Zukunftsfähige Energielösungen

Kurzbeschreibung des Zukunftsfelds

Zukunftsfähige Energielösungen gehört zu den Zukunftsfeldern neuen Zuschnitts, die im Foresight-Prozess als Schwerpunkte zukünftiger Forschungsanstrengungen erarbeitet wurden. Aus Befragungen von Expertinnen und Experten im In- und Ausland sowie einer Online-Umfrage und bibliometrischen Untersuchungen ergab sich die folgende Definition und Abgrenzung:

Definition und Abgrenzung

Eines der großen und im Moment die Debatte stark dominierenden Zukunftsfelder lautet »Energie«. Die Forschung zur Bereitstellung und effizienten Nutzung von Energie wird in Deutschland mit hoher Priorität betrieben. Ein Zukunftsfeld, mit dem gestartet wurde, war bereits »Energie« genannt worden. Aber auch bei den Zukunftsfeldern neuen Zuschnitts haben sich zwei herauskristallisiert, die zwar nicht direkt Forschung und Technologie im Energiebereich betreffen, aber trotzdem nicht zu unterschätzende Lösungen für die Energieproblematik bieten können. Diese Teilfelder weisen weit über die aktuell bestehenden Aktivitäten hinaus:

1. Handlungsfeld Energiekonzert: Methodisch unterstützte Langfristkoordination der energierelevanten Beiträge aus verschiedenen, nicht unmittelbar mit Energie befassten Forschungsfeldern
2. Forschungsfeld Mikro-Energie aus der Umgebung gewinnen: Ausloten neuer Pfade für die Nutzung von Mikro-Energie aus der Umgebung zum Betrieb mobiler Geräte

Während (1) "das Energiekonzert" ein Handlungsfeld der Forschungskoordination darstellt und große Energiemengen betrifft, ist bei (2) "Mikro-Energie aus der Umgebung gewinnen" intensive Forschung aus verschiedenen Bereichen gefragt. Mikro-Energie aus der Umgebung zu gewinnen, ist kein reines Energiethema: Es handelt sich um so geringe Energiemengen, dass diese für die Energieexperten irrelevant sind und auch im Energiekonzert keine Rolle spielen. Mikro-Energie aus der Umgebung zu gewinnen ist ein Forschungs- und Innovationsthema, das primär die Mikroelektronik betrifft. Entsprechend ist das Forschungsthema im Zukunftsfeld Informations- und Kommunikationstechnologie aufgekommen.

Handlungsfeld Energiekonzert

Abgestimmte Forschungsvielfalt für zukunftsfähige Energielandschaften
Das Energiekonzert ist - abgesehen von methodischen Aspekten - kein Forschungsfeld im eigentlichen Sinne, sondern ein Handlungsfeld für die Forschungskoordination. Ziel des Energiekonzerts ist eine frühzeitige strategische Bündelung von Beiträgen verschiedener Forschungsfelder für die zukunftsfähige Erzeugung und Nutzung von Energie. Dazu wird eine zukunftsgerichtete, strukturierte Beobachtung der Forschungslandschaft vorgeschlagen. Integrierte Szenarioanalysen und ein »Meta-Roadmapping« sollen helfen, Synergien und Inkonsistenzen zu identifizieren, und auf Chancen durch punktuelle strategische Bündelungen hinweisen. Mögliche Felder für einen solchen Energie-bezogenen »Strategieabgleich« sind:

• Materialwissenschaften/ Nanotechnologie/ Elektromobilität
• Energieeffiziente Produktionstechnik/ Bioproduktion
• Intelligentes Haus/ Photonik

Das Feld kann an die aktuellen Aktivitäten des BMBF zur systemorientierten Forschung für Energieeffizienz anschließen.

Mikro-Energie aus der Umgebung gewinnen

Nutzung von Mikro-Energie aus der Umgebung in autonomen, dezentralen und mobilen Anwendungen und Systemen
Wir benutzen täglich bewusst oder unbewusst eine Vielzahl unterschiedlicher Geräte, die Energie benötigen. Die Geräte selbst werden immer kleiner (Miniaturisierung) und in Systeme integriert, einige - in Form von Implantaten - sogar in den Menschen. Immer mehr dieser Anwendungen sollen autonom ablaufen, dezentral oder mobil sein, ohne Stromnetz und möglichst auch ohne Batterien auskommen. Die Nutzung von Mikro-Energie direkt aus der Umgebung ist daher in vielen Fällen Voraussetzung für neuartige Anwendungen und dezentrale Systeme.
Beispiele hierfür können eine dauerhafte Stromversorgung von Herzschrittmachern sein, die permanente mobile Messung und Übertragung von Körperfunktionen wie Herzfrequenz und Blutdruck, autonome verteilte Sensorsysteme mit Monitoring-Funktionen etc. Die Innovationspotenziale für mobile Geräte, die wenig Energie benötigen, sind noch lange nicht ausgereizt und scheinen eine wesentliche Voraussetzung für Entwicklungen wie das »Internet der Dinge« oder »Ambient Intelligence«.
Die Technologien zur Nutzung entsprechender Energiequellen - wie mechanische Energie aus Schwingungen oder Luftbewegungen, thermische Energie aus Abwärme, Reibungswärme oder Körperwärme, Einstrahlung von Sonnen- oder Kunstlicht, elektromagnetische Energie von Transformatoren oder Energie aus chemischen und biologischen Prozessen - können als »Enabler« für innovative Mikroelektronik-Anwendungen dienen, die sonst überhaupt nicht möglich wären. Wie dies geschehen kann und in welchen Fällen es ökonomisch und ökologisch sinnvoll ist, bleibt zu erforschen. Zudem erfordert die Nutzung derartiger Mikro-Energiequellen entsprechende Anwendungen, die mit den geringen Energiemengen überhaupt arbeiten können. Hier sind also auf beiden Seiten - bei der Energie und bei den Geräten - noch viele Ideen erforderlich: Die Geräte müssen energieeffizienter werden - und die Energie muss in die Geräte »hineinkommen«, in ausreichender Menge, stabil und kostengünstig.

