Pictures of the Future      Frühjahr 2008

Pioniere für Umwelttechnologien

Kaum eine Herausforderung wird von der Menschheit mehr neues Denken und Handeln verlangen als der Klimawandel. Wie so oft, gehört auch hier der US-Bundesstaat Kalifornien zu den Vorreitern der neuen Zeit. Ein engmaschiges Netz aus Risikokapitalgebern, Spitzenuniversitäten und einer umweltbewussten Regierung ist an der Westküste der USA gerade dabei, einen Innovationsboom bei klimafreundlichen Technologien auszulösen.

Hybridfahrzeuge, die tagsüber auf dem Werksparkplatz mit Energie aus Sonne und Wind aufgetankt werden; Gebäude, die so energieeffizient sind, dass sie ihren eigenen Strom erzeugen und Überschüsse ins Netz einspeisen; elektronische Komponenten mit einem um 75 % verringerten Strombedarf – all das und noch viel mehr ist weniger Zukunftsmusik, als man zunächst vermuten mag.

Vor dem Hintergrund des Klimawandels rücken innovative, saubere Technologien immer mehr ins Rampenlicht: ob bei Energieerzeugung und -speicherung oder dem geringen Energieverbrauch von Fahrzeugen, Gebäuden und Geräten, ob bei Materialtechnik oder Reinigungsverfahren für Wasser und Luft. Politiker, Firmen, Universitäten und Forschungsinstitute konzentrieren sich so stark auf diese Clean-tech-Lösungen, dass es tatsächlich gelingen könnte, bis zum Jahr 2050 unseren, bislang auf fossilen Energien basierenden, Volkswirtschaften eine neue Grundlage zu geben.

Mittlerweile hat sich dieser Industriezweig zu dem "am schnellsten wachsenden Feld für Risikokapitalgeber" entwickelt, sagt Ira Ehrenpreis, Mitveranstalter des Clean-tech Investor Summit 2008 und Gesellschafter von Technology Partners, einer Risikokapitalgesellschaft im kalifornischen Palo Alto, die eine Investitionssumme von 750 Mio US-$ verwaltet. "In den USA gingen 2007 etwa 2 Mrd. US-$ und damit fast ein Drittel aller Risikokapitalinvestitionen in saubere Technologien", ergänzt Ajit Nazre von Kleiner Perkins Caufield & Byers, einer Risikokapitalgesellschaft im Silicon Valley, zu deren Partnern auch Al Gore gehört. "Dieser potenzielle Markt für Clean-tech übertrifft die traditionellen IT-Märkte bei weitem – wir reden hier von Billionen Dollar. Dazu gehört beispielsweise auch der Kraftstoff- und Verkehrssektor, der allein in den USA rund 2,2 Billionen $ umfasst."

Doch Clean-tech ist weit mehr als ein kurzer Goldrausch wie der Dot-com-Boom der New Economy. Ein Scheitern hätte schwerwiegende Folgen, und die Konsequenzen einer drastischen Klimaerwärmung will wohl niemand seinen Nachkommen hinterlassen. "Deshalb müssen wir unbedingt neue, kohlenstoffneutrale Energiequellen erschließen", mahnt Dr. Steven Chu, Physik-Nobelpreisträger und Direktor des Lawrence Berkeley National Laboratory an der University of California in Berkeley (siehe Interview). "Wenn etwa die in den Permafrostböden der sibirischen Tundra und in Kanada eingeschlossenen Mengen an CO₂ und Methan freigesetzt würden, hätte das gravierende Folgen für die gesamte Welt", warnt er.

