Thermodynamo - Grundlagen der Energieintelligenz
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Thermodynamo - Grundlagen der Energieintelligenz
Intelligentes Handeln im Energiebereich erfordert mündige
Energiekonsument_innen. Grundlegendes Verständnis erhöht die Möglichkeiten,
mitzugestalten, sei es durch öffentlichen Druck, kritische Meinungsbildung und
Äußerung, etc.
Daher sollen diesmal einige Grundbegriffe und Konzepte den
interessierten Hörer_innen und Leser_innen näher gebracht werden.
Eine Sendung von Dynamo Effekt, Radio Orange Wien.
Sendetermine: Montag, 3. Mai um 18.30 Uhr und Dienstag, 4. Mai um 10.30
Uhr.
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Hintergrundinformationen vom Virus-Umweltbureau:
Grundlegendes zu Energieintelligenz: Energiebegriffe - Energie begreifen
Intelligentes Handeln im Energiebereich erfordert mündige
Energiekonsument_innen. Grundlegendes Verständnis erhöht die Möglichkeiten,
mitzugestalten, sei es durch öffentlichen Druck, kritische Meinungsbildung und
Äußerung, etc.
Daher sollen hier einige Grundbegriffe und Konzepte den
interessierten Hörer_innen und Leser_innen näher gebracht werden.
Dazu gehören:
Arbeit und Leistung, Wattstunde und Watt auseinanderhalten
zu können, ein Gefühl dafür zu bekommen, dass und warum die Kilowattstunde
nicht das Maß aller Dinge ist.
In Konsequenz das Konzept der „Energiedienstleistung" zu
verstehen. Es ist Ausdruck davon, dass menschliche Bedürfnisse nicht primär auf
technische Bedingungen oder Energieeinheiten abgestellt sind, sondern auf mit
den Empfindungen gekoppelte Zustände (etwa als ausreichend warm und behaglich
empfundene Wohnung)
Schaffung einer Idee davon, dass Energie und Energie nicht
dasselbe ist, weil es unterschiedliche Energiequalitäten gibt (die technisch
mit dem Begriff Exergie belegt sind) Was steckt dahinter? Wie kann
intelligenter Umgang damit aussehen?
Den Unterschied zwischen Energie und Strom wahrnehmen und
begreifen, dessen Wahrnehmung als Folge des Strebens nach dem „allelektrischen
Haushalt" verloren gegangen ist
Das Konzept des Ökologischen Fußabdrucks und ähnlicher
Systeme - Kurzabriss verschiedener Modelle, Darstellung von Sinn und Grenzen solcher
Konzepte
Energieeinheiten
Es gibt verschiedene Energieeinheiten - solche, die sich am
Energiegehalt von Öl und Steinkohle orientieren und solche, die dem
internationalen Einheitensystem (SI) angehören, das auf Kilogramm, Meter und
Sekunde aufbaut, bei dem aber daraus zusammengesetzte Einheiten weitere Namen
haben. Manchmal gibt es in diesem „Zoo" verschiedene Einheiten für die selbe
Größe. Trotz dieses Verwirrungspotenzials sollte danach gestrebt werden, den
Überblick zu behalten, welche Einheit zu welcher Messgröße gehört.
Im Energiebereich gibt es mit Energie und Leistung zwei
Messgrößen, die sich dadurch unterscheiden, dass bei der Leistung die
Zeitkomponente hinzukommt. Energie pro Zeit ist Leistung, eine Momentanaufnahme
sozusagen. Die Energieeinheit ist das Joule (im alten Einheitensystem war hier
die Kalorie in Gebrauch, die aus dem Bereich der Ernährung bekannt ist), die
Einheit für die Leistung ist das Watt. 1 Watt entspricht einem Joule pro
Sekunde.
