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Samstag, 30. Juli 2011

Energiesparen

“Die beste Energiequelle ist Energiesparen”

Diese beliebte Formulierung, die man unter anderem im SPD Wahlprogramm findet, klingt sehr einleuchtend. Und das ist auch schon das Problem, eine einleuchtende Formulierung zu wiederlegen erfordert wesentlich mehr gedankliche Schärfe, als unsinnig klingende Forderungen.
Zunächst ist es natürlich physikalischer Unsinn, da Sparen natürlich keine Energiequelle ist. Genausowenig wie das Nichtautokaufen die beste Autofabrik ist. Aber an diesem eher sophistischem Argumentationsstrang will ich mich nicht aufhalten.
Welchen Vorteil hat Energiesparen? Man spart Geld! Und in der Tat ist, bei einem Strompreis von etwa 20ct/kWh, sparen sehr reizvoll, insbesondere wenn man bedenkt, dass die Herstellung des Stroms nur 7ct/kWh kostet. Man spart nämlich Steuern, und wer will das nicht? Die Funktion von Steuern ist, ein bestimmtes Verhalten zu steuern, und hier will der Gesetzgeber offensichtlich die Einsparung von Strom erreichen. Da die meisten Steuern schon viele Jahre existieren, sollte man vermuten, dass sie auch ihre Steuerungswirkung erfüllt haben. Daher blicken wir einmal in einen Haushalt, in den Haushalten werden 27% des Stroms verbraucht.

Abbildung: Stromverbrauch im Haushalt, Deutschland liegt mit 3500 kWh pro Jahr im Vergleich zu anderen Ländern in der unteren Hälfte!

Immer mehr Elektrogeräte

Die Zahl der Elektrogeräte übertrifft inzwischen die Zahl der Steckdosen in der Wand bei weitem, daher werden häufig im Diskounter Steckdosenleisten angeboten. Der einfache Besitz von Elektrogeräte ist aber noch kein Energieverbrauch, sieht man von dem Herstellungsaufwand und manchmal auftretenden Standbyverbrauch ab.
Richtig viel Strom wird erst gebraucht, wenn die Geräte eingeschaltet werden, wenn der Toaster glüht, die Waschmaschine wäscht, der Herd zum Kochen verwendet wird, die Mikrowelle den Kaffee aufwärmt, der Radio spielt, der Computer rechnet, der Brotbackautomat backt, der Fernseher läuft, die Stehlampe leuchtet, der Föhn die Haare trocknet, der Staubsauger die Wohnung reinigt, die Bohrmaschine bohrt, der elektrische Schraubenzieher dreht, der Eierkocher kocht, der Kühlschrankt kühlt, das Raclett bruzzelt, der Drucker druckt, die Nähmaschine näht, der Mixer mixt, das Babyphone quäkt, das Handy lädt, der Treppenlift fährt und das Heizkissen wärmt.
Das war sicher eine viel zu kurze Aufzählung, aber jedes dieser Geräte erfüllt eine Aufgabe, daher immer die verschiedenen Verben. Und jeden Menschen, den ich frage, sagt, er selbst verschwendet keine Energie, aber der Nachbar, der hat einen Wäschetrockner, einen Whirlpool, eine Sauna, eine Wärmelampe, eine elektronische Orgel, und so weiter.
Frage ich aber den Nachbarn, so hat auch der gute Gründe, mangelnde Zeit, gesundheitliche Gründe, ein kleines Baby, Freude an Musik und so weiter.
Abbildung: Und so teilt sich der Strombedarf im Haushalt auf. Jeder kann sich fragen: Wo macht Sparen am meisten Sinn? (Bildquelle: Wikipedia)

Nach diesen Beobachtungen glaube ich nicht, dass viele Menschen selbst auf die angenehmen Dienste der elektrischen Geräte verzichten wollen. Die Betonung liegt auf selbst, was die Anderen tun sollten, sollte erstmal deren Sorge bleiben, sie zahlen dafür auch ordentlich Stromsteuern.

