Pictures of the Future

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1 Pictures of the Future Die Zeitschrift für Forschung und Innovation Frühjahr Lösungen für die Welt von morgen Das neue Stromzeitalter Elektrischer Strom wird zum universellen Energieträger Grenzenlose Forschung Wie Innovationen im internationalen Verbund entstehen Vernetzte Intelligenz Wie man nützliches Wissen aus einem Universum an Daten erntet

2 Pictures of the Future Editorial Pictures of the Future Inhalt Mission Zukunft Dr. Ulrich Eberl ist Leiter der weltweiten Innovationskommunikation von Siemens sowie Gründer, Chefredakteur und zusammen mit dem leitenden Redakteur der englischen Ausgabe, Arthur F. Pease Herausgeber von Pictures of the Future. Vor zehn Jahren, am Beginn des neuen Jahrtausends, erschien die erste Ausgabe der Siemens-Zeitschrift Pictures of the Future. Seitdem haben unsere Autoren in über 1000 Ar tikeln untersucht, welche Trends und Technolo gien die Welt von morgen prägen werden. Dabei war es uns immer wichtig, nicht nur die Sicht weise von Siemens zu vermitteln, sondern über den eigenen Horizont hinauszublicken und das gesellschaftliche und wirtschaftliche Umfeld zu berücksichtigen. Denn die technische Machbarkeit ist nur einer der Faktoren, die den Erfolg von Innovationen bestimmen die Wünsche der Kunden, soziale oder politische Entwicklungen, die Auswirkungen auf die Umwelt, die Optimie rung der Fertigungsprozesse oder die Zusammen arbeit in den globalen Netzwerken von Partnern, Zulieferern und Vertriebsstrukturen haben einen mindestens ebenso starken Einfluss. Die Erde ist klein geworden seit Längst geht es bei der Globalisierung nicht mehr nur um weltumspannende Finanz- oder Handelsströme. Länder wie China, Indien, Russland oder Brasilien sind inzwischen weit mehr als Roh stofflieferanten, Fabrikstandorte oder Dienst leister allein diese vier Länder werden nach Schätzungen von Experten bis 2020 die Hälfte des weltweiten Wirtschaftswachstum auf sich vereinen. Und mehr noch: Sie werden auch zu hoch attraktiven Forschungsstandorten. In Indien werden Dutzende neuer Universitä ten gegründet, in Russland entsteht eine internationale Forschungsstadt (S.74), und China hat heute so viele Studienanfänger wie die EU, USA und Japan zusammen (S.68). Binnen zehn Jahren hat sich die Zahl der chinesischen Patentanmeldungen versechsfacht. Wie in dieser stark vernetzten, globalen Welt effektiv Forschung betrieben werden kann, welche Rolle dabei die neuen sozialen Netzwerke spielen und wie sich Produkte entwickeln lassen, die perfekt auf die wachsenden Bedürfnisse von Schwellen- und Entwicklungsländern maßgeschneidert sind dies beschreiben wir im Schwerpunkt Grenzen - lose Forschung in diesem Heft von Pictures of the Future (S.44-77). Vieles von dem, was seit 2001 geschehen ist, hatte kaum ein Zukunftsforscher vorhergesagt. Die Menschheit musste erleben, dass Terroristen ganze Staaten angreifen können und dass auch durch Hackerattacken wesentliche Einrichtungen empfindlich getroffen werden können. Zum Schutz der Infrastrukturen müssen neue Sicherheitslösungen entwickelt werden (S.91, 105). Gleiches gilt für Naturkatastrophen, denn Erdbeben, Tsunamis, Vulkanausbrüche, Hurrikans, Hitzewellen und Überschwemmungen kosteten viele Tausende von Menschenleben. Auch zwei gravierende wirtschaftliche Einbrüche, das Platzen der Dotcom-Blase und die jüngste Weltwirtschaftskrise, fallen in dieses Jahrzehnt. Sie zeigen, dass die Risiken des weltweiten Finanzsystems neu bewertet werden müssen wie auch die brennende Ölplattform im Golf von Mexiko und die zerstörten Kernkraftwerke von Japan nahelegen, das Energiesystem der Welt auf den Prüfstand zu stellen. Viele grundlegende Trends hat Pictures of the Future immer wieder analysiert: die zunehmende Ressourcenknappheit ebenso wie den Klimawandel, die Globalisierung, die Verstädterung, die demographische Entwicklung oder den enormen Einfluss der Informations- und Kommunikationstechnologien auf alle Lebensbereiche. Die wichtigsten Erkenntnisse aus den ersten zehn Jahren der Recherchen über die Welt von morgen habe ich in einem neuen Buch anschaulich zusammengefasst: Zukunft 2050 (S.4). Auch in dieser Ausgabe von Pictures of the Future legen wir wieder den Finger an den Puls der Zeit: Wir erläutern, wie sich das globale Energiesystem verändern wird, wenn nun das Neue Stromzeitalter anbricht und der elektrische Strom als allumfassender Energieträger neue Einsatzgebiete erschließt (S.12-39) und wir zeigen, wie das rasch expandierende Universum an Daten, ob in Industrie, Verkehr oder Gesundheitswesen, in nützliches Wissen verwandelt werden kann (S ). Im nun beginnenden zweiten Jahrzehnt von Pictures of the Future werden wir weiterhin Forscher und Entwickler dabei begleiten, wie sie die Zukunft erfinden. Dieses Thema hat für uns nichts von seiner Faszination verloren wir sehen dies genauso, wie es einst Albert Einstein formulierte: Mehr als die Vergangenheit interessiert mich die Zukunft, denn in ihr gedenke ich den Rest meines Lebens zu verbringen. Das neue Stromzeitalter 112 Szenario 2035 Elektrische Evolution 114 Trends Elektrisierte Gesellschaft 117 Smart Buildings Das Haus denkt mit beim Stromsparen 120 Ökostrom im Netz Stromnetze für grüne Welle rüsten 122 Smart Grids Gegen die Einbahnstraße 124 Lichtsysteme Lasst die Sonne rein! 126 Elektrolyse Windstrom zu Wasserstoff 128 Gezeitenströmungskraftwerk Grüner Strom aus dem Meer 130 Meerwasserentsalzung Eine ideale Süßwasserquelle 132 Interviews: Der chinesische Traum Die Experten Prof. Li Junfeng, Prof. Du Xiangwan und Dr. Shi Zhen grong über die Zukunft der chinesischen Energieversorgung 134 Elektroauto im Test Flott durch den Alltag 137 Fakten und Prognosen Rückenwind für Strom 138 Biogas-Anlage Kontrolle im Kessel Grenzenlose Forschung 144 Szenario 2030 Rätsel aus dem Kosmos 146 Trends Schmelztiegel des Wissens 149 Top-Unis: keine Grenzen gesetzt Mit der Forschung um die Welt 150 Forschungskraft eines Kontinents Europas Wissen bündeln 152 Interview Prof. Dr. Alois Moosmüller Die Menschen sind nicht überall gleich 154 Learning Campus Die Welt besser verstehen lernen 156 Innovation in Schwellenländern Köpfe zusammenstecken 158 Chinesische Heilkunde Das Beste aus Ost und West 160 Porträt Charles Coushaine Der Ideen-Generator 162 Porträt Ramesh Visvanathan Mann mit dem künstlichen Durchblick 163 Porträt Dr. Heike Barlag Respekt ist das Wichtigste 164 Porträt Michael Shore Weltweit auf der Walz 166 Porträt Li Pan Der Weg zum Herzen 167 Interview Prof. Eugene Wong Mittel für die Forschung lohnen sich 168 Fakten und Prognosen F&E: Aufholjagd der Schwellenländer 170 Biograph mmr zwei in einem Völlig neue Einblicke in den Körper 172 Energie für Entwicklungsländer Windkraft für Mali 174 Forschungsstadt Skolkovo Russlands neues Innovationszentrum 175 Patente die Schätze in den Köpfen Erfolgsversicherung Vernetzte Intelligenz 180 Szenario 2030 Wenn die Stadt spricht 182 Trends Goldmine aus Zettabytes 185 Schätze aus Datenbanken Effizienz in der Patientenversorgung 188 Indien: Gesundheit auf dem Land Medizin für indische Dörfer 190 Interview Prof. Thomas W. Malone Mensch und Maschine gemeinsam sind sie intelligenter 191 Verkehrssysteme Grüne Welle 194 City Cockpit Stadtsimulation Reagieren in Echtzeit 196 Logistik in der Autoindustrie Virtuelle Marktplätze 197 Windparks Gemeinsam stark 199 Sensornetze Verteiltes Wissen 102 Interview Prof. Dr. Dirk Heckmann Das Recht sollte Innovationen fördern 104 Fakten und Prognosen Cloud Services und soziale Netzwerke 105 Sicherheit der Informationstechnik Immunsystem für die IT 106 Soziale Medien Enterprise Cloud Computing Rechnen in der Wolke 112 Interview Prof. Dr. Gerhard Weikum Wissen von Millionen Menschen ernten Titelseite: Das Gezeitenströmungskraftwerk SeaGen vor der Küste Nordirlands produziert Strom für Haushalte. Zur Wartung werden die Rotoren aus dem Wasser gehoben. Sea- Gen ist die erste derartige kommerzi el - le Unterwasser-Stromfabrik der Welt. Das Multimedia-Magazin: Pictures of the Future geht auch im Web neue Wege. Unter finden die Leser nun ein multimediales Online-Magazin, das neben dem Heftinhalt auch eine Fülle von Videos, Audioslideshows und Interviews bietet. Zudem lässt sich Pictures of the Future auch kostenfrei als ipad App im App-Store herunterladen. Rubriken 184 Buchempfehlung Zukunft 2050 Schon heute die Zukunft erfinden 185 In aller Kürze Neues aus den Siemens-Labors Jahre Supraleiter Ein Jubiläum voller Spannung 188 Nachhaltige Städte Rio und London Niedergang und Neuanfang 189 Asian Green City Index Wachsen statt wuchern in Asien 140 Masterplan für den Golf Zukunft ohne Öl 178 Galileo Satellitennavigation Feedback 115 Vorschau 2 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

3 Pictures of the Future Buchempfehlung Pictures of the Future In aller Kürze Sensor warnt zeitig vor Asthmaanfall Ein neuer Gas-Sensor von Siemens sagt einen bevorstehenden Asthmaanfall bereits Stunden vorher voraus. Er analysiert die Atemluft eines Asthmakranken und registriert, ob sich eine Entzündung der Atemwege anbahnt. So kann der Patient rechtzeitig entzündungshemmende Medikamente einnehmen und einen Anfall abwenden. Das Gerät mit dem neuen Sensor, das als Prototyp existiert, ist so empfindlich wie wesentlich größere Geräte, die aber teuer und kaum transportabel sind. Neues Tankgefühl: Die Ladestation von Siemens (links) kann Elektroautos binnen einer Stunde vollständig aufladen. Noch im Test sind Verfahren zum Laden ohne Kabel (unten). Zukunft 2050 Wie wir schon heute die Zukunft erfinden Wir stehen vor einer Zeitenwende. Das Klima unseres Planeten ist bedroht. Das Jahrhundert des Öls geht zu Ende, die Energieversorgung der Welt muss auf eine neue, nachhaltige Grundlage gestellt werden. Mehr noch: Im Jahr 2050 werden fast so viele Menschen in Städten leben wie heute auf der ganzen Erde und es wird erstmals mehr Senioren geben als Kinder und Jugendliche. Zukunft 2050 Ulrich Eberl, Verlag Beltz & Gelberg, Euro. Mehr Informationen und ein Video unter Life in 2050 (englische Ausgabe), Ulrich Eberl, Beltz & Gelberg, Euro. Siehe auch Nie zuvor wurde daher von Forschern, Erfindern und Ingenieuren mehr Kreativität verlangt: Computer als Assistenzärzte, Roboter im Haushalt, Sinnesorgane für Elektroautos, Gebäude als Energiehändler, Bauernhöfe im Wolkenkratzer, Lichthimmel an der Decke, Kraftwerke in der Wüste und auf hoher See, Großrechner im Volumen einer Erbse, virtuelle Universitäten und Fabriken im Internet all dies ist keine Vision, sondern fast schon greifbare Realität in den Labors rund um den Globus. Seit zehn Jahren erkundet die Zeitschrift Pictures of the Future die Welt von morgen. In 20 Ausgaben und auf mehr als Seiten hat Pictures of the Future Zukunftstrends untersucht und die wichtigen Technologien identifiziert, die unser Leben in den nächsten Jahrzehnten prägen werden. Im neuen Buch Zukunft 2050 fasst Ulrich Eberl, Chefredakteur von Pictures of the Future, erstmals kompakt und anschaulich die wesentlichen Entwicklungen zusammen, die unser Leben in den nächsten Jahrzehnten prägen werden. Vor dem Hintergrund der Trends in Gesellschaft, Wirtschaft und Politik zeigen sie, wohin die Reise geht. Dieses Buch ist vor allem für junge Erwachsene geschrieben, die wissen wollen, wie Innovationen entstehen, wie die verschiedenen Entwicklungen sich gegenseitig beeinflussen, welche Berufe gebraucht werden und wie man selbst die Welt von morgen miterfinden kann. Doch ob Schüler oder Student, Forscher oder Professor, Manager oder Politiker woran an Forschungszentren und in Industrieunternehmen heute gearbeitet wird, geht jeden an. Zukunft 2050 bietet auf 240 Seiten leicht verständliche Einblicke in die Labors der Zukunftsmacher ebenso wie spannende Ausblicke in die Welt von morgen. Letztlich zeigt dieses Buch, dass die großen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts zu bewältigen sind mit einem offenen Blick für die Lösungen und dem Mut zum Handeln. Kräftig pusten: Dank des neuen Gas-Sensors (rechts) können Asthmapatienten künftig ihren Atem selbst analysieren. Bislang konnte nur eine teure ärztliche Untersuchung einen Asthmaanfall voraussagen. Dabei wird in der Atemluft die Konzentration des Gases Stickstoffmonoxid (NO) gemessen, das bei Entzündungsprozessen in den Atemwegen freigesetzt wird. Ist der NO-Spiegel erhöht, droht ein Anfall. Mit dem Sensor von Siemens analysiert der Patient NO in seinem Atem künftig selbst. Dabei wird das NO zuerst in einem Konverter in Stickstoffdioxid umgewandelt. Danach strömt die Luft über den eigentlichen Sensor. An der Sensoroberfläche bleiben ausschließlich die Teilchen des Signalstoffs haften. Dort entsteht eine Spannung, die mit einem Feldeffekttransistor ausgelesen wird. Deren Höhe ist abhängig von der Konzentration des Stickstoffmonoxids im Atem. Je nach Höhe und Verlauf des NO-Spiegels kann dann der Patient die minimal benötigte Menge an Medikamenten dosieren und einem Asthmaanfall vorbeugen. ne Immer in Bewegung: Photovoltaikmodule mit beweglichen Trägern folgen dank neuer Software der Sonne. Komfortables Laden für Elektroautos Stromtanken wird schneller, sicherer und komfortabler. Siemens hat eine neue Ladesäule für Elektroautos entwickelt, die übliche Batterien mit einer Leistung von 22 Kilowatt (kw) unter Wechselspannung binnen einer Stunde vollständig auflädt. Auf Sicherheit wird hier großen Wert gelegt: So liegt an der Steckdose der Säule erst Spannung an, nachdem der Benutzer den Lade- und Bezahlvorgang berührungslos über eine Chipkarte angemeldet, das Auto angeschlossen und das Laden bequem per Bildschirm gestartet hat. In Zukunft könnten Elektroautos ihre Batterien auch ohne Kabel laden: Die von Siemens Corporate Technology mit BMW entwickelte berüh rungs - lose Technologie des induktiven Ladens funktioniert auch bei kurzen Stopps, beispielsweise in Taxiwarteschlangen. Die Ladestationen können nahezu unsichtbar in jede Umgebung integriert werden und sind dadurch sicher vor Verschleiß und Vandalismus. Eine vollständig im Boden versenkte Spule, die Primärspule, bildet die Verbindung zum öffentlichen Energienetz. Unten am Auto ist eine Sekundärspule angebracht. Startet der Fahrer das Laden, wird die Primärspule von Strom durchflossen. Als Folge baut sich ein Magnetfeld auf, das in der Sekundärspule einen elektrischen Strom induziert und die Batterie auflädt. Die Effizienz der Leistungsübertragung (mit 3,6 kw) vom Stromnetz über alle Komponenten bis zur Batterie beträgt dabei über 90 Prozent. Das Magnetfeld baut sich nur in einem exakt vorbestimmten Raum zwischen den Spulen auf. Im Sommer 2011 wird die Leistungsfähigkeit der entwickelten Systeme mit mehreren Fahrzeugen in Berlin getestet. hd Solarmodule: Folge dem Licht Ein neues Steuersystem von Siemens lässt Photovoltaikmodule mit beweglichen Trägern exakt der Sonne folgen. Denn die Stromausbeute ist nur dann maximal, wenn das Sonnenlicht senkrecht auftrifft. Die Steuerungssoftware des Systems berechnet daher auf Basis unterschiedlicher Parameter wie Längen- und Breitengrad sowie Uhr- und Jahreszeit den genauen Standort der Sonne. Damit ist es möglich, die optimale Ausrichtung der Solarmodule zur Sonne zu ermitteln. Elektromotoren positionieren anschließend die Photovoltaikmodule passend. Um die azimutale Trägerachse wird das Modul einmal am Tag im Halbkreis gedreht, um dem Lauf der Sonne von Osten nach Westen zu folgen. Über die zenitale Achse kippt das Modul zusätzlich je nach Sonnenstand und Jahreszeit von schräg bis waagerecht. Dadurch liegt die Energieausbeute um mehr als 35 Prozent höher als bei feststehenden Anlagen. ne 4 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

4 Pictures of the Future In aller Kürze Nachhaltigkeit auf Rädern: Der Zug der Ideen (oben) ist eine fahrende Ausstellung zum Thema grüne Städte. In sechs Containern bietet der Zug spannende Einblicke in die Welt von morgen. Umwelthauptstadt auf Rädern Der Zug der Ideen hat im April seine Europa-Tournee in Hamburg gestartet. Als Umwelthauptstadt 2011 ein Titel, den die Europäische Kommission der Elbmetropole verliehen hat widmet sich die Stadt mit ihrer interaktiven Ausstellung Visionen für die Städte der Zukunft den Herausforderungen im städtischen Umweltschutz. Der rollende Botschafter präsentiert mit mehr als 70 Exponaten und auf 26 Touchsreens über 100 Projekte aus Europa. Hierfür werden in sechs Ausstellungs-Containern Themen wie Mobilität, Energie und Konsum für eine breit gefächerte Zielgruppe verständlich und aus verschiedenen Perspektiven, lokal bis global, aufbereitet. Siemens als Premiumpartner für grüne Infrastruktur unterstützt die Hansestadt unter anderem bei der technischen Ausstattung. So stellt das Unternehmen eine energieeffiziente Lok neuester Bauart für die Reise zur Verfügung. Die Container sind dabei mit stromsparenden Lichtlösungen von Osram ausgestattet. Auch ist Siemens mit Exponaten vertreten und macht die Themen Elektromobilität und Smart Grid für die Besucher erlebbar. Zudem gibt es ein Sonderheft von Pictures of the Future zum Thema Grüne Städte. Der Zug der Ideen wird bis Oktober 2011 insgesamt 18 europäische Städte besuchen, darunter Brüssel, Wien, Zürich, München und Paris in denen Hamburg mit Siemens Veranstaltungen zum Thema nachhaltige Städte plant. hd Briefe vor der Zustellung per Mausklick lesen Briefstau, lange Zustellwege und unerwünschte Werbepost? Mit Trust-Ebox, einer neuen Automatisierungslösung von Siemens, können Postunternehmen ihren Kun den künftig Briefe kostengünstig digital zugänglich machen. Die während der Sortierung aufgenommenen Bilder der Briefumschläge werden den Postkunden per zugeschickt. Per Mausklick können sie entscheiden, ob die Sendung vernichtet, zugestellt oder der Inhalt gescannt und per geschickt werden soll. Postunternehmen können mit Hilfe dieser Lösung ihre Kosten bis um das Zehnfache gegenüber vergleichbaren Lösungen verringern. Außerdem werden die Zustellkosten besonders in ländlichen Gebieten gesenkt. Die Schweizerische Post plant, einen auf der Trust-Ebox basierenden Dienst ab Sommer 2011 für private Endkunden anzubieten. hd Mit Siemens-Software zum Weltmeistertitel Verleiht Flügel: Der Formel-1-Rennwagen von Red Bull Racing fährt auch dank Siemens-Software zum Titel. Rasend erfolgreich: Pro Stunde werden Bilder von mehr als Briefumschlägen aufgenommen. Das Formel-1-Team Red Bull Racing setzt seit seiner ersten Saison im Jahr 2005 auf Software von Siemens. Mit den Anwendungen Teamcenter und NX kann der Rennstall von Weltmeister Sebastian Vettel die Wagen virtuell und interaktiv entwickeln und so die Fertigungsprozesse intelligent steuern. Die Software kommt unter anderem bei der Grand Prix-Vorbereitung zum Einsatz: Gelangt etwa die Rennsimulation zum Ergebnis, dass das Auto auf der Strecke in Monaco mehr Anpresskraft benötigt, geht diese Information sofort an die NX-Entwickler, die das Design des Frontflügels entsprechend anpassen. Dann reicht ein Mausklick, um neue Teile umgehend fräsen und stanzen zu lassen. Dabei müssen keine Daten von Hand eingegeben oder in andere IT-Systeme übertragen. So konnte Red Bull Racing die Abläufe in Design und Fertigung um bis zu 75 Prozent beschleunigen. Der Erfolg spricht für sich: In der Saison 2010 hat der britische Rennstall den Weltmeistertitel nicht nur in der Fahrer-, sondern auch in der Konstrukteurswertung gewonnen. ne Glänzt wie Gold: Dr. Marjin Pieter Oomen testet eine supraleitende Spule für einen künftigen Stromgenerator in einem mit Flüssigstickstoff gefüllten Kühlbecken auf Praxistauglichkeit. Pictures of the Future Supraleitung Ein Jubiläum voller Spannung Als Heike Kamerlingh Onnes vor 100 Jahren Quecksilber mit flüssigem Helium kühlte, ahnte er nicht, dass er damit den Grundstein für eine neue Wissenschaft legen würde die Supraleitung. Auch wenn der breite kommerzielle Einsatz noch immer auf sich warten lässt, geben etliche Anwendungen einen Vorgeschmack auf das, was mit Supraleitern alles möglich ist. Dass er eine wissenschaftliche Revolution auslösen würde, hat der holländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes bei der erstmaligen Verflüssigung von Helium im Jahr 1908 nicht wissen können. Als erster erreichte er damit Temperaturen, die nur zwei Grad (zwei Kelvin) über dem absoluten Nullpunkt bei -273 Grad Celsius lagen fand er bei seinen Tieftemperatur-Experimenten heraus, dass der elektrische Widerstand von Quecksilber bei vier Kelvin plötzlich auf einen kaum messbaren Wert fiel. Die Supraleitung war entdeckt, der verlustfreie Transport von elektrischem Strom. Zwar sollte es noch 46 Jahre dauern, bevor eine theoretische Erklärung dieses Phänomens gelang, doch die möglichen Anwendungen waren Forschern schnell klar: Die Supraleitung versprach nicht nur, große Strommengen über weite Entfernungen verlustfrei zu transportieren, sondern auch hohe Magnetfelder zu erzeugen, extrem präzise Messmethoden zu ermöglichen und die Energietechnik effizienter und leistungsstärker zu gestalten. Doch ein entscheidendes Manko blieb: Nur die aufwändige und teure Kühltechnik mit dem Edelgas Helium schien in der Lage zu sein, die Sprungtemperatur also den Punkt an dem der Supraleiter-Effekt eintritt zu erreichen. Für die meisten Industriebereiche waren Supraleiter dadurch schlichtweg zu kostenintensiv bis In diesem Jahr entdeckten der Schweizer Alex Müller und der Deutsche Georg Bednorz mit Lanthan-Barium-Kupferoxid eine keramische Verbindung, die bereits bei 35 Kelvin supraleitend wurde eine Leistung, die den beiden Physikern 1987 den Nobelpreis einbrachte. Begeistert von diesen so genannten Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) suchten Forscher weltweit nach Substanzen mit noch höheren Sprungtemperaturen. Den Rekord hält ein Quecksilber-Thallium-Barium-Kalzium-Kupferoxid mit einer Sprungtemperatur von 138 Kelvin (K). Bereits 1987 war das Yttrium-Barium-Kupfer - oxid entdeckt worden, das bei 92 K supraleitend wird. Damit war die Kühlung mit flüssigem Stickstoff bei 77 K möglich. Ein Kühlmittel, das im Gegensatz zu flüssigem Helium einfach und preiswert herzustellen ist. Bis es aber zum breiten HTS-Einsatz kommt, dominieren noch die technisch anspruchsvollen und qualitativ hochwertigen Supraleiter, wie sie bei bildgebenden Verfahren etwa Magnetresonanz-Tomographen (MRT) von Siemens eingesetzt werden. Verwendet werden hier Drähte aus einer Niob-Titan-Legierung. Im Vergleich zu HTS erreichen solche supraleitenden Magnete dank der starken elektrischen Ströme, die in ihnen fließen, sehr hohe Magnetfelder mit Feldstärken von mehreren Tesla. Je höher das Magnetfeld in einem MRT ist, desto besser das Signal-Rausch-Verhältnis und desto schärfer die Bilder. Schiffsantriebe mit Supraleitern. Erste kommerzielle Anwendungen auf HTS-Basis zeichnen sich in der Antriebs- und Energietechnik ab. Forscher von Siemens Corporate Technology (CT) haben zusammen mit den Geschäftsbereichen Marine Solutions und Large Drives einen HTS-Schiffsantrieb entwickelt, in dessen Rotor keine elektrischen Verluste anfallen. Gleichzeitig tragen die Supraleiter der Rotorwicklungen eine Stromdichte, die 100-mal größer ist als die von Kupferwicklungen. Dadurch sind Einsparungen an Gewicht und Volumen von bis zu 50 Prozent möglich und somit hohe Kostensenkungen durch den geringeren Materialeinsatz. Ein wichtiger Aspekt für Schiffsbetreiber, da deren Antrieben in punkto Größe Grenzen gesetzt sind. Weitere Themen der CT-Forscher sind unter anderem HTS-Strombegrenzer für Hochspannungsanlagen, die bei Kurzschlüssen automatisch und blitzschnell das Stromnetz schützen, um Schäden an Kabeln, Transformatoren und Generatoren zu vermeiden. Oder HTS-Spulen, mit denen die Verluste in Kraftwerksgeneratoren halbiert werden. Dazu müssen die HTS- Drähte im Rotor einer Zentrifugalbeschleunigung vom fachen der Erdbeschleunigung standhalten und zugleich zuverlässig auf 33 K gekühlt werden können. Im Februar 2011 startete hierzu ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördertes Projekt für den Aufbau eines HTS-Teststandes für Kraftwerksgeneratoren. Das Projekt wird von CT koordiniert und zusammen mit dem Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) durchgeführt. Fernziel ist der Prototyp eines HTS-Generators von mehreren hundert Megawatt Leistung. Trotz all dieser Projekte und Erfolge ist das Potenzial der Supraleiter bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Die Forscher sind sich sicher: Ob Generatoren, Motoren, Strombegrenzer oder MR-Tomographen es werden noch viele weitere Anwendungen auf Basis der Entdeckung Onnes folgen. Auf die nächsten coolen 100 Jahre! Sebastian Webel 6 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

