Energie, Exergie und Emergie

1. Energie, Exergie und Emergie Peak Öl und globale Erwärmung betrachtet von der Perspektive des Modellierers François E. Cellier Computer Science Departement ETH ZürichSchweiz

2. Konsequenzen von Peak Öl Vor zwei Tagen las ich in

3. Das übliche Bild … • Die Produktion fossiler Brennstoffe sinkt … und sinkt immer schneller. • Die Gesamtenergieproduktion sinkt ebenfalls, da die Erschließung neuer Alternativenergiequellen mit dem Absinken der fossilen Brennstoffe nicht Schritt hält. • Die Nachfrage nach Energie steigt jedoch unaufhörlich weiter an … insbesondere in den Entwicklungsländern, die großen Nachholbedarf haben. • Wir haben ein Problem!

4. Nettoenergiebilanz und Staatshaushalt • Großbritannien verwandelte sich in den letzten 10 Jahren von einem Nettoenergieexporteur zu einem Nettoenergieimporteur. • Die Gesamteigenenergieproduktion sank um fast 50%. • Die Gesamtenergieimportkosten sind unterdessen auf 10 Milliarden Pfund pro Jahr angewachsen.

5. Scheinbarer Wohlstand • Großbritannien war vor 10 Jahren ein reiches Land … nicht weil die Engländer besonders fleißige Leute waren … sondern weil sie mit Energieexporten viel Geld verdienten. • Die Engländer haben sich daran gewöhnt, auf großem Fuß zu leben … und darum ist Großbritannien heute hoch verschuldet. • Die Zukunft sieht nicht rosig aus. • Können wir die Probleme quantifizieren?

6. Energiehaushalt der Schweiz

7. Energie Produktion für die Schweiz 1’121’920 TJ/Jahr : 365 : 24 : 60 : 60 = 35.576 GW => 35.576 GW : 7’851’520 = 4.5311 kW/Kopf

8. Energie Produktion für die Schweiz (2) 1’383’800 TJ/Jahr : 365 : 24 : 60 : 60 = 43.88 GW => 43.88 GW : 7’851’520 = 5.5887 kW/Kopf

9. Die 2000-Watt-Gesellschaft • Wenn wir die gesamte Leistung, die momentan auf der Erde produziert und konsumiert wird, durch die Weltbevölkerung teilen, erhalten wir ungefähr 2 kW/Kopf. • Darum beläuft sich unser „gerechter Anteil“ an Leistung auf ca. 2000 W pro Person. • Dies ist der Ursprung des Konzepts der 2000-Watt-Gesellschaft. • … oder so könnte man meinen.

10. Der nachhaltige Energieverbrauch

11. Der nachhaltige Energieverbrauch (2)

12. Der nachhaltige Energieverbrauch (3)

13. Das Leben in einer energiearmen Welt • Nach dem Ende der fossilen Brennstoffe und ohne Kernkraft werden wir in einer energiearmen Welt leben. • Unter der Annahme einer stagnierenden Bevölkerung werden wir knapp in der Lage sein, die 2000-Watt-Gesellschaft aufrecht zu erhalten. • Somit ist die 2000-Watt-Gesellschaft nicht ein Ziel, welches wir anstreben, um unseren Energieverbrauch auf unser gerechtes Anteil zu reduzieren. Es handelt sich im Gegenteil um eine optimistische Vorhersage der verfügbaren Energieresourcen. • Wann wird dies geschehen, und was für Folgen hat dies?

14. Peak Öl [USGS]

15. ? Peak Öl [ASPO]

16. Entdeckung neuer Ölvorkommen [USGS] • Die Entdeckung neuer Ölvorkommen kann relativ gut vorhergesagt werden. Es handelt sich in etwa um eine abklingende Exponentialfunktion. • Die Fläche unter dieser Kurve bestimmt die totale Menge des produzierbaren Erdöls.

