NACHHALTIGKEIT als Schlüssel zur globalen ökologischen - Hightech-Lösungen der PHOTONIK für den Schutz von Umwelt und Ressourcen
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Hightech-Lösungen der PHOTONIK für den Schutz von Umwelt und Ressourcen
LICHT als Schlüssel zur
globalen ökologischen
NACHHALTIGKEIT
Eine Studie von in Kooperation mit
Anwendungsbeispiele | 1
Anwendungsbeispiele | 2
Die Photonik als Treiber für
die globale Nachhaltigkeit
CHEN Dr.
VORWORT MESSE MÜN
REINHARD PFEIFFER
Als am 16. Mai 1960 der US-Amerikanische Physiker Theo-
dore Maiman den ersten Laser in Betrieb nahm, hätte er Stellvertretender Vorsitzender
sich wohl nicht träumen lassen, welche Entwicklung diese der Geschäftsführung
Technologie bis zum Jahr 2019 nehmen wird. Messe München GmbH
Die Reaktionen waren damals verhalten, eine Lokalzeitung
berichtete gar von der Erfindung eines „Science-Fiction- Wie enorm sich die Anwendungen rund um Laser und
Todesstrahls“. Es war nicht ersichtlich, welchen Nutzen der Photonik seit 1960 weiterentwickelt haben, das zeigt die
Laser haben soll. Heute ist er aus vielen Industrien, wie LASER World of PHOTONICS, die Weltleitmesse für opti-
etwa der Medizin oder der Fertigung, nicht mehr weg- sche Technologien. Alle zwei Jahre trifft sich die Branche
zudenken. bei uns auf dem Messegelände München zur weltweit
größten Photonikmesse und dem parallel laufenden World
Eine ähnliche Entwicklung erfuhr das Thema Nachhaltig- of Photonics Congress. Nachhaltigkeit wird dort etwa im
keit: Der sächsische Hauptmann Hans Carl von Carlowitz Kontext von Elektromobilität vorgestellt – die nicht ohne
kritisierte im 18. Jahrhundert das auf kurzfristigen Gewinn Lasertechnologie auskommt: von der Batteriefertigung
ausgerichtete Denken seiner Zeit und forderte einen sorg- über den Leichtbau bis hin zur Cockpit-Teilefertigung.
sameren Umgang – allem voran mit der Ressource Holz. Davon können sich Besucher in unserem größten Aus-
Daraus entwickelte sich der Begriff „Nachhalt“. Noch lange stellungsbereich, Lasersysteme für die Fertigung, über-
galt das Wort sowie dessen Bedeutung jedoch als sperrig zeugen. Auch Lösungen aus den Bereichen Imaging und
und schlecht kommunizierbar. Inzwischen ist der Begriff Sensorik tragen zu Umweltschutz bei, etwa in Form von
zu einem globalen Megatrend herangewachsen. kleinen, feldtauglichen Sensoren, die im Gewässer- und
Bodenschutz und bei Smart Farming eingesetzt werden
Wie gewinnbringend Photonik für den nachhaltigen können.
Umgang mit Ressourcen eingesetzt werden kann – das
beleuchtet die vorliegende Studie aus allen Blickwinkeln. Viele unserer Aussteller gehören zu den Unternehmen,
Vom reduzierten Materialverbrauch bis hin zur Energie- die Pionierarbeit bei der Verknüpfung von Photonik und
einsparung – die Beispiele und Zahlen, die im Rahmen der Nachhaltigkeit leisten. Als Messegesellschaft ist es uns
Studie erarbeitet wurden, zeigen deutlich: Die Photonik ist ein besonderes Anliegen, diesen eine Plattform für ihre
ein Treiber für die globale Nachhaltigkeit und trifft somit Innovationskraft zu liefern, sei es in der Industrie oder
einen Nerv der Zeit. in der Wissenschaft.
Dr. Reinhard Pfeiffer
Vorwort Messe München | 3
Licht und Innovationen
im Wettlauf mit dem
Klimawandel
Dr.
E
BERNHARD OHNESORG
S
VORWORT SPECTARI Geschäftsführer
Carl Zeiss Jena GmbH
Der Schutz des Klimas ist eine der wichtigsten Heraus-
Vorsitzender
forderungen unserer Zeit. Die ersten Vorboten der drama-
Fachverband Photonik
tischen Folgen der durch Menschen verursachten Erd-
SPECTARIS e. V.
erhitzung lassen erahnen, welchen Preis wir alle zahlen,
wenn wir zu spät oder zu zaghaft handeln. Der Preis be-
misst sich in Wohlstandsverlust, Migrationsbewegungen,
Extremwetter oder Artensterben, um nur einige Auswirkun-
gen zu nennen. Dabei sind die Technologien zur Begren-
zung des Temperaturanstiegs teilweise schon vorhanden.
An dieser Stelle sei schon gesagt: Die Photonik, also die
technische Anwendung des Lichts, ist dazu ein wichtiger
JÖRG MAYER
Schlüssel.
Geschäftsführer
Mit dem Pariser Klimaschutzübereinkommen wurde das SPECTARIS e. V.
Ziel definiert, den Anstieg der Erwärmung auf deutlich
unter zwei Grad Celsius, besser 1,5 Grad gegenüber dem
vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Das Ziel erfordert Als Schlüsseltechnologie bietet die Photonik für unzählige
Verhaltensänderungen jedes Einzelnen sowie staatliche Anwendungsfelder Hightech-Lösungen, die aufgrund ihrer
Maßnahmen. Doch das alleine wird nicht ausreichen. Eigenschaften, Einsatzmöglichkeiten oder Wirkungsweisen
Zusätzlich benötigt werden technische Innovationen, die maßgeblich zur Nachhaltigkeit beitragen können, etwa
es ermöglichen, ökologische, gesellschaftliche und wirt- durch einen verringerten Stromverbrauch, CO2-Ausstoß
schaftliche Aspekte des Klimaschutzes miteinander zu oder Düngemitteleinsatz, durch die Einsparung von Material
vereinigen und damit eine Akzeptanz von allen Seiten zu oder aufgrund neuer Recyclingprozesse und Technologien
erreichen. für den Umweltschutz.
IGER CO2 : Mit der vorliegenden Publikation möchten wir dieses Poten-
3 MRD. TONNEN WEN
zial, diese Vielfältigkeit und die Innovationsfreude der Pho-
Das ist das erwartete, alleine aus einigen Beispielfällen tonik als „Enabler“ für Nachhaltigkeit verdeutlichen. Sie ist
resultierende indirekte Klimaschutzpotenzial der Photonik auch als Plädoyer zu verstehen, die hohe Bedeutung der
im Jahr 2030, angefangen von der Photovoltaik, über ener- Photonik durch engagierte Forschung, Forschungsförde-
giesparende Beleuchtung bis hin zur Waldbrandfrüherken- rung und innovationsfreundliche Rahmenbedingungen zu
nung. Keine der Anwendungen könnte ihre Klimaschutz- unterstützen.
wirkung ohne die Photonik entfalten.
Wir wünschen Ihnen eine spannende Lektüre und wir
Der hohe Einspareffekt zeigt, welches enorme Potenzial wünschen uns, dass die gemeinsamen Anstrengungen
innovative Technologien zur Erzeugung, Verstärkung, For- zum Schutz des Klimas und der Umwelt zum Erfolg führen.
mung, Übertragung und Nutzbarmachung von Licht haben.
Dr. Bernhard Ohnesorge
Jörg Mayer
Vorwort SPECTARIS | 4
Inhalt Seite
Executive Summary 9
Photonik als „Enabler“ für den Klima- und Umweltschutz 12
3 Milliarden Tonnen weniger CO2:
Der globale Klimaschutzbeitrag der Photonik 18
Anwendungsbeispiele deutscher Hightech-Lösungen
zur ökologischen Nachhaltigkeit … 31
… im Bereich Umweltschutz und Recycling 32
… in der Stadtentwicklung 46
… im Bereich Mobilität 48
… bei der Energieerzeugung und -speicherung 62
… in der industriellen Produktion 68
… in der Land- und Forstwirtschaft 80
Die Autoren, Herausgeber und Studienpartner 86
Bildnachweis 93
Impressum 94
Inhalt | 5
Licht als Schlüssel zur
globalen ökologischen
Nachhaltigkeit
„Die Photonik schafft es, Wirtschaftlichkeit
und Umweltschutz konstruktiv miteinander Prof. Dr.
zu verbinden. Dies geschieht einerseits durch REINHART POPRAWE
Effizienzsteigerung der Fertigungsprozesse Leiter des Fraunhofer-Instituts
für Lasertechnik ILT/RWTH
und andererseits durch die Herstellung opti-
Aachen University – Lehrstuhl
mierter Komponenten für die Energiewende für Lasertechnik LLT
insbesondere mittels Präzisionsabtrag mit
Ultra-Kurzpuls-Lasern oder mittels Additiver
Fertigungsverfahren. Die hinsichtlich ökono-
mischer und ökologischer Kriterien optimierten
Komponenten finden sich u.a. in der Solar-,
Batterie- oder Windkrafttechnik wieder.“
„Licht manifestiert sich in immer mehr Berei-
chen unseres Lebens und ist immanent mit dem
Thema Nachhaltigkeit verbunden. Photonische
Dr.
