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Erneuerbare Energien

Renewable energy

Die Innovation in den Bereichen erneuerbare Energien und Entkarbonisierung hat sich explosionsartig entwickelt, die Patentierungsaktivität im Europäischen Patentamt bei kohlenstoffarmen Energietechnologien hat diejenige bei fossilen Kraftstoffen um das Jahr 2000 herum überholt.

Zu den erneuerbaren Energien zählen Solarenergie und Windkraft sowie Meeres-, Wasser- und geothermische Energie. Zu den alternativen Brennstoffen gehören Biokraftstoffe und Kraftstoffe aus Abfällen, Kernenergie und effizientere Verbrennungstechnologien.

Zwei Bereiche mit anhaltend schnellem Wachstum sind Offshore-Windkraft und intelligente Solarsysteme.

Die potenziellen neuen Standorte für Offshore-Windturbinen sind nahezu unbegrenzt, hinzu kommen sowohl konstante als auch höhere Windgeschwindigkeiten. Sie ermöglichen eine Energieerzeugung in großem Maßstab.

Intelligente Solarsysteme helfen dabei, sowohl große industrielle als auch kleine lokale Systeme zu optimieren. Außerdem ermöglichen sie eine bessere Integration in eine Vielzahl von Elektrofahrzeugen, Haushaltsgeräten und Wärmepumpen für energieeffiziente Häuser und Wohnungen. 

 
Hinweis:

Bei den nachstehenden Smart searches, die besonders viele Treffer liefern, können Sie sich entweder nur die neuesten Treffer oder die vollständige Trefferliste anzeigen lassen. Erfahren Sie mehr über die Filterfunktion in Espacenet, die dies ermöglicht. Ein Online-Kurs des EPA zu Espacenet erläutert Nutzen und Potenzial des Tools. 

 

Offshore-Windkraft

Fundamente und Befestigungen 

Die Stabilisierung von Offshore-Windturbinen stellt eine große Herausforderung dar. Es wurden verschiedene Strukturen für unterschiedliche Wassertiefen sowie unterschiedliche Meeresboden- und Gesteinsstrukturen entwickelt. Weitere wichtige Aspekte sind ein unkomplizierter Transport der Komponenten und eine einfache Errichtung vor Ort und anfängliche Stabilisierung.

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Schwimmende Strukturen

Während feste Strukturen die erste Wahl für küstennahe Windturbinen sind, können schwimmende Strukturen potenziell eine Offshore-Erzeugung in wesentlich tieferen Gewässern ermöglichen, wodurch große Bereiche der Ozeane zu möglichen Standorten würden. Die Stabilisierung, Verankerung und Wartung solcher Strukturen stellen eine bedeutende Herausforderung dar.

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Mechanische Kraftübertragung

Die mechanische Kraft der Rotorenblätter ist extrem drehmomentstark, aber langsam. Bei einer Bauart erfolgt über Getriebe eine Umwandlung in höhere Rotationsgeschwindigkeiten, um konventionelle Stromgeneratoren anzutreiben. Alternativ werden bei „Direct-Drive"-Technologien wesentlich größere Generatoren eingesetzt, die direkt von dem langsamdrehenden Rotor angetrieben werden, wodurch mechanische Verluste beseitigt werden und die Wartung reduziert wird.

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Energiespeicherung: Wasserstoff

Windturbinen erzeugen elektrischen Strom für die direkte Nutzung oder für die Einspeisung in ein lokales oder nationales Netz. Jedoch ist durch das Erfordernis, Energiesysteme zwischen der Stromerzeugung aus wetterabhängigen erneuerbaren Energien und der Endnutzernachfrage auszubalancieren, ein dringender Bedarf für dauerhaftere und besser transportierbare Formen der Energiespeicherung wie etwa Wasserstofftechnologien entstanden.

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Kombinierte Systeme (mit Solarenergie oder Wasserkraft)

Die komplexen und teuren Strukturen, die für die Offshore-Stromerzeugung aus Windkraft benötigt werden, können durch eine Kombination von Windkraft- und Solarenergiesystemen oder sogar Wasserkraftsystemen optimiert werden, je nach den individuellen Anforderungen vor Ort. 

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Turmstrukturen

Offshore-Turmstrukturen können sich erheblich von denen an Land unterscheiden. Grund hierfür sind die schwierigeren klimatischen Bedingungen, die speziellen Anforderungen der Offshore-Wartung sowie das Erfordernis, diese Strukturen mit den Unterwasser-Unterbauten zu verbinden und Korrosion zu vermeiden. Immer höhere Türme von bis zu 300 m und darüber hinaus erfordern andere Technologien.