Der Staat Kalifornien ist fest entschlossen, einer solchen Entwicklung gegenzusteuern – durch gemeinsame Bemühungen der Regierung, der Universitäten und vieler Start-ups. So beschloss der US-Bundesstaat, die Treibhausgas-Emissionen, ähnlich wie die EU, bis 2020 um 20 % gegenüber dem Stand von 1990 zu senken. Daraufhin schlug die Public Utility Commission (PUC) die Gründung des California Institute for Climate Solutions (CICS) vor – was die Kunden der Versorgungsunternehmen monatlich ein paar Cent mehr kosten würde. Das CICS könnte dann die zentrale Schaltstelle aller kalifornischen Universitäten bilden und einen Plan zur Senkung der CO₂-Emissionen entwickeln. Mit einem geplanten Budget von über 600 Mio $ pro Jahr würde die Organisation Zuschüsse an Unternehmen vergeben, die entsprechende Lösungen erarbeiten.

Roadmap zur CO₂-Senkung. "Das wäre ähnlich der Roadmap für die Halbleiterindustrie in den 1970er-Jahren", erläutert Shankar Sastry, Leiter des College of Engineering an der UC Berkeley und leitender Wissenschaftler des CICS. "Diese Silizium-Roadmap führte dazu, dass das Moore’sche Gesetz mit all den Leistungssteigerungen der Mikrochips Wirklichkeit wurde – denn eine ganze Branche widmete ihre Anstrengungen einem gemeinsamen Ziel. Wir hoffen, in Bezug auf die Senkung der CO₂-Emissionen ähnliche Ergebnisse zu erreichen." Sastry erwartet, dass das CICS bei der Gründung neuer Firmen und der Entwicklung neuer Technologien hilft. "Die Idee, Risikokapital und große Industriefirmen zusammenzubringen, um in viel versprechende Start-ups zu investieren, ist typisch für unsere Silicon-Valley-Kultur."

Ganz oben auf Sastrys CICS-Aufgabenliste steht die Verbesserung der Gebäudeeffizienz. Dafür arbeiten er und andere Kollegen gemeinsam mit Steven Chu und dem U.S. National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, an der Entwicklung intelligenter Gebäudetechnologien. "Um die CO₂-Emissionen zu senken, ist die Erhöhung der Energieeffizienz von Gebäuden der leichteste Weg", sagt Chu. "40 % des Energieverbrauchs der USA entfallen auf Gebäude. Neue Technologien können diesen Wert um die Hälfte reduzieren. Wichtige Hebel dafür sind beispielsweise die Beleuchtung und die Bürotechnik."

Energie-Recycling. Nur wenige Minuten von Chus Büro entfernt arbeiten Dr. Alexander Ishii und Prof. Marios Papaefthymiou an solchen Technologien (Bilder links oben und Mitte). Mit finanzieller Unterstützung des Technology-to-Business Centers (TTB) von Siemens in Berkeley haben sie Cyclos Semiconductor gegründet. In diesem Start-up sollen neuartige Chips aus Papaefthymious Forschungslabor an der University of Michigan zum Einsatz kommen. Die neue Technologie kann für viele Geräte genutzt werden, von Handys bis zu Servern. Sie kann den Stromverbrauch und die Wärmeentwicklung in Prozessoren um 30 bis 75 % senken. Kern der Lösung ist die Rückgewinnung von Strom aus dem Takt- und Logikschaltkreis des Prozessors. "Unser Energie-Recycling ist auf jedes Chipdesign anwendbar. Damit können Chips wie Hybridautos funktionieren, in denen die Batterie beim Bremsen wieder aufgeladen wird", sagt Ishii. "Derzeit gibt es am Markt nichts Vergleichbares. Unsere patentierte Technologie ist praktisch marktreif und wir arbeiten derzeit mit Siemens an den ersten Einsatzmöglichkeiten."