Technologien ermöglichen nachhaltige und res-
STEFAN TRAEGER
sourcenschonende Produktionsprozesse, moder-
Vorstandsvorsitzender
JENOPTIK AG ne Beleuchtungsmethoden tragen dazu bei, die
Umwelt zu schonen. Es lassen sich zig Beispiele
finden, bei denen photonische Technologien
anderen Verfahren in Sachen Nachhaltigkeit weit
überlegen sind. Das ist eine Seite dieser Medaille.
Bedeutend sind aber auch die Anwendungen,
die wir heute noch gar nicht kennen oder nur
erahnen und damit das enorme Potenzial, das
Licht in sich trägt. Dieses zu erschließen, dafür
ist Nachhaltigkeit ein entscheidender Treiber.“
Licht als Schlüssel zur globalen ökologischen Nachhaltigkeit | 6
„Die Photonik hat es uns ermöglicht, die
Gefahren des Klimawandels zu erkennen.
Sie gibt uns die Werkzeuge an die Hand,
Dr.
unsere Lebenswelt zu erhalten. E
BERNHARD OHNESORG
Jetzt kommt es darauf an, unsere
Geschäftsführer
Möglichkeiten klug zu nutzen.“ Carl Zeiss Jena GmbH
Prof. Dr.
„Inline-fähige photonische Sensoren
in der industriellen Produktion steigern
ANDREAS
TÜNNERMANN Prozesssicherheit und -effizienz und
Foto: Anne Günther/FSU
Leiter des senken damit nachhaltig den Energie-
Fraunhofer-Instituts für
Angewandte Optik und
und Ressourceneinsatz.“
Feinmechanik IOF
„Messen mit Licht macht Emissionen
sichtbar und verrät, wo Infrastruktur
Prof. Dr.
schwächelt. Belastungen lassen sich so
KARSTEN BUSE
minimieren und Ressourcen schonen.“
Leiter des Fraunhofer-Instituts
für Physikalische Mess-
technik IPM
„Technologien mit Licht sind heute unver-
zichtbar und leisten einen wesentlichen
Dr.
Beitrag zu einer nachhaltigen Zukunft.
ANDREAS NITZE Sie unterstützen die Klimaforschung, ermög-
Geschäftsführer
lichen ressourcenschonende Fertigungs-
Berliner Glas KGaA
Herbert Kubatz GmbH & Co. verfahren und treiben die Entwicklung in
der Medizintechnik maßgeblich voran.“
Licht als Schlüssel zur globalen ökologischen Nachhaltigkeit | 7
„Die neuen Möglichkeiten der Quanten-
technologie im Bereich der Sensorik und
Dr. Präzisionsmetrologie stellen uns einen
WILHELM KAENDERS riesigen Werkzeugkasten für die Erfassung
Vorstand von Umweltveränderungen (Klimawandel,
TOPTICA Photonics AG
Landhebung, Gezeiten, Strömungen, Vulkane,
Erdbeben, etc.) zur Verfügung. Sie erlauben
uns in bisher unerreichter Empfindlichkeit
aus dem All, aber auch von der Erdoberfläche
aus, globale Veränderungen erstmals wahr-
zunehmen und quantitativ zu messen.“
„Lasertechnologie kann die nachhaltige
Landwirtschaft entscheidend voranbringen.
Dr.
Die Photonik ermöglicht sehr präzise zu
DIETMAR KRACHT
arbeiten. Mit robusten Prozessen kann der
Geschäftsführender
Einsatz von Lasern die Unkrautbekämpfung Vorstand des
revolutionieren.“ Laser Zentrum Hannover e.V.
Licht als Schlüssel zur globalen ökologischen Nachhaltigkeit | 8
Executive Summary
Herausforderung Klimaschutz
Die Photonik – also die technische Anwendung des Lichts – Der Anteil der Sekundärproduktion (Recycling) von Metal-
ermöglicht es, den Einsatz von Rohstoffen, Materialien und len und anderen Werkstoffen, etwa aus Autos oder Mobil-
Prozessen ökologisch deutlich vorteilhafter zu gestalten. telefonen, kann mithilfe berührungsloser, extrem schneller
und präziser photonischer Verfahren deutlich ansteigen.
Sonnenlicht wird dank der Photonikforschung sehr effizient
So werden derzeit beispielsweise Verfahren zur Zerlegung
in elektrische Energie umgewandelt. Und auch die Umkeh-
und Sortentrennung der Werkstoffe in Handys mit „LIBS“
rung, die Lichterzeugung aus elektrischem Strom, gelingt
(Laser-induced breakdown spectroscopy) entwickelt, Sys-
dank der großen Entwicklungsfortschritte der Photonik heute
teme zum sortenreinen Metallrecycling sind bereits im Ein-
sehr viel effizienter als noch vor wenigen Jahren. In der
satz.
globalen Kommunikation liefert die Photonik mit Glasfaser-
netzen die Grundlage für eine verlustarme Übertragung In der Agrarwirtschaft wird die lokal und temporal auf-
riesiger Datenmengen über Länder- und Kontinentgrenzen gelöste Analyse von Wachstumszuständen durch Photo-
hinweg. Die Photonik zeichnet auch verantwortlich für die nen zur exakten lokalen Dosierung von Düngemitteln und
Gewinnung von Daten mittels Bildsystemen und optischen Herbiziden eingesetzt. An der Beseitigung unerwünschten
Sensoren. Alle diese optischen Technologien arbeiten äu- Beikrauts durch Laser wird geforscht. Auch in der Energie-
ßerst energieeffizient und emmissionsfrei und tragen damit gewinnung, bei der Steigerung der Effizienz von Solar-
entscheidend zur Erreichung der Ziele des Klimaschutzes zellen, in der Energiespeicherung und -wandlung, bei belast-
und der Nachhaltigkeit bei. Bereits dreimal wurden Lösun- baren und sicheren Batteriezellen sowie bei kompakten
gen der Photonik mit dem höchstdotierten Umweltpreis elektrischen Antrieben für die Elektromobilität tragen die
Europas, dem deutschen Umweltpreis, ausgezeichnet. photonischen Technologien zu einer effizienten Fertigung
entscheidend bei. Optische Verfahren zum Verschleiß- und
ELEN BEREICHEN Korrosionsschutz mit umweltfreundlichen Werkstoffen
INNOVATIONEN IN VI
sind bereits im Einsatz. Die Fertigung kompakter Hoch-
Das Potenzial der photonischen Technologien ist in vie- leistungselektronik wird durch Werkstoffadaptierte Füge-
len Anwendungsfeldern vielversprechend. Im Bereich des verfahren hoch reproduzierbar.
Klimaschutzes werden heute satellitenbasierte Laser ent-
Im Bereich der Dünnschichttechnologie eignen sich Laser
wickelt, die global online die Verteilung, Entstehung und
besser als jedes andere Werkzeug für die wirtschaftliche
Adsorption von Treibhausgasen vermessen. Dabei ergeben
und umweltfreundliche Erzeugung und Modifikation extrem
sich auch Perspektiven, lokale Ereignisse in der Klimaände-
dünner, funktionaler Schichten – beispielsweise für Photo-
rung zeitnah zu erfassen. Landgestützte optische Systeme
voltaik oder Elektronik. Bei der Herstellung regenerativ erzeug-
zur Waldbrandfrüherkennung kommen verstärkt zum Ein-
ter Energie wie beispielsweise Windenergie ermöglichen pho-
satz, pseudosatellitengestützte Systeme stehen in den
tonische Verfahren höhere Effizienzen und längere Lebens-
Startlöchern.
dauern.