Obwohl das eine ansonsten eher unübliche Vorgangsweise ist,
gibt es in Physik und Technik einen Spezialfall, der leicht für Verwirrung
sorgt, weil hier das Pferd von hinten aufgezäumt wird, und der gerade die
Energietechnik betrifft. Hier wird (insbesondere in der Elektrotechnik) von der
Leistungseinheit Watt ausgegangen und von dieser Ausgangsbasis auf die
Energieeinheit zurückgerechnet. War nun ein Watt ein Joule dividiert durch eine
Sekunde, ist nun umgekehrt ein Joule ein Watt mal einer Sekunde, auch
Wattsekunde genannt. Auf ein größeres Zeitmaß bezogen ergibt sich daraus die
Wattstunde, und um haushaltsgerechtere Einheiten zu erzeugen, multiplizieren
wir das mit einem zusätzlichen Faktor. 1000 Wattstunden ergeben dann eine
Kilowattstunde (kWh). Mit einer kWh kann eine 100 Watt Glühbirne 10 Stunden
lang betrieben werden oder 10 davon eine Stunde. Dieses Beispiel aus der
Elektrizität soll aber nicht davon ablenken, dass sich jede Energieeinheit
(hier gibt es viele, die auf bestimmte Brennstoffe bezogen sind wie toe oder
SKE - Steinkohleeinheiten) auf (Kilo-)Wattstunde umrechnen lässt.
Die Kilowattstunde ist nicht alles, wie folgendes simple
Beispiel erläutern soll: Wir haben getan, was sonst normalerweise niemand tut,
nämlich den Preis der Kilowattstunde einer Taschenlampenbatterie ermittelt, der
zwischen 130 und 380 Euro pro Kilowattstunde liegt1, und damit um
Größenordnungen über den in Cent bemessenen Haushaltspreisen einer kWh
„normalen" Stroms. Trotz dieser „Apothekenpreise", zu denen normalerweise
niemand Energie kaufen würde, ist es aber sinnvoll, Batterien zu verwenden,
wenn es um mobile Energiebereitstellung (bzw. die netzunabhängige mobile
Bereitstellung von Energiedienstleistungen geht). Dies ist ein besonders
krasses Beispiel, das aber Anlass geben sollte, einmal darüber nachzudenken, ob
nicht auch in anderen Fällen der Kilowattstundenpreis geringere Bedeutung hat,
als ihm zugemessen wird. So können Energiekosten nicht nur gesenkt werden,
indem der Kilowattstundenpreis reduziert wird, sondern auch indem der Verbrauch
reduziert wird (sei es durch Veränderung der Nachfrage oder technische
Verbesserung). Je weniger Verbrauch, desto mehr kann relativ egal sein, wieviel
die kWh kostet.
Energiedienstleistung
Das Konzept der Energiedienstleistung löst Energie aus einem
rein technischen Bezugssystem und verlagert die Aufmerksamkeit von der
Nutzenergie (die Energie die bei den Endverbraucher_innen eingesetzt wird, und
je nach Geräteeffizienz nach Umwandlungssverlusten netto übrig bleibt) zu dem
was diese Verbraucher_innen benötigen bzw. was deren eigentliches Bedürfnis
ist. Wir wollen z.B. fernsehen, computerspielen, allgemeiner eigentlich: uns
unterhalten. Wir wollen es im Winter warm in der Wohnung haben bzw. uns einfach
behaglich fühlen. Wir wollen frische Nahrung haben, und bedienen uns dazu eines
energieverbrauchenden Gerätes, z.B. des Kühlschrankes.
Wichtig ist in diesem Zusammenhang zu begreifen, dass das
Verhältnis zwischen nachgefragter Energiedienstleistung und dem zu ihrer
Bereitstellung erforderlichen Nutzenergieaufwand alles andere als eine fixe
Größe ist!