5 Pictures of the Future Nachhaltige Städte Ein Leuchten in der Nacht Nachts scheint er zu schweben, hoch über Rio de Janeiro, die Arme ausgebreitet. Er leuchtet über der Stadt und das seit kurzem noch kräftiger und farbenreicher: der Cristo Redentor, die 30 Meter hohe Jesus-Statue. Seit März 2011 wird sie mit LED-Projektoren von Osram erhellt. Auf dem 710 Meter hohen Corcovado, neben dem so genannten Zuckerhut eine der markantesten Erhebungen Rios, wurde das Monument vor 80 Jahren errichtet. Bislang wurde für die Beleuchtung allerdings viel Energie verschwendet: 74 Kilowatt Leistung brauchten die Leuchten, die rund um die Statue im Urwald platziert waren. Die 300 neuen Projektoren, die Osram jetzt gemeinsam mit dem Tochterunternehmen Traxon ohne Kosten für die Stadt installierte, benötigen nur noch maximal 17,2 kw. Sie bündeln jeweils das Licht von 27 beziehungsweise 36 LEDs. Diese Technologie ist nicht nur energiesparender, sondern sie erzeugt auch weniger Wärme als herkömmliche Leuchten, was der Tier- und Pflanzenwelt zugute kommt. Ein weiterer Vorteil: Mit Hilfe spezieller Linsen fokussieren die Projektoren das Licht noch präziser wenn nötig, sogar auf einzelne Körperteile der Statue, etwa die linke oder rechte Hand, das Herz, den Kopf. Auch Lichtstimmungen können dank der verschiedenfarbigen LEDs schneller wechseln, weil hierfür nicht mehr per Hand Farbfolien ausgetauscht werden müssen. Für Lichtshows eröffnet das neue Möglichkeiten, erklärt der Lichtdesigner Peter Gasper, der die künstlerische Verantwortung für das neue System trägt: In der Vergangenheit war es mühselig, oft sogar unmöglich, die Lichtstimmung des Monuments zu verändern. Heute geht das einfach und schnell. Andreas Kleinschmidt Leuchtendes Vorbild: Die Beleuchtung der Jesusstatue in Rio de Janeiro wurde dank LEDs energieeffizienter. Pictures of the Future Asian Green City Index Nachholbedarf: Die südchinesische Millionen-Metropo le Guangzhou lockt mit hohen Löhnen, doch in Sachen Nachhaltigkeit gibt es noch viel zu tun. Ob U-Bahn, umweltfreundliche Energieversorgung oder effiziente Beleuchtung erste Lösungen zeigen den Weg. Niedergang und Neuanfang Es hat schon bessere Zeiten gesehen, das Gebäude nahe der Bahnstation Royal Victoria. Im 19 Jahrhundert war der Ostteil Londons dank der Schifffahrt ein ökonomisches Zentrum: Holz, Kautschuk, Wolle und Zucker wurden hier verladen. In den 1970er- und 80er- Jahren, nach Schließung der Docks, verfiel die Gegend. Doch nun beginnt sie wieder aufzublühen. Auf der anderen Seite der Themse, in Canary Wharf, entstand eines der wichtigsten Finanzzentren der Welt. Nicht weit entfernt liegt der Entertainment-Komplex The O2, auch bekannt als Millennium Dome. Und die Olympischen Spiele 2012 werden diesen Stadtteil mit vielen neuen Bauten weiter aufwerten. Auch das bröckelnde Gebäude bekommt nun einen Nachbarn, der den städtebaulichen und ökonomischen Neuanfang augenfällig zum Ausdruck bringt: ein Konferenz-, Ausstellungs- und Bürogebäude, direkt am Wasser gelegen. Gebaut wird es von Siemens. Nach seiner Fertigstellung im Frühjahr 2012 wird es verglichen mit herkömmlichen Gebäuden auf den Büroflächen nur ein Drittel der Energie verschlingen. Möglich macht diese enorme Reduktion das Zusammenspiel von Architektur und Technik: Das ganze Jahr über wird das Gebäude mithilfe von Wärmepumpen entweder gekühlt oder gewärmt. Zudem sparen die intelligente Gebäudetechnik sowie energieeffiziente Geräte und LED-Leuchten viel Strom. Extrem effizient: Siemens baut im Osten Londons ein Gebäude, in dem die Stadt der Zukunft erlebbar wird. Die Fassade lässt so viel natürliches Licht wie möglich eindringen und ist zugleich wärmeisoliert, sodass sie im Winter die Wärme im Inneren hält und im Sommer zur Kühlung beiträgt. Eine Photovoltaikanlage auf dem Dach erzeugt Elektrizität, und das Regenwasser wird für die Toiletten und zur Bewässerung der Gärten gesammelt. In diesem Zentrum, wo in einer Ausstellung über die vielfältigen Möglichkeiten nachhaltiger Städteentwicklung informiert werden soll, wird also auch selbst nachhaltiges Bauen demonstriert. Passenderweise wird das Gebäude Teil des Green Enterprise District sein, einer Zone, in der London vor allem Low Carbon Businesses ansiedeln möchte. Firmen also, die mit Produkten und Leistungen Geld verdienen, die mit geringem CO 2 -Ausstoß verbunden sind oder ihn vermindern helfen. Dieses Gebiet soll ein lebendiges, internationales Zentrum werden, in dem Dutzende von Unternehmen ihre CO 2 -sparenden Geschäftsmodelle umsetzen und das an einem Ort, der einst einer der ärmsten Londons war, sagt Bürgermeister Boris Johnson. Es wirkt wie eine Ironie der Geschichte: Ausgerechnet dort, wo die industrielle Revolution befeuert durch die intensive Nutzung der Kohle zuerst Wohlstand und später Verwahrlosung bewirkte, entsteht heute ein Raum der Zukunft. Ein Ort, wo Unternehmer Geld verdienen, indem sie Energie sparen, statt sie zu verbrauchen. Andreas Kleinschmidt Wachsen statt wuchern in Asien Asiens Megastädte galten lange als überbevölkert, dreckig und chaotisch. Doch inzwischen sind viele Metropolen Vorreiter in moderner Stadtplanung, wie der Asian Green City Index belegt. Besonders gut schnitt Singapur ab. Technologie von Siemens trägt dort zu höherer Nachhaltigkeit bei. In Guangzhou will man arbeiten, aber nicht leben, sagen Chinesen, wenn sie von ihrer wichtigsten Industriemetropole sprechen. Die Hauptstadt der südchinesischen Provinz Guang - dong, von der vor dreißig Jahren Chinas Wirtschaftswunder ausging, steht im Ruf hoher Gehälter und niedriger Lebensqualität. Auf den Straßen der 7,9-Millionen-Einwohner-Stadt herr - schen Staus, die Luft ist häufig versmogt, und im Sommer kommt es regelmäßig zu Stromknappheit. Kein Wunder, dass Guangzhou nicht zu den schönsten chinesischen Städten zählt. Doch Redewendungen bleiben oft auch dann bestehen, wenn sich die Wirklichkeit längst geändert hat. Als Guangzhou im Novem - ber 2010 rund Athleten zu den Asien- Spiele willkommen hieß, erlebten Sportler und Fernsehzuschauer zu ihrer Überraschung eine Stadt, in der man sich offenbar auch nach der Arbeit gerne aufhält. So ist in den vergangenen Jahren im Stadtzentrum ein neues Viertel entstanden: mit funkelnden Hochhäusern, grünen Parks, einer Flusspromenade und kulturellen Einrichtungen. Ein öffentliches Bahnsystem bietet Hunderttausenden eine Alternative zu Bus und Auto. Das Symbol des neuen Guangzhou ist der 432 Meter hohe West Tower, dessen elegante Stahlkonstruktion nachts ein strahlender Fixpunkt ist. Guangzhous Stadtväter haben nicht gezaubert, sondern die Bedürfnisse ihrer Bewohner ins Zentrum ihrer Planungen gestellt. Sie haben auf modernste Technologie gesetzt, um ihre Stadt umweltfreundlicher, effizienter und lebens - werter zu machen. Viele dieser Lösungen kommen von Siemens (Pictures of the Future, Frühjahr 2010, S.38). So hat das Unternehmen die Technik für die Hochspannungsgleichstromübertragung geliefert, die Guangzhou heute sehr effizient mit Strom aus Wasserkraftwerken in der Kilometer entfernten Provinz Yunnan versorgt. Dies dient nicht nur der Stabilisierung 8 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

6 des Stromnetzes, sondern auch dem Umweltund Klimaschutz, weil Guangzhou nun Zugang zu regenerativer Energie hat. Von Siemens stammen auch die Leitsysteme für mehrere Metrolinien sowie die S-Bahn zwischen Guang - zhou und der Nachbarstadt Foshan. Und das nächtliche Strahlen des West Tower ist eben- Besonders gut gemeistert hat diese Herausforderungen Singapur. Beim Asian Green City Index schneidet der Stadtstaat am besten ab. Ebenfalls überdurchschnittliche Ergebnisse zeigen Hongkong, Osaka, Seoul, Taipeh, Tokio und Yokohama. Die Städteanalyse in Asien zeigt eines ganz deutlich: Ein höheres Einkominvestiert. Heute ist das Land unter anderem der führende Standort für Wasseraufbereitungstechnologie (S.30). Dazu hat Singapur eines der besten öffentlichen Verkehrssysteme der Welt und hat sich als Pionier bei Entwicklung und Einsatz neuer Verwaltungsmethoden profiliert (S.94). potenzial es gibt, demonstriert Siemens beispielsweise in Indien in sieben eigenen Büros und Fabriken. In den kommenden zwei Jahren investiert das Unternehmen 1,7 Millionen Euro, um seine Gebäude auf den modernsten Stand zu bringen, was zu einer Effizienzsteigerung von 15 Prozent führen dürfte. Der Umbau ist nicht nur umwelt- und klimabewusst, sondern auch wirtschaftlich sinnvoll, denn durch niedrigeren Energieverbrauch dürfte sich die Investition in weniger als vier Jahren amortisieren. asiatischen Städten. Die Flughafen-Bahn in Kuala Lumpur fährt ebenso mit Siemens-Leitsystemen wie die neue West-Rail in Hongkong oder die jüngsten Anbauten an das U-Bahn- Netz in Peking und Nanjing. All diese Beispiele demonstrieren, dass es für zeitgemäße Stadtplanung immer zweierlei braucht: einerseits politischen Willen und Weitblick, andererseits technische Innovationen, die den Bau von umweltfreundlicher, energieeffizienter und wirtschaftlicher Infrastruktur ermöglichen. Asiens Megacitys sind in dieser Hinsicht gleich doppelt auf dem richtigen Weg. Bernhard Bartsch Sauber unterwegs: Ein effizienter Öffentlicher Nahverkehr hilft Guangzhou (links) und Bangkok (Mitte). In Tokio stehen elektrisch unterstützte Leihräder bereit. falls engineered by Siemens : Die LED- Armaturen, die den Turm zum Leuchten bringen, sind von Osram. Die Entwicklung von Guangzhou ist sympto - matisch für asiatische Metropolen. In Asien findet derzeit der größte Umbruch der Weltwirtschaft statt und seine Städte spielen dabei die Schlüsselrolle. Inzwischen sind viele asiatische Megacitys zu Vorreitern moderner Stadtentwicklung geworden, wie der erste Asian Green City Index zeigt. Die Studie, die die Economist Intelligence Unit (EIU) im Auftrag von Siemens bereits für Europa und Lateinamerika erstellt hat, ist eine objektive Datengrundlage, die den Städten hilft, durch Wissensaustausch ihre ökologische Nachhaltigkeit zu verbessern. 200 Millionenstädte in China. Die Herausforderungen asiatischer Städte sind gewaltig. Allein in den letzten fünf Jahren wuchs ihre Bevölkerung jeden Tag um rund Menschen. In China wird es laut Experten bis 2025 weit über 200 Millionen-Metropolen geben sind es erst 90. Zum Vergleich: In Europa haben 25 Städte mehr als eine Million Einwohner. Nachhaltigkeit ist für Stadtplaner dabei längst keine neue Mode mehr, sondern eine Minimalanforderung. Schätzungen der Asian Development Bank zufolge müssen die asiatischen Städte heute täglich neue Wohnungen, 250 Kilometer Straßen sowie Infrastruktur für den Transport von zusätzlich sechs Millionen Litern Trinkwasser errichten, um den Bevölkerungszustrom aufzufangen. men bedeutet nicht zwangsläufig höheren Ressourcenverbrauch, sagt Jan Friederich, Forschungsleiter für die Studie bei der EIU. Der Ressourcenverbrauch steige zwar bis zu einem jährlichen Bruttoinlandsprodukt von rund Euro pro Kopf deutlich an, bei weiter darüber hinaus steigendem Einkommen sinke er aber wieder. Zu den erfreulichsten Resultaten der Studie gehört, dass der durchschnittliche jährliche CO 2 -Ausstoß pro Kopf in den 22 untersuchten asiatischen Städten mit 4,6 Tonnen geringer ist als in Europa (5,2 Tonnen CO 2 pro Kopf und Jahr). Außerdem produzierten die asiatischen Städte im Schnitt jährlich pro Person 375 Kilogramm Müll, deutlich weniger als Städte in Lateinamerika (465 kg) und Europa (511 kg). Auffälligen Nachholbedarf gab es dagegen bei der Luftverschmutzung und beim Einsatz erneuerbarer Energien, deren Anteil an der Gesamtstromerzeugung bei nur elf Prozent lag, weit unter dem Wert in Lateinamerika, wo es aufgrund der intensiven Nutzung von Wasserkraft immerhin 64 Prozent sind. Im Stadtstaat Singapur ist man stolz darauf, innerhalb eines halben Jahrhunderts den Sprung von der Dritten Welt in die erste geschafft zu haben (Pictures of the Future, Frühjahr 2010, S.44). Dahinter standen klarsichtige Grundsatzentscheidungen. Einerseits hat Singapur systematisch in Bildung und Forschung Eine der neuesten Initiativen zur weiteren Verbesserung von Umwelt- und Klimafreundlichkeit sowie zur Reduzierung des Energieverbrauchs ist die Forderung, dass Gebäude künftig noch höhere Standards von Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit einhalten müssen. Als Referenzprojekt in Singapur gilt dabei die City Square Mall, ein Einkaufszentrum, das demonstriert, dass weitläufige und großzügig gebaute Gebäude auch effizient sein können. Durch ausgeklügelte Sensorsteuerung von Licht, Ventilatoren und Klima - anlagen spart die Quadratmeter große Ein höheres Einkommen bedeutet nicht zwangsläufig einen höheren Ressourcenverbrauch. Mall jährlich elf Millionen Kilowattstunden, was dem Verbrauch von rund Vierzimmer-Wohnungen entspricht. Damit dies nicht nur bloße Behauptungen sind, informieren Bildschirme in der Mall über den aktuellen Strom- und Wasserverbrauch und andere Indikatoren. Transparenz ist Trumpf. Die Auswirkungen solcher Projekte gehen weit über Singapur hinaus. Global gesehen liegt der Energieverbrauch von Gebäuden bei 40 Prozent. Einsparungen durch moderne Technologie haben deswegen in der Summe enorme Auswirkungen. Wie viel Verbesserungs- Ein Drittel weniger Strombedarf. In Seoul modernisiert Siemens in ähnlicher Weise die Gebäude der größten südkoreanischen Kaufhauskette, Shinsegae. Durch effiziente Klima - anlagen, Stromversorgung und Lichtsysteme kann Shinsegae Stromeinsparungen von einem Drittel erreichen und die Betriebskosten um ein Fünftel reduzieren. Ähnliche Projekte hat Siemens in vielen anderen asiatischen Städten verwirklicht: Das Schwimmstadion der Olympischen Spiele in Peking und der chinesische Pavillon der Expo in Shanghai sind auch mit Siemens-Gebäudetechnologie ausgestattet ebenso wie die Petronas Twin Towers in Kuala Lumpur, der Wolkenkratzer Taipei 101 und das Pacific Place Hochhaus in Jakarta. Der zweitgrößte Energiekonsument in Städten ist das Verkehrssystem. Asiens Mittelschicht träumt genauso vom eigenen Auto wie Menschen in den etablierten Industrienationen. In Megacitys asiatischen Ausmaßes endet der Traum allerdings regelmäßig im Verkehrskollaps. Stadtplaner stellen deshalb öffentliche Transportmittel wie S- und U-Bahnen bereit, die eine attraktive Alternative zum eigenen Auto darstellen. Doch je größer und verzweigter die Zugnetzwerke werden, umso höher sind die Ansprüche an die Leitsysteme, die den Verkehr koordinieren und eine möglichst dichte Taktung von Zügen zulassen. Wie das funktioniert, zeigt das Beispiel Bangkok. In Thailands Hauptstadt hat sich das Autoaufkommen seit 1990 verdoppelt und liegt heute bei 5,5 Millionen. Ende der 90er-Jahre bestellten die Stadtplaner deshalb bei Siemens Bangkoks erste Schnellbahn, den Skytrain BTS (Pictures of the Future, Frühjahr 2006, S.26). Die 23 Kilometer lange Hochbahn transportiert täglich Pendler und mündete in einen Folgeauftrag für Bangkoks erste U-Bahn, die jeden Tag Passagiere transportiert stellte Siemens seine dritte Schnellbahnstrecke für Bangkok fertig, die den neuen Flughafen Suvarnabhumi mit der Stadt verbindet. Über Menschen, die sonst in Bussen, Taxis oder dem eigenen Wagen unterwegs wären, sind damit auf die Schiene umgestiegen und entlasten neben dem Verkehr auch die Umwelt. Ähnliche Projekte verwirklicht Siemens auch in zahlreichen anderen Grüne Städte in Lateinamerika Seit 2007 leben weltweit erstmals mehr Menschen in Städten als auf dem Land in Lateinamerika wurde dieser Wendepunkt schon in den 1960er-Jahren erreicht: Über vier Fünftel der Bevölkerung leben heute dort in urbanen Räumen. Mit den Herausforderungen und Chancen, die das bedeutet, beschäftigt sich der Latin American Green City Index. Die Studie wurde von der Economist Intelligence Unit (EIU) im Auftrag von Siemens angefertigt und im November 2010 in Mexico City vorgestellt. Sie untersucht 17 Millionenmetropolen in acht lateinamerikanischen Ländern im Hinblick auf ihre ökologische Nachhaltigkeit. Es zeigt sich vor allem, dass Städte ohne integrierte, langfristige Strategie unterdurchschnittlich abschneiden. Ein beeindruckendes Positivbeispiel ist die brasilianische Stadt Curitiba, die auch deshalb als grünste Stadt Lateinamerikas ausgezeichnet wurde, weil sie einen langen Atem bewies. Seit über 40 Jahren verfolgt sie eine Strategie zur Steuerung des städtischen Wachstums und der Verkehrsplanung. Dass die Einwohner von Curitiba an politischen Prozessen besonders aktiv teilhaben, hat zusätzlich eine wichtige Rolle gespielt, erklärte der Bürgermeister von Curitiba, Luciano Ducci, in Mexico City, wo er mit 137 anderen Bürgermeistern aus aller Welt den Mexico City Pact unterzeichnete. Mit dieser Erklärung verpflichteten sich die Städte im Rahmen des World Mayors Summit on Climate, ihre Treibhausgas-Emissionen zu senken. Ein gut gewählter Ort: Denn auch Mexico City nimmt durch konsequente umweltpolitische Maßnahmen eine Vorbildrolle ein. Der Kampf um das Klima der Erde muss in den Städten dieser Welt gewonnen werden, denn sie sind für rund 80 Prozent der vom Menschen verursachten CO 2 -Emissionen verantwortlich, sagte am Tag der Unterzeichnung Pedro Miranda, der Leiter von Siemens One, einem Konzernprojekt, das Aktivitäten zur nachhaltigen Stadtentwicklung zusammenführt. Doch um den CO 2 -Ausstoß von Städten zu senken, ist moderne Technologie unverzichtbar. Das zeigt sich auch in Lateinamerika: Siemens hilft beispielsweise derzeit Buenos Aires und Lima beim Ausbau ihrer Bahnnetze mit modernster Technologie. In Brasilien unterstützt Siemens den nationalen Netzbetreiber dabei, ein neues Energy Management System unter anderem für die Städte Rio de Janeiro und Brasilia aufzubauen ein erster Baustein auf dem Weg zu einem brasilianischen Smart Grid. Die Beispiele zeigen: Elemente aus dem Umweltportfolio von Siemens kommen nicht nur in hochentwickelten Industrieländern zum Einsatz, sondern zunehmend auch in Schwellenländern Lateinamerikas. Und deren wirtschaftliche Bedeutung wird in den kommenden Jahren erheblich wachsen so wie die Einwohnerzahl ihrer Städte. Andreas Kleinschmidt 10 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

