Wie Digitalisierung ein Booster für erneuerbare Energie wird

Die Digitalisierung ist einer der grössten Treiber für den globalen Übergang zu erneuerbarer Energie. Internet der Dinge IoT, Künstliche Intelligenz KI, Robotik, Clouds und Netzwerke treiben die Energiewertschöpfungskette von der Energieerzeugung über das Asset Management bis zur intelligenten Verteilung voran. Digitale Technologien werden die Energiesysteme mit intelligenten Geräten und Anwendungen verbinden und die Energiesysteme intelligenter, effizienter, zuverlässiger und nachhaltiger machen.

Obwohl der Energiesektor bereits seit den 1970er Jahren digitale Technologien einsetzt, um das Netzmanagement und den Netzbetrieb zu erleichtern, die Entscheidungsfindung zu verbessern und Prozesse zu steuern und zu automatisieren, scheint es so, als sei der Energiesektor hinter die Entwicklung zurückgefallen und konnte das Tempo der digitalen Möglichkeiten bisher nicht aufholen. Allerdings sind die weltweiten Investitionen in digitale Technologien und Fähigkeiten in den letzten Jahren deutlich gestiegen, und der Trend scheint nicht aufzuhören. (Internationale Energieagentur, 2017).

Anlagenbetrieb & Wartung

Daten sind bereits allgegenwärtig. Kraftwerke wie Solar-, Wind- oder Wasserkraftwerke sammeln bereits riesige Mengen an Daten, zum Beispiel durch Sensoren, Kameras, Mikrofone oder von Menschen erstellte Daten. Diese Daten werden verwendet, um den Status eines Kraftwerks zu verstehen und die Zukunft zu simulieren, um Wartungspläne zu planen. Mit der vorausschauenden Wartung ist es möglich, die Effizienz und Langlebigkeit von Turbinen zu erhöhen. Bevor beispielsweise ein schwerer Schaden auftritt, wird ein Ingenieur über ein mögliches Problem informiert, um eine Inspektion im Voraus zu planen. Das bedeutet, dass eine Turbine heruntergefahren, inspiziert und, falls nötig, defekte Teile ausgetauscht werden können.

Nehmen wir das Beispiel einer Windkraftanlage. Kennt man die Wetterdaten, kann eine Windkraftanlage im Idealfall bei Windstille abgeschaltet werden, so dass der Park keine Produktionszeit verliert. Außerdem berechnen die intelligenten Systeme die Wahrscheinlichkeiten, welches Teil eventuell ausgetauscht werden muss, und die Techniker sind bei ihrer Ankunft bereits vorbereitet. Ein weiterer Aspekt der digitalen Technologien ist die Erhöhung der Sicherheit und Effektivität. Ohne Daten, Robotik oder Drohnen müsste ein Mensch vor Ort gehen und jede Windturbine und jedes Blatt manuell inspizieren. Diese Aufgabe ist sehr zeitaufwändig und kann hohe Kosten verursachen. Drohnen zum Beispiel sind eine günstige Alternative. Kombiniert mit Kameras und KI-Algorithmen können solche Systeme Probleme erkennen, ohne dass ein Mensch eingreifen oder die Windkraftanlagen abschalten muss. Das senkt die Kosten, erhöht die Sicherheit und verschafft einem Mitarbeiter Zeit für andere Aufgaben.

Intelligentes Stromnetz (Smart Grid)

Ein Smart Grid ist ein elektrisches Netz, das verschiedene Betriebs- und Energiemassnahmen umfasst, darunter intelligente Zähler, intelligente Geräte, erneuerbare Energiequellen und energieeffiziente Ressourcen. In der Vergangenheit floss die Energie nur in eine Richtung, von einer zentralen Energiequelle zum Verbraucher. Schon heute, in einigen Regionen möglich, fliesst die Energie in beide Richtungen. Die Verbraucher werden zu Prosumenten, und die Energieerzeugung ist nicht mehr nur zentral, sondern wird immer öfter dezentral. Photovoltaik wird immer günstiger und damit auch für den Endverbraucher, vom Konzern bis zum Einfamilienhaus, gewinnbringend. Ein Smart Grid ist ein Enabler für die zunehmende Anzahl kleinerer und dezentraler erneuerbarer Energiequellen.

Intelligenter Energiehandel

Je mehr Daten vorhanden sind, desto besser kann ein automatisiertes Handelssystem arbeiten. Das gilt für die meisten Anwendungen von KI. Je mehr Daten, desto besser. Energieversorger wissen zum Beispiel bereits, wie viel Energie ein Kunde wann verbraucht. Mit intelligenten Algorithmen kann der Energieverbrauch in Abhängigkeit von Tag, Wetter und historischen Daten prognostiziert werden, Vorschläge für Kaufstrategien werden gemacht und den Kunden angeboten oder automatisch ausgeführt. Mit der Zunahme von intelligenten Zählern und mehr Daten werden solche Systeme in der Lage sein, automatisch im Namen eines Kunden zu handeln, um Risiko und Aufwand zu reduzieren.