Executive Summary | 9
Die Optimierung von Verbrennungsprozessen sowohl Der „3D-Druck“ ermöglicht völlig neue Designfreiheit in der
klassischer fossiler Brennstoffe wie auch die Entwicklung gesamten Produktionstechnik. Leichtbau, Kollisionssicher-
entsprechender Turbinen für regenerierbare Energieträ- heit und Crashverhalten, Stabilität, Recycelbarkeit, Integration
ger werden insbesondere durch Laser-Auftragsverfahren von Sensorik sind keine Zielkonflikte mehr. Mit einer hoch-
höchst-temperaturfester Werkstoffe und Präzisionsboh- präzisen Prozesskontrolle lassen sich zudem in Echtzeit ver-
rungen für optimierte Kühlströmungen ermöglicht. Der fügbare Messergebnisse nutzen, um die laufende Produk-
CO2-Ausstoß kann so systematisch reduziert werden. tion anzupassen und Ausschussanteile zu minimieren.
Anwendungsbeispiele von Lösungen der Photonik zur ökologischen Nachhaltigkeit
Lösung der Photonik Anwendungsbereich Nachhaltigkeitseffekt
Energieeffiziente Beleuchtung Beleuchtung Energieeinsparung
Energieerzeugung durch Photovoltaik Energiespeicherung und -erzeugung Reduktion von Treibhausgasemissionen
Lasertechnik in der Photovoltaik: Nachhaltige Energiespeicherung und -erzeugung Reduzierung der Produktionskosten für Module
Stromerzeugung durch effiziente Solarzellen und Steigerung der Wirkungsgrade von Solarzellen
Laserverfahren für nachhaltige Energiespeicher Energiespeicherung und -erzeugung Reduzierung der Produktionskosten für Module
und Steigerung der Wirkungsgrade von Solarzellen
Optische Kommunikationstechnik Information, Kommunikation, Energieeinsparung
in Datenzentren Unterhaltung
Optische Kommunikationstechnik Information, Kommunikation, Energieeinsparung
in 5G-Mobilfunknetzen Unterhaltung
Energieeffiziente Displays Information, Kommunikation, Energieeinsparung
Unterhaltung
Kommunikation über Glasfasernetze Information, Kommunikation, Energieeinsparung
Unterhaltung
Laser gegen unerwünschtes Beikraut Land- und Forstwirtschaft Vermeidung von Herbiziden
Optische Früherkennung von Land- und Forstwirtschaft Reduktion von Treibhausgasemissionen,
Wald- und Flächenbränden Schutz von Mensch und Natur
Effiziente Turbomaschinen für die Flugzeug- Mobilität Steigerung der Energieeffizienz, Einsparung
technik durch laserbasierte Verfahren von Gewicht, Kraftstoff und Emissionen
Lasertechnik im Leichtbau Mobilität Reduzierung der für Mobilität notwendigen
Energie, insbesondere in der Elektromobilität
Extremer Leichtbau für optische und mechani- Mobilität Reduktion von Masse im Transportwesen,
sche Komponenten durch Additive Fertigung auch in der Raumfahrt, dadurch verringerter
Energie- und Treibstoffverbrauch
Laserverfahren für Hochleistungs- Mobilität Effizienzsteigerung der Fertigungsverfahren von
batterien im Automobilbau Hochleistungsbatterien, dadurch deutliche Kosten-
reduktion und Erhöhung der Kundenakzeptanz
von Elektromobilität
Erhalt von Verkehrsinfrastrukturen Mobilität Ressourcenschonender Umgang mit Rohstoffen
durch Laserscanning zum Monitoring und Energie zur Erstellung und zum Unterhalt
von Großstrukturen von Verkehrsinfrastrukturen
Laserspektroskopie zur Abgasmesstechnik Mobilität Verbesserte Motorenentwicklung durch neue und
hochgenaue Messverfahren, dadurch Verringerung
von schädlichen Emissionen (z.B. Lachgas)
Fertigung mit dem Extremen Hoch- Produktion Umweltfreundliche und wirtschaftliche Beschichtung,
geschwindigkeits-Laserauftragschweißen Reparatur oder Fertigung von Bauteilen
Fertigung mit Additive Manufacturing Produktion Gewichtsoptimierung für den Leichtbau sowie
ressourcensparende Herstellung komplexer oder von
Bauteilen in kleinen Losgrößen, Ressourceneffizienz
Laser-Funktionalisierung von Oberflächen Produktion Energieeffiziente Funktionalisierung und
Optimierung von Bauteilen, Vermeidung
umweltschädlicher Zusatzstoffe
Digitale Holografie in der Produktionskontrolle Produktion Vermeidung von Ausschuss, Optimierung der
Herstellungsprozesse
Metallrecycling der Zukunft: Metalle und Umweltschutz und Recycling Wiedergewinnung wertvoller Materialien,
Legierungen per Laser vermessen und sortieren Energieeinsparung
Laserstrahl-Reinigen Umweltschutz und Recycling Vermeidung von Reinigungsmitteln und unnötigen
Abfällen, Energieeinsparung
Recycling von Mobiltelefonen und Computer- Umweltschutz und Recycling Wiedergewinnung wertvoller Materialien,
elektronik: Urban Mining mit Lasertechnologie Energieeinsparung
Maßgeschneiderte Lasertechnik für Umweltschutz und Recycling Umwelt- und Klimaforschung
Klimaforschung im Weltraum
Erdbeobachtungssatellit mit optischen Umweltschutz und Recycling Umwelt- und Klimaforschung
Hochleistungsgittern im All
Quelle: Studie „Licht als Schlüssel zur globalen ökologischen Nachhaltigkeit“, Messe München, SPECTARIS, Fraunhofer ILT
Executive Summary | 10Indirektes Klimaschutzpotenzial der Photonik, dargestellt anhand ausgewählter Beispiele
CO2eq-Vermeidung in Mio. Tonnen/Jahr
4.500 Optische Kommunikation
in 5G-Mobilfunknetzen
4.000
Energieeffiziente Displays
3.500 Laserunterstütztes
2.916 Mio. t CO2eq
Metallrecycling
3.000
Optische Waldbrand-
2.214 Mio. t CO2eq früherkennung
2.500
Optische Kommunikation
2.000
in Datenzentren
1.500 Kommunikation
1.125 Mio. t CO2eq über Glasfasernetze
1.000
Energieffiziente
500 Beleuchtung
Photovoltaik
0
2019e 2025e 2030e
Quelle: SPECTARIS/TEMATYS
die Photonik maßgeblich zum Erreichen der globalen
AUF DEM
Ziele des Pariser Klimaschutzabkommens bei: Die dank
WACHSTUMSPFAD
der Photonik vermiedenen Treibhausgasemissionen ent-
Berechnungsbeispiele zu verschiedenen Einsatzgebieten sprechen mind. 11 Prozent des dort verankerten Zielwertes
verdeutlichen ausschnittweise das enorme Potenzial der einer Begrenzung des Temperaturanstiegs auf 1,5°C im
Photonik. Einige Bereiche stehen dabei noch am Anfang Vergleich zum Beginn des Industriezeitalters.
ihres Wachstumspfades, so etwa die optische Waldbrand-
Das ist nur ein kleiner Ausschnitt des Lösungsbeitrags
früherkennung, das lasergestützte Metallrecycling oder die
der Photonik zur ökologischen Nachhaltigkeit, was die
optische Kommunikation in 5G-Mobilfunknetzen. Andere
vielen weiteren Anwendungsbeispiele dieser Studie zeigen.
konnten bereits in der Vergangenheit in einem erheblichen
Das tatsächliche Potenzial ist noch sehr viel größer.
Maße zum Klimaschutz beitragen und haben doch weiter-
hin ein enormes Potenzial. Man denke etwa an die Subs-
titution der Glühbirne durch Energiesparlampen, was nur OTONIK
DIE ZUKUNFT DER PH
ein erster Schritt hin zur jetzigen „LED-Lichtrevolution“ war.
Oder an die Photovoltaik sowie die Kommunikation über Die Zukunft der Photonik hat gerade erst begonnen.