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Rotorblätter 

Die Bauweise und Form von Rotorblättern sind wichtige Faktoren, die sich auf die Leistung von Windturbinen auswirken. Die höheren Windgeschwindigkeiten, längeren Rotorblätter von mehr als 100 m und die stark korrosive Offshore-Umgebung können andersartige Rotorblattkonstruktionen erforderlich machen. Die Materialien von Rotorblättern, wie etwa thermoplastische Verbundwerkstoffe, werden auf Grundlage ihrer mechanischen und strukturellen Eigenschaften, jedoch auch der Recyclingmöglichkeiten, ausgewählt.

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Netzanforderungen

Offshore-Wechselstrom-Hochspannungsleitungen sind nach wie vor die gängigste Methode zur Einspeisung von Offshore-Windstrom in das Netz, aber durch die natürlichen Wechselstromverluste kann der Einsatz dieser Kabel in der Praxis auf Entfernungen von etwa 50 km beschränkt sein. Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitungen (HGÜ) haben geringere Verluste und können wesentlich größere Entfernungen überbrücken, erfordern aber eine Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlung an beiden Enden, was Offshore-Umrichterstationen erforderlich macht. Die Netzeinspeisung und Übertragung von Strom aus leistungsstarken Offshore-Windturbinen und die potenziell großen Entfernungen erfordern besondere Aufmerksamkeit.

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Transport/Montage

Die Herstellung, der Transport und die Montage großer Offshore-Windparks mit vielen Turbinen erfordert zudem eine umfangreiche unterstützende Infrastruktur, darunter Netzanschlüsse, Stromspeicheranlagen und Hafen- und Wartungsanlagen.

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Intelligente Solarsysteme

Die ersten acht Suchbegriffe betreffen Aktivitäten zur Änderung der Einstellungen oder zur Messung und Aufdeckung einer nicht optimalen Funktionsweise der Geräte. Der letzte Suchbegriff zielt auf eine Verbesserung der intrinsischen Umwandlungseffizenz der Photovoltaik-Komponenten auf Basis neuester Materialien.

Strommanagement

Strommanagement ist der Schlüssel zur Optimierung von solar erzeugtem Strom. Die unmittelbar von Verbrauchern oder der lokalen Industrie zu verbrauchende Menge und die in das Netz einzuspeisende Menge können für den Anbieter erhebliche Auswirkungen auf den Business Case haben. Strommanagement hilft Anbietern bei der Überwachung und Kontrolle der Stromerzeugung durch Solaranlagen, der Rückleistung aus einem externen Netz, von durch Solaranlagen geladenen Stromspeichern und der Stromeinspeisung in ein externes Netz.

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Nachführsysteme

Solarzellen sind von dem einfallenden Sonnenlicht abhängig, das wiederum durch verschiedene Faktoren wie horizontale und vertikale Anordnung der Solarzellen, direktes oder diffuses Sonnenlicht oder lokale Verschattung beeinflusst wird. Die Leistung von Solarzellen kann durch das automatische Nachführen nach dem Sonnenstand am Himmel optimiert werden.

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Intelligente Netze

In „Smart Grids" kommen typischerweise erneuerbare Energieressourcen, fortgeschrittene Messinfrastrukturen einschließlich intelligenter Zähler und ein übergeordnetes Netzmanagementsystem mit Elementen, die die verfügbare erneuerbare Stromerzeugung und den Energiebedarf überwachen, zum Einsatz. Intelligente Netze können sogar dafür genutzt werden, den zukünftigen Energiebedarf aus konventionellen Quellen (Kohle, Gas usw.) in Abhängigkeit von den erwarteten zukünftigen Wetterbedingungen, insbesondere Wind und Sonnenschein, zu planen. Auf diese Weise kann die Einbeziehung erneuerbarer Energien in lokale und nationale Netzsysteme die zukünftige Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen reduzieren.

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Stromertrag

Dieser Suchbegriff hebt die Techniken hervor, mit denen der Stromertrag eines Photovoltaiksystems optimiert werden kann.

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Bewegliche Konzentratoren

Dieser Suchbegriff konzentriert sich auf Photovoltaikanlagen mit einem Konzentrator, der gesteuert und bewegt wird, um das einfallende Sonnenlicht und damit die Stromerzeugung zu optimieren.

