Verwendung der Energie

Zusammenfassung in einem Energieflussdiagramm – Sankey-Diagramm

Ein Energieflussdiagramm zeigt den Zusammenhang von Primärenergie, Sekundärenergie und Energieverwendung. Ich habe lange erfolglos nach einem einfachen und übersichtlichen Weltmodell gesucht, das ich hier kopieren könnte. Für Interessierte empfehle ich die EIA Sankey-Diagramme auf  www.iea.org/Sankey . Dort findet man für viele Länder das Energie-Sankey-Diagramm für das Jahr 2016, nach diversen Arten strukturiert.

Als ein übersichtliches Beispiel stelle ich das Energieflussdiagramm der USA für das Jahr 2018 vor. Auf der linken Seite sind die genutzten Primärenergien aufgelistet. Die Breite der gezeichneten Ströme zeigen die Energiemengen. In der Mitte ist die Sekundärenergie Elekrizität in gelb-braun, auf der rechten Seite die Energieverwendung in den vier Hauptgruppen Haushalte, allg. Wirtschaft, Industrie und Transport und ganz rechts der Wirkungsgrad der Gesamtenergienutzung dargestellt. 2/3 sind Energieverluste oder nur 1/3 der erzeugten Energie wird produktiv genutzt. Ein Teil der Verluste sind physikalisch mit den Umwandlungsprozessen verbunden und können schwer eliminiert werden, andere Anteile sollten besser genutzt werden. «Energieverluste» treten meist in Form von Abwärme auf (Kühltürme, Kühler und Ventilatoren bei Motoren, Klimaanlagen, etc).

Ein Sankey-Diagramm für die Schweiz aus dem Jahre 2015

Siehe auch Energiefluss-Diagramm von 2018 im Energiebericht des Bundes (überspringe die vielen Zahlen), Seite 10 : file:///C:/Users/bfrei/AppData/Local/Packages/Microsoft.MicrosoftEdge_8wekyb3d8bbwe/TempState/Downloads/9774%20(1).pdf

Verglichen mit anderen Ländern ist der Energieanteil der Industrie in der Schweiz klein. Die Schweiz hat keine Grundstoffindustrie und importiert vieles, das bei der Herstellung energieintensiv ist. Die Schweiz hat diesen Energieverbrauch ausgelagert.

In der nächsten Grafik eine Aufteilung der Energieverwendung nach Bereichen der IEA für das Jahr 2016. Die Zuordnung zu Bereichen und Abgrenzung scheint oft nicht einfach zu sein, denn man findet in der Literatur unterschiedliche Anteile. Für die verwendeten Begriffe gibt es keine einfache Definition.   

CO2Ausstoss – Endprodukt aller Verbrennungsprozesse – «Klima Gas»

Bei allen Verbrennungsprozessen entstehen diverse Abgase. Einige davon sind toxisch. Inzwischen sind viele Verbrennungsprozesse soweit optimiert oder abgasbehandelt, dass der toxische Anteil eliminiert bzw. stark reduziert wurde (z.B. Katalysatoren). Geblieben ist das CO2, das zwar für den Menschen nicht toxisch ist, aber wesentlich zur globalen Erwärmung beiträgt. Dies weil der Anstieg des CO2 Konzentration in der Luft die Sonnenlichtrückstrahlung ins All verändert.

Die nachfolgende Grafik zeigt den Anstieg des jährlichen CO2 Anstieges in den letzten 150 Jahren. Die eine Grafik zeigt die Herkunft (Kohle, Öl, Gas), die andere die Verursacher nach Region.

Daraus kann selbstverständlich die Industrialisierungsgeschichte nach Energieträger und Weltregion abgelesen werden.

CO2 wird durch Pflanzen auf dem Land und im Wasser durch natürliche Prozesse absorbiert, doch übersteigt der jährliche Ausstoss diese Kapazitäten bei weitem. Dies führt seit Jahren zu einem kontinuierlichen Anstieg der CO2Konzentration in der Atmosphäre.

Als Referenz für die globale Messung gilt die Messung vom Mauna Loa Observatorium auf Hawai.