Glasfasernetze. Beide Technologien sind bereits weit ver- Mit der vorliegenden Publikation sollen das Potenzial,
breitet, dennoch steigt der Anteil der Photovoltaik am Ener- die Vielfältigkeit und die Innovationsfreude der Photonik
giemix weiter, ebenso wie der Ausbau der Breitbandnetze als Schlüsseltechnologie für Nachhaltigkeit verdeutlicht
voranschreitet. Und auch in Technologiefeldern, in denen werden. Zunächst werden in einer Einführung die Ent-
die Photonik ihre Nachhaltigkeit bereits unter Beweis ge- wicklung der Photonik, deren Anwendungsfelder und ihr
stellt hat und das Marktumfeld durch ausgereifte Produkte Lösungsbeitrag zur ökologischen Nachhaltigkeit beschrie-
und einer Marktsättigung gekennzeichnet ist, stehen neue, ben. Es folgen Berechnungsbeispiele für ausgewählte kon-
noch effizientere Lösungen bereits in den Startlöchern. krete Technologiefelder, anhand derer die bereits erfolgte
Ein Beispiel dafür sind LED-Fernseher, die in kürzester Zeit Reduktion und das Potenzial einer künftigen CO2-Vermei-
die „energiefressenden“ Röhrenfernseher ersetzt haben und dung verdeutlicht werden sollen. In einem weiteren Kapitel
für deren Ersatz beispielsweise die perspektivisch energie- werden dann deutsche Hightech-Lösungen aus Industrie
ärmeren OLED- oder Quantum-Dot-Displays vor der groß- und Forschung vorgestellt, die im Detail zeigen, wie breit
flächigen Markteinführung stehen. gefächert die Photonik ist und warum sie ein wichtiges
Bindeglied zwischen Wirtschaftlichkeit und Umweltschutz
Alleine aus den für diese Studie kalkulierten acht beispiel-
darstellt.
haften Berechnungen resultiert bereits heute ein indirekter
Klimaschutzbeitrag von 1,13 Mrd. Tonnen CO2eq. Es wird Die Studie ist auch als Plädoyer zu verstehen, die hohe
erwartet, dass sich das Potenzial bis zum Jahr 2030 mehr Bedeutung der Photonik durch engagierte Forschung,
als verdoppelt und der Wert vermiedener CO2eq-Emissionen Forschungsförderung und innovationsfreundliche Rahmen-
auf rund 3 Milliarden Tonnen pro Jahr steigt. Damit trägt bedingungen zu unterstützen.
Executive Summary | 11EINFÜHRUNG
Photonik als „Enabler“ für
den Klima- und Umweltschutz
Licht fasziniert die Menschen seit dem Beginn ihrer Geschichte.
Wahrscheinlich liegt das daran, dass das Sehen wohl der früheste,
der erste und damit als höchst bedeutend wahrgenommene Sinn
unserer Existenz ist.
Prof. Dr.
REINHART POPRAWE
Leiter des Fraunhofer-Instituts
für Lasertechnik ILT/RWTH
Aachen University – Lehrstuhl
für Lasertechnik LLT
Da sind Farben, Gegenstände, Schönheit, und Wärme, Aber was sind die wirklichen, die fundamentalen Gründe
all diese wundervollen und lebensgestaltenden Elemente, für die Bedeutung und den anhaltenden Erfolg der photo-
die wir über das Licht wahrnehmen. Es ist also kein Wun- nischen Technologien in unseren gesellschaftlich relevan-
der, dass das Licht eine so besondere, so hohe Bedeutung ten Prozessen? Licht und damit Photonen sind die einzige
in unserem Leben hat. masselose Energie. Diese besondere Eigenschaft erlaubt es
ihnen nicht nur, sich mit Lichtgeschwindigkeit auszubreiten.
Neben diesen höchst individuellen Aspekten hat nun die Werden Photonen stimuliert erzeugt, also zu einem Laser-
wissenschaftliche Erforschung des Lichtes besonders strahl gebündelt, entsteht die höchste Qualität von Energie
in den letzten Jahrzehnten Einfluss auf unser praktisches im gesamten Universum quasi höchster Ordnung. Das Maß
Leben gewonnen. Wenn morgen alle Lichtquellen, alle der Unordnung reduziert sich auf null; die gesamte Energie
Laser und Sensoren abgeschaltet würden, wäre es nicht ist gebündelt in nur einem Zustand. Diese thermodyna-
nur dunkel, es würde praktisch kein einziger menschen- mische Ausnahmeerscheinung verbunden mit der Masse-
gemachter Prozess unseres normalen Alltages mehr losigkeit erlaubt die physikalisch höchst denkbare dyna-
funktionieren. mische Flexibilität und die Wandlung in andere Energie-
formen niedrigerer Qualität wie elektrische Energie, mecha-
nische Energie oder Wärmeenergie.
Einführung | 12Photonen – besonders in Form von Laserstrahlung – sind
daher nicht nur faszinierend in der Konsequenz ihrer Er-
scheinung und der damit verbundenen Bedeutung für unser
natürliches Dasein. Vielmehr können wir damit praktisch
alle denkbaren physikalischen Prozesse auslösen und an-
treiben und das mit dem höchst möglich denkbaren Wir-
kungsgrad.
N:
BEITUNGSVERFAHRE
DIE VIELFALT DER BEAR
LOGIES“
„ENABELING TECHNO
Aus den physikalischen Eigenschaften der Energieform bereitgestellt. Beim Licht allerdings ist die Zahl der Frei-
„Licht“ und „LASER“ folgt, dass alle denkbaren Prozesse, heitsgrade der Energie noch um einiges größer, was die
die in unserem Leben eine Rolle spielen, über Photonen Vielfalt der Quellen, die noch bessere Adaptierbarkeit der
mit maximaler Präzision betrieben werden können. Ferner Energie an die jeweils gewünschte Wirkung erklärt und
ermöglicht die Masselosigkeit höchste Dynamik in der Posi- damit das noch größere Spektrum des Anwendungs-
tionierung, was bei entsprechender Skalierung der Leistung potenzials.
zu einer neuen Dimension der Fertigungsgeschwindigkeit
führt. Eine weitere Konsequenz der Masselosigkeit ist die Bereits in dem Jahrzehnt der Erfindung des Lasers wurde
Verschleißfreiheit des „Werkzeuges Licht“, was in der Auto- das Schneiden mit Laserstrahlung für Metalle entwickelt
matisierung zu quasi beliebig wählbaren Betriebszeiten und industriell umgesetzt. Dieses Trennverfahren zeichnet
führt. Aus diesen Gründen gibt es auch heute schon sehr sich nicht nur durch höchste Qualität sondern besonders
viele Prozesse, die in den letzten Jahrzehnten zur Anwen- durch Flexibilität und Steuerbarkeit aus, was die Eigen-
dungsreife entwickelt und in unsere täglichen gesell- schaft des automatisierbaren individuellen Schnittes mit
schaftlich relevanten Prozesse umgesetzt wurden. sich brachte. Beliebig designte Konturen können per Knopf-
druck in reale Produkte übertragen werden und das mit
Die Entwicklung geeigneter Strahlquellen ist wesentliche Geschwindigkeiten, die mit anderen Verfahren nicht im
Voraussetzung für den Erfolg der Anwendung von Photo- Entferntesten erreichbar sind.
nen. Das richtige Licht für die jeweilige Anwendung wird
mit dem Credo „Tailored Light“ beschrieben, dabei sind die Bei den Schmelzverfahren sind es die Fügetechnologien
Eigenschaften der Quelle hinsichtlich räumlicher, zeitlicher Schweißen und Löten, die besonders in der Metall- und
und spektraler Qualität auf die jeweilige Anwendung abzu- Kunststoffverarbeitung schnell Einzug gehalten haben. In
stimmen. Die Analogie mit elektrischer Energie liegt nahe, der Halbleitertechnik wird durch Annealing kristallines Silizi-
auch hier wird für jede Anwendung die passende Kombi- um zum relevant benötigten amorphen Gefüge gewandelt.
nation aus Spannung und Strom im jeweiligen Netzgerät Auch in der Kondensation von Materie zu Kristallen werden
Einführung | 13Laser zur Steuerung des Zeit-Temperaturverlaufes bei der den Metall- und Keramikbereich konnten mit Sinter- oder
Erstarrung mit neuen Qualitäten der Präzision eingesetzt. anderen 3D-Druckverfahren gefertigt werden. Aktuelle Ent-
Aus diesen Eigenschaften erklären sich auch die Anwen- wicklungen arbeiten an der Skalierung der Systemtechnik
dungen in der Verarbeitung von Leichtbauwerkstoffen wie zur Eignung in der Serienfertigung über 50.000 Stück, wo-
CFK und GFK sowie die Fügeverbindungen dieser Werk- von eine Revolution der Produktionstechnik erwartet wird.