7 Highlights 17 Das Haus denkt mit In Zukunft sollen Gebäude ihren Stromverbrauch selbstständig dem aktuellen Angebot an erneuerbaren Energien anpassen und Stromfresser automatisch abschalten, wenn dies möglich ist, ohne dass der Komfort für die Bewohner leidet. 22 Tuning für Netze Im Smart-Grid-Labor in Erlangen basteln Siemens-Forscher am künftigen intelligenten Stromnetz. Im Ort Arbon in der Schweiz hat die Zukunft bereits begonnen: Dort revolutionieren smarte Stromzähler die Energieversorgung der Gemeinde. 26 Wasserstoff aus Wind Siemens-Wissenschaftler wollen mit Hilfe von Elektrolyse überschüssigen Windstrom in Wasserstoff verwandeln und damit die Grundlage für künftige Energiespeicher schaffen. 28 Unterwasser-Stromfabrik Meeresströmungskraftwerke arbeiten wie versunkene Windräder und produzieren Strom aus Ebbe und Flut. In Nordirland versorgt eine solche Anlage bereits Haushalte mit grüner Energie aus dem Meer. 34 Im Strom mitschwimmen In einem großen Flottenversuch untersucht Siemens die Alltagstauglichkeit von Elektroautos. Bis zu hundert Mitarbeiter werden dabei mit flinken Stromern ausgestattet. Im Fokus der Untersuchung: die Ladetechnik und die Kommunikation zwischen Fahrer, Ladesäule, Auto und Stromnetz. Das neue Stromzeitalter Szenario Elektrische Zukunft: Auch in einem kleinen, von der Außenwelt abgeschnittenen Dorf in Zentralafrika hat das Stromzeitalter Einzug gehalten: Windräder liefern nun zusammen mit einer Biogasanlage nachhaltig Elektrizität. Mit dem Strom betreiben die Bewohner Hausgeräte, Tankstellen für Elektroautos und Straßenlaternen. Das Medizinzentrum des Dorfes ist mit einer Solar-Cooling-Klimanlage ausgerüstet, die ihre Kälte mit Sonnenstrom produziert. Elektrische Evolution Zentralafrika 2035: Mitten im Busch steht ein abgelegenes Dorf, das bislang vom Stromnetz abgeschnitten war. Nun hat es die Regierung mit nachhaltigen Technologien aufgerüstet und in ein neues Zeitalter katapultiert. Ein Journalist will vor Ort erkunden, wie die Elektrizität das Leben der Menschen verändert hat. Der Weg ins neue Stromzeitalter ist holprig und von hohem Gras durchsetzt. Links und rechts neben der provisorischen Piste türmt sich der Busch wie eine bunt gescheckte Mauer. Ab und zu gibt er den Blick auf ein paar Giraffen frei, die uns erst bemerken, als wir 12 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

8 fast lautlos an ihnen vorbeirollen: Seit einiger Zeit fahren auch hier im Zentrum Afrikas die Buschtaxis mit elektrischem Strom. Und sollte dem Akku einmal im unwegsamen Gelände der Saft ausgehen, verlängert ein kleiner Verbrennungsmotor die Reichweite. Am Steuer des Allrad-Stromers sitzt Dr. Salim Taylor. Er ist heute mein Fahrer und Tourguide in Personalunion, darüber hinaus ist er der für diesen Bezirk zuständige Mediziner. Für einen Arzt pflegt er einen recht ungesunden Lebenswandel die Zigarre in seinem Mundwinkel bleibt selten kalt, und sein Fahrstil ist ebenso abenteuerlich wie die Landschaft. Dafür wird es diesseits des Äquators wohl kaum einen Menschen geben, der so gut über die Entwicklung des Landes und seine Bewohner Bescheid weiß. Taylor ist auf dem Weg zu seiner wöchentlichen Sprechstunde in einem kleinen abgelegenen Dorf. Dort soll ich die ersten Ergebnisse eines neuen Entwicklungsprogramms besichtigen und diese sollen buchstäblich elektrisierend sein. Sauerei!, schimpft Taylor als das rechte Vorderrad plötzlich in einem besonders tiefen Schlagloch verschwindet. Schon das zehnte Erdferkelloch, seit wir die Schotterpiste verlassen haben. Er fingert eine neue Zigarre hervor und lässt sein Feuerzeug aufschnappen. Die so genannte Straße hat ihren Namen nicht verdient, aber das Dorf an ihrem Ende hat sich wirklich unglaublich verändert. Taylor muss es wissen. Als letztes Jahr Spezialisten den Ort von der fossilen Vergangenheit ins neue Stromzeitalter katapultierten, hat er die Regierungsbeamten beraten und die Einwohner begleitet. Zuvor war das Dorf quasi von der Außenwelt abgeschnitten, ohne Strom- und Kommunikationsnetze ein Anachronismus, der selbst in Afrika selten geworden ist. Mit dem neuen Programm zur nachhaltigen Entwicklung abgelegener Regionen will die Regierung die weißen Flecken von der Landkarte entfernen. Das ist mehr Evolution als Revolution, bemerkt Taylor. Es geht nicht darum, die Dorfstrukturen und Traditionen über den Haufen zu werfen, sondern die Rahmenbedingungen für die Menschen zu verbessern. Er deutet auf den Busch ringsum die Straße. Fällt Ihnen etwas auf? Obwohl wir fast am Ziel sind, ist der Bewuchs nach wie vor üppig. Vor einigen Jahren war die Gegend um das Dorf noch total versteppt heute braucht man kein Feuerholz mehr. Taylor lässt eine dichte Wolke Zigarrenqualm entweichen und fährt holpernd über ein weiteres Schlagloch. Langsam lichtet sich der Busch und gibt den Blick auf eine weite Ebene frei. Die Straße führt nun eine kleine Anhöhe hinab. An ihrem Fuß liegt das Dorf. Auf den ersten Blick wirkt die Ansammlung der Rundhütten eher traditionell als fortschrittlich. Doch in der Savanne hinter dem Ort erheben sich drei Windräder, die sich träge in einer leichten Brise drehen. Mitten im Dorf fällt ein modernes Gebäude ins Auge, auf dem Solarzellen in der Sonne blitzen. Und beim näheren Hinsehen entpuppen sich die metallenen Masten als Straßenlaternen mit Leuchtdioden. Angekommen, grinst Taylor und steigt ächzend aus dem Wagen. Das dort, sagt er und deutet auf Haus mit den Solarzellen, ist das Medizinzentrum. Es verfügt über eine Solar-Cooling-Klimaanlage, die mit Sonnenstrom und einer Absorptionskältemaschine funktioniert. Hält das große Gebäude wunderbar kühl. Heute aber machen wir Hausbesuche. Er zieht einen Tablet-PC aus der Tasche und be grüßt Abdul, den Bürgermeister. Abdul ist so eine Art Sanitäter. Er protokolliert regelmäßig, wie es seinen Mitbürgern geht, und schickt mir per Funk die Daten zu das können Fotos der Befunde sein oder Ergebnisse von Bluttests, die er mit automatischen, nur handygroßen Testgeräten macht. Somit bin ich immer über den aktuellen Gesundheitszustand informiert. Auf dem Weg zum ersten Patienten kommen wir an einem zylinderförmigen Container vorbei, daneben stehen ein paar Elektro-Ladesäulen. Das ist unsere Biogasanlage, sagt Abdul stolz und klopft an den Tank. Wir füttern sie mit Pflanzenabfällen und Mist. Daraus produzieren Bakterien Methan, was wiederum vollautomatisch verstromt wird. Zusammen mit den Windrädern sind wir energieautark und unabhängig vom Stromnetz. Er deutet auf die Ladesäulen: Vergiss nicht, Deine Karre rechtzeitig anzustöpseln, Salim! Aus der gras bedeckten Rundhütte klingt leise Musik. Der Topf auf dem Herd verströmt einen kräftigen Geruch. Von der Decke baumelt eine LED-Lampe. Erdferkel-Eintopf, stellt Taylor zufrieden fest und blickt auf seinen Tablet-PC. Dem kleinen Patienten geht es offenbar wieder besser. Er weist auf einen etwa 12-jährigen Jun gen, der auf einem Bett liegt. Hat er Malaria?, frage ich. Kommt hier seit der neuen Impfung kaum mehr vor, er widert Taylor. Auch Schlangenbisse sind nicht mehr so kritisch im Medizinzentrum befindet sich genügend Serum und andere Medikamente, die nun dank des Stroms in Kühlschränken gelagert werden können. Mit dem Stromzeitalter ändern sich auch die Gebrechen der Leute ist hier frü her ein Unfall passiert, konnte keiner Hilfe holen. Heute greifen die Menschen zum Handy oder steigen aufs E-Bike. Das ist übrigens auch dem Jungen zum Verhängnis geworden: Ohne Helm gefahren und gestürzt. Gehirnerschütterung. Der Arzt leuchtet dem Jungen mit einer Lampe in die Augen. Zu schnell unterwegs?, frage ich. Erdferkelloch, grinst Taylor und nickt der Frau am Elektroherd zu, die ihm einen Löffel zum Probieren hinhält. Der Unfallverursacher hat es übrigens nicht überlebt. Florian Martini Der Siegeszug der Elektrizität begann im Schutz der Dunkelheit zumindest im Königreich Bayern vor rund 140 Jahren. Dort, im beschaulichen Graswangtal in den bayerischen Alpen, läutete der legendäre Landesfürst Ludwig II. heimlich eine Zeitenwende ein: das erste Stromzeitalter. In klaren Winternächten, wenn die Einheimischen schliefen und der Vollmond schien, pflegte der scheue König mit seinem Pferdeschlitten durch die Wälder zu fahren. Für die wenigen Menschen, die ihn bei seinen nächtlichen Ausflügen zu Gesicht bekamen, eine wundersame Erscheinung und ein Blick in die Zukunft zugleich denn das prunkvolle Gefährt erstrahlte in einem unbekannten Licht, so hell wie der Tag. Die neuen elektrischen Kohlebogenlampen von Siemens beleuchteten indes nicht nur den batteriebewehrten Schlitten des Königs, sondern setzten noch mehr märchenhafte Technikwunder in Szene. Verborgen im Schlosspark von Linderhof hatte der fantasiebegabte König im Jahr 1878 eine künstliche Tropfsteinhöhle mit See und Wasserfall fertig stellen lassen der Venusgrotte aus Richard Wagners Tannhäuser und der Blauen Grotte von Capri nachempfunden. Den Strom für die Beleuchtungsanlage lieferten 24 nach dem Siemens-Prinzip arbeitende Dynamo-Maschinen von Schuckert, angetrieben von einer Dampfmaschine in einem eigens gebauten Maschinenhaus: das erste kleine Elektrizitätswerk vier Jahre vor der 1882 errichteten Edison Electric Light Station in London und der Pearl Street Station in New York, die allgemein als erste öffentliche Elektrizitätswerke der Welt gelten. Elektrischer Strom hat große Vorteile: Er lässt sich sehr flexibel und einfach nutzen, sagt Prof. Dr. Eberhard Umbach, Präsident des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Man kann damit Licht, Wärme und mechanische Bewegung erzeugen und wenn dies mit Hilfe erneuerbarer Energien geschieht, entstehen auch keine klimawirksamen Gase. Strom, so Das neue Stromzeitalter Trends Elektrisierte Gesellschaft Umbach, ist daher ein perfekter Energieträger. Die Vorteile des Elektronenflusses machte sich nicht nur Ludwig II. zu Nutze. Wenige Jahre nachdem der Märchenkönig seine Schlösser illuminierte, kam auch die breite Öffentlichkeit in den Genuss der neuen Energie. Getrieben von Thomas Alva Edisons Entwicklung der Glühbirne wagten immer mehr Städte rund um die Welt den Schritt ins Stromzeitalter, da seit 1866 dank der Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips durch Werner von Siemens Strom relativ einfach und in großen Mengen erzeugt werden konnte. In den 1880er Jahren erstrahlten Städte wie New York City, London und Berlin in elektrischem Licht erfand Siemens die elektrische Eisenbahn, 1881 auch die elektrische Straßenbahn fuhr die erste elektrische U-Bahn der Welt durch Londons Untergrund, und ab 1905 baute Siemens in Berlin die Elektrische Viktoria ein Elektroauto, das bevorzugt als Hoteltaxi eingesetzt wurde. Im Laufe des 20. Jahrhunderts schritt die Entwicklung rasant voran. Ein Meilenstein war dabei die Umstellung von Dampfmaschinen auf elektrische Antriebe, erzählt Umbach. Inzwischen sind hoch - effiziente Elektromotoren überall zu finden in der elektrischen Zahnbürste ebenso wie in Zügen oder als Antriebe in Industrieanlagen. Elektrische Revolution: In Schloss Linderhof ließ König Ludwig II. vor 133 Jahren eine künstliche Grotte errichten. Für die Beleuchtung sorgten 24 Dynamos auf Siemens-Basis die Ahnen heutiger Generatoren (unten). Elektrizität durchdringt immer mehr unseren Alltag. Bis 2030 wird die weltweite Stromerzeugung um zwei Drittel gegenüber heute zunehmen denn Strom wird künftig anderen Energieträgern kräftig Konkurrenz machen: in Gebäuden ebenso wie in Autos, Industrieanlagen und sogar bei der Trinkwassergewinnung. Wir stehen an der Schwelle eines neuen Stromzeitalters. Heute sind weite Teile unseres Alltags buchstäblich elektrisiert. Das reicht vom Haushalt und Verkehr über die Kommunikations- und Informationstechnologie bis zur Medizintechnik. Steigende Stromflut. Doch der Siegeszug der Elektronen ist noch lange nicht am Ende. So beträgt laut einer Studie des KIT der Anteil elektrischer Energie in Deutschland derzeit rund 22 Prozent des Endenergieverbrauchs. Größter Verbraucher ist die Industrie mit 43 Prozent, gefolgt von privaten Haushalten sowie Gewerbe, Handel und Dienstleistungen mit je 27 Prozent. Dabei wird der Stromverbrauch in allen Sektoren kontinuierlich ansteigen, um bis zu 1,4 Prozent pro Jahr, schätzt das KIT. Wir stellen zugleich eine Verschiebung von anderen Energieträgern hin zum elektrischen Strom fest, sagt Umbach. Alles in allem wird daher laut der Internationalen Energieagentur der globale Stromverbrauch bis 2035 um rund Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

9 Prozent zunehmen. Wir stehen an der Schwelle eines neuen, zweiten Stromzeitalters. Besonders den herkömmlich betriebenen Heizanlagen in Gebäuden werden die Elektronen in Zukunft kräftig Konkurrenz machen, ist sich der Physiker Umbach sicher. So können etwa elektrische Wärmepumpen effizienter heizen als ihre fossilen Verwandten, zumal dank der guten Wärmedämmung künftige Gebäude nicht so viel Heizenergie benötigen. Außer dem fallen bei Wärmepumpen weniger klima - schädliche CO 2 -Emissionen an laut dem Bundesverband Wärmepumpe rund 40 Prozent weniger im Vergleich zur Gasheizung. Die Erzeugung von Wärme für Gebäude verbraucht heute in unseren Industrienationen am meisten Energie, sagt Umbach. Hier sehe ich ein enormes Potenzial für elektrischen Strom. Spielwiese für Strom. Gerade Gebäude könnten künftig zu einer wahren Spielwiese für Elektrizität werden. So wollen Wissenschaftler deren Innenleben mit einer Vielzahl an winzigen vernetzten Sensoren ausstatten, die ihre Daten etwa über Temperatur oder CO 2 -Anteil der Luft an ein intelligentes Managementsystem schicken (S.99). Zudem könnten derartige smarte Gebäude zu eigenen Spielern am Strommarkt werden und ihren Verbrauch selbstständig dem schwankenden Angebot an Sonnen- und Windstrom anpassen. Dass dies nicht nur Zukunftsmusik ist, hat eine aktuelle Studie von Siemens und der Technischen Universität München herausgefunden (S.17). Dem - nach ist es durchaus möglich, etwa Klimaanlagen oder Pumpen zeitweise abzuschalten, ohne dass darunter der Wohnkomfort leidet. Damit der grüne Strom die Verbraucher künftig überhaupt erreicht, müssen auch die Verteilnetze intelligenter werden. Daran forschen etwa die Wissenschaftler von Siemens Corporate Technology in der Smart-Grid-Versuchsanlage in Erlangen (S.22). Dort entwickeln die Experten spezielle Regelungsalgorithmen und Hardware-Bausteine für künftige intelligente Stromnetze. Die bisherigen Resultate können sich buchstäblich sehen lassen in einem Pilotprojekt im Netz des Allgäuer Stromversorgers AÜW sollen die Ergebnisse in der Praxis erprobt werden. Elektrisch mobil. Ein weiteres Feld, das elektrischer Strom den fossilen Energieträgern in Zukunft streitig machen könnte, ist der Straßenverkehr. Bislang entfallen laut KIT nur vier Prozent des Stromverbrauchs in Deutschland auf den Transportsektor, praktisch ausschließlich für den Schienenverkehr. Dieser ist zwar bereits zu 90 Prozent elektrifiziert, doch die Straßen beherrschen nach wie vor Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor die weltweit für rund 20 Prozent des gesamten CO 2 -Ausstoßes verantwortlich sind. Angesichts des Klimawandels und der immer schwieriger zu erschließenden Ölquellen wird der Siegeszug des Elektroautos daher kommen, sind sich die KIT-Forscher sicher. Wann genau ein Massenmarkt entsteht, hängt da von ab, wann die Technologie etwa das La - den alltagstauglicher und kostengünstiger wird. Auch bei Siemens arbeiten die Wissenschaftler an Konzepten für die Elektromobilität. So hat das Unternehmen Ende 2010 einen Flottenversuch gestartet, bei dem Mitarbeiter rund 100 Elektroautos testen (S.34). Dabei wollen die Siemens- Experten nicht nur die Alltagstauglichkeit der kleinen Stromer untersuchen, sondern auch das Gesamtsystem der Elektromobilität und das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten von der Stromerzeugung über die -verteilung bis zum Tankvorgang. Die Lade-, Kommunikations- und Antriebstechnik stammt dabei aus den Siemens-Labors und wird im Laufe des Projekts in die Autos eingebaut. Elektrische Energie wird künftig auch auf vielen weiteren Feldern breit genutzt werden. Etwa bei der Meerwasser-Entsalzung: So haben Siemens-Forscher in Singapur eine Entsalzungsanlage entwickelt, die mit elektrischen Feldern arbeitet (S.30). Bislang wurde Salzwasser über Verdampfung oder Umkehrosmose aufbereitet, was extrem energieaufwändig ist. Die neue Technologie begnügt sich dagegen mit nur halb so viel Energie eine technische Revolution. Seit Dezember 2010 verwandelt eine Pilotanlage salziges Nass hocheffizient in reines Trinkwasser. Auch die Gewinnung von Strom wird neue Wege gehen: etwa bei Meeresströmungskraftwerken, die wie im Ozean versenkte Windräder funktionieren. Bereits heute sind einige solcher Unterwasserstromfabriken in Betrieb, unter anderem vor Irland: Dort produziert seit 2008 ein Gezeitenkraftwerk mit einer Leistung von 1,2 Megawatt Elektrizität für Haushalte das macht die Anlage zum derzeit leistungsfähigsten Meeresströmungskraftwerk der Welt (S.28). Den Anwendungsmöglichkeiten von Strom sind nahezu keine Grenzen gesetzt, sagt Prof. Dr. Eberhard Umbach. Welche elektrischen Szenarien tatsächlich Realität werden, hänge aber von vielen Randbedingungen ab etwa Bis zum Jahr 2035 wird der weltweite Stromverbrauch um bis zu 70 Prozent zunehmen, sagen Experten voraus. von der Entwicklung der Strompreise. Der ultimative Weg zu einer nachhaltigen Zukunft zeichnet sich noch nicht eindeutig ab, betont er. Wir müssen deshalb auf allen Feldern intensiv forschen und sollten auch andere Energieträger wie synthetisch hergestellte Kohlenwasserstoffe oder Wasserstoff nicht vernachlässigen. Überschüssiger Windstrom könne zum Beispiel gut in Form von chemischen Energieträgern gespeichert werden. Auch Siemens arbeitet bereits an einer derartigen Technologie, die mit Wasserstoff funktioniert (S.26). Grundsätzlich, so Umbach, sei vor allem eines wichtig, um kommende Heraus - forderungen zu meistern: Neben einem ge - sunden Realitätssinn ein ausgeprägtes Maß an Fantasie womit sich der Kreis zu König Ludwig II. wieder schließt. Florian Martini Das neue Stromzeitalter Intelligente Gebäude Smartes Haus: Künftig könnten Gebäude ihren Stromverbrauch selbstständig an das aktuelle Ökostrom- Angebot anpassen beispielsweise Kühlanlagen einund ausschalten und Elektroautos als Speicher nutzen. Das Haus denkt mit beim Stromsparen Künftig sollen intelligente Gebäude ihren Stromverbrauch selbstständig dem schwankenden Angebot an Sonnen- und Windstrom anpassen. Eine aktuelle Studie belegt die technische Machbarkeit. So kann man Lüftungen oder Pumpen zeitweise abschalten, ohne dass der Wohnkomfort leidet. In den USA ist das Abschalten energiezehrender Geräte längst üblich, um Engpässe im Stromnetz zu vermeiden. Mit neuer Automatisierungstechnik soll das nun noch effizienter werden. Siegeszug der Elektronen: König Ludwig II. ließ seinen Pferdeschlitten mit elektrischen Kohlebogenlampen und einer Batterie ausstatten. Um 1905 fuhren bereits erste Elektroautos von Siemens durch Berlin (im Bild beim Batteriewechsel), und 2011 rüstete das Unternehmen mehrere Porsche mit modernsten Elektromotoren aus. Auf vielen Einfamilienhäusern glitzern heute schwarz-blaue Photovoltaik-Module, auf Hügeln drehen sich Windräder und auch im Meer, etwa in der Nord- und Ostsee, liefern Windparks Strom. Doch Strom aus Sonne und Wind ist ein unstetes Gut. Je nach Wetter schwankt die Erzeugung. Derzeit stammen beispielsweise in Deutschland rund sieben Prozent des Stroms aus Windenergie, knapp zwei Prozent aus Solarenergie. In den vergangenen 16 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

