Technologische Durchbrüche: Wie sie die Energiewelt grundlegend verändern können

Welche aufkommenden Technologien verfügen über das Potenzial, die Versorgung mit und die Nutzung von Energie grundlegend zu verändern? Wie werden sich diese Technologien möglicherweise auf BP und die Energieindustrie insgesamt auswirken?

Zwar kann niemand in die Zukunft blicken. Unbestritten ist jedoch, dass unser Leben im Jahr 2050 grundlegend anders aussehen wird. Und zwar unabhängig davon, ob es sich dabei um die Bereiche Mobilität, das Gesundheitswesens, die Kommunikation oder den Energiemix handelt.

Aufkommende Technologien bringen - unabhängig von der jeweiligen Branche - immer gleichzeitig Chancen und Risiken mit sich. Das gilt natürlich auch für die Energiebranche. Auch wenn radikale Umbrüche in der Energieindustrie relativ selten sind, so können sich durchaus prägende Veränderungen einstellen.

Die Geschichte zeigt, dass in der Unternehmenswelt letztendlich diejenigen Unternehmen scheitern, die es nicht schaffen, neue Technologien zu antizipieren. Andererseits sind Unternehmen, die fortschrittliche Technologien einsetzen, oftmals auch diejenigen, die am wettbewerbsfähigsten und erfolgreichsten sind.

Es stellt sich also die Frage, welche Trends und Veränderungen in Zukunft auf den Energiesektor zukommen. Im Folgenden werden acht technologische Entwicklungen vorgestellt, die ein solches Potenzial haben.

1. Quantensprung: Rechenleistungen jenseits des Silizium-Chips

Warum?

Im Gegensatz zu anderen aufkommenden Technologien, bei denen Fortschritte mit geringerer Wahrscheinlichkeit vorherzusagen sind, wird sich die Geschwindigkeit in der Datenverarbeitung wohl so rasant wie bisher fortsetzen. Schon 1970 sagte das Mooresche Gesetz (Moore’s Law) voraus, dass sich die Rechenleistung von Computern ungefähr alle zwei Jahre verdoppeln würde. Diese Entwicklung hat sich im Wesentlichen bewahrheitet. Selbst wenn sich dieser Prozess verlangsamt: Neue Anwendungen besitzen ein enormes Digitalisierungspotenzial, das zu weitreichenden Veränderungen vieler Lebensbereiche führt.

Der nächste Entwicklungssprung in der Computertechnik wird wahrscheinlich die Quantenmechanik sein. Das ist die Wissenschaft, die sich mit der Struktur und Funktion von Atomen beschäftigt. In der Quantenrechnung wird die Einheit Qubit bzw. Quantumbit verwendet, die eine unendliche Zahl von Werten speichern kann.

Heute

Exponentielle Verbesserungen in der Rechenleistung und Geschwindigkeit von Computern bei gleichzeitig sinkenden Kosten haben bereits heute signifikante Auswirkungen auf die Energiebranche und darüber hinaus. Bereits heutzutage werden komplizierte Algorithmen genutzt, um Daten zu verarbeiten, zu modellieren und zu analysieren. Dazu sind bereits jetzt riesige Rechenleistungen erforderlich. BP hat zu diesem Zweck vor zwei Jahren in Houston ein Hochleistungs-Rechenzentrum eröffnet und betreibt dort einen der leistungsfähigsten kommerzielle Forschungscomputer der Welt. Der Supercomputer verfügt über einen Arbeitsspeicher von 1.000 Terabyte und einer Gesamtspeicherkapazität von 23,5 Petabyte. Dies entspricht einer Rechenleistung von rund 40.000 Notebooks. Dieses Rechenzentrum ist ein global agierendes Labor für die Verarbeitung und das Management riesiger Mengen geophysischer Daten, die BP Wissenschaftlern einen deutlich detaillierteren Einblick in geologische Strukturen ermöglichen.

Morgen

Quantentechnologien besitzen das Potential, riesige Datenmengen deutlich schneller zu verarbeiten als mit den heutigen Silizium-Chips. Sie verwenden dabei Elektronen oder polarisiertes Licht, um viele Rechenoperationen gleichzeitig miteinander verbinden zu können. Auch wenn sich diese Verfahren derzeit noch in einem Frühstadium ihrer Entwicklung befinden, geht man davon aus, dass sie über ein signifikantes Entwicklungspotenzial verfügen.