Die Konzentration wird in ppm (Partikel Per Million) gemessen, das heisst Anzahl der CO2 Moleküle auf 1 Million Luftmoleküle.

Die Werte lagen vorindustiell bei 280 ppm und ist in den letzten 70 Jahren um rund 140 ppm angestiegen.

Die folgenden Gase tragen zur globalen Erwärmung bei. CO2 ist dabei der Haupttreiber.

 Zusammenfassung der IST-Zustandsanalyse

• Global wird die Nachfrage nach Energie stark steigen. 70 % der Weltbevölkerung lebt mit einem Bruchteil der Energie pro Kopf verglichen mit der entwickelten Welt und sehnt sich auch nach einem komfortableren Leben. Die Aufholjagd in den nicht gemässigten Zonen erfordert zusätzliche Energie, um die extremeren Klimabedingungen (heizen und kühlen) zu kompensieren. Um die Wasserversorgung für Menschen, Tier und Landwirtschaft in Trockengebieten sicherzustellen, muss immer mehr Meerwasser entsalzt werden, wofür extrem viel Energie benötigt wird.
• Der Rationalisierungseffekt kann bei weitem die zusätzliche Nachfrage nicht kompensieren. Trotzdem soll natürlich weiter an der Wirkungsgradverbesserung bei allen Prozessen gearbeitet werden. Insbesondre ist vermehrt die Wärme-Kraftkoppelung bei thermischer Stromgenerierung anzustreben.
• Rund 80 % der globalen Primärenergie wird heute noch aus fossilen Energieträgern erzeugt.
• Rund 65 % des elektrischen Stroms als Haupt-Sekundärenergie wird ebenfalls aus fossilen Energieträgern generiert.
• Hydroenergie mit rund 10 % und Atomstrom mit rund 5 % liegen anteilmässig ebenfalls noch vor den modernen erneuerbaren Energien.
• Das heisst auch, dass bei der Umstellung auf Elektroheizungen und Elektrofahrzeuge der Strombedarf noch lange durch viel fossile Energieträger gedeckt wird.
• Der Aufbau von modernen erneuerbaren Energien wurde zwar in den letzten Jahren beschleunigt, aber speziell in Europa ist der Widerstand gross gegen die Installation der Anlagen und der Übertragungsleitungen, was den Umstellungsprozess bremst.
• Bei der Atomenergie, frei von CO2 Ausstoss, findet eine Verlagerung statt - in Europa wird abgebaut, in Asien aufgebaut.
• Der Treibhausgasanstieg, CO2 und weitere, wird die durchschnittliche Erdtemperatur in den nächsten Jahren weiter erhöhen. Die Simulationsmodelle ergeben einen Anstieg von 2 bis 4C° bezogen auf den Stand von 1990.
• Auch der Meeresspiegel wird ansteigen. Die Simulationsmodelle ergeben 50 bis 100 cm bis Ende dieses Jahrhunderts.
• Die beschlossenen Temperaturstabilisierungsziele von max. 2 C° bzw., besser 1.5 C°, sind politische (erpresste) Ziele. Es gibt keinen belastbaren und allgemein akzeptierten Plan, wie das Ziel sozialverträglich erreicht werden kann. Das Ziel wird verfehlt werden, wie dies bei den meisten auf politischer Ebene festgelegten Ziele der Fall ist. Um politisch eine Akzeptanz und Zustimmung zu erreichen, wurden zu optimistische und oft auch unrealistische Annahmen getroffen. Um die endlosen tagelangen Debatten zu beenden, stimmt man den Vorschlägen schlussendlich zu. Die Ziele liegen ja noch Jahrzehnte in der Zukunft, nach der Amtszeit der Verantwortlichen. Welches grosse öffentliche Projekt der letzten Jahre wurde denn schon in einer westlichen Demokratie innerhalb des beim Start genehmigten Kostenrahmens und der Termine fertiggestellt? Ich selber kann nur viele Fehlleistungen aufzählen! Warum sollte es bei diesem Riesen-Vorhaben anders sein.

