Energie – Wie verschwendet man etwas, das nicht weniger werden kann? [2. Aufl.] 978-3-662-56771-5;978-3-662-56772-2

Table of contents :
Front Matter ....Pages I-VIII
Einleitung (Martin Buchholz)....Pages 1-4
Einheiten (Martin Buchholz)....Pages 5-26
Exergie, Anergie und die hohe Kunst der Energieverschwendung (Martin Buchholz)....Pages 27-37
Entropie. Was ist das? Und vor allem … wozu braucht man es? (Martin Buchholz)....Pages 39-72
Reale Energiewandlungsprozesse und deren Grenzen (Martin Buchholz)....Pages 73-115
Das Perpetuum mobile – Energiewandlung jenseits aller Grenzen (Martin Buchholz)....Pages 117-154
Die Energiewende (Martin Buchholz)....Pages 155-234
Energie „sparen“ im Alltag (Martin Buchholz)....Pages 235-256
Back Matter ....Pages 257-260

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Deutscher Meister Science-Slam !

Martin Buchholz

Energie Wie verschwendet man etwas, das nicht weniger werden kann?

Energie – Wie verschwendet man etwas, das nicht weniger werden kann?

Martin Buchholz

Energie – Wie verschwendet man etwas, das nicht weniger werden kann? 2., erweiterte und korrigierte Auflage

Martin Buchholz Institut für Thermodynamik Technische Universität Braunschweig Braunschweig, Deutschland

ISBN 978-3-662-56771-5 ISBN 978-3-662-56772-2  (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-56772-2 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http:// dnb.d-nb.de abrufbar. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016, 2019 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Verantwortlich im Verlag: Margit Maly Zeichnungen: Dr. Maren Lütge Springer ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1 2 Einheiten 5 2.1 Einheiten sind nicht sexy 5 2.2 Der Unterschied zwischen Arbeit und Leistung 7 2.3 Die Einheiten für Energie: Joule und kWh 12 2.4 Energie ist mehr als nur Strom 20 2.5 Auch Temperatur will gemessen werden 23 3 Exergie, Anergie und die hohe Kunst der Energieverschwendung 27 3.1 Ich bin ein Energieverschwender. Sie auch? 27 3.2 Die Bedeutung der Umgebung 32 3.3 Exergie & Anergie – zwei ungleiche Schwestern 35 V

VI     Inhaltsverzeichnis

4 Entropie. Was ist das? Und vor allem … wozu braucht man es? 39 4.1 Wozu braucht ein Kraftwerk Kühltürme? 40 4.2 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 43 4.3 Maximaler Arbeitsgewinn 48 4.4 Entropie und Zeit im Gleichschritt 56 4.5 Na gut. Doch noch eine Deutung der Entropie 63 4.6 Evolution versus Entropie: Kreationisten und die Unordnung 67 4.7 Α und Ω – vom Urknall bis zum Wärmetod 70 5 Reale Energiewandlungsprozesse und deren Grenzen 73 5.1 Energiewandlung im Alltag 73 5.2 Umwandlung von Wärme zu Arbeit 78 5.3 Direkte Umwandlung von chemisch gebundener Energie zu Arbeit 85 5.4 Umwandlung zwischen elektrischem Strom und mechanischer Arbeit 89 5.5 Umwandlung von chemisch gebundener Energie in Wärme 90 5.6 Umwandlung von Arbeit zu Wärme 91 5.7 Umwandlung von Arbeit zu „Kälte“ 99 5.8 Umwandlung von Arbeit zu chemisch gebundener Energie 108 5.9 Umwandlung von Licht zu Arbeit 110 5.10 Umwandlung von Arbeit zu Licht 113 6 Das Perpetuum mobile – Energiewandlung jenseits aller Grenzen 117 6.1 Die Geschichte vom Perpetuum mobile 117 6.2 Verschwörung allüberall 121

Inhaltsverzeichnis     VII

6.3

Wie man ein Perpetuum mobile ­widerlegt 123 6.4 Historische Fehlschläge 128 6.5 Waren die früher alle so dumm? 135 6.6 Unheimliche Maschinen der dritten Art 137 6.7 Scheinbare Perpetuum Mobiles 140 Literatur 154