2. Mit Zahlen jonglieren: Datenanalytik

Warum?

Das weltweite Datenvolumen vergrößert sich mit bespielloser Geschwindigkeit. Das gilt ebenso für das Vokabular: Während wir früher von Megabyte gesprochen haben, so sind wir heute bereits bei Yottabyte angekommen. Zum Vergleich: Es würde ca. 11 Billionen Jahre dauern, eine Datei der Größe Yottabyte über eine schnelle Breitbandverbindung aus dem Internet herunterzuladen. Das ist also die Art von Datenaufkommen, mit der wir es in Zukunft wohl zu tun haben werden.

Daten sind allerdings nur dann nützlich, wenn sie sinnvoll verwendet werden. Die mathematische Aufbereitung von Daten, auch Datenanalytik genannt, hilft Unternehmen dabei, Geschäftsentscheidungen angesichts oft unüberschaubar großer Datenmengen schneller, besser und zielgerichteter treffen zu können.

Heute?

In der Öl- und Gasindustrie hat der vermehrte Einsatz von Sensoren, gekoppelt mit Echtzeitdatenerfassung, zu einem exponentiellen Wachstum von Datenvolumina geführt. So verwendet BP z.B. „Big Data“-Technologien zur Analyse riesiger Mengen geophysischer Daten. In einem Projekt in der Nordsee wurden die Daten aus 5.000 Bohrlöchern innerhalb nur weniger Sekunden analysiert. Im Vergleich dazu würde ein Geologe normalerweise einen ganzen Monat aufwenden müssen, um einen Datensatz für lediglich 100 Bohrlöcher zu analysieren.

Morgen?

Eine deutlich schnellere Verarbeitung riesiger Datenmengen würde der Öl- und Gasindustrie eine Vielzahl neuer Möglichkeiten eröffnen. Für BP und die Branche könnten sich dadurch Bohrungen zum Erschließen von Öl und Gasvorkommen revolutionär verändern. Ebenso könnte die Förderung optimiert und die Qualität der Arbeitsabläufe insgesamt verbessert und sicherer gestaltet werden. Kurz gesagt, die Zukunft liegt darin, riesige Datenmengen zu erfassen, über ihre Auswertung wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen und auf diese Weise die gesamten Geschäftsaktivitäten zu optimieren. Diese Methodik wird heute als „Industrial internet of things” bezeichnet, also die Digitalisierung in Verarbeitungs- und Produktionsprozessen. In der Öl- und Gasindustrie bedeutet das die immer höhere Integration komplexer Anlagen und vernetzter Sensoren mit einer speziellen Software.

3. Aufgeladen: effizientere Batterien für Kraftfahrzeuge

Warum?

Fahrzeughersteller sehen sich heutzutage immer größeren Erwartungen und Anforderungen an ihre Fahrzeuge gegenüber. Die Kunden erwarten einen niedrigeren Schadstoffausstoß, gleichzeitig aber auch einen niedrigeren Treibstoffverbrauch. Verbesserungen in der Batterietechnologie könnten die Antwort auf beide Herausforderungen liefern.

Heute?

Entwicklungen in der Batterietechnologie für den Einsatz im Straßenverkehr schreiten voran. Insbesondere in Hinblick auf Zuverlässigkeit, Kosten, Sicherheit und verbesserte Reichweite. Diese Entwicklungen wirken sich gleichzeitig auf die prognostizierten Produktionszahlen von Elektrofahrzeugen aus, da Verbesserungen in der Batterietechnologie die Wettbewerbsfähigkeit von Elektrofahrzeugen gegenüber Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor erhöht. Dennoch sind der Technologie gerade in Bezug auf die Reichweite und Langlebigkeit Grenzen gesetzt.

Morgen?

Es wird erwartet, dass die nächste Generation von Batterien, wie z.B. wieder aufladbare Lithium-Schwefel-Akkumulatoren, die Energiekapazität bis zum Jahr 2025 um den Faktor drei erhöhen wird. Damit werden ein geringeres Fahrzeuggewicht und geringere Kosten einhergehen. Die stetige technologische Weiterentwicklung zu mehr Kraftstoffeffizienz und niedrigerem Schadstoffausstoß wird durch Regulierungsdruck gefördert.