Nehmen wir als erstes Beispiel die Raumwärme: Wie gut ein
Gebäude wärmetechnisch isoliert ist, ist schon einmal sehr wesentlich dafür,
wieviel Nutzenergie benötigt wird, um einen Raum auf eine bestimmte Temperatur
zu bringen bzw. dort zu halten. Letztendlich wollen wir uns aber behaglich
fühlen, und dafür kommt es nicht nur auf die Temperatur an, sondern etwa auch
auf die Wärmeverteilung im Raum, auf den Anteil an Wärmestrahlung, die das
Heizsystem abgibt, ob es kalte Wände gibt, die Unbehagen erzeugen, ob es zieht,
ob die Räume gut gelüftet sind und ausreichend Sauerstoff enthalten (um unseren
inneren Ofen in Schwung zu halten) bzw. die Luft in der Umgebung (und damit die
in unserer Wohnung) generell gut ist oder nicht. So kann ein Raum mit
geringerer Temperatur (und somit Energieeinsatz) ein subjektiv
angenehmeres/wärmeres Gefühl erzeugen, als einer mit höherer Temperatur aber
ungünstigerer Bauphysik. Letztendlich spielt auch die Frage einer Rolle, ob ich
die Temperatur etwas absenke und mir dafür einen Pullover anziehe und mich
trotzdem wohl fühle. Neben (nicht bei allen Menschen gleichen) physiologischen
Bedingungen und der Lebensweise (genügend Bewegung?) sind dafür auch (dem
jeweiligen Zeitgeist unterworfene und somit veränderliche) gesellschaftliche
Wertvorstellungen verantwortlich - etwa auch für die Frage, ob das Tragen eines
Pullovers jetzt schick ist oder nicht.
Um nicht nur die Raumwärme zu erwähnen, ist die Nachfrage
nach Energiedienstleistungen - abseits von der Deckung von Grundbedürfnissen -
ebenfalls eine gesellschaftlich bestimmte, etwa bei der Entscheidung, ob zur
Unterhaltung Geräte herangezogen werden, die Energieeinsatz erfordern. Bei
entsprechenden Rahmenbedingungen (geeigneter Keller) kann es z.B. auch möglich
sein, Lebensmittel länger zu lagern, ohne (ausschließlich) auf energieabhängige
Geräte zur Temperierung angewiesen zu sein.
Energie und Exergie
Energie und Energie ist nicht immer dasselbe, es existieren
verschiedene Formen von Energie. Auch wenn gerne von Energieverbrauch die Rede
ist, wird Energie streng genommen nicht verbraucht, sondern nur von einer Form
in die andere umgewandelt. Dies ist aber nicht beliebig und nicht in jede
Richtung möglich. (Für Physikinteressierte: die Grundlage dafür liegt im 2.
Hauptsatz der Wärmelehre: die Unordnung dieser Welt = Entropie nimmt ständig
zu, will man dem entgegenwirken, ist wieder Energieeinsatz erforderlich).
Vielleicht zur Veranschaulichung trotz des etwas hinkenden
Vergleichs: es ist möglich, Erdäpfel zu zerstampfen und zu pürieren. Das
rückgängig zu machen, geht bestenfalls im Film, wenn ich ihn rückwärts
abspiele, nicht aber in der realen Welt - manche Umwandlungen sind unumkehrbar.
Auch wenn die Welt um uns voll Energie ist, hilft es nichts,
wenn wir sie nicht nützen können. Um aus Wärme nutzbare Energie zu erzeugen,
brauchen wir eine Temperaturdifferenz. Gibt es die nicht, nützt mir ein ganzer
warmer Ozean voller Energie nichts.
Um diese Frage in den Griff zu bekommen wurde das Konzept
von der Exergie entworfen, die sozusagen ein Maß für die Umwandelbarkeit von
Energie darstellt. Energie setzt sich daher zusammen aus der Summe von Exergie
(das ist der nutzbare Anteil) und Anergie (das ist der nicht nutzbare Rest). So
lassen sich unbeschränkt umwandelbare (nur Exergie), beschränkt umwandelbare
(Exergie und Anergie gemischt) und nicht umwandelbare (nur Anergie) Energie
unterscheiden.
Verschiedene Energieformen, mit denen wir hantieren,
unterscheiden sich somit in der Qualität (in ihrem Exergiegehalt). So enthält
das warme Wasser, das aus der Fernwärmeleitung kommt zweifellos Energie, die
für eine warme Dusche oder zum Temperieren der Wohnung benutzt werden kann.