10 Mit Sonne kühlen Klimaanlagen tragen in heißen Regionen erheblich zum Stromverbrauch und somit zum CO 2 -Ausstoß bei. Siemens-Forscher im indischen Bangalore entwickeln deshalb eine solare Kältemaschine, die ihren Strom selbst erzeugt und damit völlig autark arbeitet. Mitteleuropäer brauchen Energie vor allem, um Wärme zu produzieren. Je kälter der Winter, desto mehr Öl und Gas wird verheizt. In Indien benötigt man genau das Gegenteil Kälte. Rund 60 Prozent des Stromverbrauchs in indischen Bürogebäuden wird tagsüber nicht von Lampen, Computern oder Servern, sondern von stromhungrigen Klimaanlagen aufgezehrt. Entwickler von Siemens Corporate Technology im indischen Bangalore entwickeln deshalb eine Kältemaschine, die sich selbst versorgen kann, indem sie ihren Strom selbst erzeugt. Die Anlage besteht aus einem Lichtsammelsystem, das die Sonnenwärme einfängt und einer Photovoltaikeinheit für die Stromversorgung. Derzeit konzipieren wir das System. Anfang 2012 wollen wir es auf dem Dach unseres Bürogebäudes in Bangalore testen, sagt Projektleiter Peeush Kumar Bishnoi. Die Lösung basiert auf dem altbewährten Prinzip der Absorptionskältemaschine. Dabei kommt üblicherweise eine Salzlösung zum Einsatz. Wasser dient als Kältemittel. Die Solarwärme heizt das Wasser-Salzlösungs-Gemisch auf und trennt das Wasser in Form von Wasserdampf von der Salzlösung ab. Anschließend wird das Wasser kondensiert und in einen Verdampfer gepumpt, den Anlagenteil, der Kälte erzeugt. Im Verdampfer herrscht Unterdruck, so dass schon die geringen Außentemperaturen genügen, um das Wasser zu verdampfen. Dabei wird der Umgebung Wärme entzogen, der Raum gekühlt. Anschließend wird der Wasserdampf dann wieder an die Salzlösung gebunden. Da das System im Kreislauf arbeitet, wird die Umgebung permanent gekühlt. Der Photovoltaik-Strom ist dabei nötig, um das Wasser und die Salzlösung durch das System zu pumpen. Schon andere Entwickler haben versucht, Kälteprozess und Photovoltaik miteinander zu verknüpfen. Bislang ist dafür aber stets eine teure und vor allem große Photovoltaikanlage nötig, die auf den wenigsten Bürodächern Platz findet. Kumar Bishnoi und seine Kollegen verknüpfen daher beides in einer kompakten Anlage und nutzen die Sonnenenergie damit besser aus. Die Herausforderung besteht darin, genug Hitze für den Kälteprozess zu gewinnen, ohne dabei die Stromproduktion in den Photovoltaik-Zellen zu beeinträchtigen. Eine Idee ist, eine spezielle Flüssigkeit einzusetzen, die dem Sonnenlicht ausreichend Wärme entzieht, bevor es die Photovoltaik-Einheit erreicht. In Indien ist der Bedarf für solche autarken Systeme hoch, weil besonders in ländlichen Regionen viele Menschen nicht an das Energieversorgungsnetz angeschlossen sind. Für eine klassische Kompressionskältemaschine nach Kühlschrankprinzip, sagt Bishnoi, wäre die Strommenge nicht ausreichend, für die kleinen Pumpen des Absorptionskälteprozesses aber allemal. Das Potenzial dieser Technologie ist riesig. In Indien wird der Bedarf für die Kühlung von Büros und Geschäftsräumen bis zum Jahr 2015 auf rund Megawatt geschätzt die Leistung von etwa 30 großen Kohlekraftwerken. Würde man die Technik aus Bangalore im großen Stil einsetzen, wären die Energieeinsparungen erheblich. Tim Schröder Solar Cooling: autarke Kältemaschine Optik Solarzellen Sonnenstrahlung Hitze treibt Kältemittel aus Salzlösung Strom Pumpe Kühlung durch Verdampfung des Kältemittels bei niedrigem Druck Salzlösung absorbiert Kältemitteldampf Gebäudeplanung: Siemens-Forscher arbeiten daran, Gebäudemanagementsysteme mitsamt den Stromverbrauchern so zu steuern, dass Energie gespart werden kann, ohne dass der Komfort beeinträchtigt wird. Jahren kam es immer wieder vor, dass Windparks in der Nordsee bei steifer Brise komplett abgeschaltet werden mussten, damit das Stromnetz lokal nicht überlastet wurde. In anderen Fällen wurde der überschüssige Strom an Nachbarländer abgeführt, obgleich es in besonders stürmischen Nächten kaum Bedarf gab. Der Strompreis wurde dadurch so niedrig, dass man mitsamt Durchleitungsgebühr ein Minusgeschäft machte. Im umgekehrten Fall müssen aber bei Flaute so genannte Spitzenlastkraftwerke hochgefahren werden, was den Strom verteuert. Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien wird die Belastung des Stromnetzes künftig zunehmen. Nach Angaben der Deutschen Energie-Agentur müssten bis 2020 allein in Deutschland rund Kilometer Trassen zugebaut werden, um den Strom in die Verbrauchszentren zu transportieren. Doch auch das wird nicht reichen. Die Netze müssen zusätzlich intelligenter werden für höhere Transparenz, flexiblere Preise und um den Strom besser verteilen zu können (Pictures of the Future, Herbst 2009, S.12). Diskutiert werden auch neue Stromspeicher, die bei Wind und Sonnenschein das Zuviel an Strom aufnehmen und bei Flaute und Regen wieder abgeben. Zudem könnten künftig auch Elektroautos in Summe als ein gigantischer Pool aus vielen kleinen Batterien wirken: Die Batterien in zwei Millionen Elektroautos haben in etwa einen Energieinhalt von 40 Gigawattstunden so viel, wie alle deutschen Pumpspeicherkraftwerke derzeit speichern können. Verbrauch folgt Produktion. Doch es zeichnet sich noch ein ganz anderer Baustein im Mosaik der Lösungen ab. Hierfür wäre nicht viel mehr als eine ausgeklügelte Software nötig. Lastverschiebung heißt das Zauberwort. Die Idee besteht darin, elektrische Verbraucher, also Lasten, in Gebäuden so zu steuern, dass sie vor allem dann auftreten, wenn Windräder und Photovoltaik-Module Strom im Überfluss liefern, denn dann ist der Strom billig. Bei Dunkelheit oder Flaute würden sich die elektrischen Geräte, soweit möglich, hingegen abschalten. Das wäre ein Paradigmenwechsel, denn heutzutage richten Gas- und Kohlekraftwerke ihre Erzeugung am Verbraucher aus, an dem, was Haushalte, Fabriken und Büros benötigen. Künftig wäre es genau umgekehrt. Die Gebäude würden ihren Stromverbrauch nach dem Energieangebot ausrichten: Der Verbrauch folgt also der Produktion. Dass sich in verschiedenen Gebäudetypen eine Reihe technischer Anlagen relativ flexibel aus- und wieder einschalten lassen, haben Forscher der Technischen Universität München (TUM) in Kooperation mit Siemens Building Technologies herausgefunden. Die Experten haben dazu mehrere Monate lang die Daten aus Gebäudeleitzentralen aufgezeichnet, die Stärke der Lüftung, die Aktivität von Wasserpumpen oder die Messwerte von Temperaturfühlern in den Räumen. Wie schnell heizt sich etwa ein Büro in Leichtbauweise auf, wenn man die Gebäudekühlung abschaltet? Für uns war die entscheidende Frage, wie lange man bestimmte Geräte abschalten kann, ohne dass sich der Komfort in den Räumen verschlechtert, sagt Timm Rössel, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Bauklimatik und Haustechnik der TUM. Gemäß deutscher Industrie-Norm sollte etwa die Temperatur in einem Büro nicht unter 21 Grad Celsius sinken, damit es behaglich bleibt. Vier verschiedene Gebäudetypen haben Rössel und sein Kollege Johannes Jungwirth vom Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik für ihre Studie analysiert Büro- und Verwaltungsgebäude, Krankenhäuser, Schwimmbäder und Schulen. Vor allem in Bürogebäuden ist das Lastverschiebungspotenzial hoch. So lässt sich etwa die Lüftung in normal besetzten Büros bis zu einer halben Stunde komplett abschalten, ohne dass es stickig wird. Eine Maßnahme, die mehrmals am Tage wiederholt werden kann. Ähnliches gilt für die Lüftung in Tiefgaragen. Die Forscher untersuchten auch, wie oft und vor allem wie schnell die Aufzüge in Bürogebäuden fahren. Abgesehen von den Stoßzeiten morgens und abends lässt sich die Geschwindigkeit für mehrere Stunden täglich drosseln, was den Strombedarf um rund zehn Prozent reduzieren kann. Wie sich zeigte, nehmen die Nutzer das verringerte Tempo nicht als störend wahr. Ist in einem Gebäude eine Brauchwasseranlage installiert, die zum Beispiel die Toilettenspülung versorgt, ergibt sich eine weitere Möglichkeit, Lasten zu verschieben. Die Pumpen, mit denen die Brauchwassertanks gefüllt werden, können mit bis zu 12 Stunden Verspätung angeworfen werden, ohne dass sich die Tanks vorzeitig leeren. Im Krankenhaus wiederum sind die Aufzüge sowie die Reinigungsund Sterilisationsgeräte für Operationsbesteck von Interesse. Das größte Lastverschiebungspotenzial in Hallenbädern bieten die Kompressoren der Luftentfeuchtungsanlage, die sich gar für mehrere Stunden abschalten lassen. Auch die Ozon- und UV-Anlagen für die Wasserreinigung lassen sich für Stunden herunterfahren. Die Ergebnisse der Studie sind für uns wichtig, denn sie belegen, dass sich in größeren Gebäuden in der Summe ein lohnendes Lastverschiebungspotenzial ergibt, sagt Joachim Kiauk, der als Projektleiter bei Siemens Building Technologies (BT) im schweizerischen Zug für die Studie verantwortlich war. Im Klartext bedeutet das, dass Siemens gemeinsam In normal besetzten Büros lässt sich die Lüftung eine halbe Stunde abschalten, ohne dass es stickig wird. mit der TUM jetzt Software-Werkzeuge entwickelt, mit denen sich Gebäudeleittechnik künftig nach dem Stromangebot steuern lässt. Seit 2011 sind die Energieversorger in Deutschland verpflichtet, variable Stromtarife anzubieten, die sich im Laufe des Tages gemäß Angebot und Nachfrage ändern. Sehr kurzfristige Preisänderungen aber lässt das System noch nicht zu. Genau das erwarten Experten aber für die nahe Zukunft einen Strompreis, der sich im Stunden- oder gar Viertelstundentakt ändern kann. In einem solchen Szenario würde die Gebäudeleittechnik bestimmte technische Geräte Umfassendes Management: Künftige Gebäudeleitsysteme müssen hunderte Parameter berücksichtigen und zugleich ihren Stromverbrauch und -bedarf intelligent steuern. 18 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

11 ausschalten, wenn der Strombedarf hoch ist. Denn dann ist der Strom teuer etwa in den Abendstunden oder morgens, wenn Fön, Toaster und Heißwasserboiler angeschaltet werden. Dank des aktuellen Strompreissignals wird die Gebäudeleittechnik Pumpen oder Ventilatoren vor allem dann einschalten, wenn Sonnen- und Windstrom ins Versorgungsnetz fluten und der Strompreis sinkt. Viele Hundert Parameter und Messwerte fließen heute in ein modernes Gebäudeleitsystem ein etwa die Temperaturwerte aus Büros oder die aktuelle Leistung der Ventilatoren. All diese muss die Lastverschiebungssoftware verknüpfen. Mit Hilfe einer Gebäudesimulation entwickeln die TUM-Forscher jetzt die entsprechenden Rechenvorschriften weiter. Im Idealfall werden wir diese Algorithmen in bestehende Leittechnik wie etwa unser Desigo-System integrieren können, sagt Kiauk. In welcher Form das Wissen letztlich in Siemens-Produkte einfließt, steht derzeit noch nicht fest. Es geht hier zunächst um grundlegende Forschungsarbeit, sagt Christoph Hielscher, Leiter der Geschäftsentwicklung für Smart Grid Applications bei Siemens Energy. Unser Ziel ist es, Gebäude intelligent zu machen, sie zu befähigen, selbst zu erkennen, wie schnell sie auskühlen, welchen Heizbedarf sie haben und wann sie welche Geräte entsprechend abschalten können, um Strom zu sparen. Jedes Gebäude hat andere Eigenschaften. Lasten abwerfen zum Stromsparen. In den USA ist das Lastmanagement längst Alltag. Im Detail geht es dabei aber weniger um schwankende Stromerzeugung, sondern um den so genannten Lastabwurf, das Load-Shedding. In den USA hat man damit zu kämpfen, dass die Kapazitäten der Kraftwerke und des teilweise betagten Stromnetzes hin und wieder an ihre Grenzen stoßen. Das gilt besonders für heiße Tage, wenn Millionen Amerikaner ihre Klimaanlagen einschalten. Um Versorgungsengpässe zu vermeiden, ist man dazu übergegangen, gezielt Verbraucher abzuschalten, also Lasten abzuwerfen. Privatkunden beispielsweise, die sich dazu bereit erklären, an mehreren heißen Tagen im Jahr ihre Klimaanlage abzuschalten, werden dafür mit günstigeren Stromtarifen belohnt. Entsprechendes gilt für Industriebetriebe oder Kühlhäuser. Heute werden die Verbraucher meist am Vortag via oder Telefon benachrichtigt. Dank präziser Wettervorhersagen ist das möglich. Etwa 80 Prozent aller am Load- Shedding beteiligten Kunden werden so direkt informiert. Das klingt aufwändig, doch ist dieser landesweite Call-Center-Service günstiger als der Bau neuer Kraftwerke oder der Ausbau des Stromnetzes. Mit der Übernahme des US-amerikanischen Lastmanagement-Spezialisten SureGrid will Siemens das Lastmanagement jetzt automatisieren. SureGrid entwickelt dafür Software für Zentralrechner und Kommunikationstechnologien. Der Zentralrechner der Firma SureGrid in Austin im Bundesstaat Texas nimmt die Anfrage eines Stromversorgers nach der benötigten Strommenge entgegen und verteilt diese Gesamtmenge dann automatisch auf alle zugeschalteten Gebäude in der Region. Diese Automatisierung löst auch das Problem der mangelnden Zuverlässigkeit. Wenn der Energieversorger heute per Telefon oder um Lastabwurf bittet, ist nämlich keineswegs garantiert, dass der Kunde am Folgetag tatsächlich daran denkt, die Klimaanlage abzuschalten. Die Energieversorger müssen also auf Nummer sicher gehen und mehr Lastabwurf einplanen, als letztlich nötig ist. Dank Automatisierung wird das Lastmanagement künftig kalkulierbarer und sicherer. Und noch einen Vorteil hätte die Automatisierung. Heute müssen die Energieversorger auf Grundlage von Wetterprognosen etwa einen Tag im Voraus ahnen, wann und wie lange man Lasten abwerfen sollte. Auch hier planen sie einen Puffer ein und bitten die Kunden, ihre Geräte für mehrere Stunden abzuschalten zumeist länger als nötig. Mit einer Automatisierung ist man wesentlich spontaner, kann unmittelbar vor dem Engpass reagieren und so auch die Dauer des Lastabwurfs verkürzen. Natürlich unterscheidet sich der US-Energiemarkt deutlich vom europäischen. In den USA dreht es sich um Versorgungsengpässe, in Europa um die schwankende Energieerzeugung durch Wind und Sonne. Doch auch die USA gehen derzeit mit dem automatischen In Zukunft wird sich der Strompreis im Viertelstundentakt ändern intelligente Gebäude helfen beim Sparen. Lastmanagement einen ersten wichtigen Schritt zu mehr Intelligenz im Gebäude und beim Stromverbrauch. Eine Gebäudeleittechnik, wie die mit dem TUM-Projekt avisierte, die darüber hinaus sehr flexibel auf den aktuellen Strompreis reagiert, wäre der nächste Schritt, sagt Hielscher. Der Vorteil liegt auf der Hand. Wenn Menschen heute an heißen Tagen ihre Klimaanlage ausschalten, bricht ihnen der Schweiß aus. Ein intelligentes Lastmanagement würde stattdessen eher das Tempo des Fahrstuhls drosseln. Tim Schröder Dunkelblau ist das neue Rot. Zumindest wenn es um die noch roten Hausdächer in Wohngebieten geht. Denn seit in Deutschland im Jahr 2000 das Erneuerbare-Energien-Gesetz beschlossen wurde und in rund 50 weiteren Staaten als Vorbild für deren eigene Förderinstrumente herangezogen wurde, verwandeln sich immer mehr Dächer durch Photovoltaikanlagen in kleine blaue Kraftwerke. Mit den damit einhergehenden Problemen wie der drohenden Überlastung ganzer Ortsnetze beschäftigen sich Wissenschaftler von Siemens und der Technischen Universität München. Sie suchen nach neuen Ansätzen mit denen das Stromnetz intelligenter und für große Mengen Photovoltaikstrom gerüstet werden kann. Das ist leichter gesagt als getan. Denn die meisten heutigen Netze sind nur auf die großen, mit Kohle oder Gas betriebenen, Kraftwerke ausgelegt. Diese speisen Strom in das Hochspannungsnetz ein. Er fließt weiter in das Mittelspannungs- und das Niederspannungsnetz, an dem schließlich die Endverbraucher angeschlossen sind. Dieses hierarchische Prinzip funktionierte bisher gut aber es reicht nicht für die Zukunft mit einer Vielzahl kleiner Stromerzeuger. Zwar ist der Anteil des Sonnen- Das neue Stromzeitalter Ökostrom ins Netz Lösungen für die Stromprobleme von morgen In Zukunft wird immer mehr Strom aus Sonne und Wind ins Netz eingespeist. Dieses muss den hohen Strommengen standhalten, die je nach Wetter auch noch stark schwanken können. Forscher von Siemens und der Technischen Universität München entwickeln Lösungen, die das Stromnetz für die grüne Welle rüsten sollen. stroms weltweit heute noch relativ gering, doch in den nächsten 20 Jahren könnte er sich verfünfzigfachen. Der Einfluss auf Netzstabilität und elektrische Spannung wäre erheblich. Dies könnte nicht nur wichtige und teure Komponenten wie etwa Transformatoren beschädigen, sondern auch andere elektrische Geräte in ihrer Funktion und Lebensdauer beeinträchtigen, sagt Dr. Michael Metzger von Siemens Corporate Technology (CT). Zusammen mit Prof. Rolf Witzmann vom Lehrstuhl für Elektrische Energieversorgungsnetze der Technischen Universität München arbeitet er an der Lösung für diese Probleme. Dazu analysierten sie zunächst die Lage. Sie berechneten für Deutschland, wie viel Photovoltaikstrom erzeugt werden könnte, wenn alle geeigneten Dächer und Freiflächen mit Photovoltaikanlagen bestückt würden und kamen auf 161 bis 188 Gigawatt. Gegenwärtig liefern die deutschen Photovoltaikanlagen gerade mal ein Zehntel davon: 18 Gigawatt Spitzenleistung. Was ein ungebremster Ausbau an Kosten verursachen würde, zeigt eine weitere Berechnung: Allein um das Stromnetz eines kleinen Dorfes auf das dort vorhandene Potenzial aufzurüsten, müsste der örtliche Netzbe- Die Netze sichern: In einem Pilotprojekt bei Fürth setzen Siemens-Forscher spezielle Wechselrichter ein, die regulierend in die Netze eingreifen. Dadurch kann mehr Ökostrom eingespeist werden. treiber bis Euro investieren. Der Grund dafür ist, dass die heutigen Transformatoren nur auf bestimmte Spannungswerte ausgelegt sind. Zu hohe Spannungen überlasten sie. Auch die Kabel, durch die der Strom fließt, können bei zu hohen Spannungen überlastet werden. Die Folge wäre ein Kurzschluss. Blindstrom meistern. Dass es auch kostengünstigere Lösungen gibt, zeigt ein Pilotprojekt in Unterfarnbach bei Fürth (siehe auch S.22). Dort integrieren die Forscher Wechselrichter ins Netz, deren eigentliche Aufgabe es ist, aus dem Gleichstrom, der von der Photovoltaikanlage kommt, Wechselstrom zu machen und ihn an die Frequenz im Netz anzupassen. Doch dank einer Neuentwicklung von Siemens können die Wechselrichter jetzt auch so genannte Blindleistung aus dem Netz beziehen und auf diese Weise regulierend eingreifen. Es kann dadurch mehr Strom eingespeist werden, ohne dass das Netz teuer ausgebaut werden muss. Blindleistung wird von Geräten wie Motoren erzeugt, die ein magnetisches Feld immer wieder auf- und abbauen. Dadurch beziehen sie in regelmäßigen Abständen Strom und speisen ihn gleich wieder zurück ins Netz. Ein weiteres Problem erneuerbarer Energien ist ihre Fluktuation. Wind- und Solaranlagen erzeugen nicht konstant eine gewisse Menge Strom schwankender Wind, Wolken und Dunkelheit verhindern das. Die Wissenschaftler von Siemens und der TU München beschäftigen sich daher auch mit Stromspeicherlösungen, die überschüssigen Strom aufnehmen und bei Bedarf wieder ins Netz abgeben. Vielfältige Konzepte, wie solche Speicher aussehen könnten, gibt es bereits (S.26 und Pictures of the Future, Herbst 2009, S.31). Womit wir uns beschäftigen, ist vor allem die Frage, wie groß die Speicher dimensioniert sein müssen, um das Netz möglichst effektiv und kostengünstig zu entlasten, erklärt Witzmann. Dazu lassen die Wissenschaftler das Jahr 2005 im Computer wie im Zeitraffer ablau - fen. Sie simulieren mit Hilfe der Wetterdaten die Interaktion zwischen Umweltbedingungen, Photovoltaikanlagen und Verbrauchern, und können Stromproduktion und Bedarf miteinander vergleichen. Bis 2011 sollen erste Ergebnisse feststehen. Datenaustausch im Millisekundentakt. In einem weiteren Projekt beschäftigen sich Dr. Dragan Obradovic von Siemens CT und Prof. Dr. Sandra Hirche von der TU München mit der Frage, wie Fluktuationen in der Stromeinspeisung schnellstmöglich ausgeglichen werden können. Wir entwickeln Regelstrategien, die ermöglichen, dass alle sich im Netz befindlichen Anlagen miteinander kommunizieren können, verrät Obradovic. Bisher tauschen nur die großen Kraftwerke Informationen aus. Oft sind aber Störungen schon viele Stunden im Voraus absehbar, etwa wenn eine Komponente des Kraftwerks ausgewechselt werden soll. Für kleinere Schwankungen reicht alle zehn Minuten eine Statusmeldung. Weil aber Photovoltaikstrom von Wind und Wetter abhängig ist, kann ein Ausfall viel spontaner erfolgen. Zwar ist es nicht besonders schlimm, wenn nur eine Anlage ausfällt, doch ist ein ganzer Landstrich betroffen, droht Stromausfall. Dann müssen schnell die umliegenden Anlagen und Stromspeicher einspringen. Wir gehen davon aus, dass in Zukunft derartige Informationen im Millisekundenbereich ausgetauscht werden müssen, meint Obradovic. Die Ergebnisse aus den Kooperationen fließen in ein Labornetz ein, das von CT-Wissenschaftlern bei Siemens in Erlangen aufgebaut wird. Dort sollen nicht nur die Lösungen für die einzelnen Probleme, wie örtliche Spannungsüberhöhungen, getestet werden. In kleinerer Ausführung entsteht hier auch ein Netz der Zukunft mit Photovoltaikanlagen, Verbrauchern und Stromspeichern. Damit kann dann ihr Zusammenspiel nicht nur simuliert, sondern real erprobt werden. Helen Sedlmeier 20 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

