Kann das Wood Wide Web das Stromnetz der Zukunft inspirieren?

Die Natur hat im Laufe von Hunderten von Millionen Jahren atemberaubende Lösungen entwickelt. Sie ist eine fantastische Quelle von Wissen und Erkenntnissen. Wir müssen uns von ihr inspirieren lassen und ihre Lehren in verschiedenen Maßstäben und Bereichen umsetzen. Biomimikry und Bioinspiration können zu überraschenden Lösungen führen. Sie sind manchmal umsetzbar, manchmal utopisch…

Die Natur ist eine immense Quelle von Wissen und Erkenntnissen. Im Zusammenhang mit dem dringenden Klimaschutz haben die von der Natur entwickelten Lösungen zwei bemerkenswerte Eigenschaften. Die Natur macht niemals Abfall! Die Blätter fallen ab und werden von Insekten, Mikroorganismen usw. abgebaut. Diese wiederum entwickeln sich, bevor sie den Bäumen als Nährstoffe dienen, wodurch eine „Kreislaufwirtschaft“ entsteht. Die Natur hat nachhaltige und resiliente Lösungen entwickelt. „Wir führen einen Kampf gegen die Natur. Wenn wir ihn gewinnen, sind wir verloren“, sagt Hubert Reeves. Die Natur ist viel widerstandsfähiger als wir; sie wird zweifellos einen Weg finden, um mit oder ohne uns ein Gleichgewicht herzustellen…

Bio-Inspiration und erneuerbare Energien…

Windkraftanlagen profitieren natürlich von Studien im Zusammenhang mit der Luftfahrt. Im letzten Jahrzehnt wurde ein breites Spektrum an Forschungsarbeiten durchgeführt. Buckelwale haben anmutige, präzise und fließende Bewegungen. Ihre Flossen besitzen gezackte Ränder – sogenannte Tuberkel -, die Turbulenzen minimieren. Angewandt auf die Rotorblätter von Windkraftanlagen verbessern sie den Wirkungsgrad unter bestimmten Bedingungen um bis zu 20 %.

Ein anderes Beispiel kommt von Eulen. Die Lärmbelästigung durch Windkraftanlagen veranlasste nämlich einen Mathematikprofessor aus Cambridge, sich mit diesen Flügeln zu beschäftigen. Durch seine Untersuchung konnte er feststellen, dass die Flügel – während des Fluges – flaumig werden und dass die Vorder- und Hinterkanten unterschiedliche Eigenschaften haben. Diese Eigenschaften erklären den lautlosen Flug der Eulen. Der erste Prototyp des Materials führte zu einer Lärmreduzierung von 10 dB, ohne die Leistung der Windkraftanlage zu beeinträchtigen. Ein solcher Ansatz könnte den Eindruck erwecken, dass es Lösungen gibt und man nur die Punkte miteinander verbinden muss. Sicherlich, aber es ist nicht immer so einfach. Viele Lösungen scheitern an der Industrialisierung oder der Investitionsrendite.

 

Erneuerbare Energien: Ein Übergang, zwei Herausforderungen

Die Energiewende verläuft in zwei Phasen. Die erste Phase besteht darin, einen Teil des Bedarfs durch die Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen – also wetterabhängig – zu decken. In der zweiten Phase geht es darum, die erzeugte Energie dann zu verbrauchen, wenn sie gebraucht wird, oder zu lernen, sie zu speichern. Es gibt drei Ansätze, um die Autarkie zu erhöhen: die Integration physischer Elemente (z. B. Batterien), digitaler Elemente (z. B. Blockchains zur Vereinfachung von Transaktionen bei dezentraler Erzeugung) oder Verhaltensänderungen. Obwohl die Herausforderung für einen Privatmann und ein Stromnetz die gleiche ist, werden die Lösungen mit zunehmender Anzahl der Beteiligten komplexer. Edge Computing ist die Art und Weise, wie Big Data eine seiner Grenzen gelöst hat, nämlich die Überlastung des Netzes. Die Analogie zeigt einen interessanten Weg auf.