17. Hubbert’s Glockenkurve • Verschiedene Ölfelder werden zu unterschiedlichen Zeiten produziert. • Jedes Ölfeld liefert zunächst eine zunehmende Menge von Öl. Die pro Zeiteinheit produzierte Menge flacht sich aber bald ab und nimmt dann wieder ab. • Unabhängig vom genauen Verlauf der einzelnen Produktionskurven nähert sich die Summe aller solcher Kurven unweigerlich einer Glockenkurve an. • M. King Hubbert sagte auf dieser Basis korrekt in den 50-er Jahren den Peak der Ölproduktion der Vereinigten Staaten für 1971 voraus. Er sagte ausserdem voraus, dass die Welt den Peak ihrer Ölproduktion um die Jahrtausendwende herum erreichen werde.

18. Verschiedene Vorhersagen • Historische Daten • Hubbert Extrapolation • Konstante Extrapolation • Exponentielles Wachstum

19. Verschiedene Pro-Kopf Vorhersagen • Historische Daten • Hubbert Extrapolation • Konstante Extrapolation • Exponentielles Wachstum

20. Der Ölpreis • Vor dem Öl Peak standen die Ölproduzenten in einem Wettbewerb um Kunden. Nur diejenigen Verkäufer, welche die Ware zum niedrigsten Preis anboten, konnten ihre Produkte verkaufen. Darum war das Öl billig. • Nach dem Öl Peak werden die Käufer in einem Wettbewerb um die begrenzte Menge an verfügbarem Öl stehen. Somit wird der Preis des Öls dadurch festgesetzt, wie viel die Kunden bereit sind, dafür zu bezahlen. Kunden mit weniger tiefen Taschen gehen leer aus. • Somit wird das Öl nach dem Peak teurer.

21. Wie teuer wird das Öl? • Bei einem Ölpreis von $600/Barrel verwenden wir unser gesamtes Bruttosozialprodukt darauf, Energie einzukaufen. • Das geht nicht! Wir müssen z.B. auch Essen produzieren. • Es ist unrealistisch, mehr als 20% des Bruttosozial-produkts in die Beschaffung von Energie zu investieren. Somit liegt der höchste nachhaltige Ölpreis bei $120/Barrel. • Wir haben kurzfristig bereits $150/Barrel gesehen, aber dieser Preis ist nicht nachhaltig.

22. Die Folgen der Energieverknappung • Bei einem zu hohen Ölpreis stagniert die Wirtschaft. • Dies führt zu einer Reduktion der Nachfrage, was wiederum auf den Ölpreis drückt. • Die Zeit nach dem Öl Peak ist gekennzeichnet durch eine konstante Rezession. • Es gibt nicht einen „double dip“, sondern es folgt ein Absturz dem Anderen. • Wir werden nur noch damit beschäftigt sein, unseren Lebensstil irgendwie aufrecht zu erhalten. Für Investitionen in eine nachhaltige Energiewirtschaft ist weder Zeit noch Geld vorhanden.

23. Der Fluch des sinkenden „EROEI“ • Wenn nicht mehr genügend Öl für alle vorhanden ist, wird der Ölpreis steigen. • Entsprechend werden Ölvorkommen, die zuvor nicht ökonomisch ausgebeutet werden konnten, wirtschaftlich interessant. • Löst dies nicht das Öl Peak Problem? • Leider tut es dies nicht. Die Vorkommen waren bisher nicht ökonomisch abbaubar nicht nur, weil sie teurer in der Produktion waren, sondern auch, weil zu ihrer Förderung mehr Energie benötigt wurde. • Der „EROEI“ (Energy Returned On Energy Invested) misst, wie viel Energie pro produzierter Energieeinheit verbraucht wird. • Leider sinkt der EROEI des Öls schnell.

24. Der EROEI des Öls [C. Hall]

25. Der EROEI des Öls sinkt schnell • Wenn der EROEI einer Energieresource unter einen Wert von 1.0 fällt, macht es keinen Sinn mehr, diese Energiequelle auszubeuten. • Wenn der EROEI aller Energieresourcen unter einen Wert von ca. 5 fällt, ist unsere Industriegesellschaft zum Untergang verurteilt [C. Hall]. • Der EROEI des Öls sinkt schnell. Er ist bereits um einen Faktor zwischen 5 und 10 gesunken. Er befindet sich momentan zwischen 10 und 20. Dies sind Schätzungen, da genaue Zahlen nicht verfügbar sind.