Einen Computer kann ich damit aber nicht betreiben, und auch einen Motor, der
meine Wasserpumpe antreibt nicht so einfach, weil dieses warme Wasser
niederexergetisch ist2. Umgekehrt kann ich Elektrizität (hochexergetisch - kann
in jede andere Energieform umgewandelt werden) auch zum Heizen verwenden. Ob
dies aber sinnvoll ist, sei dahingestellt. Das ist eher wie „mit Kanonen auf
Spatzen schießen". Neben den hohen Kosten ist die Verschwendung des
Exergiepotenzials der Grund, warum z.B. Elektroheizungen als energietechnisch
kontraproduktiv erachtet werden. Mit Strom kann ich alles machen, muss aber für
die Veredelung und Verfügbarmachung beträchtlichen Aufwand treiben (Strom ist
bekanntlich schwierig zu handhaben und muss immer in dem Moment, in dem ich ihn
brauche, erzeugt werden, weil Elektrizität als solche nicht gespeichert werden
kann) und mir deshalb besonders gut überlegen, wo ich diese veredelte Energie
adäquat einsetze. Bei Exergieüberlegungen (die ursprünglich nur aus der
Wärmelehre stammen) ist immer auch der gewollte Nutzungszweck zu
berücksichtigen. Ein elektronisches Gerät kann nachvollziehbarerweise
prinzipbedingt nicht mit Dampf betrieben werden, andere Maschinen aber
durchaus.
Bei Kältemaschinen (z.B. Kühlschrank) wird Energie zugeführt
(zum Betrieb des Kompressors), damit dem zu kühlenden Körper Energie entzogen
wird.
Der Unterschied zwischen Energie und Exergie lässt sich wohl
nirgends so klar herausstellen wie in der Kältetechik, wozu folgende Anekdote
dienen soll:
Eine Brauerei war gezwungen, einige weit abgelegene
Lagerräume von ihrer zentralen Kühlanlage aus zu kühlen.. Die dazu erforderlichen
Soleleitungen3 mussten durch die Lagerräume eines Lebensmittelgroßhändlers
verlegt werden. Eines Tages stellte der Brauereibesitzer fest, dass der
Lebensmittelgroßhändler diese Sole zur Kühlung seiner Lebensmittel verwendete.
Er zeigte ihn deshalb wegen Diebstahls an. Der Richter aber sprach: „Nach §242
des Strafgesetzbuches4 ist Diebstahl die Wegnahme einer fremden beweglichen
Sache in der Absicht, sie sich rechtswidrig anzueignen. Dieser Sachverhalt ist
hier nicht gegeben, denn der Großhändler eignet sich ja die kalte Sole nicht
an, sondern gibt sie wieder in das Leitungsnetz der Brauerei zurück." Darauf
wandte sich der Brauereibesitzer an die nächst höhere Instanz und bekräftigte
seinen Standpunkt mit dem Hinweis: „ Es handelt sich nicht um den Diebstahl von
Sole, sondern von Energie. Wenn ich jetzt auch den Keller des
Lebensmittelhändlers kühlen muss, verbrauche ich mehr Strom für meine
Kältemaschine." Aber der physikalisch nur halbgebildete Richter entgegnete:
„Die Sole nimmt doch Wärme, das heißt aber Energie aus dem Lebensmittellager
auf, also wird Ihnen nicht Energie gestohlen, sondern ganz im Gegenteil, SIE
bekommen Energie GESCHENKT."
Wir haben alle das Empfinden, dass der Richter unrecht habe,
wo aber liegt der Fehlschluss?
Die Lösung liegt darin, dass
.. dem Missverständnis die Verwechslung der beiden Begriffe,
die beide mit dem Wort Energie bezeichnet werden, zugrundeliegt. Des Rätsels
Lösung ist, dass die Exergie jedes Körpers mit einer Temperatur unter der
Umgebungstemperatur T<Tu bei Wärmezufuhr verkleinert wird"
Anmerkung: Wenn diese Geschichte nicht stimmt, dann ist sie
gut erfunden.
Zitat entnommen dem Buch VDI (Hsg.) 1965, „Energie und
Exergie - Die Anwendung des Exergiebegriffs in der Energietechnik" Verlag des
Vereins deutscher Ingenieure, Düsseldorf
Anmerkung für potentielle LeserInnen: einige Passagen des
Buches sind eher einfach geschrieben, manche aber ziemlich kompliziert.