Spürbare Verbesserungen in der Batterietechnologie dürften dazu führen, dass sich die Zahl von Hybrid- und Elektrofahrzeugen erhöht. Das wird sich auch auf die zukünftige Nachfrage nach Treibstoffen für den Straßenverkehr auswirken. Von BP erstellte Modellrechnungen sagen vorher, dass der kombinierte Absatz von Hybrid- und Elektrofahrzeugen bzw. batteriegetriebenen Fahrzeugen bis 2023-2024 einen Anteil von 10 Prozent am weltweiten Fahrzeugabsatz betragen könnte. Darüber hinaus besagen die Prognosen, dass die Kosten für die Nutzung eines Elektrofahrzeugs mit Batteriebetrieb pro Kilometer von 26,2 US-Cent im Jahr 2012 auf 14,3 US-Cent im Jahr 2050 zurückgehen werden.

4. I, Robot: Automatisierung mittels Robotertechnik

Warum?

Viele Bereiche unseres täglichen Lebens werden durch eine höhere Automatisierung bestimmt und dieser Trend dürfte sich fortsetzen. Insbesondere in der Energiebranche können bereits jetzt Roboter dazu eingesetzt werden, um Inspektionen an schwer zugänglichen Anlagen durchzuführen. In der Öl- und Gasbranche sind das zum Beispiel Offshore-Förderleitungen, aber auch die Überwachungen von Pipelines, wie es BP in den USA mit Drohnen macht. 

Automatisierungsprozesse werden immer mehr Bestandteil unseres täglichen Lebens werden. Autonomes Fahren bei Kraftfahrzeuge ist hier nur ein Beispiel. Dies könnte zu bisher nicht für möglich gehaltenen Veränderungen im Straßenverkehr führen und massive Auswirkungen vor allem auf den Energieverbrauch und die Informationstechnologie nach sich ziehen.

Heute?

Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Bereich Automatisierung haben in den letzten Jahren erheblich an Dynamik gewonnen. Technologieunternehmen wie Google und Fahrzeughersteller wie Mercedes stehen an der Spitze dieser Entwicklung. Was selbstfahrende Autos anbetrifft, haben Prototypen von Google mittlerweile mehr als 1 Mio. Kilometer rund um die Städte Mountain View in Kalifornien und Austin in Texas zurückgelegt. Andernorts kommen immer mehr teil-autonome Fahrzeuge auf den Markt. Viele moderne Kraftfahrzeuge greifen für spezifische Anwendungen bereits auf automatisierte Prozesse zurück.

Morgen?

Auch wenn ein hoher Automatisierungsgrad nicht in unmittelbarer Zukunft zu erwarten ist, die Technologie schreitet voran. Die Fahrzeughersteller haben große Pläne: Zumindest ein Fahrzeughersteller hat mitgeteilt, dass er bis 2025 ein vollständig  autonomes Fahrzeug auf den Markt bringen wird. Fachleute sagen voraus, dass in den darauffolgenden 10 Jahren ein hoher Anteil der Neufahrzeuge zumindest mit teil-autonomen Funktionen ausgestattet sein wird. 

Präzise Vorhersagen sind jedoch schwer zu treffen. Zu viele offene Fragen sind noch zu klären, wie zum Beispiel der Aufbau einer durchgehenden Infrastruktur. Für die Energieindustrie ist die Frage interessant, wie sich die Einführung dieser Technologie auf die Kraftstoffnachfrage oder die Zusammensetzung des Energiemixes in der Zukunft auswirken wird. Ein steigender Automatisierungsgrad dürfte unterschiedliche Folgen auf Transport- bzw. Fahrtkosten, Verkehrsaufkommen, verschiedene Nutzungsmodelle für Fahrzeuge und auch die Anzahl der durchschnittlich gefahrenen Kilometer nach sich ziehen. All das hat das Potenzial, das Bild unseres Straßenverkehrs entscheidend zu verändern. 

5. Netzunabhängig: Brennstoffzellen

Warum?