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Aufdeckung von Fehlfunktionen

Die zeitnahe Identifizierung und Beseitigung von Fehlfunktionen kann den Gesamtertrag solarzellenbasierter Systeme auf lange Sicht erheblich beeinflussen.

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Test von Installationen

In ähnlicher Weise sind gründliche Tests und eine anfängliche Optimierung neuer Solarzellensysteme für die Optimierung des Gesamtertrags von entscheidender Bedeutung.

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Messung der Verschmutzung von Photovoltaik-Komponenten

Photovoltaik-Komponenten werden weiterentwickelt, um ihren Einsatz in besonders schwierigen Umgebungen zu optimieren. Ein wichtiges Beispiel sind Solarzellensysteme in Wüsten, wo Verschmutzungen durch Staubansammlungen den Ertrag erheblich beeinträchtigen. Eine Messung dieser Verschmutzung ist nötig, um die Reinigung und Wartung zu planen und zu optimieren.

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Photovoltaik-Komponenten unter Einsatz von organischen, anorganisch-organischen oder auf Quantenpunkten basierenden Materialien

Während die neuen Patentanmeldungen darauf hindeuten, dass sich die Entwicklung von „konventionellen" Photovoltaik-Modulen um das Jahr 2013 herum abgeflacht hat, zeigen die Entwicklungen in anderen Bereichen der Photovoltaik die fortgesetzte Suche nach Alternativen, mit denen billigere, effizientere oder robustere Solarzellen oder Module, die nicht mehr auf bestimmte seltene oder teure Rohstoffe angewiesen sind, hergestellt werden können. Die folgenden Suchanfragen zeigen die wichtigsten alternativen Entwicklungen.

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Photovoltaik-Komponenten unter Einsatz von Farbstoffsolarzellen

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Photovoltaik-Komponenten unter Einsatz von Materialien auf Perowskit-Basis

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Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS)

Auch wenn künftig möglichst der gesamte Energiebedarf aus erneuerbaren Quellen wie Wind, Sonne und Wasserkraft gedeckt werden soll, ist der Übergang zu diesen Energiequellen nicht immer schnell umsetzbar. Eine Möglichkeit, den Klimawandel bis dahin aufzuhalten, ist die Abscheidung von CO2 aus stark emittierenden Prozessen (z. B. fossil befeuerte Kraftwerke und Schwerindustrie) oder sogar direkt aus der Luft (Direct Air Capture) und die anschließende Speicherung, in der Regel untertage oder unter dem Meer. Das abgeschiedene CO2 soll entweder dort verbleiben (physisch eingeschlossen oder chemisch gespeichert) oder künftig für bestimmte Industrieprozesse verwendet werden.

CO2-Abscheidung

Abhängig von seinen chemischen oder physikalischen Eigenschaften gibt es verschiedene Möglichkeiten, CO2 aus Gasen abzuscheiden. Für Direktabscheidung aus der Luft erscheinen Sorptionstechniken besser geeignet. Aufgrund der geringen CO2-Konzentration in der Luft müssen dazu sehr große Luftvolumina behandelt werden. Daher sind Techniken mit niedrigen Temperaturen oder hohen Drücken weniger gut geeignet, da sie auch mehr Energie verbrauchen. Folgenden Techniken werden hauptsächlich für die Abscheidung von CO2 eingesetzt:

Absorption mit flüssigen Lösungsmitteln

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Absorption mit festen Lösungsmitteln

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Biologische Abscheidung

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Kryogene Abscheidung

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Membran-Abscheidung

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Chemische Abscheidung / Direktabscheidung

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CO2-Speicherung

Nach der Abscheidung muss das CO2 gespeichert werden, wofür in der Regel Orte wie ausgeschöpfte Öl- oder Gasfelder vorgesehen sind. Da sie bereits mehrere Erdzeitalter lang Öl und Gas fest eingeschlossen haben, gelten sie allgemein als sicher für diese Speicherzwecke. Oft ist dort bereits Infrastruktur für den Eintrag von CO2 vorhanden, da zur Druckhaltung in Ölfeldern ohnehin Gas eingebracht wird. Alternativ kann das CO2 auch zur Reaktion mit bestimmten Mineralablagerungen gebracht werden, um kohlenstoffhaltige Minerale wie mafisches oder ultramafisches Gestein (Olivin, Peridotit usw.) zu bilden. In diesem Datensatz konzentrieren wir uns auf Anmeldungen, die sich nicht mit Druckhaltung sondern mit einer tatsächlichen Speicherung befassen.

Speicherung von CO2 untertage oder unter Wasser

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