Wie weiter in die Zukunft

Der rasche Anstieg der CO2 Konzentration und der übrigen Treibgasemissionen erfordern eine wesentliche Korrektur, so dass die Steigerungsrate verflacht und mittelfristig gestoppt wird. Damit kann die Erhöhung der globalen Erwärmung mit Verzögerung gebremst und eventuell langfristig sogar noch nach unten korrigiert werden.

Dazu ist es dringend und zwingend, dass der Ausstoss von CO2 reduziert wird. Das wird umso deutlicher angesichts der Tatsache, dass die globale Energieerzeugung noch zu mehr als 80 % auf fossilen Energieträgern beruht und dass mehr als zwei Drittel der aktuellen Weltbevölkerung ein Anrecht auf wesentlich mehr Energie hat. Zudem wird die Menschheit noch um 2 bis 3 Milliarden wachsen und der Bedarf an Energie dementsprechend zusätzlich ansteigen.

Selbst wenn es in den entwickelten Staaten gelingen sollte, den CO2 Ausstoss durch einen markanten  Energieverzicht zu reduzieren, wird das globale Problem nicht gelöst. Realistisch ist dieses Szenario ohnehin nicht, weil demokratische Prozesse bekanntlich langsam sind. Zusätzlich besteht die grosse Gefahr, dass in den inhomogenen westlichen Gesellschaften dadurch soziale Unruhen entstehen. Es besteht zurzeit kein gemeinsamer Konsens über die Reduzierung des erreichten Lebensstandards.

Aus meiner Sicht ist der UNO-Entscheid, den globalen Temperaturanstieg auf unter 2 C0 bzw. besser unter 1,5 C0 zu halten, ein politischer, der wie oft in der Politik sachlich unrealistisch ist, wie schon weiter oben erwähnt. In der nächsten Grafik sind einige von vielen publizierten Klimamodellen dargestellt. Für mich ist die «grüne» Variante die wahrscheinlichste, weil mit grossem, aber der Weltbevölkerung «verkaufbarem» Aufwand machbar.

Das heisst, es müssen in zwei Richtungen Massnahmen ergriffen werden:

1. Massnahmen, die den Temperaturanstieg bremsen, d.h. den CO2 Ausstoss reduzieren oder aus der Atmosphäre entziehen
2. Massnahmen, die ein sinnvolles Leben auch mit höheren Durchschnitts-Temperaturen (z.B. 3 C° als Arbeitsmodell) ermöglichen. Dazu gehört, Lebensbedingungen zu schaffen, um auch bei höheren Temperaturen vernünftig leben zu können, und notwendiges Land bei einem bis ca. 1 m höheren Meeresspiegel zu sichern.

Lösungsansätze

Ich habe gelernt, dass grosse herausfordernde Ziele nur durch Setzen von klaren Prioritäten für das Hauptziel und mit einem realistischen Phasenplan erreicht werden können. Nebenziele müssen zurücktreten.

Wenn die CO2-Reduktion höchste Priorität hat, müssen «nice to have» Ziele hintenanstehen, und Gefahren, die nicht das Potential haben, die globale Lebensbasis zu zerstören, in Kauf genommen werden.

CO2 freie Energien nutzen

• Landschaftsschutz: Windenergie, Sonnenenergie und Stromtrasses haben Priorität
• Geothermik: Lokale Erdbeben sind keine globalen Katastrophen. In den grossen Erdbebenrisikoländern wird die Geothermik schon am meisten genutzt. Bauliche Massnahmen bieten Schutz. Ich traue beispielsweise unserem Haus einige Erschütterungen zu. Ein Riss in der Wand ist keine Katastrophe.
• Nuklearenergie: soll aus-, nicht abgebaut werden. Die schlimmsten Szenarien sind «nur» lokale Katastrophen mit sehr kleiner Eintreffens-Wahrscheinlichkeit. Die neuen Anlagen (Generation 3 und 3.5) sind schon wieder einiges sicherer als die meisten der heutigen Anlagen. Die bisherigen zwei schweren Reaktorunfälle haben relativ wenige Menschenleben gekostet (aber hohe Kosten verursacht) und waren regionale Ereignisse. Andere grosse technische Katastrophen (Chemieunfälle, Dammbrüche, …), Kriege und Naturkatastrophen wie grosse Erdbeben, Vulkanausbrüche und Wirbelstürme haben grössere Schäden angerichtet und sind für die Zukunft auch nicht auszuschliessen. Eine zweckmässige, emotionslose Risikobeurteilung ist notwendig.
• Volle Nutzung der Wasserkraft: Ausbau der Anlagen und nicht Rückbau aufgrund von Landschaftsschutz-Massnahmen. Gezeiten-Kraftwerke weiter entwickeln und fördern.
• Neue nicht fossile Energieerzeugungsmethoden fördern: Kernfusion, usw.