12 werblichen und privaten Stromkonsumenten wird sich auf den ersten Blick kaum etwas ändern, glaubt Knaak. Der Strom werde nach wie vor aus der Steckdose kommen, und natürlich immer dann zur Verfügung stehen, wenn er ge braucht wird. Die vielerorts noch verwendeten mechanischen Zähler, oft lediglich im Halb - jahres- oder Jahrestakt abgelesen, werden nur noch im Technik-Museum zu besichtigen sein. Das Stromnetz der Zukunft wird auch ein Informationsnetz sein. So könnten Haushalte ihre Waschmaschinen gezielt auf Hochtouren laufen lassen, wenn der Strompreis günstig ist. Die Steuerung erfolgt vollautomatisch, der Verbraucher kann die Geräte auch übers Internet ein- und ausschalten oder seinen Netzbetreiber damit beauftragen. Bei einer konsequenten Umsetzung ist mit beachtlichen Einsparungen beim Stromverbrauch zu rechnen, prognostiziert Michael Moser, Bereichsleiter in der Sektion Energieforschung beim Schweizer Bundesamt für Energie. Fünf bis zehn Prozent Energieeinden regenerativen Quellen zwischenspeichern können. Aus heutiger Sicht klingt das intelligente Netz noch wie Zukunftsmusik. Doch versuchen sich Wissenschaftler bereits an fortschrittlichen Kompositionen etwa in der Versuchsanlage für Smart-Grid-Technologien von Siemens Corporate Technology (CT) in Erlangen. Dort entwickeln Ex - perten spezielle Regelungsalgorithmen und Hardware- Bausteine für intelligente Netze. Dabei kombinieren sie Experimente mit ausgeklügelten Simulationsrechnungen. Wir simulieren etwa die Verhältnisse im elektrischen Stromverteilnetz eines realen Dorfes in Deutschland mit sehr hohem Anteil photovoltaischer Stromerzeugung, sagt Dr. Jochen Schäfer, der im CT-Leuchtturmprojekt Smart Grid die Entwicklung, den Test und die Demonstration von Hardware-Komponenten leitet. Forschungsprojekts Smart Grid. In der Praxis funktioniert das so: In einem Demonstrationsszenario zieht etwa eine Wolkenfront über das Dorf. Die Stromerzeugung der imaginären Photovoltaikanlagen also die Stromeinspeisung durch die Wechselrichter geht daraufhin Das Stromnetz der Zukunft wird auch ein umfassendes Informationsnetz mit hoher Transparenz sein. drastisch zurück. Da der Ort seinen Strombedarf vollständig aus eigenen Quellen decken muss, setzen die Forscher zum kurzfristigen Ausgleich eine Batterie ein, bis das Blockheizkraftwerk im Erlanger Labor hochgefahren ist. Der Abgleich von Stromerzeugung und -bedarf erfolgt dabei über einen Handelsmechanis- Das neue Stromzeitalter Intelligente Netze Gegen die Einbahnstraße Mit intelligenten Stromnetzen und -zählern soll die Stromversorgung auf die wesentlich komplexeren Anforderungen des neuen Stromzeitalters angepasst werden. In der Smart-Grid- Versuchsanlage von Siemens in Erlangen werden erste Technologien entwickelt. Vor rund 120 Jahren wurden in Europa die ersten Elektrizitätswerke gegründet und nach und nach die Stromversorgung aus der Steckdose aufgebaut. Seit dieser Zeit waren wir im Blindflug unterwegs, sagt Jürgen Knaak, Geschäftsführer der Arbon Energie AG, des loka - len Energieversorgers der gleichnamigen Klein - stadt am Schweizer Ufer des Bodensees. Selbst heutzutage wissen weder Verbraucher noch Versorger exakt, wann wie viel Strom durch die Leitungen fließt. Doch dies soll sich nun mit der Einführung der intelligenten digitalen Stromzähler, der Smart Meter, ändern. Zumindest in der Einwohner-Gemeinde Arbon: Dort ersetzt Siemens seit 2007 die rund Haus - haltszähler durch die neuen Hightech-Geräte. Für die Strombranche ist das eine Revolution, vergleichbar mit der Einführung der Mobiltelefonie oder des Internets, erklärt Knaak. Blindflug in Arbon bedeutete bislang eine fast komplette Intransparenz darüber, was im Stromnetz der Gemeinde geschieht. Mehr als das periodische Erfassen des Stromverbrauchs von Haushalten, Gewerbe- und Industriebetrieben gab es nicht. Doch das reicht in Zukunft bei weitem nicht. Die Stromproduktion und -versorgung wird viel komplexer, sagt Knaak. Dem müssen wir gerecht werden. Die so genannten Amis-Zähler von Siemens, die in Arbon installiert sind, sind Geräte der neuesten Generation, die nicht nur den Stromverbrauch messen, sondern via Schnittstelle auch die Daten von Gas-, Wasser- und Fernwärmezählern übernehmen können. Diese werden ohne Verzögerung übers Stromnetz an den Energieversorger übermittelt. Der ist damit jederzeit und punktgenau informiert über den Strombedarf jedes Abnehmers im Netz, von den Kühlschränken in den Haushalten bis zu den Grossverbrauchern in der Industrie. Aktuell sind in Arbon rund intelligente Zähler installiert, bis Ende 2013 soll die Umstellung abgeschlossen sein. Dann beginnt für Jürgen Knaak ein neues Zeitalter und ein Geschäftsmodell, das seinem Unternehmen die Zukunft sichern soll. Denn im künftigen Strommarkt werden Informationen so wertvoll sein wie die Energie. Erst die detaillierten Angaben zum Stromverbrauch werden es möglich machen, den Kunden maß - geschneiderte Tarifmodelle anzubieten und damit einen echten Wettbewerbsvorteil auszuspielen. Und die Stromverbraucher? Sie werden nicht nur besser Bescheid wissen, wohin ihr Strom im Haushalt oder in der Firma fliesst, son dern ihren Konsum auch gezielter steuern können. Zum Beispiel die St. Galler Stadtwerke, die Trinkwasser aus dem Bodensee in die Ostschweizer Metropole pumpen. Knaak kann dem Unternehmen fast sekundengenau mitteilen, wann es am günstigsten ist, die Pumpen laufen zu lassen, und ein entsprechendes Tarifmodell offerieren. Davon profitieren nicht nur die Stadtwerke, sondern auch der Arboner Energieversorger. Er kann dann günstig einkaufen, wenn der Strom wegen Überkapazitäten am Markt besonders preiswert zu haben ist. Schlaue Zähler. Und wie wird die Zukunft in zehn, fünfzehn Jahren aussehen? Für die ge- sparungen seien in der Schweiz erreichbar. Davon profitieren auch die Verbraucher. Smarte Stromautobahnen. Die Smart Meter sind eigentlich nur ein angenehmer Nebeneffekt der künftigen, digitalen Stromversorgung. Die weit grössere technologische und ökonomische Herausforderung wird die Ausgestaltung der Strom netze sein. Denn in Zukunft werden nicht mehr wie heute einige wenige Großkraftwerke den überwiegenden Teil der Stromproduktion sicherstellen, sondern viele mittelgroße und kleine Kraftwerke, die mal zum Eigenbedarf pro du - zie ren, mal Energie einspeisen. Die Netze, die bisher praktisch als reine Einbahnstrassen funktionierten, werden damit zu mehrspurigen Energie-Autobahnen (Pictures of the Future, Herbst 2009, S. 12). Beispielsweise werden Windkraftanlagen auf Volllast laufen, wenn der Wind stark weht, und Gas- oder Biomassekraftwerke werden zugeschaltet, wenn die Nachfrage steigt. Hinzu kommen vermehrt Stromspeicher, die die Energie aus fluktuieren- Zukunft der Netze: Im Smart-Grid-Labor simulieren Forscher die Verhältnisse im Netz, etwa wenn Wolken über Solaranlagen ziehen (links). In Arbon, Schweiz, ar bei ten bereits intelligente Stromzähler (oben). Ein Straßenzug ist im Simulationsmodell besonders aufgefallen. Dort haben wir viele große photovoltaische Erzeuger mit wenigen kleinen Stromkonsumenten. Bei starker Sonnen - einstrahlung ist das für die Netzstabilität kri - tisch, erläutert Schäfer. Im Laborversuch ha ben die Experten daraufhin den entsprechenden Netzstrang mit Erzeugern, Verbrauchern sowie den Leitungswiderständen im Maßstab 1:7 nachgebaut. Die Solarzellen werden dabei von Wechselrichtern abgebildet, die ihre Energie aus einem unabhängigen Netz beziehen. Damit lassen sich die Versuchsbedingungen einstellen, etwa die Stärke der Sonneneinstrahlung. Nun können wir Regelungsalgorithmen und kritische Zustände nicht nur in einer Modellrechnung, sondern auch praktisch erproben und untersuchen, sagt Joachim Bamberger, der Leiter des mus, der zuvor im Simulations modell getestet wurde. Die regelbaren Komponenten wie Batterie und Blockheizkraftwerk reagieren auf Preissignale an einer lokalen Strombörse, erklärt Bamberger. Steht weniger Sonnenenergie zur Verfügung, steigen die Preise. Die teureren Stromanbieter oder -speicher im Dorf wie das Blockheizkraftwerk und die Batterie fangen nun an, Strom zu liefern. Gleichzeitig sinkt der Stromverbrauch im Dorf, da über die Höhe des Strompreises auch Verbraucher wie Wärmepumpen oder Kühlaggregate beeinflusst werden können (S.17). Bewähren sich diese elektronischen Steuerungsinstrumente in der Simulation, können wir die gewonnenen Erkenntnisse im Labor experimentell absichern und auch demonstrieren, sagt Schäfer. Die bisherigen Resultate sind so gut, dass die Siemens-Forscher einen Pilotversuch im Netz des Allgäuer Energiever sorgers AÜW (Allgäuer Überlandwerk) starten wollen. Dann rückt das smarte Stromnetz von morgen wieder ein großes Stück näher. Urs Fitze 22 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

13 Originalform nutzen, unverfälscht und mit geringen Transportverlusten. Wenn man mit Solarzellen Strom erzeugt und diesen wieder in Kunstlicht umwandelt, gehen rund 99 Prozent der Sonnenenergie verloren. Der Sollektor dagegen erreicht einen Wirkungsgrad von über 50 Prozent. Wo man die Natur normalerweise aussperrt, bringen wir das natürliche Licht hin. Dorthin, wo der Mensch sich die meiste Zeit aufhält: in der dunklen Höhle des Büros. Man kann heute über die Schildbürger lachen. Fenster in Gebäude einzuplanen, vergisst kein Architekt mehr. Als effizient zu bezeichnen, wie wir unsere Gebäude beleuchten, wäre trotzdem ein Trugschluss. Sobald im Sommer die Sonne auf die Fenster prallt, gehen die Jalousien herunter und der Lichtschalter an. Das gilt umso mehr für Regionen der südlichen Hemisphäre. 90 Prozent unseres Lebens verbringen wir in geschlossenen Räumen, arbeiten und leben unter Kunstlicht. Fast ein Fünftel des weltweiten Strombedarfs geht so in die Ausleuchtung von Innenräumen auch tagsüber. Das Ergebnis der Zusammenarbeit zwischen der Ohm-Hochschule und Osram ist eine Kombination aus Energieeffizienz und dem Faktor Lebensqualität sowie aus jungem Forschergeist und etablierter Branchenexpertise. Henry Feil bewegt sich als Innovationsmanager in einem Netzwerk junger Entwickler. Ideen befinden sich im Wettbewerb miteinander, sagt er. Man muss seine Fühler ausstrecken, ohne Berührungsängste zu haben. Jeder, der gute Ideen bringt, verdient es, gefördert zu werden. Osram unterstützt die jungen Forscher mit Know-how sowie mit neuester LED-Technologie und intelligenter Sensorik. Open innovation nennt Feil dies, ein gegenseitiges Pushen. Er kann immer dann weiterhelfen, wenn es um technische Lichtlösungen, Businesspläne oder Marktanalysen geht. Für Osram erwartet er sich im Gegenzug frische Impulse, die vielleicht eines Tages in ein verwertbares Produkt münden. Photovoltaik und Sollektor im Vergleich Sollektor erstmals auf dem Markt beweisen. Bis dahin muss das Zusammenspiel von Lichtwellenleiter und moderner LED-Technologie einwandfrei funktionieren. Die Grundlage für diese sensible Aussteuerung sind ausgeklügelte Algorithmen, die beide Teile in Einklang bringen. Automatisch aufeinander abstimmen. Worauf solche Funktionsvorschriften beruhen, lässt sich bei Siemens Building Technologies im schweizerischen Zug nachvollziehen. Auf den ersten Blick wirkt der enge Raum wie ein normales Büro: ein schwarz gepolsterter Stuhl, ein Schreibtisch aus hellem Holz, darauf ein Laptop. Der Arbeitsplatz ist aber nur eine Versuchsanordnung. Durch die Fenster strahlt die Sonne. Zusätzlich dringt von der Decke das Tageslicht durch einen dem Sollektor ähnlichen Lichtwellenleiter ein Produkt aus Schweden, sagt der verantwortliche Projektmanager Philipp Kräuchi. Dabei müssen wir individuelle Präferenzen berücksichtigen, was Lichtintensität und Kontraste angeht. Will man gleichzeitig den Energiebedarf minimieren, geht das nur über eine intelligente Automation. Der nächste Schritt für die Kooperation zwischen Osram und der Ohm-Hochschule in Nürnberg wird nun die Weiterentwicklung der intelligenten Sensor- und Automatisierungstechnik sein, um die Lichtwellenleiter und die LEDs geschickt miteinander zu verbinden. Während die Forschungspartner an dieser Aufgabe tüfteln, ist in einem rund Kilometer entfernten Ort derart ausgefeilte Gebäudetechnik noch ein Zukunftstraum. Dennoch hat auch im südindischen Chennai der Sollektor Aufsehen erregt: Vor zwei Jahren hat Hans Poisel dem Indian Institute of Technology der Nürnberger Partneruniversität einen ersten Das neue Stromzeitalter Lichtleiter Lasst die Sonne rein! Sonnenlicht einzufangen und woanders zu nutzen, ist ein alter Menschheitstraum. Zusammen mit einer Nürnberger Hochschule entwickelt Osram ein Lichtsystem, das Lichtwellenleiter mit LED-Technologie verbindet. Hier trifft junger Forschergeist auf die Branchenexpertise eines Weltkonzerns. An guten Ideen mangelte es den Schild - bürgern in der Sage bekanntlich nicht. Lediglich an der praktischen Ausführung haperte es regelmäßig. Als sie ein neues Rathaus bauten, hatten sie wie so oft ein entscheidendes Detail vergessen: die Fenster. Um der Dunkelheit entgegenzuwirken, fingen sie das Tageslicht in Suppentöpfen ein und brachten diese in das Gebäude. Nur hell wurde es trotzdem nicht. Die Idee, an der die Schildbürger einst grandios scheiterten, hat Prof. Hans Poisel, Lichtexperte an der Georg-Simon-Ohm-Hochschule in Nürnberg, in den letzten vier Jahren mit seinen Studenten zum Sollektor ausgereift, der schon bald auf Hausdächern installiert sein soll. Auf einer quadratischen Platte, deren Sei- ten etwa so lang wie ein Arm sind, funkeln 900 Linsen, die das Sonnenlicht bündeln und in polymer-optische Faserstränge leiten, wie man sie sonst von der Datenübertragung kennt. Innerhalb dieser Kunststofffasern wird das Licht entlang geleitet, bis es an einer Deckenleuchte im Gebäudeinneren wieder austritt. Dabei wird nur der für das Auge sichtbare Anteil des Lichts übertragen, die schädliche UV-Strahlung bleibt genauso wie die Wärme des infraroten Spektralbereichs draußen. Wenn wir von Sonnenenergie reden, denken wir meist an Photovoltaik oder Solarthermie, sagt Poisel. Das Licht als solches wird oft gar nicht registriert, sondern in andere Energie - formen umgewandelt. Wir wollen dagegen die Tageslicht plus farbige LEDs. Schon das Einsparpotenzial eines einzelnen Sollektors deutet die Chancen an, die eine flächendeckende Einbindung des Tageslichts mit sich brächte: Bei vollem Sonnenschein reicht die transportierte Lichtmenge aus, um zwölf handelsübliche Glühbirnen à 60 Watt zu ersetzen. Während der Stunden, die die Sonne pro Jahr in Deutschland scheint, ließen sich somit mit einem einzigen Sollektor bis zu Kilowattstunden elektrische Energie einsparen. Aber auch dem Lichtwellenleiter sind Grenzen gesetzt. Ist die Sonne untergegangen, ist eine elektrische Alternative unverzichtbar. Daher kooperieren die Nürnberger Entwickler mit Osram, um das Beste aus zwei Welten zu vereinen. Ziel ist eine Lösung, bei der dem Tageslicht je nach verfügbarer Lichtintensität variabel Kunstlicht zugemischt wird mit Hilfe intelligenter Sensortechnik. Das System lässt sich in eine einzige Deckenleuchte integrieren. Hierfür setzt Osram auf LED-Technik. Die leuchtenden Halbleiter sollen nicht nur das natürliche Tageslicht ergänzen, sondern die Beleuchtung in einem flexiblen Farbtemperaturverlauf so gestalten, dass es dem Wohlbefinden und der Gesundheit dient. Besonders die Blauanteile im natürlichen Licht beeinflussen die innere Uhr des Menschen und seinen Schlaf- und Wachrhythmus (Pictures of the Future, Herbst 2010, S. 90). Um diesen Effekt in Innenräumen abzubilden, müssen das Farbspektrum des Lichts und die Beleuchtungsstärke kontinuierlich dynamisch angepasst werden, erklärt Henry Feil, Innovationsmanager bei Osram in München. In den Morgen- und Abendstunden wird daher der Blauanteil in der Kunstlichtquelle heruntergefahren und Rot beigemischt. Stromerzeugung durch Solarzellen Übertragung und Transformation Photovoltaik Herkömmliches Leuchtmittel = 1% (künstliches Licht) Effizient: Während Photovoltaik-Module das Sonnenlicht erst in elektrische Energie umwandeln, leiten Sollektoren das Tageslicht direkt weiter (Grafik). Eingefangen wird es von 900 Linsen (rechts). Zunächst werde sich das Interesse am Sollektor auf Nischenanwendungen in Europa beschränken, vermutet Hans Poisel: zum Beispiel bei der naturgetreuen Farbwiedergabe in Gemäldegalerien, in Umkleidekabinen von Textilgeschäften oder in der Gemüseabteilung im Supermarkt. Ausschlaggebend wird sein, wie schnell sich die Investition durch Energieeinsparungen rechnet. Zwei von Poisels ehemaligen Studenten haben inzwischen ein eigenes Unternehmen namens Bavarian Optics gegründet. Noch im Jahr 2011 soll sich der 100% Sonnenlicht Sollektor Flexible Lichtleitung (8 Lichtleitkabel) 50-70% (Sonnenlicht) Lichtkonzentration Lichtaustritt das bereits auf dem Markt war, als das Sollektor-Projekt 2008 startete. Zwischen den rechteckigen Leuchtplatten an der Decke zeichnen Sensoren kontinuierlich große Mengen an Daten auf, die als Basis für die intelligente Steuerung der Gebäudeautomation dienen. Wird der Lichteinfall zu stark, dunkeln zum Beispiel die Jalousien den Raum ab. Die Erkenntnisse fließen in das EU-geförderte Forschungsprojekt Clear-up ein. Das Ziel ist eine energieeffiziente Gebäudetechnologie in Wohn- und Bürohäusern. Die Umweltbedingungen sollen den Nutzer des Raums nicht beeinträchtigen. Die Mengen an Kunst- und Tageslicht, die das Zimmer erhellen, werden daher automatisch aufeinander abgestimmt, Prototypen mitgebracht. Inzwischen laufen Verhandlungen mit der indischen Eisenbahngesellschaft. Das Unternehmen ist für seine Fertigungshallen an einer effizienten Lichtlösung interessiert. Als Poisel das letzte Mal zum Erfahrungsaustausch in einem Konferenzraum in Chennai saß, fiel plötzlich der Strom aus, ein alltägliches Ereignis in indischen Großstädten. Die Overhead-Projektion verschwand von der Wand, die Klimaanlage hörte auf zu summen. Im Nachbargebäude wurde es aber trotz geschlossener Jalousien nicht dunkel. Der Sollektor auf dem Dach ließ sich von dem Stromausfall nicht beeindrucken. Die Schildbürger wären vor Neid erblasst. Stefan Schweiger 24 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