stoffe mit Metallen und Keramiken, generell die Verbindung Eine Variante des Auftragschweißens stellt das „EHLA-
artungleicher Werkstoffe. Verfahren“ (Extremes Hochgeschwindigkeits-Laser-Auftrag-
schweißen) dar. Hier werden mit makroskopisch relevan-
Viele Verfahren in der Oberflächentechnik profitieren von ten Flächenraten Beschichtungen ermöglicht, die umwelt-
der hohen Steuerbarkeit von Licht in Raum und Zeit: so das schädliche, chemische Verfahren wie die Verchromung
Härten kohlenstoffhaltiger Stähle und das Verdichten metal- obsolet machen.
lischer Oberflächen zu höchster Korrosions- und Verschleiß-
festigkeit („shot peening“). Auch das Umschmelzen dünner Mit dem Laserabtragen lassen sich Bohrungen mit extrem
Randschichten und die Glättung der Oberfläche infolge der hohen Schachtverhältnissen in allen denkbaren Materialien
Grenzflächenspannung wurden entwickelt und führten zum präzise herstellen. Darauf aufbauend wurde das abtragen-
Laserpolieren, was bei Dielektrika wie Glas zu Präzision im de Verfahren „photonic milling“ entwickelt, also die Möglich-
atomaren Bereich führt. keit, direkt aus dem Design im Computer erzeugte indivi-
duelle Freiformflächen per Knopfdruck in sub-Mikrometer-
Das Aufschmelzen dickerer Schichten zum Verschleiß- Präzision herzustellen. Diese wiederum in allen Werkstoffen
schutz wurde über das Auftragschweißen weiter zur Addi- umsetzbare Technologie ermöglicht die Serienfertigung
tiven Fertigung entwickelt. Zusätzlich zu Reparatur und individueller Produkte mit Losgröße 1. Der Oberbegriff lautet
Instandsetzungsanwendungen lag der Fokus des Inte-
resses der Industrie beim Rapid Prototyping. Hierzu wird
neben dem Auftragschweißen insbesondere das Laser-
Powder-Bed-Fusion-Verfahren eingesetzt. Mit der systema-
tischen Erhöhung der Produktivität konnte das „3D-Drucken“
nicht nur zur Erzeugung von Design- und Funktionsmustern
bzw. Prototypen eingesetzt werden. Vielmehr liegt ein gro-
ßer Teil der Wertschöpfung im Rapid Manufacturing – also
der additiven Herstellung individualisierter oder komplexer
Bauteile in kurzer Zeit und zu erschwinglichen Kosten der
Serienfertigung. Vorreiterverfahren in Kunststoffen, die
Stereolithografie, bekamen so eine völlig neue Relevanz
in der Produktionstechnik. Bauteile aus Materialien bis in
Einführung | 14„Digital Photonic Production“, also die additive, subtraktive wurden. Oder umgekehrt: Bei all diesen Megatrends spielt
oder strukturierende Fertigung individueller Bauteile direkt das Thema Nachhaltigkeit immer eine große oder sogar
aus dem Computerdesign ohne jedes Werkzeug, ohne die Hauptrolle, da der Klimaschutz auf alle anderen Mega-
Zwischenschritte in der Produktion. Neben der Anwendung trends einwirkt, quasi diesen übergeordnet ist. Lösungen,
kontinuierlicher Laserstrahlung erweisen sich Laser mit die klimaschädlich sind, finden heutzutage keine Akzep-
ultrakurzen Pulsen (UKP-Laser) dabei als besonders vorteil- tanz. Die Photonik schafft es also, Wirtschaftlichkeit und
haft für das Abtragen und Schneiden, Bohren, Strukturieren Umweltschutz konstruktiv miteinander zu verbinden. Mit
oder Polieren. Sie eröffnen vielfältige Einsatzgebiete – etwa den beschrieben Möglichkeiten der extrem effizienten und
bei der Bearbeitung von temperaturempfindlichen Werk- effektiven Anwendungsmöglichkeiten und Verfahren der
stoffen oder bei Aufgaben in der hochpräzisen Material- photonischen Technologien erscheinen diese Herausfor-
bearbeitung. derungen annehmbar. In einigen Bereichen wurden bereits
hervorragende Lösungen erarbeitet und umgesetzt.
Nicht unerwähnt bleiben darf die berührungslose Mess-
technik, die über die Erweiterung zur Analytik nicht nur in So ist offensichtlich, dass mit der Entwicklung der Leucht-
Alltag und geometrischen Anwendungen sondern beson- diode als Ersatz thermischer Lichtquellen die weltweite Be-
ders auch in der Sortentrennung und der medizinischen leuchtung in ihrer Effizienz in wenigen Jahren um Größen-
Diagnostik Einzug gefunden hat. Von der Möglichkeit, ein- ordnungen gesteigert und so der Energieverbrauch und da-
zelne Zellen zu positionieren (Laser-Pinzette, Nobelpreis mit die Umweltbelastung entsprechend verringert werden
2018) bis zum „Bio-printing“, der Vision des Druckens kom- konnten. Diese Errungenschaft ist mit Auslöser und Motiva-
pletter Organe, bietet die Biotechnologie viel Anwendungs- tion für diese Studie. Hier soll nun aufgezeigt werden, wel-
potenzial für den Laser. Auch die Entwicklung kurzwelliger ches Potenzial der photonischen Technologien – neben
kohärenter Quellen im Bereich „EUV“ (Extreme Ultra-Violett) diesem offensichtlichen Beispiel und anderen mittlerweile
zur Zelldiagnostik oder gar Röntgenlaser zur Therapie ein- für jedermann klar sichtbaren Einsatzfeldern wie der Photo-
zelner Zellen im organischen Verband sind in der Entwick- voltaik (Solarzellen) – weiter ausgeschöpft werden kann
lung. oder noch ungehoben auf die Anwendung wartet.
DER IN UNSEREN Im Bereich des Klimaschutzes werden heute satelliten-
DIE ANWENDUNGSFEL S
EVANTEN MEGATREND basierte Laser entwickelt, die analog zu einem GPS-System
GESELLSCHAFTSREL
global online die Verteilung, Entstehung und Adsorption von
Unsere Gesellschaft steht heute vor den Herausforderun- Treibhausgasen vermessen. Dabei ergeben sich auch Per-
gen der Megatrends wie Mobilität, Energie, Kommunikation, spektiven, lokale Ereignisse in der Klimaänderung zeitnah
Klimaschutz, Sicherheit und Gesundheit. Schnelle und wir- zu erfassen, wie beispielsweise Waldbrände oder Vulkan-
kungsvolle Lösungen sind hier gefordert. ausbrüche. Die Regulierung und Gestaltung einer nachhal-
tig umweltfreundlichen Atmosphäre erscheint greifbar nah.
Die Photonik bietet Lösungsansätze für die Herausforde- Die Kreislaufwirtschaft leidet heute unter absolut unzurei-
rungen, die sich durch diese Megatrends ergeben. In vielen chendem Recycling, was sich in einfachen Bereichen wie
Fällen profitiert davon die Umwelt – auch bei Lösungen, bei Kunststoffverpackungen durch logistische Maßnahmen
die nicht ausschließlich für den Klimaschutz entwickelt lösen lässt. Anders verhält es sich bei den Gütern die kom-
Einführung | 15plex produktionstechnisch hergestellt werden. Besonders spielsweise für Photovoltaik oder Elektronik. Bei der Her-
der hohe Integrationsgrad von Funktionalitäten in Produk- stellung regenerativ erzeugter Energie wie beispielsweise
ten bedingt Materialvielfalt in höchst kompakter Form. Am Windenergie ermöglichen photonische Verfahren höhere
Beispiel von Autos oder Mobiltelefonen wird dies schnell Effizienzen und längere Lebensdauern.
deutlich. Ein umfassendes Recycling der Werkstoffe aus
diesen Produkten ist trotz ihrer extremen Verbreitung und Die Optimierung von Verbrennungsprozessen sowohl
der wachsenden Märkte bis auf Stahl nicht vorhanden. Die klassischer fossiler Brennstoffe wie auch die Entwicklung
technischen Möglichkeiten sind allerdings besonders durch entsprechender Turbinen für regenerierbare Energieträger –
berührungslose extrem schnelle und präzise photonische u. a. Wasserstoff und Chemo-fuels – werden insbesondere
Verfahren gegeben. So werden derzeit beispielsweise Ver- durch Laser-Auftragsverfahren höchst-temperaturfester
fahren zur Zerlegung und Sortentrennung der Werkstoffe Werkstoffe und Präzisionsbohrungen für optimierte Kühl-
in Handys mit „LIBS“ (Laser-induced breakdown spectro- strömungen ermöglicht. Der CO2-Ausstoß kann so syste-
scopy) entwickelt. matisch reduziert werden.