Eine vom „Edge Computing“ inspirierte Vision des zukünftigen Stromnetzes…

Die Entwicklung von Big Data wird durch die Grenzen der Datenübertragung vom Sammelpunkt zur Cloud (z. B. zwischen einer Uhr oder einem angeschlossenen Temperatursensor und der Cloud) eingeschränkt. Die Einbeziehung dieser Einschränkung hat dazu geführt, dass ein Teil der Daten lokal am Sammelpunkt verarbeitet und nur die Ergebnisse übertragen werden. Dadurch wird die Belastung des Netzes begrenzt. Es ist der Übergang von einem zentralisierten Netzwerk zu einer Sammlung von teilweise autonomen und miteinander verbundenen Maschen. Die Natur ist aber auch eine Quelle des Wissens auf der Ebene komplexerer oder abstrakterer Systeme. Die Gegenüberstellung der Visionen des zukünftigen Stromnetzes mit den von der Natur gebotenen Beispielen ist inspirierend.

…sondern auch des Wood Wide Web

Studien, die sich mit den Beziehungen zwischen Bäumen beschäftigen, zeigen Strategien von unerwarteter Vielfalt und Komplexität auf. Das von der Wissenschaftlerin Suzanne Simard beschriebene „Wood Wide Web“ zeigt, dass das Mykorrhiza-Netzwerk (die Verbindung von Wurzeln mit Pilzen) die Bäume miteinander verbindet und den gesamten Wald in ein Ökosystem einbindet. Innerhalb dieses wird eine große Vielfalt an Informationen ausgetauscht. Wenn Pflanzenfresser zum Beispiel zu viel Akazienlaub fressen, geben die Akazien Ethylen ab. Diese Verbindung signalisiert den Nachbarbäumen die Gefahr, die ihre Blätter mit Tanninen anreichern, die sie bitter und giftig machen. In anderen Fällen sorgen flüchtige organische Substanzen, die von den Pflanzen freigesetzt werden, dafür, dass sie ihr Mikroklima regulieren können, sodass es feucht und kühl ist.

Der Transport und zum Teil auch die Speicherung werden durch das Mykorrhiza-Netzwerk gewährleistet. Es ermöglicht den Bäumen, nicht nur das für die Photosynthese notwendige CO2 zu übertragen, sondern auch Phosphor, Stickstoff, Wasser oder sogar Zucker zu senden. Einen Wald als komplexes System zu betrachten, das Verbraucher, Produzenten und Produzenten/Verbraucher miteinander verbindet, ist zweifellos eine Vision für das Stromnetz der Zukunft. Insbesondere, wenn dieses Netz die Verbindung zwischen den einzelnen statischen Einheiten durch ein dichtes und komplexes Netz sicherstellt, das den Austausch, die Speicherung, die Kommunikation und die Suche nach Alternativen ermöglicht, wenn ein Knotenpunkt verschwindet. Utopie oder Realität? Sollten wir uns in einer Zeit, in der kreative und inspirierende Lösungen gefragt sind, nicht „mit staunendem Blick der Natur zuwenden“? (Peter Wohlleben, „Das geheime Leben der Bäume“).

LAURENT RAEBER Geschäftsführer Swiss EnergyPark & Société Mont-Soleil

Von |2023-04-19T23:55:24+02:0019. April 2023|News DE|

Can the Wood Wide Web inspire the power grid of the future?

Nature has developed amazing solutions over hundreds of millions of years. It is a fantastic source of knowledge and understanding. We need to draw inspiration from it and translate its lessons at different scales and in different sectors. Biomimicry and bioinspiration can bring surprising solutions. They are sometimes applicable, sometimes utopian…

Nature is an immense source of knowledge. In the context of the climate emergency, the solutions developed by nature have two remarkable characteristics. Nature never makes waste! Leaves fall and are degraded by insects, micro-organisms, etc. These in turn grow and serve as nutrients for the trees, creating a „circular economy“. Nature has developed sustainable and resilient solutions. „We are fighting a battle against nature. If we win it, we are lost!“ says Hubert Reeves. Nature has much better resilience capacities than we do; it will undoubtedly find a way to rebuild a balance with or without us…

Bio-inspiration and renewable energies…

Wind turbines naturally benefit from studies related to aeronautics. In the last decade, a wide range of research has been conducted. Humpback whales have grace, precision and fluidity in their movements. Their fins have scalloped edges – called tubercles – that minimize turbulence. Applied to wind turbine blades, they improve efficiency by up to 20% under certain conditions.