14 Ist zu viel Strom vorhanden, produziert man mit seiner Hilfe Wasserstoff und speichert ihn in einer Kaverne. Bei steigender Nachfrage könnte das energiereiche Gas eine Turbine antreiben, die CO 2 -neutralen Strom ins Netz speist. Kombiniert man den Wirkungsgrad der Elektrolyse (etwa 75 Prozent) mit dem der Gasturbine (im kombinierten Betrieb mit einer Dampfturbine rund 60 Prozent), würden bei dieser Rückverstromung immerhin bis zu 45 Prozent der ursprünglichen Energie genutzt. Das ist zwar schlechter als bei einem Pumpspeicherkraftwerk, aber immer noch besser, als Windräder wegen fehlendem Bedarf abzuschalten, meint Waidhas. Bei der Rückverstromung stehen die Forscher jedoch noch vor einer Herausforderung: Derzeit gibt es keine Gasturbinen, die mit reinem Wasserstoff betrieben werden können die Flamme hätte eine Temperatur von rund Grad Celsius und würde die Schaufelblätter zum Schmelzen bringen. Technisch möglich ist derzeit ein Wasserstoffanteil von 40 bis 50 len Maßstab zur Verfügung steht, könnte das synthetische Erdgas in den vorhandenen deutschen Erdgasspeichern zwischengelagert werden: In die Leitungen und Kavernen passt eine Gasmenge mit einem Energiegehalt von mehr als 200 Terawattstunden das ist deutlich mehr als die Kapazität aller deutschen Pumpspeicherkraftwerke (0,04 TWh) und entspricht etwa einem Drittel des jährlichen Bruttostromverbrauchs in Deutschland. Neben der Rückverstromung in Turbinen käme dank der Methanisierung zudem die Verbrennung in Erdgasautos und Erdgasheizungen in Betracht. Der Einsatz von Wasserstoff ist auch deshalb so attraktiv, weil das Gas als Grundstoff für viele Verfahren der chemischen Industrie dient von der Halbleiterproduktion bis zur Härtung von Margarine. Heute werden mehr als 95 Prozent des Weltjahresbedarfs an Was- Mit Hilfe der Elektrolyse lässt sich überschüssiger Windstrom in Wasserstoff verwandeln und speichern. Im Erlanger Labor von Siemens Corporate Technology lässt sich der aktuelle Stand der Technik begutachten: In einem Metallgestell arbeitet völlig lautlos die neueste Generation der Siemens-Elektrolyseure zwei würfelförmige Konstruktionen aus Edelstahl, zusammengehalten von starken Schrauben. Schwarze Hochdruckleitungen verlassen die silbrigen Blöcke rechts und links: Sie transportieren das entstandene Wasserstoff- und Sauerstoffgas mit einem Druck von bis zu 50 bar zu Tanks. Filigrane Kabel führen senkrecht aus den Geräten heraus und leiten die Temperatur-Messwerte aus dem Inneren an die benachbarte Steuerung. Das neue Stromzeitalter Elektrolyse Windstrom zu Wasserstoff Wasserstoff ist ein optimaler Energieträger und ein begehrter Rohstoff. Das Gas lässt sich durch Elektrolyse aus Wasser gewinnen, etwa mit Hilfe von überschüssigem Öko-Strom. Siemens-Entwickler arbeiten an neuen Elektrolyseuren, die zur Grundlage künftiger Energiespeicher werden könnten. Manchmal beruhen Zukunftstechnologien auf ganz einfachen Vorgängen so wie diesem: Man nehme Wasser und tauche zwei Elektroden hinein, die mit dem Plus- und dem Minuspol einer Spannungsquelle verbunden sind. Sobald Strom durch die Flüssigkeit fließt, steigen an beiden Elektroden kleine Bläschen auf: Sauerstoffgas am Pluspol und Wasserstoffgas am Minuspol. Diese Spaltung von Wasser nennt man Elektrolyse. Auf den ersten Blick keine aufregende Sache und doch hat die Elektrolyse das Potenzial, zu einem entscheidenden Baustein künftiger Energieversorgungsnetze zu werden: Je größer der Anteil erneuerbarer Quellen wie Wind oder Sonne an der Stromproduktion ist, desto stärkere Schwankungen des Energieangebots werden wir erleben, erklärt Dr. Manfred Waidhas vom neuen Geschäftsbereich Hydrogen Electrolyzer des Siemens-Sektors Industry. Andererseits müssen sich Angebot und Nachfrage im Stromnetz immer genau die Waage halten, damit die Netze nicht überlastet werden darum brauchen wir Speicher für elektrische Energie, die einen Überschuss aufnehmen und ihn bei Bedarf wieder abgeben können. Genau hier kommt die Elektrolyse ins Spiel: Mit überschüssigem Öko-Strom ließe sich damit Wasserstoff produzieren, den man als Ener - gieträger beispielsweise in unterirdischen Kaver - nen in Salzstöcken lagern könnte also dort, wo die Energieversorger heute schon riesige Erdgasmengen speichern. Vor allem in Norddeutschland gibt es etliche solcher Salzstöcke. Aber existiert nicht bereits eine bewährte Speichertechnologie in Form von Pumpspeicher - kraftwerken? Sie befördern mit überschüssigem Strom Wasser in ein höher gelegenes Becken, und bei Bedarf fließt es wieder talwärts und treibt Turbinen für die Stromproduktion an. Pumpspeicherkraftwerke wären in der Tat die beste Lösung, sagt Waidhas. Ihr Wirkungsgrad liegt bei bis zu 80 Prozent, und die Technik ist seit Jahrzehnten bekannt. Leider gibt es zumindest in Deutschland nicht genug geeigne - te Standorte, zudem führen derartige Neubauprojekte immer wieder zu massiven Protesten. Also müssen Alternativen her. Die Nutzung der Batterien von Elektroautos wäre eine Möglichkeit (Pictures of the Future, Herbst 2010, S.34). Für zentrale Speicheranlagen wären allerdings die Kosten und der Platzbedarf von Batterien zu groß: Die größte Anlage ihrer Art steht in Japan, ist so groß wie ein Fußballfeld und kann trotzdem nur sieben Stunden lang 30 Megawatt elektrische Leistung abgeben in Zukunft geht es aber um Leistungen von mehreren hundert Megawatt, die bei flauem Wind zu - dem einige Tage zur Verfügung stehen müssen. Stromspeicher Wasserstoff. Für Manfred Waidhas ist Wasserstoff als Energieträger die beste Lösung. Man könnte zum Beispiel einen Elektrolyseur dort aufstellen, wo der Strom eines Offshore-Windparks an Land ankommt, beschreibt der Experte ein mögliches Szenario. Zauberkasten: Siemens-Forscher haben einen neuen Elektrolyseur mit speziellen Membranen entwickelt da mit lässt sich die Wasserstoffausbeute erhöhen. Arbeiten soll die Anlage mit überschüssigem Windstrom. Prozent, den man herkömmliches Erdgas beimischen könnte, rechnet Waidhas vor. Allerdings könnte man Teile des entstehenden Wasserdampfs in die Brennkammer zurückführen, um unterhalb der kritischen Temperatur zu bleiben. Siemens-Forscher in Moskau arbeiten intensiv daran, den Traum von einer effizienten Wasserstoff-Turbine wahr werden zu lassen (Pictures of the Future, Herbst 2009, S.7). Heutige Turbinen lassen sich hingegen problemlos mit Methan betreiben, das wiederum mit Hilfe eines Katalysators aus Wasserstoff und Kohlendioxid hergestellt werden kann. Forscher des Stuttgarter Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden- Württemberg und des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik in Kassel haben mit dem österreichischen Unternehmen Solar Fuel Technology eine Pilotanlage gebaut, in der Wasserstoff mit einem Wirkungsgrad von rund 80 Prozent methanisiert wird. Sobald die Methanisierung im industrielserstoff aus Erdgas gewonnen, erklärt Chemiker Waidhas. Bei der Dampfreformierung reagiert der Kohlenwasserstoff bei hohem Druck und hohen Temperaturen mit Wasser, wobei Kohlenmonoxid und Wasserstoff entstehen. Dank der Elektrolyse tut sich hier eine Alternative auf: Wasserstoff aus Öko-Strom könnte künftig per Pipeline zu den Zentren der chemischen Industrie strömen und dort als Ausgangsstoff für die Produktion dienen. Der wert - volle Rohstoff Erdgas würde geschont, und bei dieser Methode der Wasserstoff-Produktion entstünden auch keine CO 2 -Emissionen. Elektrolyseur im Labor. Zuvor müssen Waidhas und seine Kollegen aber die Elektrolyseure noch so weiterentwickeln, dass sie im industriellen Maßstab eingesetzt werden können. Die neue Anlage arbeitet seit einigen Monaten im Dauerbetrieb, ihre Vorgängerin läuft sogar schon seit 2006, berichtet Waidhas zufrieden. Derzeit optimieren wir Betriebsparameter wie die Stromdichte und qualifizieren Komponenten wie etwa die Membranen. Denn im Gegensatz zum Schulversuch mit zwei Drähten in einem Glas Wasser sind die Industrie-Elektrolyseure recht komplex aufgebaut und erfordern Bauteile mit ganz speziellen Eigenschaften: Zwei Platten aus Edelstahl bilden die Front und die Rückseite der Geräte sie sorgen dafür, dass kein Gas austritt und transportieren den Strom ins Innere. Zwischen ihnen sind wie in einem Sandwich die Zellen untergebracht, in denen das Wasser zerlegt wird. Eine Teflon-ähnliche Membran in der Mitte jeder Zelle trennt die Bereiche, in denen Wasser - stoff und Sauerstoff entstehen. Auf ihrer Vorder- und Rückseite sind Elektroden aus Edelmetall aufgebracht, die mit dem Plus- und Minuspol der Spannungsquelle verbunden sind. 26 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

15 Hier findet die Wasserspaltung statt, erklärt Waidhas. Darum müssen die Elektroden eine möglichst große Oberfläche haben, was hohen Umsatz garantiert. Wichtig ist auch, dass Strom und Wasser großflächig an den Elektroden ankommen dafür sorgen Stromkollektoren aus porösem Sintermetall, die die Elektroden umgeben und auch das entstehende Gas einsammeln und nach oben abtransportieren. Die neuen Membran-Elektrolyseure von Siemens haben einige Vorteile gegenüber ihren etablierten Kollegen, in denen Kalilauge die Elek troden trennt. Diese sind zwar Stand der Technik, reagieren aber nur im Minutenbereich auf ein veränderliches Stromangebot, erklärt Waidhas. Die Membran-Variante schafft das in Millisekunden. Außerdem können die neuen Elektrolyseure kurzfristig mit dem maximal drei - fachen Wert ihrer Nennleistung überlastet werden und bei einem hohen Wasserstoff-Druck von 50 bis 100 bar arbeiten das senkt die Kosten und erhöht die Ausbeute der Anlagen. Meer-Energie: Vor Strangford in Irland arbeitet das erste kommerzielle Gezeitenströmungskraftwerk der Welt. Zur Wartung können die Rotoren aus dem Wasser gehoben werden. Begehrtes Gas. Bis 2012 wollen Waidhas und seine Kollegen einen Demonstrator aufbauen, der in einen Container passt und vor Ort bei potenziellen Kunden arbeiten kann: Dann brauchen wir nur noch einen Wasser- und einen Stromanschluss. Der neue Elektrolyseur wird maximal 300 Kilowatt elektrische Leistung aufnehmen können unser heutiger Versuchsträger schafft bis zu 30 Kilowatt. Pro 100 Kilowatt liefern die Elektrolyseure jede Stunde rund zwei Kilogramm Wasserstoff. Erste Interessenten für die Geräte gibt es bereits: Gemeinsam mit Bayer, RWE und zehn Partnern aus der Wissenschaft arbeitet Siemens im Projekt CO2RRECT mit, bei dem es um die Nutzung von Kohlendioxid geht, zum Beispiel zur Produktion von chemischen Grundstoffen bis hin zu Kunststoffen. Wasserstoff aus regenerativen Quellen wird dabei als Rohstoff gebraucht, und der geplante Demonstrator soll das begehrte Gas liefern. Mit einer ersten kommerziellen Anlage rechnet Waidhas im Jahr 2014: Sie wird eine Leistung im einstelligen Megawatt-Bereich haben und könnte beispielsweise von einem regionalen Stromversorger eingesetzt werden, um überschüssigen Strom aus einem oder zwei Windrädern beziehungsweise Photovoltaik-Anlagen aufzunehmen. Langfristig sieht er einen enormen Markt für die Technik: Würden nur zehn Prozent der weltweit erzeugten Windenergie mittels Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt, entspräche dies einer Speicherung von mehreren Terawattstunden Energie pro Jahr das sind gigantische Zahlen. Neben Windparks könnten dann Groß-Elektrolyseure mit einer Leistung von 100 Megawatt stehen und den universellen Energieträger Wasserstoff liefern. Christian Buck Das neue Stromzeitalter Gezeitenkraftwerke Grüner Strom aus Vor der nordirischen Küste produziert seit drei Jahren das erste kommerzielle Gezeitenströmungskraftwerk grünen Strom für Haushalte nur durch die Kraft von Ebbe und Flut. Sanft weht der Wind über die sattgrünen Hügelketten des kleinen Küstenstädtchens Strangford im nordirischen County Down. Nur wenige Schritte entfernt liegt der Naturhafen Strangford Lough tiefblau und seinem keltischen Namen Cuan, das ruhige Loch, an diesem Tag alle Ehre machend. Doch es gibt auch Zeiten, da peitschen große, dunkle Wellen über die Bucht. Nicht umsonst bedeutet Strangford in der Sprache der Wikinger, die einst hier siedelten, der starke Fjord. Die 30 Kilometer lange und mit 150 Quadratkilometer größte Bucht der irischen See beherbergt nicht nur malerische Fischerboote. Unweit der Küstenlinie ragt ein schwarz-roter Stahlturm aus dem Wasser. Er gehört zu SeaGen, dem ersten kommerziellen Gezeitenströmungskraftwerk der Welt, das seit 2008 in Betrieb ist. Nur mit der Kraft der Gezeiten erzeugt die Anlage 1,2 Megawatt (MW) Strom. Dies reicht, um ein kleines Dorf mit Haushalten mit Elektrizität zu versorgen. dem Meer Die Gezeitenströme stellen eine noch weitgehend ungenutzte grüne Energiequelle dar, denn die Technologie steckte bisher in der Entwicklungsphase, und Installationen im Meer waren teuer. Dabei ist das Potenzial groß. Die Anlagen können überall dort installiert werden, wo Ebbe und Flut starke Strömungen erzeugen wie im Strangford Lough, aber auch an vielen weiteren Standorten in Schottland, Frankreich, Kanada oder dem ostasiatischen Raum. Der Naturhafen Strangford Lough hat ideale Voraussetzungen. Das Kraftwerk ist inmitten einer Meerenge in etwa 30 Metern Tiefe im Grund verankert. Das relativ flache Wasser bietet einige Vorteile: Zum einen ist es leichter, die Anlage am Meeresgrund zu befestigen, zum anderen sind Ebbe und Flut in geringerer Tiefe stärker. Im so genannten Strangford Narrow beträgt der Durchfluss bis zu vier Meter Wasser pro Sekunde. Zur Stromgewinnung benötigt SeaGen eine Strömung von mindestens einem Meter pro Sekunde, sagt Kai Kölmel, der in der Siemens-Division Renewables für Ocean Power zuständig ist. Unterwasserstromfabrik. Das Kraftwerk betreibt das britische Unternehmen Marine Current Turbines, an dem Siemens seit 2010 mit zehn Prozent beteiligt ist. Die Anlage ähnelt einer Windturbine nur dass diese nicht durch Luftbewegungen, sondern durch die Kraft des Meeres angetrieben wird. Die beiden Antriebsstränge besitzen jeweils einen Rotor mit 16 Meter Durchmesser und haben ein Gewicht von 27 Tonnen. Die Rotorblätter können um 180 Grad gedreht werden und somit sowohl bei Ebbe als auch bei Flut bis zu 20 Stunden am Tag Strom erzeugen. Der eigentliche Turm, an dem die zwei Propellerturbinen über eine Querverstrebung befestigt sind, hat einen Durchmesser von drei Metern. Je nach Gezeitenlage ragt der Turm rund 20 Meter aus dem Meer. Von den Rotoren bemerkt man über Wasser nichts. Mit kleineren Booten ist es sogar möglich, direkt an der Turbine vorbeizufahren, weil sich die Rotoren mindestens drei Meter unter der Wasseroberfläche befinden. Auch die Wartung der Anlage ist unkompliziert, erklärt Kölmel. Sie ist leicht erreichbar und der Querbalken, an dem die Turbinen befestigt sind, kann mit Hilfe eines hydraulischen Hubsystems aus dem flachen Wasser gehoben werden. Zwar sind die Investitionskosten für Meeres - strömungskraftwerke aufgrund ihrer hohen Installationskosten noch etwa doppelt so hoch wie bei Offshore-Windkraftanlagen, jedoch hat der grüne Strom aus dem Meer einige Vorteile: Wasser hat eine 800-mal größere Energiedichte als Wind, daher lässt sich deutlich effizienter Strom erzeugen. Ein 1,2-MW-Gezeitenkraftwerk wie das im Strangford Lough kann im Jahr genauso viel Strom produzieren wie eine 2,5-MW-Offshore-Windturbine. Insgesamt ist der Stromertrag besser kalkulierbar und damit auch planbar die Gezeitenströme, die durch den Mond und die Erdanziehungskraft bestimmt werden, sind nicht wetterabhängig und lassen sich auf Jahre im Voraus berechnen. Laut der Internationalen Energie Agentur bietet der Markt für Meeresströmungskraftwerke ein weltweites Potenzial von bis zu 800 Terawattstunden pro Jahr dies würde ausreichen, um 250 Millionen Haushalte zu versorgen. Auch Marine Current Turbines investiert weiter in die Tiden-Technologie: 2013 soll mit der Errichtung eines ersten Gezeitenturbinen- Parks in der Nähe der Isle of Skye im Nordosten Schottlands begonnen werden, um dann sogar bis zu Haushalte mit umweltfreundlichem Strom aus dem Meer versorgen zu können. Sabine Sauter 28 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

16 Salzfrei: Die Module zur Elektrodialyse müssen regelmäßig überprüft werden, wie auch die Meerwasserfilter (unten links). Regelmäßige Laborkontrollen sichern die hohe Qualität (unten mitte und rechts). Das neue Stromzeitalter Trinkwassergewinnung Eine ideale Süßwasserquelle In vielen Küstenregionen wird die Versorgung mit Trinkwasser immer schwieriger. Meerwasserentsalzung kann das Problem entschärfen, doch die Anlagen verschlingen viel Energie. Ingenieure bei Siemens haben jetzt eine elektrische Entsalzungsmethode entwickelt, die den Verbrauch halbiert. Wenn es in Singapur regnet, stürzen die Wassermassen nur so vom Himmel. Dann ist es schwer vorstellbar, dass ein Land in den Tropen unter Wassermangel leiden könnte. Aber die Insel misst an der breitesten Stelle nur etwa 40 Kilometer und verfügt daher nicht über eine ausreichende Landmasse, um alle fünf Millionen Einwohner mit Trinkwasser ob aus Regen oder Grundwasser versorgen zu können. Doch die Regierung des Stadtstaats lässt sich einiges einfallen: Sie verwandelt große Gebiete der Insel in Wasserreservoirs, führt einen Teil des Trinkwassers aus Malaysia ein und betreibt Abwasserrecycling (Pictures of the Future, Frühjahr 2010, S.44). Darüber hinaus betrachtet sie die Meerwasserentsalzung als essenziellen Bestandteil des Wassermanagements. Allerdings sind die zwei zur Entsalzung üblichen Verfahren, Verdampfung und Umkehrosmose, sehr energieaufwändig. Erstere verbraucht mit etwa zehn Kilowatt - stun den pro Kubikmeter gereinigtem Wasser (kwh/m 3 ) am meisten Energie. Die Umkehr - osmose ist da schon sparsamer sie verbraucht rund vier kwh/m 3, hauptsächlich für Hochdruckpumpen, die das Wasser durch extrem feine Membranfilter pressen. Doch Ingenieure bei Siemens Water Techno - logies suchten nach einer noch sparsameren Methode. Bereits 2008 erreichten sie im Labor den Energiespar-Weltrekord damit gewann Siemens den Wettbewerb Singapore Challenge. Singapurs Regierung hatte darin die Wasserbranche aufgefordert, Meerwasser mit einem maximalen Energieverbrauch von 1,5 kwh/m 3 zu entsalzen. Im Dezember 2010 ist es Siemens nun gelungen, auch mit einer größeren Pilotanlage, die mit Unterstützung der Stadtwerke in Singapur gebaut wurde, den Energieverbrauch im Vergleich zur Umkehrosmose zu halbieren. Diese neue Methode ist eine Revolution für die Meerwasserentsalzung, sagt der Entwicklungsleiter von Water Technologies, Dr. Rüdiger Knauf. Die Pilotanlage zeigt, dass unsere Technologie nicht nur im Labormaßstab funktioniert, sondern auch mit einer Kapazität von fünfzig Kubikmetern Wasser pro Tag. Kombination zweier Verfahren. Der Clou der Meerwasserentsalzung à la Siemens ist die Verbindung von zwei Methoden: Dem Meerwasser wird zunächst mit einer auf hohe Salzfrachten spezialisierten Elektrodialyse (ED) Salz entzogen. Danach folgt eine kontinuierliche Elek tro - deionisation kurz CEDI, die kleinere Salzmengen entfernt. Dadurch lässt sich erreichen, dass beide Methoden jeweils bei optimalen Be- dingungen arbeiten. Außerdem kann Siemens bei CEDI von seiner Marktführerschaft bei der Herstellung von hochreinem Wasser für pharmazeutische Zwecke profitieren. Im Detail funktioniert das so: Im Meerwasser sind etwa 3,5 Prozent Salz. Trinkwasser darf aber nur ein Siebzigstel davon enthalten. Diese enorme Reduktion des Salzgehaltes wird bei beiden Methoden, ED und CEDI, mit Hilfe elektrischer Felder erreicht. Da das im Meerwasser enthaltene Natriumchlorid, also Kochsalz, aus geladenen Ionen besteht, wird das Wasser bei der Elektrodialyse zwischen zwei elektrischen Polen hindurchgeleitet. Zwischen den Polen befinden sich mehr als 700 halbdurchlässige Membranpaare für eine hohe Entsalzungskapazität. Dabei wechseln sich Membranen ab, die entweder nur positive oder nur negative Ionen passieren lassen. Die Ionen folgen der Anziehungskraft des elektrischen Feldes durch eine Membran hindurch und werden dann von der nächsten Membran aufgehalten. So entsteht im Kanal des Membranpaars salzarmes Wasser, das so genannte Diluat. In den Kanälen zu beiden Seiten reichert sich das Salz an und das dabei entstehende Konzentrat fließt als Abwasser ab. Neu entwickelte Membranen ermöglichen den Einsatz der Elektrodialyse auch für die hohe Salzfracht von Meerwasser. Knauf: Dies ist eine Technologie, aus der sich zusammen mit der schon ausgereiften Elektrodeionisation mittelfristig ein marktfähiges Produkt entwickeln lässt. Nachdem es drei Elektrodialysemodule durchflossen hat, erreicht das Diluat einen Salzgehalt von unter einem Prozent. Jetzt ist die Entsalzung mit der Elektrodialyse nicht mehr ausreichend effizient. Daher wird nun die kontinuierliche Elektrodeionisation nachgeschaltet, bei der ein Ionentauscherharz zwischen den Membranen die Effizienz des Prozesses deutlich erhöht, weil es die Salzionen aufnimmt und zu den Membranen transportiert. Gleichzeitig regeneriert sich das Harz wieder selbst, indem es die positiv und negativ geladenen Ionen des Wassers aufnimmt, die im hohen elektrischen Feld durch Wasserspaltung entstehen. Weniger Lärm und Vibration. Der entscheidende Vorteil dieses Verfahrens ist, dass weder eine hohe Verdampfungsenergie noch hoher Druck zum Filtrieren erforderlich sind. Stattdessen muss nur der verhältnismäßig geringe elektrische Widerstand der Membranen überwunden werden. Weitere Vorzüge im Vergleich zur bisher führenden Umkehrosmose: Das neue Verfahren ist ohne Hochdruckpumpen gefahrlos zu bedienen und erzeugt weniger Lärm und Vibrationen; es hat weniger Korrosionsprobleme, da es mit Kunststoffrohren auskommt; es benötigt nur eine minimale Voroder Nachbehandlung des Wassers und der für Trinkwasserqualität notwendige Mineraliengehalt kann mit der Stärke des elektrischen Feldes eingestellt werden. An dieser innovativen Entwicklung sind noch weitere Spezialisten von Siemens beteiligt. So untersuchen Fachleute von Siemens Corporate Technology (CT) in Singapur die Eigenschaften der Membranen und tragen damit zur Optimierung der neuen Materialien und Herstellungstechniken bei. Gleichzeitig bringt CT-Experte Dr. Andreas Hauser sein Knowhow zur Systemsimulation ein. Er wird in den kommenden drei Jahren zusammen mit der RWTH Aachen in einem vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt ein Simulationsmodell der Elektrodialyse erstellen. Ziel ist es, die Abläufe mit besonders leistungsfähigen Rechnern auf molekularer Ebene nachzubilden und genauer zu verstehen, wie die Ionen durch die Membranen transportiert werden und wie die Strömungsdynamik des Wassers im elektrischen Feld aussieht. Die Ergebnisse sollen anschließend bei Siemens in die Produktentwicklung einfließen, erwartet Hauser. Damit wollen die Forscher den Ent - salzungsprozess weiter optimieren. Entwicklungsleiter Knauf sagt: Ich erhoffe mir eine Software, die den optimalen Anlagenaufbau individuell für jeden Kunden berechnet. Bis Mitte 2012 sind Demonstrationsanlagen bei mehreren Kunden in Singapur, den USA In 15 Jahren erwarten wir einen weltweit um 40 Prozent höheren Verbrauch an Wasser. Sauberes Wasser mit grüner Bilanz und der Karibik geplant. Sie wollen zeigen, dass die neue, sparsame Entsalzungsmethode trotz des regional stark schwankenden Salzgehalts nicht nur in Singapur funktioniert, sondern überall. Knauf erklärt: In 15 Jahren erwarten wir welt weit einen um 40 Prozent höheren Wasserverbrauch, sodass eine nachhaltige Wasserversorgung enorm wichtig wird. In Gebieten mit Süßwassermangel kann die elektrochemische Meerwasserentsalzung aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz und der niedrigen CO 2 -Bilanz dazu einen wichtigen Beitrag leisten. Fenna Bleyl Eine neue biologische Kläranlage von Siemens Water Technologies erzeugt die zu ihrem Betrieb notwendige Energie in Form von Methangas gleich selbst und produziert zudem, verglichen mit herkömmlichen Verfahren, deutlich weniger Klärschlamm. Die Pilotanlage steht auf dem Gelände der Wasserwerke Singapurs. Seit Juni 2010 arbeitet sie energieneutral. Die bisher übliche biologische Abwasseraufbereitung läuft über einen aeroben, also belüfteten Prozess, bei dem Bakterien die Verunreinigungen abbauen, indem sie diese verdauen und in neue Bakteriensubstanz umsetzen. Dabei entstehen Bakterienflocken mit eingelagerten Verunreinigungen. Dieses Gemisch bildet den Klärschlamm, der abgetrennt und deponiert oder verbrannt wird. Doch dabei wird Energie verschenkt, denn die organischen Verunreinigungen enthalten zehnmal mehr Energie, als wir bei der Reinigung verbrauchen wir müssen sie nur nutzen, erklärt Dr. Rüdiger Knauf, Entwicklungsleiter von Siemens Water Technologies. In kommunalen Abwässern sind die Schmutzkonzentrationen aber zu niedrig, um daraus wirtschaftlich Methan zu gewinnen. Daher nutzen die Siemens-Entwickler einen Trick: Nur kurze Zeit beladen sie unter Luftzufuhr die Bakterienflocken mit den organischen Verunreinigungen, sodass sich die Bakterien kaum vermehren. Nach Abtrennung der größeren Menge des Wassers vergären die Bakterien die Verunreinigungen im anaeroben Prozessschritt ohne Luftzufuhr zu Methan. Insgesamt wird in zwei aeroben und einer anaeroben Stufe der Schmutz so abgebaut, dass möglichst wenig Schlamm und möglichst viel Methan zur Energiegewinnung in Gasturbinen oder Blockheizkraftwerken entsteht. Die laufende Pilotanlage reinigt etwa einen halben Kubikmeter Abwasser am Tag. Dafür benötigt eine herkömmliche Kläranlage etwas weniger als 0,25 Kilowattstunden Energie. Ungefähr diese Energiemenge muss die Pilotanlage also in Form von Methan erzeugen. Ab Mai 2011 soll, wiederum in Singapur, eine tausendmal größere Pilotanlage entstehen. Sie könnte dann schon das Abwasser von etwa Einwohnern reinigen typische städtische Kläranlagen sind für bis Einwohner ausgelegt. Die Markteinführung ist für 2012 geplant. Da auch existierende Kläranlagen nachgerüstet werden können, ist Knauf sich sicher: Dieser innovative Prozess wird bei steigenden Energiepreisen und begrenzten Deponiekapazitäten vielen Ländern ein zukunftsfähiges Konzept zur Abwasserreinigung bieten. 30 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