7 Die Energiewende 155 7.1 Wirtschaftliche Betrachtung 164 7.2 Zurück zur Technik 176 7.3 Das Stromnetz der Zukunft: ­Schwankende Nachfrage trifft auf schwankendes Angebot 179 7.3.1 Überkapazitäten schaffen 182 7.3.2 Energie speichern 192 7.3.3 Deutschland und Europa besser vernetzen 202 7.3.4 Power2Gas: Technik zum Speichern und Vernetzen 208 7.3.5 Stromverbrauch steuern 216 7.4 Blackout 221 7.4.1 Netzstabilität 221 7.4.2 Ist denn ein Blackout wirklich so schlimm? 225 7.4.3 Risiko durch Blackout ­minimieren 228 7.4.4 Wie fährt man das Stromnetz wieder hoch? 232 Literatur 233 8 Energie „sparen“ im Alltag 235 8.1 Konkrete Maßnahmen zur Senkung ­ des Stromverbrauchs 237 8.2 Alles neu kaufen? 250

VIII     Inhaltsverzeichnis

8.3 8.4

Effizienter heizen 251 Indirekter Energieverbrauch 254

Stichwortverzeichnis 257

1 Einleitung

„Energie ist ein Thema, das alle interessiert.“ Dachte ich zumindest lange, weil ich von mir auf andere geschlossen habe. Fälschlicherweise. Dass diese These nicht stimmt, merke ich in Gesprächen mit Freunden, aber erstaunlicherweise auch mit Studenten, die später Ingenieure werden wollen, immer wieder. Also revidiere ich meine Aussage: „Energie ist ein Thema, das alle interessieren sollte.“ Schließlich betrifft das Thema Energie unsere Lebensqualität in vielfältiger Weise: Eine gesicherte Energieversorgung sorgt – in Kombination mit vielen Haushaltsgeräten und Maschinen – dafür, dass wir so wenig selber körperlich arbeiten müssen wie keine Generation vor uns. Gleichzeitig bedroht die herkömmliche Energiebereitstellung in Kraftwerken und Automotoren unsere Gesundheit bzw. unsere Umwelt und die aktuelle Energiewende spüren wir im Portemonnaie. Damit sollte die Frage der Relevanz eigentlich geklärt sein; sind doch © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2019 M. Buchholz, Energie – Wie verschwendet man etwas, das nicht weniger werden kann?, https://doi.org/10.1007/978-3-662-56772-2_1

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2     M. Buchholz

Wohlbefinden, Umweltschutz und Geld Themen, die fast niemanden kalt lassen. Aber wem sage ich das: Da Sie ganz offensichtlich dieses Buch aufgeschlagen haben und bereits die Einleitung lesen, vermute ich, dass Sie das Thema auch spannend finden. Also geht es für Sie eigentlich nur noch darum, was Sie in diesem Buch erwartet und warum Sie sich ausgerechnet mit mir zusammen Gedanken dazu machen sollten. Energie war für mich schon im Physikunterricht die interessanteste aller Größen, da die Energieerhaltung für alle Prozesse – völlig egal um welches Thema es ging – gültig ist. Trotz eines außergewöhnlich guten Physiklehrers in der Oberstufe hatte ich als Schüler aber immer das Gefühl, dass mir ein Puzzlestück fehlte. Wo bleibt denn die Energie eines Gegenstandes, nachdem er vom Tisch auf den Boden gefallen ist? Und warum kann er nicht wieder von alleine nach oben fliegen, wenn die Energie doch angeblich nicht verloren gegangen ist? Erst im Studium begegnete mir dann das Fach Thermodynamik, von dem ich zwar vorher noch nie etwas gehört hatte, das mir aber dafür endlich Antworten auf meine Fragen lieferte. Und je mehr ich verstand, umso mehr hatte ich auch Lust, anderen das zu erklären, was mir vorher leider niemand erklärt hatte; und zwar nicht nur Studenten, für die ich auch heute noch Lehrveranstaltungen an der TU Braunschweig halte, sondern auch für ganz normale Leute, die keine besondere Affinität zu technischen Sachverhalten haben. So sind im Laufe der Jahre einige Kurzvorträge entstanden, mit denen ich 2010 sogar deutscher Meister im Science Slam wurde und von denen einer sogar fast eine halbe Million Mal im Internet angeklickt wurden. Das vorliegende Buch ist eine von diesen Vorträgen beeinflusste Sammlung von Texten zum Thema Energie:

1 Einleitung     3

Ich betrachte die physikalischen Grundlagen dieser Größe und scheue mich sogar nicht einmal, etwas zum Thema „Einheiten“ zu schreiben, obwohl das doch angeblich immer langweilig ist. Später wird die leider viel zu wenig bekannte Größe Entropie vorgestellt; eine wichtige Grundlage für das Verständnis ganz alltäglicher Vorkommnisse: Wir alle wissen, dass man ein 1000-Teile-Puzzle schneller zerlegt, als dass man es wieder zusammensetzt. Milch und Kaffee lassen sich leichter mischen als wieder trennen. Zeit läuft vorwärts, aber nie zurück. Der Grund ist in allen drei Fällen die Entropie. Vor allem aber begrenzt die Entropie die Möglichkeiten, verschiedene Energieformen nach Belieben ineinander umzuwandeln. Deshalb untersuche ich verschiedene solcher Wandlungsprozesse zwischen Wärme, Arbeit, Strom, Licht, … und erkläre, wie sie funktionieren und bis zu welcher Grenze das jeweils gehen kann. Jenseits dieser Grenzen gibt es dann nur noch den unerfüllbaren Menschheitstraum des Perpetuum mobile, dem ich, weil er so schön ist, ebenfalls ein Kapitel widme. Mit diesem ganzen, für manchen Leser vielleicht neuen Wissen wende ich mich zum Schluss der Energiewende zu. Deren Probleme und mögliche Lösungsansätze versuche ich so unpolitisch und neutral wie möglich zu diskutieren, bevor ich dann ganz am Ende noch auf ein paar Möglichkeiten hinweise, wie sich der Energieumsatz im eigenen Haushalt reduzieren lässt. Manche Kapitel bauen dabei aufeinander auf, insbesondere die Lektüre der Kapitel zwei bis vier lohnt sich, wenn Sie die folgenden Kapitel wirklich begreifen möchten. Die übrigen Kapitel können Sie gerne auch selektiv oder in anderer Reihenfolge lesen. Dabei habe ich mich immer bemüht, die Texte so zu schreiben, dass sie trotz inhaltlicher Korrektheit unterhaltsam bleiben und möglichst wenige Leser durch

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üppige Rechnungen oder überflüssiges Fachvokabular verschrecken. Die fachlich relevanten Begriffe, ohne die man wirklich nicht auskommen kann, habe ich in zusätzlichen Kurztexten erläutert, die Sie bei Bedarf lesen können, aber nicht müssen. Oft lohnt sich das Lesen solcher Begriffserklärungen allerdings, weil selbst so vertraute Begriffe wie Wärme in der Physik mitunter eine andere Bedeutung haben, als Sie vielleicht vermuten. Das sollte für eine Einleitung reichen. Los geht’s mit dem Inhalt. Oder um es mit den Worten von Captain Jean-Luc Picard, dem Star-Trek-Helden meiner Jugend, zu sagen: Energie!

2 Einheiten

2.1 Einheiten sind nicht sexy Lieber Leser, ich kenne Sie nicht. Ich weiß nicht, ob Sie Schüler sind oder Maschinenbau studieren, bereits Physik studiert, eine Ausbildung zum Bankkaufmann oder aber einen Magister in Kunstgeschichte gemacht haben. Deshalb weiß ich auch nicht, was Sie wissen. Ich kann also nicht einschätzen, was für Sie völlig neu und was ein alter Hut ist. Wenn Sie bereits wissen, wie man Joule in Kilowattstunden umrechnet, was der Unterschied zwischen Leistung und Arbeit ist und wieso eine Brennwertheizung einen Wirkungsgrad von über 100 % haben kann, wartet auf Sie in diesem Kapitel nur eine hoffentlich launige Wiederholung. Wenn Sie aber zu den 90 % der Bevölkerung gehören, die keinen Zusammenhang zwischen den Zahlen sehen, die a) auf Ihren Lampen stehen, b) auf Ihrem Stromzähler und c) auf Ihrem Gaszähler, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2019 M. Buchholz, Energie – Wie verschwendet man etwas, das nicht weniger werden kann?, https://doi.org/10.1007/978-3-662-56772-2_2