Technische Lösungen

Bleibt als zweiter Ansatz Energiesparen durch technische Lösungen. Da bedeutet, dass Ingenieure versuchen, den gleichen Service, etwa saubere Wäsche, gekühlte Lebensmittel, mit weniger Strom zu erreichen. Dies gelingt auf jeden Fall!
Allerdings gibt es da mehrere Probleme. Das erste Problem ist, dass viele technische Lösungen auch einen deutlich erhöhten Aufwand nach sich ziehen, nicht zuletzt die Entwicklungskosten müssen bezahlt werden. Weiterhin haben viele Lösungen unerfeuliche Nebenwirkungen, die Sparlampe hat Quecksilber und leuchtet kalt, der Sparkühlschrank hat weniger Stauraum und mehr Isolation, die sparsame Waschmaschine braucht länger bis sie fertig ist.
Viele dieser Nachteile kann man ertragen so haben sich inzwischen Menschen an die weniger schönen Farben beim Essen unter der Sparlampe gewöhnt. Manchmal weichen die Menschen einfach aus und kaufen einen viel größeren Kühlschrank, da die A+ Klasse die Größe nicht berücksichtigt, kann dieser sogar mehr Strom als der kleine Kühlschrank benötigen.
Wesentlich schwieriger ist das Problem der Investition. Jede Einsparung durch technisch bessere Geräte erfordert das Kaufen von neuen Geräten. Und diese Investitionen müssen sich lohnen. In der Industrie gibt es dafür exakte Rechenmethoden, im Privatbereich spielt häufig das gefühlte Sparen eine Rolle.
Kaufen wir einen neuen Kühlschrank, so ist zuerst ein erheblicher Betrag zu zahlen, diese Zahlung wird als unangenehm empfunden. Danach wird die Stromrechnung um etwa sechs Euro pro Monat sinken, dies wird praktisch nicht wahrgenommen, da viele die Stromrechnung automatisch abbuchen lassen. Nach vielleicht zehn Jahren hat sich der Kühlschrank amortisiert, und das tatsächliche Energiesparen beginnt! Doch jeder von uns weiß, dass nach zehn Jahren häufig die eigene Lebenssituation anders ist, dass die Technik sich verändert hat oder dass Geräte defekt werden. Daher ist die Investition in das Energiesparen immer Risikobehaftet, man kann nicht sicher sein, ob man erstens wirklich Energie spart, und zweitens, ob es sich jemals rechnet. Das dürfte der tiefere Grund sein, warum viele weiterhin genau die Geräte verwenden, die bereits seit Jahren ihren Dienst tun.
Betrachtet man dieses Einzelverhalten auf einer makroökonomischen Ebene, also für das ganze Land, so sieht man, dass der Stromverbrauch in den letzten 20 Jahren im wesentlichen konstant geblieben ist, obwohl alle Geräte heute mit wesentlich energieeffizienterer Technik ausgestattet sind.

Donnerstag, 28. Juli 2011

Energieverbrauch pro Person

Seit Erfindung des Feuers benötigt der Mensch mehr Energie, als er rein über die Nahrung aufnimmt. Aber erst seit der verstärkten Industrialisierung im 19. Jahrhundert werden wesentliche Mengen von fossilen Energieträgern genutzt. In der heutigen Welt unterscheiden sich die Gesellschaften sehr stark durch ihren absoluten und spezifischen Energieverbrauch. Es gibt eine klare Relation zwischen materiellem Wohlstand und Energieverbrauch. So haben Länder mit geringem Bruttosozialprodukt tendenziell einen niedrigeren Energieverbrauch pro Person als reiche Länder, die oft ein vielfaches an Energie verbrauchen als arme Länder.

Abbildung: Im Vergleich zu anderen Industrieländern mit vergleichbarem Bruttosozialprodukt (GDP) ist der elektrische Energieverbrauch, mit 7762kWh/a  pro Person in Deutschland, mäßig.