26. Diagramm: Energie/Wirtschaft [C. Hall]

27. Diagramm: Energie/Wirtschaft [C. Hall]

28. Diagramm: Energie/Wirtschaft [C. Hall]

29. Diagramm: Energie/Wirtschaft [C. Hall]

30. Diagramm: Energie/Wirtschaft [C. Hall]

31. Diagramm: Energie/Wirtschaft [C. Hall]

32. Diagramm: Energie/Wirtschaft [C. Hall]

33. Was bedeutet das? • Wegen des sinkenden EROEI benötigen wir zunehmend mehr Energie, um unsere Wirtschaft anzutreiben. • Weil die Energie teurer wird, müssen wir einen grösseren Prozentsatz unserer Einkünfte für Energie aufwenden. • Da wir uns auch ernähren müssen, bleibt weniger Geld für andere Dinge übrig. • Hall’s Modell sagt voraus, dass wir im Jahre 2050 kein Geld mehr für irgend etwas anderes als Energie und Nahrungsmittel zur Verfügung haben werden.

34. Was bedeutet das (2)? • Im Jahre 2050 leben wir wieder in einer Subsistenzwirtschaft. • Die Industriegesellschaft ist vorbei. • Leider ist die resultierende Gesellschaft sehr ineffizient, da viel zu viele Menschen auf diesem Planet leben. • Wir benötigen riesige Energiemengen, um alle Menschen ernähren zu können. • Wenn nicht mehr genügend Geld für Energie und Nahrung zur Verfügung steht, werden Menschen verhungern.

35. Was bedeutet das (3)? • Hall’s Modell mag zu optimistisch sein, weil es nicht in Betracht zieht, dass die Resourcen auf dem Planet unterschiedlich verteilt sind. • Wenn wir Amerikaner asiatischer Herkunft in Kalifornien mit Amerikanern afrikanischer Herkunft in Mississippi vergleichen, stellen wir einen Unterschied in deren Lebenserwartung von 15 Jahren fest. • Arme Amerikaner im Südosten sterben aus rein ökonomischen Gründen 15 Jahre früher als reiche Amerikaner im Westen. • Aus diesem Grund muss befürchtet werden, dass Hungersnöte in gewissen Regionen unseres Planeten viel früher als 2050 einsetzen werden.

36. Energie ist nicht gleich Energie • Die besten Energieformen sind diejenigen, die gut speicherbar und jederzeit leicht abrufbar sind. • In diesem Sinne ist Öl unschlagbar. Es kann leicht gespeichert werden, es kann leicht transportiert werden, es kann nach Bedarf verbrannt werden und es hat eine hohe Energiedichte. • Elektrizität kann leicht transportiert werden. Elektrizität ist jederzeit sofort abrufbar. Leider kann elektrische Energie nur sehr schlecht gespeichert werden. • Somit ist Elektrizität keine Energiequelle sondern nur ein Energieträger. • Elektrizität ist darum für mobile Anwendungen schlecht nutzbar.

37. Energie ist nicht gleich Energie (2) • Die besten Elektrizitätswerke sind diejenigen, die beliebig regelbar sind. Dazu gehören thermische Kraftwerke (basierend auf der Verbrennung fossiler Brennstoffe) sowie hydraulische Speicherkraftwerke (mit einem Stausee). • Weniger gut sind Elektrizitätswerke, die nur an- und abgestellt werden können, deren Leistung aber nur sehr beschränkt geregelt werden kann. Dazu gehören Kernkraftwerke und hydraulische Flusskraftwerke. • Wir verwenden Kraftwerke mit konstanter Leistung, um die elektrische Basislast abzudecken. Kraftwerke mit regulierbarer Leistung werden verwendet, um Spitzenlasten abzudecken.

38. Energie ist nicht gleich Energie (3) • Windenergieanlagen und fotovoltaische Energierzeugungs-anlagen sind weder regelbar noch konstant. Diese stellen darum Anlagen der dritten Wahl dar. • Solche Anlagen können nur zweckmäßig eingesetzt werden, wenn es im Netzverbund ausreichend regelbare Anlagen gibt, deren Leistung schnell genug reguliert werden kann, um die Schwankungen der Solar- und Windenergieanlagen ausgleichen zu können. • Ein Elektrizitätsnetz, das ausschließlich aus Wind und solar-elektrischen Anlagen besteht, ist nicht funktionsfähig.