In der Agrarwirtschaft wird die lokal und temporal aufgelös- Der „3D-Druck“ ermöglicht völlig neue Designfreiheit in der
te Analyse von Wachstumszuständen durch Photonen zur gesamten Produktionstechnik. Leichtbau, Kollisionssicher-
exakten lokalen Dosierung von Düngemitteln und Herbizi- heit und Crashverhalten, Stabilität, Recycelbarkeit, Integra-
den eingesetzt. tion von Sensorik sind keine Zielkonflikte mehr. Mit einer
hochpräzisen Prozesskontrolle lassen sich zudem in Echt-
In der Medizin und in der Medizintechnik haben die photo- zeit verfügbare Messergebnisse nutzen, um die laufende
nischen Technologien längst eine Schlüsselrolle erreicht. Produktion anzupassen und Ausschussanteile zu minimie-
Die Vielfalt der Verfahren und Prozesse wird in Zukunft ren. „Industrie 4.0“, die systematische Kombination von
sowohl die „smarte Medizin“ als auch die „individualisierte Produktionsverfahren mit „Big Data“ und die Entwicklung
Medizintechnik“ systematisch vorantreiben. entsprechender Algorithmen bis hin zur „Künstlichen Intel-
ligenz“ lassen sich gerade mit „DPP“ (Digitaler Photonischer
Auch in der Energiegewinnung wie bei der Steigerung der Produktion) wegen ihrer systematischen Unabhängigkeit
Effizienz von Solarzellen sowie in der Energiespeicherung von Individualisierungsgrad und Losgrößen hervorragend
und -wandlung wie bei belastbaren und sicheren Batterie- verbinden.
zellen und kompakten elektrischen Antrieben für die Elek-
tromobilität tragen die photonischen Technologien zu einer
effizienten Fertigung entscheidend bei. Verschleiß- und Kor-
rossionsschutz mit umweltfreundlichen Werkstoffen sind be-
reits demonstriert. Die Fertigung kompakter Hochleistungs-
elektronik wird durch Werkstoff-adaptierte Fügeverfahren
hoch reproduzierbar. Im Bereich der Dünnschichttechnolo-
gie eignen sich Laser besser als jedes andere Werkzeug für
die wirtschaftliche und umweltfreundliche Erzeugung und
Modifikation extrem dünner, funktionaler Schichten – bei-
Einführung | 16Neue Designs und neue Funktionalitäten von Produkten beschrieben worden. Die Quantennatur der atomaren
und Komponenten werden durch die photonischen Verfah- Welt enthält Zustände, die besetzt und gleichzeitig unbe-
ren zu Lösungen der Herausforderungen der heute relevan- setzt sein können, was dann nur noch mit Wahrschein-
ten Megatrends beitragen. Produktivität, Qualität und De- lichkeiten beschrieben werden kann. Dies ist in unserem
signfreiheit versprechen den Akteuren aus der Industrie bei mechanischen Weltbild nicht vorstellbar. Intuitiv allerdings
voller Ausschöpfung Marktführerschaft in ihren jeweiligen ist schnell nachvollziehbar, dass unser Leben viel mit Wahr-
Branchen. scheinlichkeiten und dadurch hervorgerufenen Verände-
rungen zu tun hat. Quantencomputer „rechnen“ nicht mehr
AUSBLICK sequenziell, sondern überlagern Quantenzustände und
ermitteln so den Lösungszustand. Die Mächtigkeit ist dabei
Die Analyse der Bedeutung der Photonik, wie wir sie heute
so groß, dass mit weniger als hundert Quantensystemen
kennen, weiter entwickeln und anwenden, zeigt, dass hier
(z. B. Atomen) die Zahl aller Atome im ganzen Universum
die Zukunft gerade erst begonnen hat. Ein Ende der Wirk-
beschrieben werden kann.
samkeit weiterer Forschung ist nicht in Sicht: Im Gegenteil,
das Spektrum der Anwendungen – besonders in Verbin- Auch die Perspektive der Quantenkommunikation ist viel-
dung mit dem immer wichtiger werdenden Aspekt der versprechend, können so doch möglicherweise abhörsiche-
Nachhaltigkeit – wird immer breiter. re Kommunikationskanäle entwickelt werden. Durch Quan-
tenimaging können mit verschränkten Photonen materielle
Abschließend soll aber im Ausblick auch ein visionärer, Bereiche zugänglich gemacht und damit analysiert werden,
heute nicht wirklich begründbarer Aspekt der Photonik die so nicht zugänglich sind, was vielleicht eines Tages in
nicht fehlen: Die Quantentechnologie. Das Denken unserer der Medizin zu völlig neuen Möglichkeiten führt. Wird die
westlich orientierten Kulturen ist immer noch wesentlich Quantentechnologie fundamental neue Erkenntnisse brin-
durch das mechanische Weltbild geprägt. Eine Erweite- gen? Um zum Ausgangspunkt zurückzukehren: Könnte sie
rung erfolgte durch die Computertechnik und die mit ihr maßgebliche Beiträge zur gesellschaftlichen Entwicklung
verbundene Informationstechnologie. Die Digitalisierung liefern? Im technisch-wissenschaftlichen Bereich sehen
unserer Gesellschaften schreitet fort und zieht auch in die wir dieses Potenzial schon heute: so könnte man als Vision
Fertigungstechnik und Produktion ein. Die photonischen die Vorhersagbarkeit der atmosphärischen Veränderungen,
Technologien spielen dabei eine Schlüsselrolle und ermög- Treibhausgasentwicklung und Wetter über bisher unerreich-
lichen viele relevante Innovationen. bare Zeitskalen formulieren. Damit wäre eine völlig neue
und zuverlässige Basis für Nachhaltigkeit gegeben. Ver-
Wie geht es weiter? Die Volkswirtschaftswissenschaften schiedene Szenarien ergriffener Maßnahmen könnten
und die Sozialwissenschaften zeigen uns schon lange, simuliert werden und so die Vorhersage erwünschter Wir-
dass es in unserer Existenz keine Determinierbarkeit im kungen entscheidend einkreisen. Das wäre wirklich nach-
klassischen Sinne, keine auf Basisgesetze zurückführbare haltiges Handeln.
Kausalität wie in der Mechanik gibt. Die Komplexität und
Neben den technischen Perspektiven wären möglicher-
die Nichtlinearität der Wirkung von Ereignissen lassen eine
weise eines Tages auch die Konsequenzen soziologischer,
umfassende, Zukunft-beschreibende Modellierung solcher
volkswirtschaftlicher und gegebenenfalls sogar politischer
Systeme nicht zu.
Handlungen mit solchen Simulationen sehr viel besser ab-
schätzbar.
Auch in den „exakten“ Wissenschaften, in der Physik, die
ja die wissenschaftliche Grundlage aller unserer Techno- Die Geschichte der photonischen Technologien erscheint
logien darstellt, sind solche Phänomene entdeckt und noch lange nicht zu Ende.