17 Das neue Stromzeitalter Interviews Der chinesische Traum Das Wirtschafts-Wachstum Chinas bringt Millionen Menschen erstmals Wohlstand. Aber es schafft auch Probleme: die Energieeffizienz ist niedrig, der Energiebedarf steigt massiv. Pictures of the Future sprach mit drei Experten über die Zukunft der chinesischen Energieversorgung. Prof. Li Junfeng (55) ist stellvertretender Direktor und im Vorstand des Academic Committee of the Energy Research Institute. Er beschäftigt sich vor allem mit erneuerbaren Energien und dem Klimawandel; dabei spielen Themen wie CO 2 -Zertifikatehandel und der Clean Development Mechanism (CDM) eine Rolle. Er leitete das erste CDM-Projekt in China und ist einer der ostasiatischen Vertreter der Renewable Energy and Energy Efficiency Partnership. Prof. Du Xiangwan (73) ist ehemaliger Vize-Präsident der Chinese Academy of Engineering, leitender wissenschaftlicher Berater der China Academy of Engineering Physics und Mitglied des Standing Committee of the China Association of Science and Technology. Er ist stellvertretender Leiter des National Energy Advisory Committee und beaufsichtigt zahlreiche Studien zu Strategien für Chinas Energiesystem. Dr. Shi Zhengrong (48) ist Aufsichtsratsvorsitzender und Vorstandsvorsitzender von Suntech, dem weltweit größten Produzenten von Photovoltaikmodulen (PV). Er gilt als einer der reichsten Chinesen überhaupt. Vor der Gründung von Suntech im Jahr 2001 war er Forschungsleiter und Executive Director von Pacific Solar, einem australischen PV-Hersteller, der frühzeitig Dünnschicht-Technologien für Solarzellen vermarktete. Welche Rolle spielen erneuerbare Energien in China? Li Junfeng: China investiert in erheblichem Umfang in erneuerbare Energien. Derzeit haben wir für die Stromerzeugung eine installierte Kapazität von 200 Gigawatt Wasserkraft und 30 Gigawatt Windenergie; und es kommen ständig neue Projekte dazu. Ich denke, im Jahr 2050 wird der Anteil sauberer Energie in China deutlich höher sein, als viele im Moment glauben. Du Xiangwan: Im Jahr 2050 könnten erneuerbare Energien gut und gerne 25 Prozent der gesamten Energieerzeugung Chinas ausmachen; dabei denke ich auch an bisher eher exotische Formen, wie Wellen- und Gezeitenkraftwerke, sowie die Geothermie. Wenn es gelingt, solche Kapazitäten anstelle von Kohlekraftwerken aufzubauen, dann ließen sich dadurch rund vier Milliarden Tonnen CO 2 vermeiden. Shi Zhengrong: Vielleicht halten Sie das ja für eine Träumerei, aber ich bin der festen Überzeugung, dass China eines Tages seinen Energiebedarf komplett durch erneuerbare Energien decken kann. Die entscheidende Frage: Ist der Wille stark genug? China baut derzeit allerdings vor allem neue Kohlekraftwerke... Shi Zhengrong: China ist noch immer ein Entwicklungsland. Wir sind auf starkes Wirtschaftswachstum angewiesen und wir brauchen erschwingliche Energie für dieses Wachstum. Die Regierung weiß allerdings auch, wie wichtig der Umweltschutz ist. Es gibt strikte Grenzwerte für Emissionen und neue Kraftwerke werden mit der allermodernsten Technologie ausgestattet. Du Xiangwan: Kohlekraftwerke werden aus unserer Energieerzeugung nicht einfach über Nacht verschwinden. Und es werden neue gebaut werden. Mehr als drei Viertel der gesamten Energieerzeugung wird heute mit Kohle bestritten. 100 Prozent erneuerbare Energien, das ist illusorisch. Wenn wir aber künftig andere Energiequellen verstärkt nutzen, also Erdgas, Kernkraft und eben erneuer- bare Energien, dann können wir zumindest den Anstieg unserer jährlichen CO 2 -Emissionen eindämmen. Li Junfeng: Das sehe ich genau so. Insbesondere Erdgas wird immer wichtiger werden. Es ist sauberer als Kohle und verglichen mit Europa oder den USA macht es nur einen verschwindenden Teil unseres Energiemixes aus. Der Anteil der Kohle an unserem Energiemix wird auf lange Sicht nicht steigen, sondern sinken. Was ist der geeignete Maßstab für CO 2 - Reduktionsziele: Emissionen pro Kopf oder die Gesamtemissionen eines jeweiligen Landes? Li Junfeng: Der Maßstab sollten Emissionen pro Kopf sein. Alles andere wäre ungerecht. Das macht der Vergleich von China und Europa deutlich: Die Europäische Union hat 27 Mitgliedsstaaten, aber nur etwa 40 Prozent der Gesamtbevölkerung von China. Sollten wir da China wirklich als ein einziges Land werten, nicht aber die EU? Du Xiangwan: Ich denke, es ist einfach fairer, die Pro-Kopf-Emissionen zum Maßstab zu nehmen, schließlich sollte jeder Mensch das gleiche Recht haben, Ressourcen zu nutzen. China hat eine sehr große Bevölkerung; wer die Emissionen aller Chinesen einfach nur zusammenzählt, der zeichnet ein verzerrtes Bild. Shi Zhengrong: Das ist eine politische Frage. Das Ziel von Suntech als Privatunternehmen ist es, Geld zu verdienen. Aber wir wollen auch darüber hinaus einen wertvollen Beitrag leisten, indem wir die Energieversorgung nachhaltiger machen. Bis heute hat Suntech Photovoltaik-Panels mit einer Erzeugungskapazität von insgesamt 2,5 Gigawatt ausgeliefert. Das entspricht der Kapazität von fünf mittelgroßen Kohlekraftwerken. Allein im Jahr 2010 haben wir Module mit einer Kapazität von 1,5 Gigawatt ausgeliefert und unsere Produktion wächst weiter. So tragen wir dazu bei, CO 2 zu vermeiden. China ist zwar weltweit der größte Produzent von Photovoltaik-Panels, aber sie werden fast nur exportiert. Was muss passieren, damit China sie auch im eigenen Land einsetzt? Shi Zhengrong: Die Regierung sollte Fördermittel bereitstellen, sodass Hersteller und Investoren angemessene Profite erwirtschaften können. Um das allgemeine Preisniveau für Strom in China zu erreichen, müssten die Kosten von Strom aus PV auf rund zehn Eurocent pro kwh gesenkt werden ein ambitioniertes Ziel, aber machbar, wenn wir uns anstrengen. In der Vergangenheit war stets die Rede vom Amerikanischen Traum. Heute gibt es viele chinesische Träume. Welche Rolle spielen Stromnetze im Zusammenhang mit einem steigenden Anteil erneuerbarer Energien in China? Li Junfeng: Der höhere Anteil von Windund Sonnenenergie wird die Fluktuationen bei der Einspeisung von Energie ins Netz weiter erhöhen. Das Netz muss stabiler und intelligenter werden. China investiert hier bereits. Zudem befinden sich Wind-, Sonnen- und Wasserkraftwerke häufig in abgelegenen Regionen, fernab der Verbrauchszentren. Deshalb benötigen wir Leitungen zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, wie jene zwischen Yunnan und Guangzhou, die 2010 fertiggestellt wurde, übrigens mit Siemens-Technologie. Erneuerbarere Energien sind ohne weitere Innovationen nicht denkbar. Haben hier Europa und die USA die Nase vorn? Du Xiangwan: China ist in diesem Feld noch nicht sehr stark. Die Konsequenz daraus ist jedoch nicht, dass wir versuchen, das Modell von Silicon Valley nachzuahmen. China hat seine ganz eigenen Probleme und wir werden unsere eigenen Wege finden. Sehen Sie sich die Energieforschung an. China hat hier einen großen Vorteil: In unserem Land gibt es viel mehr neue Kraftwerks-Projekte als irgendwo sonst. Wer neue Energietechnologien im Einsatz erleben will, der hat guten Grund, nach China zu kommen. Das Interview führte Andreas Kleinschmidt 32 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

18 Der Januar ist grau in München. Regen trommelt auf das Dach. In den Kotflügeln rauscht Spritzwasser. Das Prasseln und Rauschen wirken lauter als sonst, denn das Auto selbst macht keinen Mucks. Es saust geräuschlos dahin. Das kleine grünweiße Fahrzeug heißt move und ist eines von derzeit 20 Testautos, mit denen Mitarbeiter von Siemens durch Mün chen und Erlangen fahren. Unter seiner Kühler haube sitzt 2010 ist Orsolleck move-testfahrer. Rund 200 Mitarbeiter hatten sich beworben, um an dem bislang größten Siemens-eigenen Flottenversuch teilnehmen zu dürfen. Bis 2012 sollen bis zu 100 Fahrzeuge unterwegs sein. Ziel des Projektes mit dem Titel 4-Sustainelectromobility (4-S) ist es, herauszufinden, wie sich ein Elektroauto heute in den Alltag integrieren lässt und welche Herausforderungen noch zu meis- Future, Frühjahr 2010, S.92). Das 4-S-Projekt deckt alle Komponenten künftiger Elektromobilitäts-Szenarien ab; freilich nicht auf einen Schlag. Die 100 Elektroautos werden nach und nach auf die Straßen gebracht, und mit jeder neuen Projektphase kommen weitere technische Komponen ten hinzu. Klaus Orsolleck etwa tankt daheim noch mit 230-Volt-Wechselstrom aus der Steck dose. Wenn er abends nach Hau- Das neue Stromzeitalter Elektroautos Flott durch den Alltag Mit einem ersten großen Flottenversuch untersucht Siemens das Gesamtsystem der Elektromobilität, von der Stromerzeugung bis zum Tankvorgang und der Alltagserprobung der Fahrzeuge. Bis zu 100 Elektroautos werden auf die Straße gebracht und nach und nach mit Lade-, Kommunikations- und Antriebstechnik aus den Siemens-Labors ausgestattet. ein 56 Kilowatt starker Elektroantrieb. Für den Kilogramm schweren Wagen ist das ein ausreichend flottes Aggregat, vorausgesetzt man schaltet richtig, etwa beim Linksabbiegen. Der Feierabendverkehr ist dicht, Auto um Auto rollt vorbei. Da, endlich eine Lücke. Ersten Gang eingelegt und... der move gleitet beängstigend langsam über die Kreuzung. Oh je, schon wieder vergessen, dass hier der erste Gang eher zum Ausparken geeignet ist! Wer aus dem Stand losspurten will, legt den Zweiten ein, und wird sofort in den Sitz gedrückt, wenn er kräftig das Gaspedal tritt. Im Stadtverkehr ist der zweite Gang völlig ausreichend. Da - mit erreicht man spielend 90 km/h. Eigentlich benötigt ein E-Auto gar kein Getriebe. Die ersten move-autos haben aber noch eines, denn sie sind ein Umbau eines konventionellen Fahrzeugs eines Suzuki Splash. Die Elektroautos der nächsten Generation werden in einigen Monaten ganz ohne Gangschaltung losspurten. Klaus Orsolleck hat sich längst an die Eigenarten seines E-Autos gewöhnt. Seit November tern sind. Das Fahren macht einfach Spaß, sagt der Informatiker. Mein Sohn macht gerade seinen Führerschein und ist schon ganz heiß darauf, mit dem move zu fahren. Keine Spur von Ökotouch. Die jungen Leute finden den Wagen einfach cool. Orsolleck bekam den Zuschlag, weil er dem Anforderungskatalog exakt entsprach etwa was die Distanz zur Arbeit betrifft. Er wohnt im Westen Münchens und pendelt täglich zum Standort Neuperlach im Südosten etwa 20 Kilometer. Bislang fuhr er S- Bahn. Jetzt lenkt er den move durch den Berufs - verkehr. Mich hat gereizt, einen Teil zur Entwicklung der Elektromobilität beizutragen. Für Siemens ist dieser Markt besonders interessant, denn wir verfügen über Fachwissen in allen Bereichen von der Energieerzeugung im Kraftwerk über den Stromtransport bis zum elek - trischen Fahren und zum Endanwender, sagt Andreas Romandi, 4-S-Projektleiter bei Corporate Technology. Mit der Elektromobilität tut sich ein riesiger Zukunftsmarkt auf, und wir wol - len ganz vorne mit dabei sein. (Pictures of the se kommt, rollt er das Kabel ab und stöpselt seinen Wagen an. Nach sechs Stunden ist der Akku voll. Bald wird eine Wallbox in seiner Garage montiert ein Drehstromanschluss mit 11 Kilo watt Übertragungsleistung. Damit ist die 22-kWh-Batterie in etwa zwei Stunden geladen. Dafür muss nur ein einziges Kabel vom Hausanschluss in die Garage verlegt werden. Volle Ladung. Überhaupt ist das Laden eines der wichtigsten Themen von 4-S, an dem vor allem ein Konzernprojekt für Smart-Grid-Anwendungen und die Sektoren Energy und Industry beteiligt sind. Wir möchten herausfinden, wie das Stromnetz und das Elektroauto zusammenspielen und entwickeln dafür verschiedene Anwendungs- und Geschäfts - modelle, sagt Ralph Griewing, Leiter des Geschäftsfeldes ecar Infrastructure bei Energy. Da wären zum Beispiel die Ladesäulen, die inzwischen marktreif sind und bereits mehrfach in München, Erlangen und Berlin installiert wurden. Beteiligt sind auch die Stadtwerke in Erlangen. Alltagstauglich: Während Klaus Orsolleck im Büro arbeitet, wird sein Elektroauto auf dem Firmenparkplatz vollgetankt. Im Auto informiert ein Display über verbleibende Reichweite und Ladung. Die Herausforderung besteht darin, eine zuverlässige Kommunikation zwischen Fahrer, Auto und Säule sicherzustellen. Zum einen muss die Säule erkennen, dass tatsächlich ein Auto angekoppelt wird, denn aus Sicherheitsgründen darf nur dann Strom fließen. Zum zweiten muss der Fahrer individuell erkannt werden, damit der Stromversorger die Strommenge präzise abrech - nen kann. Das sei wie beim Handy, sagt Griewing. Je nachdem wo wir uns befinden, telefonieren wir über verschiedene Netze, erhalten am Ende des Monats aber nur eine Rechnung von unserem Anbieter entsprechend wird künftig auch das Stromzapfen verrechnet. In Fürth baut Siemens derzeit ein Netz - betriebs zentrum auf, das die Kommunikation zwischen den Testautos und den Stromanbietern überwacht und Mitte 2011 seine Arbeit aufneh - men soll. Vergleichbare Betriebszentren gibt es heute bei Autoflotten-Anbietern. Meist öffnet man das Flotten-Auto mit einer Chipkarte, die den Bordcomputer frei schaltet und per Funk Verbindung zur Zentrale aufnimmt. Derartige Funktionen kann auch Siemens als Systemanbieter mit seinem Betriebszentrum übernehmen, sagt Ralph Griewing. Der Eigentümer einer E-Auto-Flotte, eine Kommune etwa, muss sich dann nicht selbst um das Fahrzeug- Management kümmern das macht den Umstieg auf Elektroautos attraktiv. Die Elektrofahrzeuge werden dann mit einem kleinen Bordcomputer ausgestattet, einer Art Navigationssystem mit Elektromobilitätsfunktion. Über dieses Gerät kann der Fahrer eine Ladesäule reservieren oder den Standort der nächstgelegenen Säulen abfragen. Auch über defekte Zapfstellen informiert das System, und die Leitwarte wird künftig zudem den aktuellen Ladezustand des Autos aufs Handy überspielen können um dem Fahrer Fragen zu beantworten wie etwa: Ist das Auto schon voll geladen? Kann ich noch einen Abstecher zum Baumarkt machen? Eiserne Reserve. Fahrzeug-Tester Orsolleck hat sich an die neue Denkweise bereits gewöhnt. Eine Ladung reicht bei moderater Fahrweise für etwa 120 Kilometer. Wenn im Display die 20-Prozent -Anzeige aufleuchtet, ist das das Signal für Reserve. Ich bin zwar noch nie liegen geblieben, aber auf Reserve fahre ich Im Auto infomiert ein Bordcomputer über freie Ladesäulen und weist den Weg zur nächsten Stromtankstelle. ungern. Bevor ich zu Freunden fahre, schaue ich deshalb erst einmal bei Google Maps, wie weit der Weg ist. Inzwischen hat er ein gutes Gefühl für die Reichweite. An eisigen Tagen leistet die Batterie weniger, aber das macht sich bei der Pendeldistanz kaum bemerkbar ich komme abends immer mit 66 Prozent Ladezustand zu Hause an. Einziger Wermutstropfen: An frostigen Tagen vereisen die Scheiben, weil die Elektroheizung nicht so stark heizt wie die Abwärme eines Verbrennungsmotors. Es sind Kinderkrankheiten wie diese, die deutlich machen, wie wichtig ein Flottenversuch im Alltagsbetrieb ist. Für große Fahrten nimmt Familie Orsolleck nach wie vor ihren Benziner, einen VW Passat. Für klei nere Touren aber steigen sie immer öfter in den move: Für unsere Bedürfnisse innerhalb der Stadt ist das Auto ideal. Für größere Strecken müsse man sich heute allerdings noch eine Alternative überlegen. Carsharing oder ein Mietauto wären für ihn denkbar. Zu den Projektpartnern von Siemens gehört auch die Sixt Leasing, die den kleinen Elektro- Fuhrpark verwaltet. Sollte ein E-Auto doch einmal liegen bleiben, sorgt Sixt dafür, dass es abgeschleppt und dass schnellstmöglich ein Er satzfahrzeug beschafft wird. Für Vorstand Mark 34 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