Another example comes from owls. The noise pollution from wind turbines prompted a Cambridge mathematics professor to investigate these birds. His investigation allowed him to determine that the wings – during flight – become fluffy and that the leading and trailing edges have different properties. These characteristics explain the silent flight of owls. The first prototype material resulted in a noise reduction of 10 dB without altering the performance of the wind turbine. This type of approach may lead one to believe that the solutions exist and that it is „enough“ to connect the dots! Certainly… but it is not always that simple! Many solutions do not pass the industrialization or return on investment hurdle.

 

Renewable energies: one transition, two challenges

The energy transition takes place in two phases. The first is to cover part of the needs by the production of electricity from renewable sources – thus linked to weather conditions. The second is to consume this production when it occurs, or to learn to store it. There are three approaches to increase self-sufficiency: the integration of physical elements (e.g. batteries), digital elements (e.g. blockchains to facilitate transactions of decentralized production) or behavioral changes. Although the challenge is the same for a private individual and for an electrical network, the solutions are more complex as the number of stakeholders increases. Edge computing is how big data has solved one of its limitations, namely grid congestion. The analogy shows an interesting lead.

A vision of the future electrical network inspired by „edge computing“…

The evolution of big data is constrained by the limits of data transmission from the point of collection to the cloud (e.g. between a watch or a connected temperature sensor and the cloud). The integration of this constraint has led to process part of the data locally at the point of collection and to transmit only the results. This limits the load on the network. This is the transition from a centralized network to a collection of partially autonomous and interconnected meshes. But nature is also a source of knowledge at the level of more complex or more abstract systems. The confrontation of visions of the future electricity grid with examples offered by nature is inspiring.

…but also from the Wood Wide Web

Studies of the relationships between trees reveal strategies of unexpected variety and complexity. The „Wood Wide Web“ described by scientist Suzanne Simard shows that the mycorrhizal network (the association of roots with fungi) connects trees to each other and integrates the entire forest into an ecosystem. In the latter, a wide variety of information is exchanged. For example, if herbivores consume too much acacia foliage, the trees emit ethylene. This compound signals the danger to neighboring trees, which enrich their leaves with tannins that make them bitter and toxic. In other cases, volatile organic substances released by the plants allow them to regulate their microclimate so that it is humid and fresh.

The transport, and in part the storage, are ensured by the mycorrhizal network. It allows trees to transmit not only the CO2 necessary for photosynthesis, but also to send phosphorus, nitrogen, water or even sugars. Considering a forest as a complex system, which connects consumers, producers and producers/consumers, is undoubtedly a vision of the electrical network of tomorrow. Especially if this network ensures a link between each static entity thanks to a dense and complex mesh that allows to exchange, store, communicate and find alternatives if a node disappears. Utopia or reality? At a pivotal moment when creative and inspired solutions are needed, shouldn’t we „turn to nature with a look of wonder“? (Peter Wohlleben, „The Secret Life of Trees“).

LAURENT RAEBER CEO Swiss EnergyPark & Société Mont-Soleil

Von |2023-04-19T23:55:09+02:0019. April 2023|Posts EN|

Le Wood Wide Web peut-il inspirer le réseau électrique du futur?

La nature a mis au point des solutions époustouflantes durant des centaines de millions d’années. Elle est une fantastique source de savoir et de connaissances. Il faut s’en inspirer et traduire ses enseignements à différentes échelles et dans différents secteurs. Le biomimétisme et la bioinspiration peuvent apporter des solutions surprenantes. Elles sont parfois applicables, parfois utopistes…

La nature est une source immense de savoir et de connaissances. Dans le contexte de l’urgence climatique, les solutions mises au point par la nature présentent deux caractéristiques remarquables.
La nature ne fait jamais de déchet! Les feuilles tombent et sont dégradées par des insectes, des micro-organismes, etc. Ces derniers se développent à leur tour avant de servir de nutriments aux arbres, créant ainsi une «économie circulaire».
La nature a mis au point des solutions durables et résilientes. «Nous menons un combat contre la nature. Si nous le gagnons, nous sommes perdus!» nous dit Hubert Reeves. La nature a des capacités de résilience bien meilleures que les nôtres; elle trouvera sans doute une voie pour reconstruire un équilibre avec ou sans nous…

La bio-inspiration et les énergies renouvelables…

Les éoliennes profitent naturellement des études liées à l’aéronautique. Au cours de cette dernière décade, une large gamme de recherches ont été menées.
Les baleines à bosses ont une grâce, une précision et une fluidité dans leurs mouvements. Leurs nageoires possèdent des bords festonnés – appelés tubercules – qui minimisent les turbulences. Appliquées à des pales d’éoliennes, elles améliorent le rendement jusqu’à 20% dans certaines conditions.

