Elektrizitätsversorgung 4.0 oder: Data Girl hilft Power Guy

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1 Elektrizitätsversorgung 4.0 oder: Data Girl hilft Power Guy
Max Blatter, dipl. Elektro-Ing. ETH Dozent für Elektrische Energietechnik im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule für Technik FHNW, Brugg/Windisch Elektrizitätsversorgung 4.0 oder: Data Girl hilft Power Guy 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

2 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 Was leistet 1 m³ Energietechnik? 1. Die Dynamik der Informations- im Vergleich zur Energietechnologie

3 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 Protagonisten Power Guy, der Energietechnik-Entwickler Data Girl, die Informatik-Entwicklerin Illustration: René Blatter, Basel (bearbeitet)

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 2015 1965 Byte bit 1 bit 400 bit = 50 Byte 1 bit : eine „Ja/Nein“-Information 1 Byte = 8 bit : ein Textzeichen

5 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 2015 1965 Byte bit Vergrößerung der Informationsdichte auf das Milliarden-fache 32 bit 1 bit : eine „Ja/Nein“-Information 1 Byte = 8 bit : ein Textzeichen

6 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 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!

7 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 Data Girl sagt mit Recht: Die Physik ist eben auf unserer Seite... ... wir surfen gleichsam auf der perfekten Welle! Illustration: René Blatter, Basel

8 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 Hand: Und in der Energietechnik? Warum funktioniert die Miniaturisierung da nicht?

9 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 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.

10 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 Power Guy fragt sich mit Recht: Ist denn die Physik immer nur gegen uns? Illustration: René Blatter, Basel

11 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 Immerhin: Trotz enger physikalischer Grenzen können Effizienz und Materialausnutzung bei der Übertragung und Verteilung elektrischer Energie noch gesteigert werden.

12 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 Was leistet 1 m³ Energietechnik? 2. Ein Transformator aus 1 m³ Kupfer und 0.4 m³ Eisen

13 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 Wikimedia; Cjp24 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 = W übertragen kann: Das sind % der europäischen Kraftwerksleistung

14 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 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!

15 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 Was leistet 1 m³ Energietechnik? 3. Eine Übertragungsleitung aus 1 m³ Alu-Legierung «Aldrey»

16 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 Wikimedia; styko 1 m 1 m³ Aluminium-Legierung „Aldrey“ ... ... ergibt eine 1 km lange Leitung, die ca. 600 MW = W übertragen kann: Das sind 0.06 % der europäischen Kraftwerksleistung

17 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 Die Zahlen gelten für Wechselspannung Bei Gleichspannung kann die gleiche Leitung 40% mehr Leistung übertragen. Wird in speziellen Fällen angewandt!

18 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 Was leistet 1 m³ Energietechnik? 4. Gleich- und Wechselrichter oder Frequenzumrichter aus 1 m­³ Silizium

19 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 Für die Umwandlung Wechselspannung 50 Hz ↔ höhere Frequenz oder für die Umwandlung Wechselspannung ↔ Gleichspannung braucht man sogenannte Leistungshalbleiter aus Silizium

20 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 ca. 300 mm ca m³ Silizium ergeben über 1000 Scheibchen (sog. Wafer) von 0.19 mm Dicke. ... Silizium-Kristall Wikimedia; Massimiliano Lincetto File:Silicon_single_crystal.jpg ... Darauf finden je ca. 350 sogenannte Schalttransistoren Platz. ... ... Jeder davon kann W schalten. Schalttransistoren aus 1 m³ Silizium könnten mehr als W schalten. Mehr als das Doppelte der europäischen Kraftwerksleistung!

21 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 Silizium ... kann Aluminium, Kupfer und Eisen nicht ersetzen, aber den Bedarf verringern

22 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 Was leistet 1 m³ Energietechnik? 5. Speicher: Energieinhalt pro m³

23 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 Es braucht mehr Speicherkapazität – aber warum? Antwort: Um witterungsabhängige („volatile“) Energieressourcen wie Solar- oder Windenergie effizient nutzen zu können.

24 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 Stausee: Lac des Dix VS Nutzbares Volumen m³ Höhendifferenz zum Kraftwerk 1834 m Speicherbare Energie kWh entsprechend 5 kWh pro m³ (5 kWh ≈ ein Drittel des durchschnittlichen Tagesverbrauchs in einem CH-Haushalt) Wikimedia; Roland Zumbühl, picswiss.ch 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)

25 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 Was leistet 1 m³ Energietechnik? 6. Kubikmeter einsparen durch Informationstechnologie

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

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

28 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 Informationstechnologie im Dienste der Energietechnologie Digitalisierung der Elektrizitätsversorgung oder Elektrizitätsversorgung 4.0 Data Girl hilft Power Guy! Illustration: René Blatter, Basel