19 Thielenhaus ist 4-S ein Pilotprojekt, das absolut richtig und wichtig ist. Noch steckt dieser Markt in den Kinderschuhen, aber wir sehen schon Bedarf, etwa in Form firmeneigener Car-Pools bespielsweise im Großraum München oder Erlangen-Nürnberg, dort, wo Mitarbeiter oft zwischen Kunden oder Filialen pendeln. Für Thielenhaus besteht die Heraus - forderung darin, einen schnellen Service zu bieten. Für herkömmliche Autos verfügen wir bundesweit über ein Netz von Vertragswerkstätten. Für das Elektroauto muss das erst noch aufgebaut werden. Noch experimentieren wir, aber in zwei bis drei Jahren dürfte sich ein ernstzunehmender Markt entwickeln. Schnelltanken. Die ersten 4-S -Erfahrungen zeigen, dass E-Autos bereits jetzt für den Alltagsbetrieb in und um die Städte taug lich sind. Offen sind noch Fragen wie die nach der besten Ladetechnik. Mit BMW arbeiten die Entwickler von CT an drei verschiedenen Lade- Modi dem Laden mit Wechselstrom, mit Gleichstrom und via Induktion (Pictures of the Future, Herbst 2010, S.34). Noch fehlt es jedoch an europäischen und internationalen Standards. Beim Wechselstrom sitzt die Ladetechnik im Auto und schlägt beim Verkaufspreis zu Buche. Mit Gleichstrom lässt sich eine Batterie hingegen ohne Laderegler im Auto zügig betanken. Hier sitzt das Ladegerät in der Säule. Derzeit ist man sich uneins, wo das Ladegerät künftig untergebracht sein wird im Auto oder außerhalb. Viel versprechend klingt auch das Induktionsladen. Die Batterie wird hier über ein elektrisches Feld ganz komfortabel ohne Kabel aufgetankt. Allerdings muss die Energie den Luftspalt zwischen Ladevorrichtung und Akku überbrücken, was mit elektrischen Verlusten verbunden ist. An einer alltagstauglichen Ladestations-Lösung arbeitet Siemens mit BMW in dem vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekt Indion. Die Stationen sollen ab Mitte 2011 in Berlin getestet werden. Außerdem arbeiten Forscher bei Siemens an Schnellladefunktionen, die den Strom mit mehr Leistung in die Batterien drücken. Damit würde die Tankzeit auf wenige Minuten schrumpfen. Derzeit braucht die schnellste Säule von Siemens mit 22 kw Ladeleistung für das Vollladen rund eine Stunde das ist immerhin schon doppelt so schnell wie bei der Vorgängergeneration. Klaus Orsolleck lässt das Auto tagsüber auf dem Firmenparkplatz und nachts an der heimischen Steckdose tanken. Für seine Bedürfnisse ist das vollkommen ausreichend und für die vie - ler anderer Autofahrer vermutlich auch. Wir gehen davon aus, dass das Elektroauto den Fahrzeugmarkt langsam erobern wird zunächst als Zweitwagen für die Stadt. Bis 2020 rechnen wir mit etwa 1,5 Millionen reinen Elektrofahrzeugen in Deutschland, sagt Romandi. Der Automarkt wird Unter Strom: Die Elektroautos haben eine Reichweite von etwa 120 Kilometer und können zu Hause an einer eigens installierten Wallbox in zwei Stunden wieder aufgeladen werden. vielfältiger werden, da ist sich Romandi sicher: Als Auto für alle Fälle käme ein Hybrid-Fahrzeug in Frage, das sich dank eines zusätzlichen Verbrennungsmotors auch für die Fahrt in den Urlaub eignet. Für den Handelsvertreter, der viel auf Autobahnen unterwegs ist, wäre der sparsame Diesel optimal. Herausforderung fürs Netz. Prof. Dr. Martin Wietschel, Leiter des Geschäftsfelds Energiewirtschaft am Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung in Karlsruhe, sieht bei einem starken Ausbau der Elektromobilität allerdings Probleme auf das Stromnetz innerhalb der Ortschaften zukommen. Wenn zehn Elektroautos in einer Straße stehen und gleichzeitig laden, dürfte das vor allem ältere Ortstrafos überlasten, sagt er. Das sieht auch Ralph Grie- wing so, deshalb arbeitet man im 4-S-Projekt an einer in telligenten Laderegelung. Wenn die Fahrer abends ihre Autos an das Stromnetz koppeln, würde die Regelung dafür sorgen, dass nicht alle Autos zugleich maximal Strom aufnehmen. Ein intelligenter Stromzähler in der Wallbox könnte das Betanken am aktuellen Strompreis ausrichten. Strom wäre dann am billigsten, wenn Fernseher und Waschmaschinen nachts ausgeschaltet sind und Industriebetriebe ihre Maschinen heruntergefahren haben. Martin Wietschel mahnt aber zur Vorsicht: Noch ist nicht erwiesen, dass die Kunden auf ein solches Preismodell anspringen. Denn dies setze voraus, dass sich die Kunden aktiv mit den Tarifen auseinandersetzen: Wenn der Gewinn Bis 2020 rechnen wir alleine in Deutschland mit etwa 1,5 Millionen reinen Elektrofahrzeugen. klein ist, könnten viele das Interesse verlieren. Allerdings, so sagen die Siemens-Forscher, ließe sich die nötige Intelligenz auch ins Auto integrieren, so dass das Fahrzeug anhand weniger Vorgaben des Fahrers selbst entscheidet, wann der Strom günstig genug ist. Romandi ist zuversichtlich, dass das Projekt am Ende die richtigen Antworten auf derlei Fragen liefern wird. Die Testfahrer leasen die Fahrzeuge zunächst zu einem günstigen Preis für einen Zeitraum von 30 Monaten, inklusive Strom, Wartung, Versicherung und eventueller Werkstatt-Kosten. Aktuelle Forschungsergebnisse und Technologien lässt Siemens fortlaufend in das Projekt einfließen. Noch sei gar nicht abzusehen, wie viele neue Erkenntnisse 4-S am Ende bringen werde, meint Romandi. Ähnlich sieht das Wolfgang Geus, Vorstands - vorsitzender der Erlanger Stadtwerke, einem weiteren Projektpartner. Mit den Elektrofahrzeugen testen wir, ob sich alle Anforderungen rund ums Auto, die Ladeinfrastruktur und das Niederspannungsnetz erfüllen lassen. Die Herausforderungen sind hier: der Einfluss der Witterung auf die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batterien, die Lademöglichkeiten in privaten und öffentlichen Garagen, die möglichen Abrechnungsmodelle und die Lastvorgänge im Niederspannungsnetz. Siemens möchte möglichst viele Unternehmen in das umfangreiche Projekt einbinden. Derzeit stellt die Firma German E-Cars die Autos zur Verfügung. Künftig sollen nicht nur Siemens-eigene Wechselrichter mit Ladefunktion in die nachfolgenden Fahrzeuge des 4-S-Projekts eingebaut werden, sondern auch eigene Antriebsaggregate. Damit auch bei den Autos der Testflotte im mer mehr gilt: Siemens inside. Tim Schröder Das neue Stromzeitalter Fakten und Prognosen Rückenwind für Strom Der Trend ist eindeutig: die globale Energienach - frage wird weiter kräftig wachsen. Die Internationale Energieagentur (IEA) schätzt, dass die Menschheit bis 2035 rund 36 Prozent mehr Energie verbrauchen wird als Eine wachsende Wirtschaft vor allem in den Schwellenländern und der Anstieg der Weltbevölkerung sind die treibenden Kräfte. Doch fossile Ressourcen sind begrenzt, und ihr energiebedingter Verbrauch verursacht den überwiegenden Teil der CO 2 -Emissionen. Einen Ausweg aus diesem Dilemma bietet der IEA zufolge neben einer effizienteren Nutzung der Energie vor allem der verstärkte Einsatz von elektrischem Strom, auch in Bereichen, wo heute noch fossile Energieträger das Sagen haben vorausgesetzt seine Produktion erfolgt emissionsfrei. Wir halten erneuerbaren Strom für den bedeutendsten Endenergieträger der Zukunft, urteilt Prof. Dr. Ulrich Wagner, Vorstandsmitglied des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR). Die Bandbreite künftiger Anwendungen sauberen Stroms ist enorm: Sie reicht vom Einsatz bei Hausgeräten, Licht oder Maschinen bis zu Wärmepumpen, Meerwasserentsalzung oder dem Elektroauto. Elektrizität ist einfach zu erzeugen, leicht zu transportieren und äußerst komfortabel und flexibel einzusetzen, resümieren Experten der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) in einer Studie aus dem Jahr Laut IEA wird bei keiner anderen Form von Endenergie die Nachfrage weltweit so 2020: fast 18 Millionen neue Elektrofahrzeuge weltweit in Tausend Stück e Reine Elektroautos Plug-in-Hybride Quelle: HSBC 2020: Über Milliarden Dollar für CO 2 -arme Energieproduktion weltweit in Mrd. US-Dollar e Anteil der fossilen Energiequellen an der weltweiten Stromproduktion schrumpft Öl 5,4 Gas 21 Nuklear 14 stark steigen wie bei Elektrizität. So dürfte der globale Stromverbrauch bis 2035 um rund 70 Prozent zunehmen am meisten in aufstrebenden Wirtschaften wie China. Weltweit erwärmen heute vielerorts noch Gas- oder Ölheizungen die Räume. Doch wenn Strom künftig CO 2 - arm produziert wird und Gebäude zugleich wärmetechnisch saniert sind, dann ist der Wechsel zur elektrischen Wärmeversorgung sinnvoll, so die DPG. Daher und wegen der erhöhten Nachfrage nach Elektrogeräten in Ländern außerhalb der OECD wird der Stromverbrauch in Gebäuden trotz Energiesparmaßnahmen bis 2035 um jährlich 1,5 Prozent wachsen. Der Stromanteil am weltweiten Gebäude-Endenergieverbrauch dürfte dann von heute 27 auf 37 Prozent steigen. Auch bei Elektroautos ist das Potenzial groß: Die Elektromobilität kann den Verbrauch von Erdöl mindern und klimaschädliche CO 2 - sowie Schadstoffemissionen vermeiden, vorausgesetzt der Strom wird nicht-fossil hergestellt, erklärt die DPG. Bis 2020 will die deutsche Regierung eine Million, bis 2030 sogar fünf Millionen Elektroautos auf die Straße bringen (einschließlich der so genannten Plug-in-Hybride mit einer Kombination aus Elektro- und Verbrennungsmotor). Noch ehrgeiziger sind die Pläne der USA und Chinas: Beide Länder wollen schon bis 2015 jeweils eine Million E-Autos nutzen können. Bis etwa 2020 erwartet die Investmentbank HSBC nach einer Studie von 2010 ein in Prozent Solar PV 2 Geothermie 1 Geothermie 0,3 Wind 1 Biomasse und Abfall 1,3 CSP 1 Wind 8 Biomasse Kohle 41 Wasser 16 Kohle 32 und Abfall 4 Wasser e Öl 1 Gas 21 Nuklear 14 Quelle: IEA Biokraftstoffe 18 Wärme aus erneuerbaren Quellen CO 2-Abspeicherung und -lagerung CCS Kernenergie Strom aus erneuerbaren Quellen e Über die Häfte des Weltmarktes der Erneuerbaren für Wind in Mrd. US-Dollar Marktvolumen von 473 Milliarden US-Dollar, aufgeteilt auf 8,7 Millionen reine Elektroautos und 9,2 Millionen Plug-in-Hybride. Dreh- und Angelpunkt des neuen Stromzeitalters ist, dass die Dekarbonisierung der Stromerzeugung rasch umgesetzt wird. Die IEA geht davon aus, dass bis 2035 der Gesamtanteil von Kohle, Gas und Öl an der weltweiten Stromproduktion von derzeit rund 67 auf rund 55 Prozent sinken wird. Zugleich wird danach der Stromanteil aus erneuerbaren Quellen wie Wasser, Wind oder Sonne von derzeit 19 auf 32 Prozent zulegen. Das spiegelt sich auch in den Marktaussichten wider. Siemens- Experten rechnen damit, dass 2020 bereits mehr als die Hälfte der weltweiten Investitionen auf dem Kraftwerksmarkt in die regenerativen Energien fließen werden. Und die HSBC erwartet, dass sich das weltweite Marktvolumen für die Produktion CO 2 -armer Energie von 422 Milliarden US-Dollar im Jahr 2009 bis 2020 auf Milliarden Dollar erhöhen wird. Unter den neuen CO 2 -freien Stromquellen wird neben der Wasserkraft vor allem die Windenergie und in etwas geringerem Umfang auch die Sonnenenergie weltweit eine Vorreiterrolle einnehmen. Hier rechnet die HSBC damit, dass die Windindustrie mit 285 Milliarden Dollar 2020 den Löwenanteil am Gesamtmarkt der erneuerbaren Energien ausmachen dürfte, gefolgt von der Solarindustrie mit 116 Milliarden Dollar. Anette Freise Geothermie 23 Wind 285 Wasser Small Hydro 49 Biomasse e Solar 116 Quelle: HSBC Quelle: HSBC 36 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr

20 Energie aus Gülle: Regelmäßig entnehmen Josef Götz und sein Sohn Proben aus dem Fermenter (rechts) und lassen sie analysieren. Künftig wollen Siemens-Forscher den Status der Biogasanlage viel schnel ler online mit einem Infrarot-Spektrometer untersuchen. Das neue Stromzeitalter Biogas Kontrolle im Kessel Biogasanlagen boomen. Messtechnik von Siemens ermöglicht jetzt erstmals eine kontinuierliche Kontrolle der biologischen Methanproduktion und einen vollautomatisierten Betrieb. Josef Götz achtet auf sein Bauchgefühl was auf jahrelanger Erfahrung basiert. Die braucht der Landwirt aus dem bayerischen Markt Indersdorf auch, wenn es um seine Biogasanlage geht. Denn die Bakterien, die hier in unterirdischen Kesseln Futterpflanzen und Gülle in Methan verwandeln, arbeiten buchstäblich im Dunkeln. Der Grund: Bisher fehlt eine bezahlbare Messtechnik für die kontinuierliche Kontrolle des komplexen Kesseltreibens. Optimale Bedingungen lassen sich so nur schwer einstellen. Derzeit können wir lediglich Stichproben in einem externen Labor prüfen lassen und deshalb nur zeitverzögert reagieren, sagt Götz. Das Biogas wird in einem Blockheizkraftwerk in Wärme und Strom verwandelt. Im Idealfall liefert es 860 Kilowatt elektrische Leistung. Jede Kilowattstunde bringt dem Landwirt rund 15 Cent. Arbeitet die Anlage ein ganzes Jahr weit unter ihrer Leistungsgrenze, können die Verluste in die Hunderttausende Euro gehen. Vor allem Art, Menge und Zusammensetzung des Bakterienfutters entscheiden, ob die Mikro - organismen zur Höchstform auflaufen, schwächeln oder schlimmstenfalls sterben. In diesem Fall kippt die Anlage um wie ein überdüngter Gartenteich. Für den Methanertrag wäre es am besten, die Anlage nahe ihrer Belastungsgrenze zu betreiben, berichtet Götz. Doch kaum ein Betreiber riskiert den Totalausfall. Die Fermenter müssten dann komplett geleert, gereinigt, neu befüllt und der Prozess wieder angefahren werden. Bis alles wieder rund läuft, können Monate vergehen. Forscher von Siemens Corporate Technology (CT) haben nun einen Ausweg aus dem Dilemma gefunden und eine Messtechnik für einen vollautomatisierten Betrieb entwickelt, die schon bald in Götz Anlage getestet werden könnte. Das Herzstück ist ein aktenkofferkleines Spektrometer. Es arbeitet mit Strahlen aus dem nahen Infrarotspektrum, die etwas energieärmer sind als etwa die Strahlung einer Wärmelampe. Das Gerät wird rund um die Uhr unter anderem den Säuregehalt im Fermentergemisch messen, sagt Prof. Dr. Maximilian Fleischer, in dessen Team bei CT das Gerät entwickelt wurde. Die Säurekonzentration ist ein wichtiger Indikator für den Zustand im Kessel. Überschreitet sie einen kritischen Wert, kippt der Prozess. Mit der kontinuierlichen Prozesskontrolle können die Betreiber sehr schnell reagieren und zum Beispiel die Futterzusammensetzung ändern, sobald sich ein Säureanstieg abzeichnet, betont Fleischer. Damit das Gegensteuern automatisch funktioniert, müssen die Messdaten interpretiert und in einen Handlungsauftrag übersetzt werden, zum Beispiel mehr Mais oder weniger Gülle. Darum kümmert sich unter anderem Volker Hirsch vom Siemens-Sektor Industry. Wir setzen dabei auf ein Simatic-Prozessleitsystem, das sich in der Chemieindustrie bewährt hat, sagt er. Schon heute ermittelt Siemens-Technik auch in der Anlage von Josef Götz Daten zur Temperatur und Gaszusammensetzung, und der Landwirt fährt jede Woche eine Probe zur Säure-Analyse in ein Labor. Doch der Aufwand und die Gefahr, dass die Informationen zu spät kommen, sind erheblich. Die Erwartungen, die Götz in den Echtzeit- Messprozess setzt, sind deshalb groß. Um die Nahinfrarot-Spektroskopie auf Biogasanlagen zuzuschneiden, galt es, zunächst die komplexen Vorgänge im Detail zu verstehen. Die Methanproduktion läuft in vier Phasen ab, berichtet Fleischer. Für jede Phase sind andere Bakterien zuständig. In den ersten beiden Prozessabschnitten spalten Bakterien die Nährstoffe in Zwischenprodukte wie Butter- oder Essigsäure auf und machen sie so verdaubar für ihre Kollegen aus Phase Drei und Vier. Diese bauen die Säuren zum Energieträger Methan um. Probleme können entstehen, wenn zum Beispiel zu viel leicht Verdauliches wie Zucker- rüben auf dem Speiseplan steht, meint Fleischer. Dann bilden sich zu viele Säuren in zu kurzer Zeit. Das Gemisch wird sauer, das Wohlbefinden der Methan produzierenden Bakterien sinkt und damit auch ihr Arbeitseifer. Dadurch wird weniger Säure abgebaut, was den Winzlingen noch mehr schadet. Schließlich kann der Prozess komplett zum Erliegen kommen, und die Bakterien sterben ab. Das neue Messgerät schickt über Glasfaserkabel Infrarotstrahlen in die Bakterienbrühe. Was an Strahlung zurückkommt, wird in faustgroßen Detektoren gemessen. Die Fettsäuren verändern die Lichteigenschaften in charakteris - tischer Weise, erklärt Fleischer. Und zwar um - so stärker, je mehr Säuren vorhanden sind. Zudem lässt sich an den Daten ablesen, wie viele Bakterien welcher Art im Reaktor aktiv sind und wie groß das Verhältnis von Feststoff zu Flüssigkeit ist. Die Methode ist sehr preisgünstig und robust, nennt er die Vorteile gegenüber anderen chemischen Analysemethoden. Landwirte, Klärwerke, Deponien. Die Ergebnisse des Pilottests werden wohl weltweit Beachtung finden. Biogas lässt sich problemlos speichern, ins Erdgasnetz einspeisen oder, wie bei Götz, direkt vor Ort in Strom und Wärme verwandeln. Einer Studie des Bremer Marktforschungsinstituts Trend Research zufolge dürfte sich allein die Zahl der aus Deutschland exportierten Anlagen in den nächsten zehn Jahren mehr als verdoppeln. Heute ist Deutschland mit seinen über Biogasanlagen weltweit führend. Diese Anlagen produzieren eine Menge Biomethan, die umgewandelt in Strom einer elektrischen Leistung von zwei Großkraftwerken entspricht, berichtet Hirsch. Es sind vor allem Landwirte, die auf die grüne Technologie setzen und sich damit Geld hinzuverdienen. Aber auch Klärwerke oder Deponien nutzen die Energie, die in Abwasser und Abfall steckt, um daraus Biomethan zu machen. Um den Trend weiter zu beflügeln, wollen die Siemens-Forscher künftig auch die Futterzusammensetzung unter ihre Infrarot-Lupe neh - men und die Güte der Bakteriennahrung bestim - men. Die Futtermischungen werden aus Kosten - gründen immer heterogener meint Fleischer. So setzen viele Betreiber auch Abfälle aus der Lebensmittelindustrie ein. Götz füttert in seiner Anlage schon einmal robuste Wildpflanzen zu. Und sogar der Unkrautschnitt der Stadtgärtnereien und Gartenabfälle könnten künftig in Biogas verwandelt werden, so Fleischers Prognose. Damit die Methan produzierenden Bakterien auch unter solch schwierigen Bedingungen bei Laune bleiben, werden die Siemens-Experten ihre Methode wohl noch ausbauen müssen mit viel Fachwissen und vielleicht ein bisschen Bauchgefühl. Andrea Hoferichter Das neue Stromzeitalter Auf den Punkt Elektrizität durchdringt immer mehr den Alltag, LEUTE: denn Strom wird anderen Energieträgern in vielen Smart Building: Bereichen Konkurrenz machen. Das reicht von Joachim Kiauk, Industry Elektroautos über vielfältige Gebäudeanwendungen bis zur Meerwasserentsalzung. Dazu wird Christoph Hielscher, Energy joachim.kiauk@siemens.com auch der weltweite Stromverbrauch rasant zunehmen: bis zum Jahr 2035 um rund 70 Prozent, Solar Cooling: christoph.hielscher@siemens.com schätzt die Internationale Energieagentur. (S.14) Peeush Kumar Bishnoi, CT Indien peeushkumar.bishnoi@siemens.com Wasserstoff ist ein optimaler Energieträger Einspeisung von Solarstrom ins Netz: sowie begehrter Rohstoff für die chemische Industrie. Das Gas lässt sich durch Elektrolyse aus michael.metzger@siemens.com Dr. Michael Metzger, CT Wasser gewinnen, etwa mit Hilfe von überschüssigem Öko-Strom. Siemens-Entwickler arbeiten Jochen Schäfer, CT Smart Meters / Smart Grids: an neuen Elektrolyseuren, die zur Grundlage jochen.js.schaefer@siemens.com künftiger Energiespeicher werden könnten. (S.26) Joachim Bamberger, CT joachim.bamberger@siemens.com Intelligente Gebäude sollen ihren Stromverbrauch dem schwankenden Angebot an Sonnen- Henry Feil, Osram Neue Lichtsysteme: und Windstrom eigenständig anpassen. So könnten etwa Lüftungen und Pumpen zeitweise abge- Philipp Kräuchi, Industry h.feil@osram.com schaltet werden, ohne dass der Wohnkomfort leidet. Siemens entwickelt in Kooperation mit der Elektrolyse: philipp.kraeuchi@siemens.com TU München bereits Software-Werkzeuge, mit Dr. Manfred Waidhas, Industry denen sich die Gebäudetechnik künftig nach dem manfred.waidhas@siemens.com Stromangebot steuern lässt. (S.17) Gezeitenkraftwerk: Kai Kölmel, Energy Mit intelligenten Stromzählern rückt die Vision kai.koelmel@siemens.com einer digitalen Stromversorgung näher. Etwa in Meerwasserentsalzung: der Gemeinde Arbon in der Schweiz: Dort ersetzt Dr. Rüdiger Knauf, Industry Siemens seit 2007 die rund herkömmlichen ruediger.knauf@siemens.com Haushaltszähler durch neue Smart Meter. Bis Ende Dr. Andreas Hauser, CT 2013 soll die Umstellung abgeschlossen sein. Zugleich entwickeln Siemens-Forscher in der Smart- Elektromobilität: a.hauser@siemens.com Grid-Versuchsanlage in Erlangen Technologien für Ralph Griewing, Energy künftige intelligente Stromnetze. (S.22) ralph.griewing@siemens.com Andreas Romandi, CT Die Versorgung mit Trinkwasser wird in vielen andreas.romandi@siemens.com Küstengebieten immer schwieriger. Allerdings ist Biogasanlage: die Meerwasserentsalzung über Verdampfung Prof. Dr. Maximilian Fleischer, CT oder Umkehrosmose bislang sehr energieaufwändig. Siemens-Ingenieure haben nun eine neue maximilian.fleischer@siemens.com Methode entwickelt, die mit elektrischen Feldern LINKS: arbeitet: Das halbiert den Energieverbrauch. (S.30) Karlsruher Institut für Technologie: Bei der Stromerzeugung gibt es immer mehr Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE: Alternativen zu fossilen Energieträgern: darunter auch Meeresströmungskraftwerke, die Windparks DPG-Studie Elektrizität Schlüssel zu einem unter Wasser ähneln. Vor Nordirland produziert nachhaltigen Energiesystem : seit 2008 ein derartiges Gezeitenkraftwerk mit einer Rekord-Leistung von 1,2 Megawatt grünen Meeresströmungskraftwerk SeaGen: Strom für rund Haushalte. (S.28) 38 Pictures of the Future Frühjahr 2011 Pictures of the Future Frühjahr