Energie und Strom
Aus der unter Punkt 3 abgehandelten „exergetischen"
Betrachtung ergibt sich, dass Strom eine sehr hochwertige Energieform ist5.
Daraus aber den Schluss zu ziehen, deshalb nur noch hochwertige Energie
einzusetzen, wäre eben grundfalsch und hieße „Perlen vor die Säue werfen" (etwa
im Bereich Raumwärme). Auch deshalb ist es wichtig, im Bewusstsein zu halten,
dass bei Energie Strom nicht alles ist und nicht die ganze Aufmerksamkeit auf
sich ziehen sollte. (Mehr über die Bedeutung von Strom im Gesamtenergiesystem
kommt dann bei der Sendung über den Energiefluss). Leider wird auch in der Öffentlichkeit
oft von Energie gesprochen, aber ausschließlich Strom damit gemeint. Es gerät
so aus dem Blick, was es noch für andere, eventuell geeignetere, Energieträger
für verschiedenste Anwendungen gibt. Wichtig daran ist eben, dass Strom nicht
für jede Anwendung am besten geeignet ist (siehe Beispiel mit der
Elektroheizung weiter vorne im Text). Es kommt auch häufig zu verzerrenden
Darstellungen, wie wenn z.B. über den Anteil von erneuerbarer Energie an der
Energiegewinnung gesprochen wird, wo eigentlich nur der Anteil von erneuerbarer
Energie an der Elektrizitätsgewinnung gemeint ist. Wegen des derart falsch
gewählten Ausdruckes erscheint der Prozentsatz an erneuerbaren Energien höher,
als er bezogen auf die Gesamtenergie tatsächlich ist. Resultat ist eine
(Selbst-)Täuschung über die Länge der in Richtung einer nachhaltigen
Energiezukunft zurückzulegenden Wegstrecke.
Ökologischer Fußabdruck und ähnliche Systeme
Die Menschheit benötigt Ressourcen, die sich im wesentlichen
in Energie, materielle Ressourcen und Fläche einteilen lassen. Energie ist nur
einer der Faktoren. Unser Planet kann alle diese Dinge nur in begrenztem Maße
zur Verfügung stellen. Als ein Instrument, diese begrenzte Tragfähigkeit zu
veranschaulichen, ist das Konzept des ökologischen Fußabdruck eingeführt
worden. Dabei wird das, was wir benötigen, auf ein einheitliches Maß gebracht,
indem wir unseren Ressourcenverbrauch auf die Fläche umrechnen, die wir zu
seiner (nachhaltigen) Bereitstellung benötigen (würden). Letztendlich wird zum
Anbau biogener (energetischer und materieller) Ressourcen ebenso Fläche
gebraucht wie zum Einfangen von Sonnenenergie etc. Als Maßstab gelten die
„Global hectares". Mehr dazu unter http://www.footprint.at.
Der footprint ist nicht nur ein allgemeines Konzept, sondern
auch in hohem Maße energieerelevant.
„Etwas mehr als die Hälfte des Ökologischen Fußabdruckes
gehen auf die eine oder andere Art auf den Energieverbrauch zurück." (ebd.)
Als Spezialfall gibt es analog Systeme, die alles auf den
Wasserverbrauch umlegen, das sogenannte „virtuelle Wasser". (Bekanntlich ist
Süßwasser ebenfalls ein knappes Gut).
http://de.wikipedia.org/wiki/Virtuelles_Wasser
Analog gibt es den-sogenannten „world overshoot day" Beim
sogenannten „world overshoot day" ist der Tag im Jahr gemeint, an dem bereits
die ganzen Ressourcen aufgebraucht sind.6
(http://www.footprintnetwork.org/en/index.php/GFN/page/earth_overshoot_day/)
Worin liegen nun die Vor- und Nachteile des Konzepts vom
„Footprint" und ähnlichen Konzepten?
Auf der positiven Seite steht vor allem, dass es sich dabei
um ein famoses Instrument der Veranschaulichung auf einer prinzipiellen Ebene,
der grundsätzlichen Bewusstseinsbildung für die Begrenztheit dieser Welt
handelt.