CO2-Anstieg in der Atmosphäre reduzieren und langfristig abbauen – Sonneneinstrahlung reduzieren

• Fossile Brennstoffe durch nicht-fossile Energien ersetzen, siehe oben
• Wirkungsgrad bei der Energienutzung verbessern, speziell auch bei Verbrennungsprozessen, inklusive vermehrter Kraft-Wärme-Kopplung (z.B. Nutzung von Abwärme für Heizzwecke)
• Wenn schon fossil, dann fossile Brennstoffe mit besserer Energiebilanz nutzen (lieber Gas als Kohle)
• Mehr CO2 in Pflanzen speichern, langfristig in Bäumen. Rückgewinnung von Wüsten.
• CO2 aus der Luft entziehen und (unterirdisch) lagern
• CO2 aus der Luft entziehen und mit erneuerbarer Energie in nutzbare Produkte umwandeln, z.B. wieder Treibstoffe oder Kunststoffe herstellen. Dazu gibt es schon verschieden Ansätze.
• Durch GEO-Engineering die Sonneneinstrahlung stärker zurück ins Weltall reflektieren und dadurch die Aufheizung der Atmosphäre reduzieren.

Bedingungen für ein Leben mit höheren Temperaturen und einem höheren Meeresspiegel schaffen

Wir dürfen uns nicht nur auf die Stabilisierung des Temperaturanstieges konzentrieren, wir müssen uns auch vorbereiten für den Fall, dass wir die Ziele verfehlen oder zu spät erreichen. Back-up-Lösungen sind in jedem wichtigen Projekt notwendig. Ein möglicher zusätzlicher Anstieg der Temperatur erfordert Massnahmen in den folgenden Bereichen:

• Küstenschutz, um Land und Leute vor einem steigenden Meeresspiegel zu schützen.
  Als Beispiel haben die Niederlande mit technischen Massnahmen ihr Land geschützt und leben teilweise heute schon einige Meter unter dem Meeresspiegel. Einige Weltmetropolen arbeiten heute schon an Schutzvorrichtungen, weil durch das Gewicht der Gebäude und der Senkung des Grundwasserspiegels die Städte sinken (New York, Shanghai, Jakarta, …)
• Sicherung der Nahrungsmittelproduktion und einer genügenden Wasserversorgung bei höheren Temperaturen
• Schaffung von Lebensbedingungen, die ein sinnvolles Leben für die Menschen ermöglichen, am heutigen Ort (Klimatisierung, Bepflanzung, Pflanzen die höhere Temperaturen ertragen), oder an einem neuen Ort, mit angenehmeren Lebensbedingungen. Bei steigenden Temperaturen werden neue Landstriche im Norden des amerikanischen, asiatischen und europäischen Kontinents bessere Lebensbedingungen bekommen. Die neugewonnen Flächen sind grösser als die, die im Süden verloren gehen.

Stabilisierung und Reduktion der Erdbevölkerung

Wie früher schon im Detail gezeigt, ist in den letzten 50 Jahren das Wachstum der Weltbevölkerung aus dem Ruder gelaufen. Es zeichnet sich in den nächsten 50 Jahren eine Stabilisierung auf erneut höherem Niveau ab. Wir sollten sicherstellen, dass die Vorhersagen realisiert werden, denn es scheint, dass ein biologisches Gleichgewicht auf unserer Erde nicht mehr gegeben ist. Die Menschheit ist zu gross?!