39. Energie ist nicht gleich Energie (4) • Frankreich deckt beinahe den gesamten Elektrizitätsbedarf durch Kernkraftwerke ab. • Das funktioniert aber nur, weil Frankreich in Zeiten minimalen Elektrizitätsbedarfs die überschüssige Elektrizität zu niedrigen Preisen an die Schweiz verkaufen kann. Die Schweiz verwendet diese Elektrizität in Pumpspeicheranlagen. Damit wird Wasser in die Stauseen hochgepumpt. • In Zeiten hohen Elektrizitätsbedarfs kauft Frankreich die fehlende Elektrizität zu hohen Preisen von der Schweiz ein. Diese lässt dann das zuvor hochgepumpte Wasser wieder in die Turbinen laufen, um die benötigte Zusatzelektrizität zu erzeugen.

40. Energie ist nicht gleich Energie (5) • Dänemark deckt einen großen Teil des Elektrizitätsbedarf durch Windenergieanlagen ab. • Das funktioniert aber nur, weil Dänemark beinahe die gesamte so erzeugte Elektrizität zu niedrigen Preisen an Norwegen verkauft. Norwegen speichert diese Elektrizität ebenfalls in Pumpspeicheranlagen in den Bergen der Telemark. • Dänemark kauft beinahe seine gesamte benötigte Elektrizität zu höheren Preisen von Norwegen zurück.

41. Energie ist nicht gleich Energie (6) • Elektrizität, die von Wind- und/oder solar-elektrischen Anlagen erzeugt wird, muss fast vollständig zwischengespeichert werden. Dazu ist eine Umwandlung in eine speicherfähige Energieform notwendig. • Dies schränkt den Einsatz solcher Energieerzeugungsanlagen ein, da die Speicherkapazität beschränkt ist. • Wind- und solar-elektrische Energie ist sehr sinnvoll als Ergänzung zu den fossilen Brennstoffen. Leider sind solche Energieerzeugungsanlagen nur sehr beschränkt als Ersatz für thermische Energieerzeugungsanlagen brauchbar. • Heute beziehen wir weltweit ca. 80% unseres gesamten Energieverbrauchs aus fossilen Brennstoffen.

42. Der Wirkungsgrad von Energieerzeugungsanlagen • Thermische Kraftwerke erreichen heute einen Wirkungsgrad von ca. 50-60%. • Kernkraftwerke haben einen niedrigeren Wirkungsgrad von ca. 35%, da sie bei einer niedrigeren Temperatur eingesetzt werden um die Lebenszeit der Brennkammern zu erhöhen. • Bei der Zwischenspeicherung von Elektrizität in Pumpspeicherwerken geht ca. 30% der Elektrizität verloren. • Somit kann nicht die gesamte im Rohstoff enthaltene Primärenergie nutzbar gemacht werden. Ein Teil der Energie verwandelt sich in Wärme (Entropieerzeugung). • Der Teil der Energie, der in Arbeit umgewandelt werden kann, wird als Exergie bezeichnet.

43. Exergie • Vom Gesichtspunkt des Endverbrauchers aus betrachtet interessiert eigentlich nur der Anteil der Energie, der nutzbar gemacht werden kann, d.h. die Exergie. • Dies gilt aber nur, wenn die Kosten keine Rolle spielen, da sicherlich die Gesamtenergie in Rechnung gestellt wird. • Außerdem muss die Gesamtenergie betrachtet werden, wenn die Energie knapp wird und darum nicht mehr für alle Interessenten ausreicht. • Leider sieht die Realität noch düsterer aus.

44. „Graue“ Energie • Wenn ich ein Auto kaufe, das in Japan gebaut wurde, verbraucht Japan Energie für die Herstellung meines Autos. Diese Energie wird indirekt von mir hier in der Schweiz konsumiert, sie ist aber im Energieflussdiagramm der Schweiz nicht enthalten. • Diese zusätzliche Energie nennt man graue Energie. • Obwohl die Schweiz finanziell ein Netto Exportland ist, ist sie energetisch ein Netto Importland. Es wird geschätzt, dass die Schweiz zusätzlich mindestens 30% graue Energie importiert. Genaue Zahlen sind nicht verfügbar. • Darum ist der wahre Energieverbrauch der Schweizer Bevölkerung näher bei 8 kW pro Kopf.