Un autre exemple nous vient des chouettes. En effet, les nuisances liées au bruit des éoliennes ont poussé un professeur de mathématiques de Cambridge à s’intéresser à ces volatiles. Son enquête lui a permis de déterminer que les ailes – lors du vol – deviennent duveteuses et que les bords d’attaque et de fuite ont des propriétés différentes. Ces caractéristiques expliquent le vol silencieux des chouettes. Le premier prototype de matériau a permis une réduction du bruit de 10 dB sans altérer le rendement de l’éolienne.
Ce type d’approche peut laisser croire que les solutions existent et qu’il «suffit» de relier les points! Certainement… mais ce n’est pas toujours aussi simple! Passablement de solutions ne passent pas la rampe de l’industrialisation ou du retour sur investissement.

 

Les énergies renouvelables: une transition, deux défis

La transition énergétique se déroule en deux phases. La première consiste à couvrir une partie des besoins par la production d’électricité d’origine renouvelable – donc liée aux conditions météorologiques. La seconde est d’arriver à consommer cette production au moment où elle a lieu; ou alors d’apprendre à la stocker. Trois approches permettent d’augmenter l’autarcie: l’intégration d’éléments physiques (par exemple des batteries), d’éléments digitaux (par exemple des blockchains pour faciliter les transactions d’une production décentralisée) ou des changements de comportements. Bien que l’enjeu soit le même pour un privé et pour un réseau électrique, les solutions sont plus complexes à mesure que le nombre d’intervenants augmente.
Le «edge computing» est la manière dont le big data a solutionné une de ses limites, soit l’engorgement du réseau. L’analogie montre une piste intéressante.

Une vision du futur réseau électrique inspirée du „edge computing“…

L’évolution du big data est contrainte par les limites de transmissions des données du point de collecte au cloud (par exemple entre une montre ou un capteur de température connecté et le cloud). L’intégration de cette contrainte a conduit à traiter une partie des données localement au point de récolte et de ne transmettre que les résultats. Ceci limite la charge sur le réseau. C’est la transition d’un réseau centralisé à une collection de mailles partiellement autonomes et interconnectées.
Mais la nature est aussi une source de connaissances au niveau de systèmes plus complexes ou plus abstraits. La confrontation des visions du futur réseau électrique avec les exemples offerts par la nature est inspirante.

…mais aussi du Wood Wide Web

Les études portant sur les relations entre les arbres mettent en évidence des stratégies d’une variété et d’une complexité inattendues.
Le «Wood Wide Web» décrit par la scientifique Suzanne Simard montre que le réseau mycorhizien (l’association des racines avec des champignons) connecte les arbres entre eux et intègre l’ensemble de la forêt dans un écosystème. Dans ce dernier, une variété importante d’information est échangée. Par exemple, si les herbivores consomment trop de feuillage d’acacia, ces derniers émettent de l’éthylène. Ce composé signale le danger aux arbres voisins qui enrichissent leurs feuilles en tanins qui les rendent amères et toxiques. Dans d’autres cas, des substances organiques volatiles libérées par les plantes leur permettent de réguler leur microclimat pour qu’il soit humide et frais.
Le transport, et en partie le stockage, sont assurés par le réseau mycorhizien. Il permet aux arbres de transmettre non seulement le CO2 nécessaire à la photosynthèse, mais aussi d’envoyer du phosphore, de l’azote, de l’eau ou même des sucres.
Considérer une forêt comme un système complexe, qui connecte des consommateurs, des producteurs et des producteurs/consommateurs constitue sans doute une vision du réseau électrique de demain. Spécialement si ce réseau assure un lien entre chaque entité statique grâce à un maillage dense et complexe qui permet d’échanger, de stocker, de communiquer et de trouver des alternatives si un noeud disparait.
Utopie ou réalité? un moment charnière ou des solutions créatives et inspirées sont nécessaires, ne faudrait-il pas, «se tourner vers la nature avec un regard émerveillé»? (Peter Wohlleben, «La Vie secrète des Arbres»).

LAURENT RAEBER
Directeur Swiss EnergyPark & Société Mont-Soleil

Von |2023-04-19T23:54:33+02:006. April 2022|News FR|
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