Wir sollten nicht warten, dass die Situation durch globale Katastrophen korrigiert wird; sei es durch Naturkatastrophen wie Meteoriteneinschlag, Supervulkanausbruch, durch Epidemien, für die nicht schnelle Gegenmittel zur Verfügung stehen, oder Kriege, die die Weltbevölkerung auch massiv reduzieren könnten.

Meine Grobbeurteilung der heutigen Situation

Für all die obigen Punkte gibt es viele Lösungsvarianten und Lösungsansätze.

Wenn die globale Erwärmung das existenzbedrohende Problem ist, und das scheint so zu sein, dann muss eine wirkungsvolle Lösung erarbeitet werden, die von allen oder von vielen Menschen, über die ganze Welt, getragen werden kann. Europa ist in diesem Prozess bevölkerungsmässig und umweltbelastend eine grosse Minderheit und kann die Situation nicht intern lösen. Der Westen ist keine Kolonialmacht mehr. Europa kann dem Rest der Welt nicht diktieren, wie der Herausforderung begegnet werden soll. Ohne Ko-Führung und einen Hauptbeitrag der anderen Regionen geht es nicht.

Europa ist für mich auch in diesem Bereich mutlos und zu wenig konstruktiv. Zwar gibt es lautstarke Bewegungen, die nur durch gewaltiges Energiesparen zurück in alte Zeiten gehen möchten (z.B. «Fridays for future», oder ähnliche); andere Ansätze für eine mutige Vorwärtsstrategie fehlen bisher. Europa ist risikoscheu geworden und für alles braucht es Versicherungen.

In Europa spricht man viel und lang über was man machen könnte oder sollte. Zu sauberen Entscheiden kommt man jedoch nicht.  Die Umsetzung überlässt man gerne anderen. Man drängt z.B. Dritt-Weltstaaten, ihre Urwälder stehen zu lassen, aber pflegt mit grossem Aufwand Land, das für die Nahrungsproduktion nicht geeignet ist. Warum kein Urwald in den Alpen?!

In anderen Weltgegenden macht man. Vergleiche von installierter Windenergie-, Sonnenenergie-, Geothermikleistungen oder auch Atomstrom-Anlagen von vor fünf Jahren mit dem heutigen IST-Zustand zeigen, dass die grossen Zuwächse nicht in Europa liegen, sondern in Asien und den USA.

Einige Bemerkungen zur Schweiz.

• Ein schneller, grosser Ausbau der Windenergie erfordert Verzichte beim (übertriebenen) Landschaftsschutz. Beim Aufbau der Windenergie verhält sich die Schweiz unverständlich. Die Schweiz hat zurzeit weniger als 40 industrielle Windmühlen (>150kw) und 11 im fortgeschrittenen Planungsstand. Ich sehe allein von meinem Haus in Ilica aus mehr Windräder drehen, und im Umkreis von 50 km stehen mehrere hundert weitere Windräder.
• Geothermik (Erdwärme). Die Schweiz hat die Probebohrungen abgebrochen, weil man damit leichte Erdbeben in Verbindung gebracht hat. Die Türkei nutzt im grösseren Umfang Geothermikanlagen. An leichte Erdbeben hat man sich seit über 2000 Jahren gewöhnt. Die zurzeit installierte Leistung beträgt 1100 MW und entspricht der Leistung eines grossen Atomkraftwerkes.
• CO2 freie Atomkraft will man auch nicht mehr, obwohl neue Generationen von AKWs sicherer sind und die Sicherheit weiter erhöht wird. Neue im Bau befindliche Kernkraftwerke gehören zur Generation 3 oder 3.5. Die AP 1000 Generation von Westinghouse und die CAP 1000 und 1500, die Lizenzversionen der Chinesen, brauchen keine Fremdenergie mehr für den Abkühlungsprozess nach einer Notabschaltung. Der Fall Fukushima ist bei diesen Anlagen nicht möglich. Chernobyl hatte nicht einmal eine äussere Schutzummantelung. Neue chinesische Atomkraftwerke sind hingegen mit doppelter Ummantelung geschützt. Noch sicherer werden Anlagen der 4. Generation sein, zur Zeit in der Testphase. China und Russland beginnen zudem, kleinere kompakte Standardanlagen in entlegenen Gebieten einzusetzen. Diese sind ähnliche Anlagen, wie sie auch in U-Booten, Eisbrechern und Flugzeugträgern auf den Weltmeeren eingesetzt werden. Leistungsbereich 30 bis 150 WM.
• Sonnenenergieausbau (Photovoltaik) läuft in Zentraleuropa, dank öffentlicher Förderung noch am besten. Die geographische Lage Mittel- und Nordeuropas unterstützt die Sonnenenergie nicht besonders und ist nur bedingt eine Grundlastenergie.

