Elektrische Energietechnik Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Elektrische Energietechnik Teaser Inhalt Was leistet 1 m³ Energietechnik? 1. Die Dynamik der Informations- im Vergleich zur Energietechnologie 2. Ein Transformator aus 1 m³ Kupfer und 0.4 m³ Eisen 3. Eine Übertragungsleitung aus 1 m³ Alu-Legierung «Aldrey» 4. Gleich- und Wechselrichter oder Frequenzumrichter aus 1 m­³ Silizium 5. Speicher: Energieinhalt pro m³ 6. Kubikmeter einsparen durch Informationstechnologie

1. Die Dynamik der Informations- im Vergleich zur Energietechnologie Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Was leistet 1 m³ Energietechnik? 1. Die Dynamik der Informations- im Vergleich zur Energietechnologie

Illustration: René Blatter, Basel (bearbeitet) Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Protagonisten Power Guy, der Energietechnik-Entwickler Data Girl, die Informatik-Entwicklerin Illustration: René Blatter, Basel (bearbeitet)

Max Blatter, dipl. Elektro-Ing Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 2015 1965 04 000 000 000 Byte 32 000 000 000 bit 1 bit 400 bit = 50 Byte 1 bit : eine „Ja/Nein“-Information 1 Byte = 8 bit : ein Textzeichen

Vergrößerung der Informationsdichte auf das Milliarden-fache Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 2015 1965 04 000 000 000 Byte 32 000 000 000 bit Vergrößerung der Informationsdichte auf das Milliarden-fache 32 bit 1 bit : eine „Ja/Nein“-Information 1 Byte = 8 bit : ein Textzeichen

Miniaturisierung der Datenverarbeitung: Denkbare Hürden Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Miniaturisierung der Datenverarbeitung: Denkbare Hürden Größere Informationsmenge auf kleinerem Raum: Mehr elektrische Leistung → Überhitzung? Die Physik sagt: Mehr Information braucht nicht mehr elektrische Leistung! Also – weniger elektrische Leistung pro Informationseinheit! → Höhere Anfälligkeit auf elektromagnetische Störfelder? Die Physik sagt: Eine Informationseinheit auf kleinerem Raum – das verbessert die Störsicherheit sogar!

Data Girl sagt mit Recht: Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Data Girl sagt mit Recht: Die Physik ist eben auf unserer Seite... ... wir surfen gleichsam auf der perfekten Welle! Illustration: René Blatter, Basel

Hand: https://t3.ftcdn.net Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Hand: https://t3.ftcdn.net Und in der Energietechnik? http://www.windpark-langendorf.de Warum funktioniert die Miniaturisierung da nicht?

Max Blatter, dipl. Elektro-Ing Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Miniaturisierung der Energieverarbeitung: Wunschträume ... könnten fortgesetzt werden Miniaturisierung der Transformatoren? Die Physik sagt: Nöö – eine bestimmte Menge an Kupfer und Eisen brauchst du. Physikalisches Gesetz! Mega- und Gigawatt über ein dünnes Käbelchen übertragen? Die Physik sagt: Nöö – einen bestimmten Leiterquerschnitt (Alu oder Kupfer) brauchst du. Physikalisches Gesetz! Und die Supraleitung? Die Physik sagt: Klar! Aber dann musst du die ganze Leitung mit flüssigem Stickstoff kühlen. „Normaltemperatur-Supraleiter“ hat man noch keine entdeckt; vielleicht sind sie sogar unmöglich.

Power Guy fragt sich mit Recht: Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Power Guy fragt sich mit Recht: Ist denn die Physik immer nur gegen uns? Illustration: René Blatter, Basel

Max Blatter, dipl. Elektro-Ing Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Immerhin: Trotz enger physikalischer Grenzen können Effizienz und Materialausnutzung bei der Übertragung und Verteilung elektrischer Energie noch gesteigert werden.

2. Ein Transformator aus 1 m³ Kupfer und 0.4 m³ Eisen Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Was leistet 1 m³ Energietechnik? 2. Ein Transformator aus 1 m³ Kupfer und 0.4 m³ Eisen («Elektrische Energietechnik» Abschnitt 4.5)

1 m³ Kupfer und 0.4 m³ Eisen- legierung ... Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Wikimedia; Cjp24 https://commons.wikimedia.org/wiki/ File:High-voltage_transformer.jpg 1 m 1 m³ Kupfer und 0.4 m³ Eisen- legierung ... 74 cm ... ergeben einen Transformator, der ca. 20 MW = 20 000 000 W übertragen kann: Das sind 0.002 % der europäischen Kraftwerksleistung

Die Zahlen gelten für Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz. Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Die Zahlen gelten für Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz. Ein gleich großer Trafo kann bei Wechselspannung mit 400 Hz Frequenz 8 mal mehr Leistung übertragen. Wird in den Bord-netzen von Flug-zeugen angewandt!