Eine gewisse Gefahr liegt darin, das footprinting (wiederum
als Maß aller Dinge) überzustrapazieren. Wie immer, wenn versucht wird,
komplexe Sachverhalte auf eine Zahl zu reduzieren, steigt das Risiko
unzulässiger Vereinfachungen. So können etwa Details wie z.B. kleinräumige
unterschiedliche Produktionsbedingungen einer Ware in der Berechnung oft nicht
berücksichtigt werden, sind aber unter Umständen für das Ergebnis durchaus
maßgeblich.
Bei der Berechnung ist es immer erforderlich zu
berücksichtigen, dass mit Annahmen und Vereinfachungen, mit Durchschnittswerten
gearbeitet werden muss, der Footprint also nicht unbedingt ein exaktes Werkzeug
ist.
Dass dies den Footprintern selbst klar ist, zeigt folgendes
Zitat von Footprint.at:
„Selbstverständlich ist auch der "Footprint" nicht der
allumfassende, einzig wahre Parameter. Regenwaldzerstörung durch den
Aluminiumabbau, Gefahren der Gentechnik, Pestizidrückstände in der Nahrung,
menschenwürdige Arbeitsbedingungen, Lärm beim Transport, soziale Fairness bei
der Preisgestaltung und vieles mehr können nicht abgebildet werden. Hier sind
zusätzliche Bemühungen von Nöten, wie etwas das Fair-trade-Label oder die
Gentechnik-frei-Kennzeichnung."
(Anm: Hier geht es nur um eine kurze Bekanntmachung der
Konzepte, für weiter Interessierte sei auf die angeführten Links verwiesen.
Boden- und Wasserverbrauch werden bei der Sendung „Energie und Ernährung"
nochmals zur Sprache kommen müssen)
Literatur
VDI (Hsg.) 1965, „Energie und Exergie - Die Anwendung des
Exergiebegriffs in der Energietechnik" Verlag des Vereins deutscher Ingenieure,
Düsseldorf
Weblinks
http://www.footprintnetwork.org/en/index.php/GFN/page/earth_overshoot_day/
(aufgesucht am 09.01.2010)
http://www.footprint.at. (aufgesucht am 09.01.2010)
http://de.wikipedia.org/wiki/Virtuelles_Wasser (aufgesucht
am 09.01.2010)
Fußnoten
1 Die große Schwankungsbreite erklärt sich aus verschiedenen
Batterietypen. Der Wert lässt sich auch deshalb nicht genau angeben, weil für
seine Berechnungen Abschätzungen erforderlich sind, wie schnell die Spannung
der Batterie abfällt, und was die mittlere Spannung bzw. mittlere Leistung ist,
auch müssen irgendwelche Annahmen über die Anschaffungskosten der Batterien
getroffen werden - auch hier gibt es beträchtliche Schwankungsbreiten.
2 Wieviel mechanische Energie ich rauskriege, hängt von der
erzielbaren Temperaturdifferenz ab, und da ist bei Wasser, das unter 100 Grad
Celsius heiß ist, weniger möglich, als bei einem Brennstoff, mit dem ich
Temperaturen von mehreren 100 Grad Celsius erzeugen kann.
3 Als Kühlmittel verwendet
4 bezieht sich auf das deutsche Strafgesetzbuch, der
österreichische Paragraph wäre ähnlich lautend §127 StGB
5 Auch Erdgas ist ein hochexergetischer Energieträger, das
wird schon in der Sendung zur „Gaskrise" beleuchtet
6 Anmerkung: dass sich das nicht so genau berechnen lässt
ist zweitrangig, handelt es sich doch vorrangig um ein Kampagnentool, bei dem
es auf das Prinzip ankommt
Interviewpartner_innen:
Wolfgang Rehm
Umweltorganisation Virus
virus.umweltbuero[at]wuk.at
Mag. Christian Ammer
Pressesprecher Wien Energie
christian.ammer[at]wienenergie.at
Ing. Andreas Hudecek
Stv. Leiter Wien Energie Haus
http://www.wienenergie.at/we/ep/channelView.do?channelId=-22030&pageType...