Ich bin mir bewusst, dass meine Vorschläge nicht die eines Politikers sind, der Wahlen und Abstimmungen gewinnen muss. Ich bin Manager, der Ist-Zustände ermittelt, der herausfordernde, aber machbare Ziele definiert, Wege dahin aufzeigt, einen Weg davon auswählt und mit dem notwendigen Druck konsequent umsetzt.

Ich glaube, dass Länder die straffer, geführt sind, bei der Lösung dieser Aufgaben schneller und erfolgreicher sein werden.

Ich erinnere mich immer wieder an die Aussage meines Kollegen in Shanghai, der inzwischen Gouverneur einer Provinz mit mehreren 10 Millionen Einwohner ist: «Wir diskutieren nicht welche Energie wir wollen, wir diskutieren nur wieviel von welcher»!

Aber wir müssen uns bewusst sein: «Man kann einen Bären nicht waschen ohne dass er nass wird», doch dies wird von vielen Leuten erwartet. Die Frage ist auch wie man nass wird?!

Anhang 1 – Einige Hinweise zu verwendeter Literatur

• REN 21 Renewable Energy
• Sonnenenergie
• Windenergie
• Kernenergie

Anhang 2: Weitere Definitionen für besonders Interessierte

Energie

Unter Energie in diesem Artikel verstehe ich die physikalische Grösse.

Gemäss dem Energieerhaltungssatz kann Energie nicht erzeugt oder vernichtet,
sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Ich spreche deshalb von Energieumwandlung und nicht wie volkstümlich oft von Energieerzeugung.

Die Energiemenge kann in ganz unterschiedlichen Grössen angegeben werden. Je nach Fachbereich werden andere Einheiten verwendet. Als Einleitung eine kurze Übersicht.

Im metrischen Masssystem, SI-System, ist das Joule J die Einheit für die Energie.

1000 Joules = 1 kJ Kilojoule, 1 Million Joules = MJ Megajoule, 1 Milliarde Joules = 1 GJ Gigajoule

Oft wird auch Kilokalorie verwendet: 1 kcal = 4.17 kJ

Im Bereich der Energiewirtschaft werden oft nicht SI-Einheiten verwendet. Andere (grosse) Werte haben sich eingebürgert und werden in den globalen Energiestatistiken oft verwendet.

1 Quad  = 1,06 x 1018 Joules oder 1,06 x 1015  Kilojoules

1 Btu (British thermal unit) = 1.06 Kilojoule

1 toe (Tonne Öleinheit) = 41,87 x 106  Kilojoules

1 Mtoe (Millionen Tonnen Öleinheit) = 41,87 1012 Kilojoule

Diese Informationen sind für Interessierte und Physiker. Damit die vorgehenden Grafiken verstanden werden, sind nicht die absoluten Werte, sondern die Verhältnisse zwischen den Energiearten wichtig.

Leistung

Die Leistung als physikalische Grösse bezeichnet die in einer Zeitspanne umgesetzte Energie bezogen auf diese Zeitspanne.

Die Einheit für Leistung ist besser standardisiert. Das Watt mit all den dezimalen Einheiten wird heute hauptsächlich verwendet.

1 KW = 1000 W; 1 MW = 1'000'000 (1 Million) W; 1 GW = 1'000'000'000 (1 Milliarde) W
Bei Motoren spricht man lustigerweise immer auch noch von PS als Einheit.

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