3. Eine Übertragungsleitung aus 1 m³ Alu-Legierung «Aldrey» Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Was leistet 1 m³ Energietechnik? 3. Eine Übertragungsleitung aus 1 m³ Alu-Legierung «Aldrey» («Elektrische Energietechnik» Abschnitte 4.2 – 4.4 , 4.6)

1 m³ Aluminium-Legierung „Aldrey“ ... Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Wikimedia; styko https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lainzer_Tiergarten_Blick_Wien_1.jpg 1 m 1 m³ Aluminium-Legierung „Aldrey“ ... ... ergibt eine 1 km lange Leitung, die ca. 600 MW = 600 000 000 W übertragen kann: Das sind 0.06 % der europäischen Kraftwerksleistung

Die Zahlen gelten für Wechselspannung Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Die Zahlen gelten für Wechselspannung Bei Gleichspannung kann die gleiche Leitung 40% mehr Leistung übertragen. Wird in speziellen Fällen angewandt!

Max Blatter, dipl. Elektro-Ing Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Was leistet 1 m³ Energietechnik? 4. Gleich- und Wechselrichter oder Frequenzumrichter aus 1 m­³ Silizium («Elektrische Energietechnik» Abschnitte 4.6 , 6.2.4)

Max Blatter, dipl. Elektro-Ing Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Für die Umwandlung Wechselspannung 50 Hz ↔ höhere Frequenz oder für die Umwandlung Wechselspannung ↔ Gleichspannung braucht man sogenannte Leistungshalbleiter aus Silizium

ca. 300 mm Silizium-Kristall Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 ca. 300 mm ca. 0.04 m³ Silizium ergeben über 1000 Scheibchen (sog. Wafer) von 0.19 mm Dicke. ... Silizium-Kristall Wikimedia; Massimiliano Lincetto https://commons.wikimedia.org/wiki/ File:Silicon_single_crystal.jpg ... Darauf finden je ca. 350 sogenannte Schalttransistoren Platz. ... ... Jeder davon kann 255 000 W schalten. Schalttransistoren aus 1 m³ Silizium könnten mehr als 2 000 000 000 000 W schalten. Mehr als das Doppelte der europäischen Kraftwerksleistung!

Max Blatter, dipl. Elektro-Ing Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Silizium ... kann Aluminium, Kupfer und Eisen nicht ersetzen, aber den Bedarf verringern

5. Speicher: Energieinhalt pro m³ Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Was leistet 1 m³ Energietechnik? 5. Speicher: Energieinhalt pro m³ («Elektrische Energietechnik» Kapitel 5)

Es braucht mehr Speicherkapazität – aber warum? Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Es braucht mehr Speicherkapazität – aber warum? Antwort: Um witterungsabhängige („volatile“) Energieressourcen wie Solar- oder Windenergie effizient nutzen zu können.

http://www.lithiumpowerbloc.de/ img/produkte/w390/LPB_18000.jpg Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Stausee: Lac des Dix VS Nutzbares Volumen 400 000 000 m³ Höhendifferenz zum Kraftwerk 1834 m Speicherbare Energie 2 000 000 000 kWh entsprechend 5 kWh pro m³ (5 kWh ≈ ein Drittel des durchschnittlichen Tagesverbrauchs in einem CH-Haushalt) Wikimedia; Roland Zumbühl, picswiss.ch https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dixence-Staumauer.jpg http://www.lithiumpowerbloc.de/ img/produkte/w390/LPB_18000.jpg 181 mm 174 mm 78 mm Lithium-Ion-Akkumulator Speicherbare Energie 0.2 kWh entsprechend 80 kWh pro m³ (80 kWh ≈ sechs Mal der durchschnittliche Tagesverbrauch in einem CH-Haushalt)

6. Kubikmeter einsparen durch Informationstechnologie Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Was leistet 1 m³ Energietechnik? 6. Kubikmeter einsparen durch Informationstechnologie («Elektrische Energietechnik» Abschnitt 4.9)

Intelligentes Netzmanagement – Smart Grids Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Intelligentes Netzmanagement – Smart Grids Intelligente Steuerung der Netze – bei der Produktion wie beim Verbrauch – kann die Ausnutzung der Ressourcen optimieren und den Speicherbedarf vermindern.

Netzleitstelle Swissgrid Control, Laufenburg Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Netzleitstelle Swissgrid Control, Laufenburg

Informationstechnologie im Dienste der Energietechnologie Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch 08.11.2017 Informationstechnologie im Dienste der Energietechnologie Digitalisierung der Elektrizitätsversorgung oder Elektrizitätsversorgung 4.0 Data Girl hilft Power Guy! Illustration: René Blatter, Basel