Seine Lösung ist ein schleifenartig gewundener "Docht", über den mithilfe von Kapillareffekten die Wärme von den heißen Stellen an Prozessoren und Grafikkarten abgeleitet wird. Im Unterschied zu bisherigen Wärmeleitern, die einen runden Querschnitt haben und aus Kupfer oder Nickeloxid bestehen, ist die von Shuja entwickelte Konstruktion flach. Sie besteht aus Silizium und könnte damit auch als Prozessorhülle dienen. Mit Hilfe seines patentierten chemischen Ätzverfahrens können Millionen gleichförmiger, dicht gepackter Poren pro Quadratzentimeter hergestellt werden. Dadurch lässt sich die Wärme so effektiv kanalisieren und abführen, dass eine Verkleinerung der Lüfter und damit eine Senkung des Stromverbrauchs und der Geräuschentwicklung möglich wird. "Alles in allem", sagt Shuja, "könnte diese neue Technologie die Energieeffizienz der Rechenzentren erhöhen und den Weg zu höherer Rechenleistung bei gleichem Volumen ebnen."

Klimafreundliches Umfeld. Auch Kalifornien selbst arbeitet engagiert an Lösungen zur Senkung der CO₂-Emissionen. "Unsere Grenzwerte für Kfz-Emissionen sowie unsere Geräte- und Gebäudestandards sind strenger als in anderen US-Bundesstaaten", sagt Jackalyne Pfannenstiel, Leiterin des kalifornischen Energieausschusses (CEC) im Interview mit Pictures of the Future. "Hinzu kommen weitere Erlasse, etwa zur Begrenzung von Treibhausgas-Emissionen durch die Industrie, zu kohlenstoffarmen Brennstoffen, zu grünen Gebäuden oder zur Bioenergie."

Dieses Umfeld hat die Gründung von Organisationen wie dem Center for Information Technology Research in the Interest of Society (CITRIS) unterstützt – einer Public-Private-Partnership mit Hauptsitz auf dem Campus der Universität in Berkeley, aus der bereits mehr als 500 Firmen hervorgegangen sind. Das Center bündelt die Anstrengungen Tausender Studenten an über 300 Fakultäten sowie von Forschern aus mehr als 60 Firmen, darunter auch Siemens, das den Status eines assoziierten Mitglieds hat.

Aufbauend auf eigenen Forschungsarbeiten zur Entwicklung von Mikrosensoren, intelligenten Materialien und modernen Steuerungen hat CITRIS eine ambitionierte Partnerschaft mit der PUC und dem CEC vereinbart, um die Spitzen der Energienachfrage zu eliminieren. "Wir planen den Austausch von Stromzählern und Thermostaten in elf Millionen kalifornischen Haushalten gegen drahtlose Modelle. Diese Einheiten erhalten in Echtzeit Informationen über den aktuellen Energiepreis – gestaffelt von Gemeinde zu Gemeinde und ergänzt mit Wetterinformationen", sagt Prof. Paul K. Wright von der Fakultät für Maschinenbau und Direktor von CITRIS.

Die CITRIS-Forscher wollen zudem große elektrische Hausgeräte mit drahtlosen Mikrosensoren ausrüsten. Die im CITRIS entwickelten Sensoren gewinnen ihre Energie aus Vibrationen in der Umgebung. Sie sind mit Leuchtdioden ausgestattet und melden sofort, wenn der Strompreis gerade hoch ist. Weitere derzeit im Test befindliche Sensoren erkennen aufgrund der Luftbewegung und -feuchtigkeit die Anwesenheit von Personen und passen daraufhin die Beleuchtung und Klimaanlage entsprechend an. Durch Lernalgorithmen werden diese Sensoren weiter optimiert. "Unsere Technik soll die Verbraucher für ihre aktuellen Energiekosten sensibilisieren und den Energieverbrauch der Privathaushalte optimieren", sagt Wright. "Allein durch die Einführung dieser Technologie könnte Kalifornien im nächsten Jahrzehnt auf den Bau von bis zu zehn neuen Kraftwerken verzichten."