Dabei spielt der Energiepreis in den jeweiligen Ländern eine erhebliche Rolle, wenn Energie sehr preiswert ist, wird auch relativ viel davon verbraucht.
Der Energieverbrauch in Deutschland ist im Vergleich zu den anderen Industrieländer im unterem Bereich [Quelle: Gapminder/IEA und andere]. Für jeden der 80 Millionen Einwohner Deutschlands wurden 7762 kWh (2006) Strom produziert. Davon wurden nur 2000 kWh privat verbraucht, fast die Hälfte des Stroms wird von der Industrie für die Herstellung von wertvollen Produkten benötigt. Handel und Gewerbe kühlen nicht zuletzt unsere Lebensmittel, öffentliche Einrichtungen wie Finanzamt und Klärwerk benötigen acht Prozent der elektrischen Energie um ihre Aufgabe zu bewältigen und der elektrische Bahnverkehr weitere drei Prozent zum Transport von Personen und Gütern. Ein Teil des produzierten Stroms, etwa zehn Prozent, geht in den Stromleitungen und Transformatoren bei der Verteilung verloren.  
Abbildung: Diese Herdplatte verbraucht genau so viel Strom, ~1kW, wie jeder Deutsche permanent an Strom verbraucht!

Berücksichtigt man, dass ein Jahr 356 Tage hat, dann nutzt jeder Deutsche im Durchschnitt permanent 886 W elektrischen Strom. Das entspricht mehr als fünf gleichzeitig laufenden Fernsehern oder einer Herdplatte, die immer eingeschaltet ist. Auch hier wieder, nur ein kleiner Teil des Verbrauchs findet im Privathaushalt statt, Strom wird von der Gesellschaft an sehr vielen Stellen, vom Krankenhaus bis zur Straßenbeleuchtung benötigt.

Stromverbrauch ist aber nur die Spitze des Eisbergs, wenn es um Energieverbrauch geht!
Für eine vollständige Betrachtung der Energieströme ist es sinnvoll, den Verbrauch aller Energieträger, Kohle, Braunkohle, Benzin, Öl, Gas unter den Begriff Primärenergie zusammenzufassen. Allerdings ist der Begriff etwas mehrdeutig, da auch Energieformen wie Wind, Wasserkraft, Solarenergie und Biomasse bei der Rechnung berücksichtigt werden. Der erzeugte Strom aus erneuerbare Quellen wird einfach dem Primärenergieverbrauch zugeschlagen. Unabhängig von einer exakten physikalischen Betrachtug. Erst durch die Analyse des Primärenergieverbrauchs erhält man ein vollständiges Bild von den Energieströmen die für die Aufrechterhaltung unseres Lebensstandards notwendig erscheinen.

Der Primärenergieverbrauch liegt bei 47.719kWh pro Jahr und Person, darin ist, wie bereits angemerkt, jede Form von Energie enthalten, unter anderem Erdöl, Steinkohle, Erdgas, umgewandelte Solarenergie und Windstrom und andere Energieformen. [http://goo.gl/VfUZM]

Rechnet man den Primärenergieverbrauch auf eine kontinuierliche Leistung um, so erhält man für jeden Deutschen eine Durchschnittsleistung von  5440 W oder 5,4 kW. Das entspricht dem Verbrauch eines Kleinwagens, der permanent durch die Landschaft fährt.
Will man die Energieversorgung ohne Einschränkungen des Komforts beibehalten, so muss eine zukünftige Energieversorgung diese Leistung liefern können. Einige argumentieren, dass in Zukunft erheblich Energie eingespart werden kann. Allerdings sollte man nicht übersehen, dass die Menschen immer mehr Komfort nutzen, nicht zuletzt, weil die Menschen im Durchschnitt älter werden. So hat sich der Kraftstoffverbrauch von Autos im Lauf von vierzig Jahren praktisch nicht verändert, obwohl die Motoren erheblich sparsamer wurden. Die zurückgelegte Strecke pro Einwohner ist erheblich gewachsen, was in der Summe zu einem Verbrauchswachstum geführt hat.
Eine weitere interessante Größe für die Bedeutung des Stromverbrauchs ist die Lebenserwartung in einem Land. Nur in Ländern, die mehr als 5.000kWh Strom pro Einwohner und Jahr verbrauchen, liegt die Lebenserwartung über 80 Jahre. Dies ist zumindest ein statistisch eindeutiger Zusammenhang wenn man den Daten der Weltbank glauben schenkt [http://goo.gl/aOCbc]. Es ist sehr schwer vorstellbar, dass es zukünftig eine Bereitschaft zum Energieeinsparen gibt, wenn man damit nicht die Lebensqualität und damit die Lebenserwartung erhalten oder steigern kann.

