Smart Transportation und Smart Homes früher oder später Milliarden von IoT-Geräten in Verwendung sein werden. Dies ist insofern problematisch, weil durch diesen Informationsfluss jeder Datenserver überfordert sein wird. Und hier kommt künstliche Intelligenz ins Spiel: Große Datenmengen werden vereinfacht. AI-Systeme schaffen Verarbeitungskreisläufe, die in der Lage sind, Daten von einer Vielzahl an Sensoren zu sammeln, zu analysieren und zu verarbeiten. Sie nehmen also durch maschinelles Lernen Einsicht in die Daten, erkennen selbstständig Muster, können Vorhersagen treffen und entsprechende Maßnahmen ergreifen. Dadurch wird eine verbesserte Skalierbarkeit und ein geringerer Datenverkehr ohne Überlastung erreicht. Außerdem werden schnellere Reaktionszeiten und eine verbesserte Fehlertoleranz gewährleistet. Zur Schlüsselkomponente eines solchen Systems werden AIoT-Stromversorgungen mit digitalen PM-Bus-Schnittstellen. Der PM-Bus ist eine Erweiterung des I²C-Protokolls (Inter-Integrated Circuit). Dieses wird für die die On-Board-Kommunikation zwischen digitalen ICs verwendet.
Quantenmechanische Energieübertragung
Quantenmechanische Energieübertragung (QET) ist ein Verfahren, bei dem Energie von einem quantenmechanischen System auf ein anderes übertragen wird. Durch die Phänomene der Verschränkung, des Tunnelns oder der Quantenkohärenz ist zumindest im atomaren Maßstab eine Teilchen- bzw. Energieübertragung möglich. Aktuelle Forschungsergebnisse zu QET konzentrieren sich auf die Verbesserung der Effizienz und Reichweite der Energieübertragung. Ein Ziel ist es, QET für die Übertragung von Energie über große Entfernungen zu nutzen. Ein Forschungsteam um die Physikerin Jennifer Koch von der Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau hat darüber hinaus einen Motor mit quantenmechanischem Antrieb entwickelt. Sie setzen dabei auf ein quantenmechanisches Phänomen statt auf Strom oder Kraftstoff.