„Wenn morgen alle Lichtquellen,
alle Laser und Sensoren abge-
schaltet würden, wäre es nicht nur
dunkel, es würde praktisch kein
einziger Menschen-gemachter
Prozess unseres normalen
Alltags mehr funktionieren.“
17
Prof. Dr. Reinhart Poprawe3 Milliarden Tonnen weniger CO2: Der globale Mindestbeitrag der Photonik zum Klimaschutz anhand ausgewählter Beispiele Der globale Klimaschutzbeitrag der Photonik | 18
SCHUTZ DES KLIMAS
INNOVATIONEN ZUM
Die Photonik bietet für unzählige Anwendungsfelder High-
tech-Lösungen, die aufgrund ihrer Eigenschaften, Einsatz-
möglichkeiten oder Wirkungsweisen maßgeblich zur Nach-
haltigkeit beitragen können. Anhand einiger Beispiele soll
TEMATYS
im Folgenden ausschnittweise das enorme Potenzial und Das französische Marktforschungs- und Beratungsunternehmen
TEMATYS mit Sitz in Paris hat sich auf Studien und Strategien
die Vielfältigkeit dieser Schlüsseltechnologie verdeutlich
in den Bereichen Optik, Photonik, Sensorik, Bildgebung, Werk-
werden. Einige Bereiche stehen dabei noch am Anfang stofftechnik und deren Anwendungsmärkten spezialisiert.
ihres Wachstumspfades, so etwa die optische Waldbrand- Die hier dargestellten Berechnungsbeispiele wurden von
früherkennung, das lasergestützte Metallrecycling oder die TEMATYS unter Berücksichtigung zahlreicher Studien, anderer
optische Kommunikation in 5G-Mobilfunknetzen. Andere Quellen sowie nach Gesprächen mit Branchenexperten kalkuliert.
konnten bereits in der Vergangenheit in einem erheblichen Ausführliche Hinweise zur
Maße zum Klimaschutz beitragen und haben doch weiter- Berechnung finden Sie hier:
hin ein enormes Potenzial, so etwa die Photovoltaik, LEDs www.spectaris.de/fileadmin/
download/greenphotonics
oder die Breitbandkommunikation über das Glasfasernetz.
Und auch in Technologiefeldern, in denen die Photonik ihre
Nachhaltigkeit bereits längst unter Beweis gestellt hat
Doch das ist nur ein Ausschnitt des Lösungsbeitrags der
und das Marktumfeld durch ausgereifte Produkte und einer
Photonik zur ökologischen Nachhaltigkeit, was die vielen
Marktsättigung gekennzeichnet ist, stehen neue, noch effi-
weiteren Anwendungsbeispiele dieser Studie zeigen.
zientere Lösungen bereits in den Startlöchern. Ein Beispiel
Das tatsächliche Potenzial ist enorm und noch sehr
dafür sind LED-Fernseher und deren potenzielle Nachfolger,
viel größer, lässt sich nur nicht exakt vorhersagen.
OLED- oder Quantum-Dot-Displays.
Indirektes Klimaschutzpotenzial der Photonik,
Alleine aus den in diesem Kapitel dargestellten acht Bei- dargestellt anhand ausgewählter Beispiele
spielen resultiert bereits heute ein indirekter Klimaschutz-
CO2eq-Vermeidung in Mio. Tonnen/Jahr
beitrag von 1,3 Mrd. Tonnen CO2eq pro Jahr. Es wird erwar- 4.500 Optische Kommunikation
in 5G-Mobilfunknetzen
tet, dass sich das Potenzial bis zum Jahr 2030 mehr als 4.000
Energieeffiziente Displays
verdoppelt. Mit einer globalen CO2-Einsparung von insge- 3.500 Laserunterstütztes
2.916 Mio. t CO2eq
Metallrecycling
samt 2,9 Mrd. Tonnen, davon 1,8 Mrd. Tonnen zusätzlich 3.000
Optische Waldbrand-
seit 2018, trägt die Photonik im Jahr 2030 zu 11 Prozent 2.500
2.214 Mio. t CO2eq früherkennung
zum 1,5-Grad-Klimaschutzziel und zu 22 Prozent zum 2.000
Optische Kommunikation
in Datenzentren
2-Grad-Pfad des Pariser Klimaabkommens bei. Kommunikation
1.500
1.125 Mio. t CO2eq über Glasfasernetze
In dieser Studie werden nur solche Technologien betrach- 1.000
Energieffiziente
tet, die noch nicht oder nur teilweise erschlossen sind (im 500 Beleuchtung
Sinne einer Verbreitung/Marktdurchdringung). Verglichen 0
Photovoltaik
2019e 2025e 2030e
wird die Nutzung der Technologie im jeweiligen Jahr mit
Quelle: TEMATYS
einem Zustand, in dem es diese Technologie nicht gibt
ELE
BERECHNUNGSBEISPI
(hypothetisch oder real).
ZIAL IM JAHR 2030 CO2-Vermeidung durch:
KLIMASCHUTZPOTEN Photovoltaik Seite 20
Energieeffiziente Beleuchtung Seite 21
–2,92 Mrd. Tonnen Optische Kommunikation
in Datenzentren Seite 22
CO2eq im Jahr 2030 Glasfaserkommunikationsnetze Seite 23
entspricht einem Beitrag von Energieeffiziente Displays Seite 24
Pariser
11 % zum Zielwert des
Optische Waldbrandfrüherkennung
Laserunterstütztes Metallrecycling
Seite 25
Seite 26
Klimaschutzabkommens Optische Kommunikation
zur Verringerung der Treibhausgas-Emissionen ggü. 2019 in 5G-Mobilfunknetzen Seite 27
Potenzialberechnung anhand ausgewählter Beispiele Quellenangaben der Berechnungen siehe Seite 28–30
Quelle: SPECTARIS/TEMATYS/era energy research
Der globale Klimaschutzbeitrag der Photonik | 19CO2-VERMEIDUNG
IK
DURCH PHOTOVOLTA
Die Erkenntnis, dass die Klimaschutzziele ohne den Anteil der Photovoltaik an der weltweiten Elektrizitätserzeugung
Ausbau des Anteils erneuerbarer Energien nicht erreich-
in %
bar sind, ist inzwischen in den Köpfen angekommen.
20
Die einfachste Solartechnologie ist die thermische Solar- 17,3%
technologie, bei der Sonnenenergie umgewandelt und 15
14,1%
Wärme gesammelt wird. Am vielversprechendsten jedoch 10,5%
ist die Photovoltaik, die aus Sonnenlicht Strom erzeugt. 10
6,7%
Die starke Verbreitung dieser Technologie im letzten Jahr- 5 3,1%
1,7%
zehnt hat zu einer schrittweisen Senkung der investiven
0
Kosten und der Betriebskosten geführt. Die Internationale 2017 2019 2025 2030 2035 2040
Agentur für erneuerbare Energien geht daher davon aus, Quelle: OECD/IEA, World Energy Outlook 2018 (Sustainable Policies-Szenario)
dass die Photovoltaik ab 2020 überall wettbewerbsfähig
zu fossilen Energieträgern sein wird [1]. Nicht nur aus Der Effizienzgrad der Photovoltaik in Bezug auf die Energie-
diesem Grund wird erwartet, dass ihr Anteil am globalen erzeugung und -speicherung steigt dabei kontinuierlich an
Energiemix auch in Zukunft weiterhin sehr stark zunehmen und begünstigt diese Entwicklung. Ein großer Vorteil der
wird. Weltweit setzen Länder auf den massiven Ausbau Photovoltaik ist zudem, dass die Produktion nahezu kohlen-
der Photovoltaik. Laut Berechnungen der Internationalen stofffrei erfolgt. Einige umfassende Studien zum Lebens-
Energieagentur (IEA) sollen im Jahr 2040 mehr als 17 Pro- zyklus von Photovoltaikanlagen zeigen, dass ihr Emissions-
zent des weltweit produzierten Stroms aus der Photovoltaik faktor im Bereich von 0,020 bis 0,050 tCO2eq/MWh liegt [3].
stammen [2].
Weltweite Energieproduktion durch Photovoltaik
TWh 2019 2025 2030
711 1.940 3.268
Quelle: TEMATYS, OECD/IEA [2, 4]
Weltweite Vermeidung von CO2 durch Photovoltaik
in Mio.t CO2eq/Jahr 2019 2025 2030
569 1.426 2.130
Quelle: TEMATYS [2, 4]
Die Auswirkungen auf den Klimaschutz sind dabei erheb-
lich: Bereits heute entspricht die mithilfe von Photovoltaik
erzeugte Energie nach TEMATYS-Berechnungen einer äqui-
valenten jährlichen Einsparung von rund 569 Millionen Ton-
nen CO2. Aufgrund der weiterhin steigenden Verbreitung
dieser Technologie wird sich dieser Effekt – unter der
Annahme einer nachhaltigen Politik (Sustainable Policies-
Szenario) – bis 2030 fast vervierfachen, was einer jähr-
lichen Vermeidung von dann 2.130 Millionen, also von
2,13 Milliarden Tonnen CO2eq entspricht.
Dank Solarzellen kann Sonnenenergie sehr effizient in elektrischen Strom umgewandelt werden.