Die Funktion von Brennstoffzellen, Wasserstoff als Energieträger zu nutzen, geht Hand in Hand mit Fortschritten bei der Wasserstoffinfrastruktur und -speicherung (siehe Punkt 6). Verglichen mit Verbrennungsmethoden ist die Stromerzeugung mit Brennstoffzellen effizienter und verursacht weniger Schadstoffemissionen. Voraussetzung ist jedoch, dass Wasserstoff aus kohlenstoffarmen Energieträgern hergestellt wird. Mit Brennstoffzellen betriebene Fahrzeuge verfügen über eine potenzielle Reichweite von bis zu 500 Kilometern.

Heute?

Die Weiterentwicklung dieser Technologie hat sich bisher im Wesentlichen auf ortsfeste Einsatzmöglichkeiten konzentriert und sich nur eingeschränkt mit Anwendungen für den Straßenverkehr beschäftigt. Der Einsatz stationärer Brennstoffzellen könnte demnächst eine wettbewerbsfähige Alternative zu batteriebetrieben Systemen bieten, u.a. in der Telekommunikation, für Back-up-Systeme und Hilfsaggregate zur Stromversorgung, sogenannter APUs (Auxiliary Power Unit). 

Die Entwicklung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen erfreut sich unter den Fahrzeugherstellern immer größerer Popularität, da diese Autos über eine akzeptable Reichweite und wettbewerbsfähige Verbrauchswerte verfügen. Verglichen mit konventionellen Fahrzeugen ist diese Technologie allerdings weiterhin sehr teuer – derzeit liegen die Kosten ca. vier Mal so hoch.

Morgen?

Ungeachtet der bisher erzielten Fortschritte sieht sich die Entwicklung dieser Technologie – und der für die Versorgung mit Wasserstoff benötigten Infrastruktur – verschiedenen Herausforderungen gegenüber. Das ist unter anderem die Frage, wie sich ausreichende Mengen an Wasserstoff herstellen lassen – und zwar nicht nur kostengünstig, sondern auch aus emissionsarm. Darüber hinaus ist die Frage zu klären, wie der leicht brennbare Wasserstoff sicher in Fahrzeugen transportiert und wie eine effiziente und kosteneffektive Betankungsinfrastruktur aufgebaut werden kann. Sobald sich Lösungen für diese Herausforderungen finden lassen, verfügen Brennstoffzellen über das Potential, den im Straßenverkehr benötigten Energiemix grundlegend zu verändern.

6. Das erste Element: Wasserstoffinfrastruktur und –speicherung

Warum?

Wasserstoff kann für eine Vielzahl von Anwendungen als emissionsarmer und erneuerbarer Hoch-Energieträger eingesetzt werden. Zu diesen Anwendungen zählen u.a. eine effiziente Energiespeicherung oder der emissionsfreie Einsatz im Straßenverkehr (z.B. über Brennstoffzellen) als Alternative zu Kohlenwasserstoffen.

Heute?

Wasserstoff wir industriemäßig für die Produktion von Ammoniak für die Düngemittelindustrie hergestellt und kommt auch in der Verarbeitung von Rohöl zu Raffinerieprodukten zum Einsatz. Die derzeit angewandte Technologie zur Herstellung von Wasserstoff setzt Erdgas als Rohstoff ein – alternative Produktionsmethoden, die emissionsarme Energiequellen wie Solar- oder Windenergie nutzen, befinden sich aktuell in unterschiedlichen Entwicklungsstadien. BP wirbt beispielsweise in Deutschland mit anderen Unternehmen dafür, sogenannten „grünen Wasserstoff“, der in mit Windstrom betriebenen Elektrolyse-Anlagen produziert wird, gleich der Beimischung eines Biokraftstoffes auf die Biokraftstoff-Treibhausgasquote anzurechnen. Das wäre eine konkrete Anwendung des sogenannten Power to Gas-Konzepts. Bislang fehlen dafür die rechtlichen Voraussetzungen in der EU und in Deutschland.

Heutzutage beruht die Speicherung von Wasserstoff auf den Schritten Verdichtung und Verflüssigung, wobei er industriemäßig in Salzkavernen bzw. Aquiferen gespeichert wird, was eine hohen Energieeinsatz erforderlich macht, der auf absehbare Zeit nicht zu umgehen ist. 

Morgen?