Steckdosen-Mobil. So wie das CITRIS eine Vision für die Reduzierung des privaten Stromverbrauchs entworfen hat, hat Prof. Andrew Frank, Direktor des Forschungszentrums für elektrische Hybrid-Fahrzeuge an der University of California in Davis, eine Vision für den Verkehr von morgen entwickelt: das Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) – ein Art Hybridauto mit Verlängerungskabel. PHEV fahren mit Lithium-Ionen-Akkus, die etwa 10 kWh Strom speichern können. Anders als heutige Hybridfahrzeuge mit Benzin- und Elektromotor, die im Prinzip nur die Reichweite pro Tankfüllung erhöhen, können PHEV im reinen Elektroantrieb 60 km zurücklegen – in den USA die durchschnittliche tägliche Fahrstrecke. Eine größere Fahrleistung würde den Einsatz von Benzin oder Biosprit, etwa Zellulose-Äthanol, erfordern.

Das Bestechende an Andrew Franks Vorschlag ist seine Einfachheit. "Hier in Kalifornien kostet 1 kWh Elektrizität 0,1 US-$. Das reicht aus, um einen durchschnittlichen amerikanischen Pkw mit PHEV-Antrieb 6 km weit fahren zu lassen", erläutert er. "Sie erhalten also für 1 $ 10 kWh, das reicht für bis zu 60 km. Mit einem Benzin-Auto benötigen Sie für dieselbe Strecke 7,5 l, die Sie 7 US-$ kosten." Frank prognostiziert, dass "die Preisdifferenz zwischen Benzin, Diesel und Strom im Laufe der Zeit immer größer wird und bald auf über 10 : 1 ansteigen wird".

Viele Probleme könnten mit PHEV gelöst werden. "Bei einem Marktanteil von nur 20 % würden sie eine gleichmäßigere Auslastung der Kraftwerke, eine größere Effizienz der Infrastruktur zur Energieerzeugung und damit eine Senkung der Energiekosten ermöglichen", erläutert Frank. Wären alle in den USA zugelassenen Pkw PHEV, könnten laut der im Januar 2007 veröffentlichten Studie des Pacific National Laboratory mehr als drei Viertel von ihnen bei nächtlicher Aufladung durch die derzeit in den USA betriebenen Kraftwerke versorgt werden – ohne dass ein einziges zusätzliches Kraftwerk gebaut werden müsste.

PHEV machen ihre Nutzer zudem unabhängiger von Energieversorgern. "Mit weniger als 10 m² heutiger Solarzellen könnte man in acht Stunden eine Tankfüllung Strom produzieren", sagt Frank. Diese Perspektive ist auch für viele umweltbewusste Unternehmen interessant, die ihre Flottenkosten senken möchten. Plug-in-Autos könnten auch als Speicher für die großen, aber nicht gut vorhersagbaren, Energiemengen dienen, die durch Sonne und Wind gewonnen werden. In einer vollständig vernetzten Infrastruktur könnten PHEV mit bidirektionalen Strommessern ausgestattet werden – so könnte der Nutzer mit seinem Auto Energie aus erneuerbaren Quellen kaufen und speichern und sie in Spitzenbedarfszeiten gegen eine Gutschrift in sein lokales Netz einspeisen.

Frank studierte Maschinenbau und Luftfahrtechnik. Er besitzt 27 Patente und hat etliche weitere eingereicht. Außerdem ist er Mitbegründer und CTO der Efficient Drivetrains Inc. – ein im Silicon Valley ansässiges Start-up, das besonders Entwicklungsländer für PHEV begeistern möchte. Dort könnten Hybrid-Fahrzeuge nicht nur die Schadstoff- und Lärmemissionen senken, sondern auch die Mobilität trotz ständig steigender Ölpreise sichern.

Der Risikoinvestor Ajit Nazre von Kleiner Perkins kann dem nur zustimmen: "PHEV würden den Entwicklungsländern große Möglichkeiten bieten. Richtig lohnen würde es sich, wenn man die PHEV-Technologie mit modernen Solaranlagen kombinieren würde." Und er ergänzt: "Klar arbeiten wir, um Geld zu verdienen, doch das Wichtigste ist, zugleich Gutes für unseren Planeten zu tun."
                                                                                                           Arthur F. Pease