Der Wirkungsgrad der Solarzellen erreicht im Labor bereits 45 Prozent.
Der globale Klimaschutzbeitrag der Photonik | 20RCH
CO2-VERMEIDUNG DU
BELEUCHTUNG (LED)
ENERGIEEFFIZIENTE Weltweiter Energieverbrauch durch Beleuchtung nach Arten
Etwa 15 Prozent [1] des weltweiten Energieverbrauchs ent- Weltweiter Energieverbrauch durch Beleuchtung nach Arten [in TWh]
fallen auf Beleuchtung. Entsprechend groß ist der bereits 4.500
realisierte und erwartete Klimaschutzeffekt durch den Ein- 4.000
3.500
satz energieeffizienter Lampen.
3.000
In den 1990er Jahren handelte es sich bei den installierten 2.500
2.000
Lichtquellen hauptsächlich um Glühlampen und Leuchtstoff-
1.500
röhren. Im Jahr 2008 hat die Europäische Union (EU) dann 1.000
das schrittweise Aus für die klassische Glühlampe beschlos- 500
sen. Ähnliche Gesetze wurden in vielen anderen Ländern 0
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
2021
2022
2023
2024
2025
2026
2027
2028
2029
2030
verabschiedet. Obwohl die installierte Lichtkapazität weiter
zunahm, zeigte der Einsatz von Energiesparlampen bereits Glühbirne Halogen Halogen-Metalldampflampen
Wirkung. Nach einem Höchststand im Jahr 2010 sank bei- Lineare Leuchtstofflampe Kompaktleuchtstofflampe
(„Energiesparlampe“)
spielsweise der Energieverbrauch für Beleuchtung in der EU LED-Lampen LED-Module
bis zum Jahr 2013 um mehr als 5 Prozent. Quelle: TEMATYS
Jetzt erleben wir die „LED-Revolution“ mit einer enorm ge- Obwohl die Lichtmenge sogar etwas zulegt, wird erwartet,
steigerten Effizienz von LEDs im Vergleich zu herkömm- dass die zunehmende Verbreitung der LED-Technologie
lichen Lichtquellen, die zu erheblichen Energieeinsparungen in 2030 zu einer Vermeidung von 503 Millionen Tonnen
und damit zu einer deutlichen Reduzierung der Treibhaus- CO2eq pro Jahr führen wird. Begünstigt wird diese Entwick-
gasemissionen führt. lung auch dadurch, dass der Effizienzgrad der LEDs weiter
steigt und smarte Beleuchtungssysteme die Nutzung
Ausgehend von einem weltweiten Energieverbrauch für
optimieren können.
Beleuchtung von 4.050 TWh in 2012 wird davon ausge-
gangen, dass in 2019 bereits eine Einsparung von 25 Pro- CO2-Reduktion durch energieeffiziente Beleuchtung
CO2eq-Vermeidung durch energieeffiziente Beleuchtung
zent (3.000 TWh) und im Jahr 2030 sogar von 50 Prozent
9.000 800
(2.000 TWh) realisiert werden kann. Danach wird sich der 8.000 700
Energieverbrauch zunächst stabilisieren, da zu diesem 7.000
600
6.000
Zeitpunkt ein großer Teil der installierten Basis LED-Lam- 500
5.000
pen und -Module sein werden. An Technologien, die noch 4.000
400
effizienter als LEDs sind, wird aber bereits geforscht. 3.000 300
2.000 200
1.000 100
0 0
2010
2011
2012
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2025
2026
2027
2028
2029
2030
CO2eq-Vermeidung in Mio. t (kumuliert) Kumulierte CO2eq-Vermeidung
CO2eq-Vermeidung in Mio. t (pro Jahr) Jährliche CO2eq-Vermeidung
Quelle: TEMATYS
Nachhaltigkeitseffekt durch
energieeffiziente Beleuchtung (LED)
2019 2025 2030
CO2eq-Vermeidung in Mio. t/Jahr 526 671 503
Quelle: TEMATYS
Die Photonik hat weiße LEDs entwickelt, die bei gleicher Helligkeit weniger als ein Zehntel
der Leistung einer Glühlampe benötigen.
Der globale Klimaschutzbeitrag der Photonik | 21RCH OPTISCHE
CO2-VERMEIDUNG DU
DATENZENTREN
KOMMUNIKATION IN
Im Zeitalter der Kommunikation und Digitalisierung steigt
die benötigte Rechenleistung kontinuierlich an. Lag die
Größe der von Rechenzentren verarbeiteten Daten in 2010
noch bei 1 Exabyte (1 EB entspricht 1 Mio. Terrabyte), wird
bis 2030 ein Anstieg auf 220 Zettabyte (1 ZB entspricht
1 Mrd. Terrabytes) erwartet. [1]
Ausgehend von einem weltweiten Energieverbrauch von
180 TWh für 4 ZB in 2014 läge der Energieverbrauch von
Datenzentren im Jahr 2030 damit bei 9.900 TWh.
Der Energieverbrauch von Rechenzentren verteilte sich Darüber hinaus wird eine Verringerung der Wattstunden (Wh)
2014 dabei etwa wie folgt: Mehr als 40 Prozent entfallen je Byte im IT-Netzwerk, also in den Mobil- und Kabelnetz-
auf die allgemeine Infrastruktur, weniger als 10 Prozent werken der Rechenzentren, angestrebt. Die optische Daten-
auf Beleuchtung sowie Geräte für die unterbrechungsfreie übertragung spielt dabei eine wichtige Rolle [5]. Deutliche
Stromversorgung (USV) und rund 50 Prozent auf die sog. Effekte haben sich bereits durch die Substitution von Kupfer-
IT-Infrastruktur, dazu zählen CPUs, Speicher und das durch optische Verbindungen ergeben. Diese Entwicklung
IT-Netzwerk [4]. Doch diese Anteile ändern sich. ist praktisch abgeschlossen. Anstrengungen zur weiteren
Verbesserung des Wh-Byte-Verhältnisses, etwa durch den
Um einer möglichen drastischen Erhöhung der Treibhaus-
Einsatz von Silizium-Photonik (Silicon Photonics) und ande-
gas(THG)-Emissionen entgegenzuwirken, nutzen die Be-
rer optischer Innovationen insbesondere in elektronischen
treiber der Rechenzentren mehrere Wege.
Schaltkreisen, können dort zu einer jährlichen Energie-
Einerseits wird Strom aus erneuerbaren Energien wie der einsparung von über 4 KWh in 2030 führen [6, 7].
Photovoltaik bezogen. Daneben wird eine Verbesserung
des Power Usage Effectiveness (PUE)-Wertes angestrebt.
Dieser setzt die insgesamt in einem Rechenzentrum ver-
brauchte Energie (u. a. für Kühlung) ins Verhältnis mit der
Energieaufnahme der IT-Infrastruktur. Entsprechende Maß-
nahmen versprechen eine sehr große Hebelwirkung und
so wird davon ausgegangen, dass der Energieverbrauch Weltweiter
WeltweiterEnergieverbrauch
Energieverbrauchvon
vonDatenzentren
Datenzentren
im Jahr 2030 bei unter 700 TWh statt bei den oben hoch-
TWh TWh
gerechneten 9.900 TWh liegen wird. 700 5
Weltweiter IP Traffic von Datenzentren 600
4
500
Weltweiter IP-Verkehr in Datenzentren 3
400
250
300 2
200 200
1
100
150
0 0
2019 2025 2030
100
Erwartete Energieeinsparung durch optische Innovationen im IT-Netzwerk
50 Energieverbrauch von Datenzentren insgesamt
0 Quelle: TEMATYS
2018
2019
2020
2021
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2023
2024
2025
2026
2027
2028
2029
2030
Nachhaltigkeitseffekt innovativer
Zettabyte/Jahr (1 ZB = 1 Mrd. Terrabyte)
Quelle: CISCO Global Cloud Index, 11/2018 [1]
Photoniknetzwerkkomponenten in Rechenzentren
2019 2025 2030
TWh-Einsparung/Jahr 0,4 1,37 4,21
CO2eq-Vermeidung in Mio. t/Jahr 0,2 0,55 1,1
Quelle: TEMATYS
Integrierte photonische Schaltkreise an Datenzentren vermeiden die verlustreiche Umwandlung
optischer in elektrische Signale und zurück.
Der globale Klimaschutzbeitrag der Photonik | 22Sie können auch lesen