Die Zukunft

Digitale Technologien haben bereits einen erheblichen Einfluss auf den Übergang zu einer nachhaltigen Energiezukunft. Aber die wahre Transformation kommt mit der Konvergenz von digitalen Technologien und Anwendungen. Wie oben gesehen, gibt es bereits Systeme, die meist für ein Ziel zuständig sind. Die Kombination solcher Systeme zu einem System von Systemen kann jedoch den Übergang zu einer nachhaltigen Energiezukunft massiv beschleunigen. In einem solchen System ist jedes Gerät, das Energie verbraucht oder produziert, intelligent. Das bedeutet, dass jedes Gerät genau weiss, wie viel Energie es produziert oder wie viel es verbraucht und wann.

Nehmen wir ein Elektrofahrzeug (EV) als Beispiel. Das EV weiss, wann es benutzt wird, weil es Zugriff auf den Kalender hat und Prognosen auf Basis historischer Daten erstellt. Diese Informationen können mit dem intelligenten Stromnetz geteilt werden, um zu planen, wann das Auto aufgeladen werden muss und sogar wie viel, um das Ziel zu erreichen. Wenn es nicht in Gebrauch ist, kann das EV überproduzierte Energie speichern und bei Bedarf wieder an das Netz abgeben. Stellen Sie sich nun vor, was mit Millionen von E-Fahrzeugen und damit Millionen von Batterien möglich ist. Aber EVs sind nicht das einzige intelligente Gerät in einem solchen System. Auch Kühlschränke könnten zur Speicherung und Abgabe von Energie genutzt werden. Mit solchen intelligenten Systemen wird ein Netzwerk von Energiespeichersystemen aufgebaut, und es könnte bedeuten, dass überhaupt keine grossen Batterien mehr benötigt werden. In einem solchen hyper-vernetzten und intelligenten System von Systemen könnte eine dezentrale Energieerzeugung Realität werden. Ein hyperoptimiertes Energiesystem könnte auch bedeuten, dass weniger Energiequellen benötigt werden, und Energie könnte “kostenlos” werden – ein nachhaltiges Gut für alle.

Energieernte

In der Zukunft wird Energie von fast allem und jedem geerntet werden, in Gebäuden, Mobilitätsstationen, zu Hause. Energie wird produziert, während man geht, sitzt oder sogar schläft. Kleine Mengen elektrischer Energie aus Quellen wie der Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen für mobile Geräte mit geringer Leistung können durch Energy Harvesting gewonnen werden. Die verwendeten Strukturen werden auch als Nanogeneratoren bezeichnet. In drahtlosen Technologien vermeidet Energy Harvesting die Einschränkungen von kabelgebundenen Stromversorgungen oder Batterien.

Generativer Entwurf

KI und Algorithmen sind nicht nur dazu geeignet, aus Daten etwas herauszufinden oder Prozesse zu optimieren. KI wird ein Game-Changer für unsere Gesellschaft und damit auch für die Zukunft der Energie sein. Zurück zu den Windkraftanlagen, die wir anfangs erforscht haben. Was wäre, wenn KI neuartige Produkte und Designs entwickeln würde, um Energie aus Wind zu gewinnen? Designs, die wir Menschen niemals entwerfen könnten. Ein Algorithmus kann Millionen oder Milliarden von Designs untersuchen und ihre Effizienz verbessern und so viel bessere Produkte für einen bestimmten Zweck schaffen. Und mit Technologien wie 3D- oder 4D-Druck können solche neuen, noch komplexeren Produkte viel billiger als je zuvor gebaut werden.

Fusion Energie

KI, die wohl exponentiellste digitale Technologie, könnte auch die Entwicklung von sicherer, sauberer und praktisch grenzenloser Fusionsenergie beschleunigen. Die Steuerung von Fusionsreaktionen ist eine hochkomplexe Aufgabe mit Tausenden von Variablen, die ständig neu eingestellt werden müssen. KI könnte die eine Technologie sein, die diese hohe Komplexität beherrscht und der Menschheit eine neue saubere und hochtechnologische Energiequelle bietet.

Fazit

Dieser Artikel ist keineswegs ein vollständiges Bild. Dennoch gibt er einen Überblick darüber, wozu die Digitalisierung und digitale Technologien in der Lage sein könnten. Digitale Technologien sind mächtig. Aber die wahre Macht liegt in der Konvergenz mehrerer Technologien, die in einem vernetzten System von Systemen und Funktionen als ein intelligentes System verbunden sind. Um solche komplexen Systeme zu steuern, sind Technologien wie KI unerlässlich. Die Digitalisierung und digitale Technologien haben das Potenzial für eine nachhaltige Transformation, um der Menschheit den Übergang zu nachhaltiger, kostenloser Energie für alle zu ermöglichen. Zukünftige Technologien und Systeme könnten für neugierige und zukunftsorientierte Geister auch unser Zivilisationsniveau erhöhen und uns zu einer Typ-1-Zivilisation machen. Die Menschheit wird unserem Heimatplaneten und unserem Nachbarstern die gesamte verfügbare Energie entziehen.


Referenzen

  1. Internationale Energieagentur. (2017). Together Secure Sustainable Digitalization & Energy. https://iea.blob.core.windows.net/assets/b1e6600c-4e40-4d9c-809d-1d1724c763d5/DigitalizationandEnergy3.pdf

AUTOR/AUTORIN: Damir Kusar

Damir Kusar hat einen Bachelor-Abschluss in Informatik und studiert derzeit im Master Digital Business Administration an der BFH Wirtschaft. Er arbeitet als Manager im Bereich Innovation und digitale Transformation beim Energieunternehmen Axpo und forscht im Bereich Digitalisierung, Innovation und Transformation.

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