Die Entwicklung wirtschaftlich tragbarer und emissionsarmer Wasserstoffquellen ist mit vielen technischen Herausforderungen verbunden. Bevor der Einsatz von Wasserstoff im Straßenverkehr eine signifikante Rolle spielen kann, ist die Frage nach geeigneten Speichermethoden zu lösen. Wenn die erforderlichen Fortschritte in Hinsicht auf die Produktion und Infrastruktur für Wasserstoff erzielt werden können, könnten Wasserstofftechnologien durchaus zu weitreichenden Veränderungen in der Zusammensetzung des in der Stromerzeugung und im Straßenverkehr eingesetzten Energiemixes führen.

7. Reich der Sonne: Die nächste Generation der Solartechnologie

Warum?

Die Internationale Energieagentur prognostiziert, dass Photovoltaik bzw. Solartechnologie bis zum Jahr 2050 einen Anteil von bis zu 16 Prozent an der weltweiten Stromerzeugung haben könnte. Die Agentur sagt ebenfalls voraus, dass darüber hinaus über thermische Solaranlagen weitere 11 Prozent generiert werden können. Kurz gesagt – die Photovoltaik bleibt eine vielversprechende Technologie.

Heute?

In den zurückliegenden sechs Jahren sind die Kosten für Solarmodule um ca. 80 Prozent gesunken. Es handelt sich hierbei dennoch weiterhin um sehr kapitalintensive Technologien, bei denen man mit dem Großteil der Investitionen in Vorlage gehen muss. Daten des BP Technology Outlook belegen, dass im Jahr 2012 solare Großkraftwerke die teuerste Form der Stromerzeugung in Nord-Amerika darstellten. Dies ergab eine vergleichende Untersuchung mit sieben anderen Erzeugungsarten, u.a. Onshore-Windanlagen sowie Kern- und Kohlekraftwerken.

Morgen?

Derzeit werden Solarzellen hauptsächlich auf Silizium-Basis hergestellt. Jedoch macht die Entwicklung von Solarzellen aus Perowskit, einem Verbundmaterial mit in großen Mengen verfügbaren Mineralien, gute Fortschritte. In Kombination mit Konstruktionsverbesserungen, dank derer ein höherer Anteil an Licht als bei heutigen Solarzellen umgewandelt wird, versprechen diese Technologien verbesserte Effizienzwerte, niedrigere Kosten und flexiblere Einsatzmöglichkeiten. 

Die in diesem Bereich erzielten Fortschritte können sich auf die in der Stromerzeugung eingesetzte Menge an Erdgas auswirken und gleichzeitig die Elektrifizierung von Fahrzeugen beschleunigen.

8. Angriff der Klonkrieger: Drucken in 3D

Warum?

In dem relativ kurzen Zeitraum, in dem es 3D-Druck erst gibt, hat uns diese Technologie bereits eine große Zahl neuer Möglichkeiten eröffnet. Sei es für Paläontologen, die damit Repliken von Dinosaurierknochen herstellen konnten oder für Hobby-Designer, die ihre eigene Kreation von Plastikschuhen produziert haben. Für den industriellen Einsatz verdeutlicht die Aussicht auf die kostengünstige Herstellung maßgeschneiderter Teile mittels 3D-Druck das große Potential dieser Technologie.

Heute?

Bisher ist diese Technologie größtenteils nur in der Herstellung von Prototypen angewandt worden. Die Produktion komplexer, kundenspezifischer Teile in kleinen Serien für den Einsatz z.B. in der Luft- und Raumfahrt, läuft langsam an.

Morgen?

Wie viele andere Branchen auch, sieht die Öl- und Gasindustrie ein großes Anwendungsspektrum für diese Technologie, insbesondere in der kurzfristig abrufbaren Herstellung von Teilen aus einem spezifischen Material. So könnten auf Offshore-Anlagen verfügbare 3D-Drucker z.B. zur Herstellung komplexer Komponenten an schwer zugänglichen Orten eingesetzt werden – ein Beispiel für eine Anwendung, die nicht nur zeitsparend, sondern auch sehr effizient ist. Die Einsatzhäufigkeit von 3D-Druckern wird sich ohne Zweifel in den kommenden 10 Jahren erhöhen, da sich dank neuer Materialien und Ausrüstungen zunehmend mehr Anwendungsmöglichkeiten ergeben.

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