Sonntag, 24. Juli 2011

Kostengünstiger Strom

Wenn man auf dem Solarserver die Meldung:

"Solarstrom verursacht Preiseinbruch an Strombörse: Am 16. Juli sank der Strompreis an der der EEX zur Mittagszeit auf Nachtstrom-Niveau" (21.7.2011 Solarserver)
liest, dann freut sich der Normalbürger, in der Solarbranche folgt dann die Bemerkung:
"Jeder Anlagenbetreiber kann spätestens seit dem 16. Juli 2011 erkennen, dass an der Börse immer dann niedrige Preise vorherrschen werden, wenn Solar- und Windkraftanlagen besonders viel Strom produzieren." (21.7.2011 Solarserver)

Und genau damit ist man am Kern des Problems angekommen. Obwohl der Solarstrom mit weit über 20ct/kWh vergütet wird, ist er auf dem Markt, zum Zeitpunkt der Produktion am Tag, nur 2ct/kWh wert. Sollte das Angebot an Solarstrom weiter wachsen, wird der Marktwert sogar noch weiter fallen.

Das bedeutet aber, dass in dieser Form eine ökonomische, marktwirtschaftliche Erzeugung von Solarstrom völlig unmöglich ist. Insbesondere rechnet niemand damit, dass die Erzeugung von Solarenergie um den Faktor 10 billiger wird.

Allerdings gibt es einen Ausweg, wenn es möglich wäre, den Strom dann zu verkaufen, wenn der Strompreis hoch ist. Dies sollte eigentlich in der Nacht der Fall sein, wenn keine Sonne scheint. Dass dies nicht der Fall ist, liegt daran, dass immer noch sehr viele Grundlastkraftwerke in der Nacht Strom produzieren, wenn er nicht gebraucht wird. Dies wird sich aber mit dem Abschalten der Kernkraftwerke ändern.

Von diesem Zeitpunkt an wird Strom in der Nacht teurer sein, als an Tagen, an denen die Sonne scheint. Könnte man den Strom Speichern, zumindest für 12 Stunden, wäre ein Geschäftsmodell geboren. Allerdings kein besonders gutes, da der Nachtstrompreis nie besonders hoch werden wird. Insbesondere wird der Nachtstromverbrauch mit dem zunehmenden Wegfall von Nachtspeicheröfen stark gedämpft.





Abbildung: Die beiden Bilder zeigen die Solarstromproduktion am 1. Dezember 2010 und am 1. Mai 2012. Die Solarstromproduktion erreicht im Winter, selbst in der Mittagszeit, nur ein Zwanzigstel der Leistung als am 1.Mai. Zudem ist die Tageslänge und damit die Produktionszeit im Winter erheblich kürzer als im Sommer, man beachte die unterschiedliche Skalierung. (Quelle: SMA)

Wesentlich aussichtsreicher ist es, den Strom dann zu liefern, wenn keine Sonne am Tag scheint, und das ist zuallererst im Winter!

Im Winter kann am Tag praktisch kein Strom produziert werden, wie die Abbildung drastisch zeigt. Damit ist es zwingend, einen Stromspeicher auch für längere Perioden (Monate!) zu haben, wenn man alleine auf Solarenergie setzt. Erfreulicherweise ist die Situation bei der Windenergie wesentlich entspannter, da der Wind im Winter häufig und kräftig weht. In der richtigen Konfiguration reichen etwa sieben Tage Speicherkapazität. Allerdings existieren in Deutschland nur Speicher, die in der Summe 30 Minuten (in Worten: dreißig Minuten) weit reichen.

Dienstag, 12. Juli 2011

Energiepreis

Energie ist wertvoll, doch wie kann man ihren Wert bestimmen? Es gibt nur ein Maß, das ist, wie viel sind die Menschen bereit für Energie zu zahlen. In Deutschland zahlt der Endverbraucher etwa 0,25 Euro für eine kWh Strom. Davon ist aber nur ein Drittel der tatsächliche Energiepreis, zusätzlich sind noch Transportkosten und ein ganzes Steuerpaket, bestehend aus EEG, KWK, Ökosteuer, Konzessionsabgabe und auf all dem noch die Mehrwertsteuer, enthalten.