45. Eine saubere Energiebilanz • Wenn die Gesamtenergie des Planeten nicht mehr ausreicht, um alle Bedürfnisse abzudecken, ist es notwendig, eine saubere Energiebilanz des Planeten aufzustellen. • Dabei darf die graue Energie nicht mehr vernachlässigt werden. • Es ist wichtig, diese quantitativ zu erfassen. • Wir sind es gewohnt, die bei jedem Prozess anfallende Entropie von der Rechnung zu eliminieren, d.h. im nächsten Prozess wird die übrigbleibende Energie des vorherigen Prozesses wieder als Gesamtenergie betrachtet. • Für eine saubere Energierechnung sollten wir aber alle Verluste der einzelnen Prozesse aufsummieren.

46. Eine saubere Energiebilanz (2) • Die graue Energie, die in meinem Wagen steckt, beinhaltet nicht nur die Energie, die verbraucht wurde, um meinen Wagen herzustellen, sondern auch einen proportionalen Anteil an der Energie, die verbraucht wurde, um die Fabrik herzustellen, in der mein Wagen gebaut wurde. • Eine saubere Energiebilanz sollte alle diese Teilenergien aufsummieren. • Die Gesamtenergie, die beim Aufaddieren dieser grauen Teilenergien zusammen kommt, wird als Emergie bezeichnet.

47. Exergie – Energie – Emergie • Somit können wir (leicht simplifiziert) schreiben: Energie = Exergie + Entropie Emergie = Energie + graueEnergie • In jedem Prozess vermindert sich die noch verbleibende Energie, da immer neue Verluste auftreten. • In jedem Prozess erhöht sich die Emergie. Sie beinhaltet die Summe der Emergien der Edukte plus die Energie, die in den Prozess selbst hineingesteckt werden muss, um das Produkt zu verwirklichen.

48. Die Energiebilanz des Planeten • Wenn ich eine Energiebilanz des Planeten aufstellen will, kann ich die Gesamtenergien der einzelnen Länder aufaddieren. Da ja die graue Energie irgendwo verbraten wird, beinhaltet die Gesamtsumme auch die grauen Energien. • Alternativ kann ich die Emergien sämtlicher Prozesse des Planeten aufaddieren. • Das Endresultat sollte dasselbe sein, wird es aber nicht, da beide Rechnungen fehlerbehaftet sind. • Die Energierechnung ignoriert Energien, die lokal erzeugt und gleich wieder verbraucht werden, ohne je über einen Zähler zu gehen. • Die Emergierechnung beinhaltet Buchhaltungsfehler.

49. Energierechnungen sind notorisch falsch • Emergierechnungen werden fast nie durchgeführt. • Es gibt wenig Modellierungswerkzeuge auf dem Markt, die eine solche unterstützen. • Energierechnungen vernachlässigen notorisch die grauen Energien. • So werde ich dazu angehalten, mein Haus besser zu isolieren und neue besser dichtende Fenster einzusetzen. • Es rechnet dabei aber niemand die Emergien auf, die in den Isolationsmaterialien und in den neuen Fenstern stecken. • Ich kann 50 Jahre lang in einem Haus wohnen, bis ich so viel Energie verbraucht habe, wie an Emergie in dem Haus ursprünglich steckt.

50. Die Dynamik der Interaktionen • Die bisherige Betrachtungsweise ist aber immer noch recht statisch. • Entscheidungen haben Konsequenzen. • Wenn ich mehr Geld bezahlen muss für die Energie, habe ich weniger Geld zur Verfügung, um damit andere Dinge zu kaufen. Somit kühlt sich der Markt ab. Es werden weniger andere Dinge produziert, und somit wird auch der Energiebedarf sinken. • Um die Dynamik der Interaktionen halbwegs vernünftig zu berücksichtigen, benötige ich „Weltmodelle“.