Mehr zum Thema

Bericht

Das vollständige Kapitel aus dem Foresight-Bericht zu diesem Zukunftsfeld können Sie hier herunterladen.

Zusammenfassung der Nutzerbeiträge im Mai/Juni 2010

Von Anfang Mai bis Ende Juni 2010 hatten Nutzer einer eigens eingerichteten Onlineplattform die Gelegenheit, Ihre Gedanken zu diesem Zukunftsfeld neuen Zuschnitts zu veröffentlichen. Als Anregung wurden u.a. folgende Fragen gestellt:

• Wie bewerten Sie die Definition und Abgrenzung des Zukunftsfelds?
• Welche Aspekte halten Sie für besonders wichtig?
• Welche vorhandenen Ansätze und Anknüpfungspunkte sehen Sie?
• Wie ordnet sich das Zukunftsfeld in die vorhandene Forschungs- und Innovationslandschaft ein?
• Wie schätzen Sie die Perspektiven zur Weiterentwicklung und Umsetzung des Zukunftsfelds ein?
• Welchen Handlungsbedarf sehen Sie?

Hierzu gab es die folgenden Beiträge:

Welche Aspekte erscheinen Ihnen als besonders wichtig?

Verfasst von Prof. Dr. Henning Fouckhardt (Technische Universität Kaiserslautern) am Donnerstag, 6 Mai 2010 - 08:50
Ich halte autarke Stromversorgungen für die Mobilität im Alltag tatsächlich für eine Thematik, die in den nächsten Jahren intensiv verfolgt werden sollte. Nicht nur, aber auch aus Umweltschutzgründen gilt es, den immensen Verbrauch von Trockenbatterien (1,5 V; 3 V; 9V u.a.), aber auch von nur bedingt vielfach wiederaufladbaren Akkus für MP3-Spieler, DiscMan, mobile Radios etc. drastisch zu reduzieren. Alle Ansätze, die es erlauben, Vorrichtungen zur Energiegewinnung in die Kleidung zu integrieren - z.B. piezoelektrische Fasern, mit denen bei der Bewegung Spannungen erzeugt werden können (wobei die Energie also aus der Bewegung des Menschen kommt) - erscheinen mir vielversprechend.

Umgekehrt könnte dies auch zu neuen Kleidungsformen führen. Eventuell könnten durch die aufgebaute Spannung auch Peltier-Elemente betrieben werden, mit denen Teile der Kleidung klimatisiert werden könnten.

Ich möchte mich dem ersten...

Verfasst von Dipl. Phys. Svent-Simon Beyertt (Jenoptik Laser GmbH) am Freitag, 7 Mai 2010 - 20:11
Ich möchte mich dem ersten Kommentar anschließen und ein wenig "Feedback" geben. Das Thema Mikroenergie halte auch ich für eines, das in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnen wird. Wenn ich die steigende "Sensorisierung" in meiner Umgebung, sei es im Haushalt oder bei der Arbeit beobachte, sind Netzunabhängige Energieversorgungssystem zukünftig nicht mehr weg zu denken. An vielen Stellen z.B. im Haus, wo im Prinzip ein Stromnetz vorhanden wäre, ist ein späteres Nachrüsten nicht (wirtschaftlich) möglich. Ich denke z.B. an Sensoren für so "profane" Dinge wie automatische Rolläden-Steuerungen etc. Doch auch bei Bauteilen wie einem Diodenlaserstack ist es nicht immer einfach möglich an jedem "Wunschort" einen Sensor samt Kabeln zu platzieren. Hier könnte ich mir speziell Abwärme nutzende Systeme vorstellen die Ihre Messdaten kabellos übertragen.

Ich denke je besser solche Systeme werden umso mehr Anwendungsfelder werden sich auch erschließen. Das aus meiner Sicht recht "abstrakte" Energie-Konzert könnte hier auch für die Mikroenergie eine wichtige Rolle spielen, die Verbindung zwischen potentiellen Anwendungsfeldern und der technischen Entwicklung zu schaffen (zu dirigieren...).

Autarke Stromversorgung