Abbildung: Strompreisschwankungen an der EEX, rot sind die täglichen Maxima, schwarz sind die täglichen Minima, Quelle: EEX

Auf dem Strommarkt (EEX, Strom wird dort im MWh gehandelt) liegt der Preis zumeist bei 0,05 bis 0,07 Euro pro Kilowattstunde. Strom ist die hochwertigste Energieform die wir kennen, daher ist der Strompreis auch deutlich höher als der Preis für Brennstoffe, die nicht in Strom umgewandelt sind.


Abbildung: Die Heilzölpreise schwanken durch viele Einflussgrößen, letztendlich ist ein starker Preisanstieg zu beobachten Quelle: http://www.tecson.de/pheizoel.html

Der Preis von Brennstoffen wie Heizöl oder Benzin setzt sich ebenfalls aus einem Energiepreis und verschiedensten Steuern und Abgaben zusamen. Der Energiegehalt von einem Kilo Heizöl oder Diesel, was die gleiche Substanz ist, beträgt 11,8 kWh pro Kilogramm. Der Preis für ein Kilo Heizöl beträgt manchmal einen Euro, ohne auf die Schwankungen in beide Richtungen einzugehen, wird klar, dass der Endkunde hier für eine Kilowattstunde mit 8 Cent deutlich weniger zahlt als bei Strom (0,25€/kWhel). Der Grund liegt im Unterschied der Energiequalität.

Mehr zum Strompreis:
Strompreis und Stromsteuern

Montag, 4. Juli 2011

Energie und Arbeit

Jede Veränderung der Welt benötigt Energie!

Obwohl in unserer Sprache das Wort Energie häufig verwendet wird, ist oft seine Bedeutung diffus. Wer Morgens mit viel Energie in den Tag startet meint etwas anderes als derjenige der über hohe Energiepreise klagt. Damit die wesentlichen Unterschiede klar werden, sollen diese hier kompakt und allgemein verständlich dargestellt werden.
Wenn hier von Energie gesprochen wird, dann ist immer physikalische Energie gemeint, nie “geistige Energie” oder andere, oft in populären Werken genannte, Energieformen.

Am einfachsten kann man sich Energie vorstellen, wenn man einen Gegenstand anhebt. Hebt man einen Eimer mit 10 Liter Wasser einen Meter hoch, so hat man Lageenergie in das System Eimer übertragen. Wo kommt diese Energie her. Das ist im vorliegenden Fall erstaunlich komplex. Die Muskeln haben die Energie geliefert, indem sie letztendlich Zucker in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt haben. Wasser und Kohlendioxid ist energieärmer als die gleiche Menge Zucker und Sauerstoff. Die genauen Gründe lassen sich durch Chemie und Quantenphysik beschreiben, spielen aber hier keine Rolle.

Spannender ist die Frage woher der Zucker, unsere persönliche Energiequelle, kommt. Dieser ist aus Pflanzen, zumeist aus Zuckerrohr, gewonnen worden. Das Zuckerrohr hat letztendlich aus Kohlendioxid, Wasser und Licht Zuckermoleküle gebildet. Wasser und Kohlendioxid sind keine Mangelware, sondern entstehen ständig neu, wenn der Zucker wieder in Wasser und Kohlendioxid umgewandelt wird.
Schwieriger ist es mit dem Licht. Dieses Licht kommt auf dem Rohrzuckerfeld sicherlich von der Sonne. Und in der Sonne kann dieses Licht nur entstehen, weil im Inneren der Sonne Wasserstoffkerne zu Helium verschmelzen und dabei sehr viel Energie freisetzen.

Der nukleare Brennstoff Wasserstoff ist im Weltall seit dem Urknall vorhanden. Damals, vor 13,7 Milliarden Jahren, entstand ein Universum, das enorme Mengen von Wasserstoff enthält, der in der Lage ist, unter bestimmten Bedingungen, wie sie in der Sonne herrschen, zu verbrennen und Energie als Licht freizusetzen.
Das Weltall ist also nichts anderes als ein riesiger Energiespeicher aus Wasserstoff.
Wie und warum dieser Energiespeicher aufgefüllt wurde ist der Wissenschaft leider nicht bekannt. Bekannt ist aber, dass dieser Energiespeicher ständig Energie in Form von Licht abgibt und damit nach einiger Zeit erschöpft ist. Die Zeit ist allerdings für irdische, sprich menschliche Maßstäbe, fast unendlich, viele zehn Milliarden Jahre.

Zurück zum Eimer voll Wasser, der jetzt in einem Meter Höhe auf dem Tisch steht. Er hat gegenüber den Boden eine potentielle Energie die man aus Höhe und Gewicht berechnen kann. Der Eimer wiegt etwas über zehn Kilogramm und drückt daher unter der Schwerkraft der Erde mit 100 Newton auf den Tischboden. Der Eimer wurden offensichtlich mit einer Kraft von 100 Newton einen Meter hochgehoben, das hochheben ist anstrengend, es wird Arbeit geleistet, ganz im physikalischen Sinn! In unserem physikalischen Maßsystem wird diese Energiemenge mit 100 Joule (J) gemessen, diese Energie ist an den Eimer übergegangen. Eine Größe, die im Alltag praktisch keiner kennt. Ein Blick auf die Zuckertüte verrät uns, dass hundert Gramm Zucker 1.600 kJoule (kJ) enthalten, das sind, wegen dem Faktor k, Kilo, der tausend bedeutet, 1.600.000 J. Dies ist ein Hinweis darauf, dass man theoretisch mehr als zehntausend Eimer Wasser auf den Tisch stellen kann, bevor man hundert Gramm Zucker verbraucht hat. Dies ist auch der Grund, warum es so mühsam ist mit Sport abzunehmen.

Zucker ist also ein hervorragender Energiespeicher, ähnlich wie Fett, Alkohol oder Benzin, das neuerdings auch Alkohol enthält. Es gibt pro hundert Gramm gewisse Unterschiede, im Vergleich zu der kleinen Energiemenge, die unser zehn Kilogramm schwerer Wassereimer speichert, liegen zumeist vier Größenordnungen dazwischen. In Anderen Worten, der gleiche Unterschied den der Entfernung ein Meter und zehn Kilometer.

Wie groß ist die Leistung wenn man einen Eimer hochhebt? Das hängt von der Geschwindigkeit ab, schafft man es, den Eimer in einer Sekunde hochzuheben, hat man eine Leistung von 100 Watt (W) abgegeben. Das entspricht der elektrischen Anschlussleistung einer großen Glühbirne, die inzwischen allerdings verboten ist. Kann jemand den Eimer in einer halben Sekunde hochheben, hat er eine Leistung von 200 W abgegeben. Ein Mittelklasse Wagen hat heute oft 100 kW, was 135 PS entspricht, und könnte den Wassereimer theoretisch in einer tausendstel Sekunde einen Meter hochheben. Oder man könnte den Eimer in einer Sekunde in 1000 Meter Höhe befördern, soviel zu den vor Leistungsfähigkeit strotzenden Autos.

Für viele weitere Betrachtungen der Energienutzung ist es nicht sinnvoll mit der Einheit Joule oder kJ zu rechnen, da damit die Zahlen einfach viel zu groß werden. Es gibt eine einfache Größe, die manchem von der Stromrechnung vertraut ist, das ist die Kilowattstunde (kWh). Leistet ein System eine Stunde lang tausend Watt, so nennt man die gelieferte Energie 1kWh. Will man dies in Joule umrechnen, muss man beachten, dass eine Stunde 3.600 Sekunden dauert. Somit entspricht eine kWh genau 3.600.000 J oder 3.600kJ. Der menschliche Körper verbraucht etwa 2-3 kWh Energie pro Tag, je nach sportlicher Aktivität. Auf der Zuckerpackung mit einem Kilo Zucker könnte auch stehen, dass diese 4,4kWh Energie enthält und beim Discounter um die Ecke 0,65Euro kostet.

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