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dann sollte das folgende Kapitel Ihnen einige erhellende Momente bieten, die Sie für das weitere Buch (und vielleicht sogar für Ihr weiteres Leben) gut gebrauchen können. Das Thema Einheiten hört sich eventuell nicht allzu sexy an; aber erinnern Sie sich bitte daran, wie das vielleicht ebenfalls nur mittelmäßig spannende Erlernen von 26 Buchstaben im Grundschulalter Sie in die Lage versetzt hat, aufregende Romane oder gar dieses Buch hier zu lesen. Und ich verspreche Ihnen: Sie müssen sich hier nur mit einer Handvoll Einheiten beschäftigen. Geben Sie ihnen eine Chance! Wozu braucht man denn überhaupt Einheiten? Um eine physikalische Größe wie Energie, Länge oder Stromstärke vermessen und in Rechnungen nutzen zu können, muss man für sie eine geeignete Einheit finden und gegebenenfalls verschiedene Einheiten ineinander umrechnen können. Eine Einheit ist dabei ein eindeutig definierter Wert der jeweiligen Größe. Alle anderen Werte dieser Größe werden als Vielfache der einmal gewählten Einheit angegeben. Die Länge einer Strecke z. B. beschreiben wir mit der Einheit Meter. Das lässt uns leicht erkennen, welcher von zwei Wegen der längere ist: nämlich derjenige, der aus mehr einzelnen Metern besteht! Unser Vermögen (oder unser Einkommen) bemessen wir in Euro. Wer mehr Euros besitzt, ist – zumindest von einem rein monetären Standpunkt betrachtet – die reichere Person. Schwieriger wird es, wenn ich 1000 € besitze und ein australischer Freund 1200 australische Dollar. Ein kleines Kind würde die Frage, wer mehr Geld besitzt, ganz einfach beantworten: 1200 ist mehr als 1000. Um die Frage als Erwachsener, der um die Existenz von Wechselkursen weiß, beantworten zu können, muss ich eine Umrechnung

2 Einheiten     7

vornehmen. Bei einem Kurs von beispielsweise 2 A$/€, also zwei australischen Dollar die ich pro Euro bekomme, kann ich das Vermögen meines Freundes in (1200 A$)/ (2 A$/€) = 600 € umrechnen. Wenn ich es dann mit meinem Vermögen vergleiche, erkenne ich erfreut, dass ich der wohlhabendere von uns beiden bin.

2.2 Der Unterschied zwischen Arbeit und Leistung Ich kann Ihnen nicht in den Kopf schauen; aber ich vermute, dass Sie beim Thema Energie an Einheiten wie Joule (gut in der Schule aufgepasst), Kilowattstunden (schon mal die Stromrechnung gelesen), Watt (das steht auf Lampen) und Kalorien (allen Diätfreunden vom Aufdruck auf der Lebensmittelverpackung bekannt) denken. Bevor wir nun aber darüber reden, wie diese Einheiten ineinander umgerechnet werden können, müssen wir leider erst noch eine weitere wichtige Sache klären, die auf den ersten Blick etwas detailverliebt und kleinkariert aussehen mag: Den Unterschied zwischen Arbeit bzw. Energie auf der einen und Leistung auf der anderen Seite. Viele Menschen werfen diese beiden Größen durcheinander und selbst im Kundenmagazin eines Energieversorgers habe ich vor kurzem ein Interview gelesen, in dem jemand eine Windanlage anpries, die angeblich „eine elektrische Leistung hat, die dem Stromverbrauch unserer ganzen Stadt für 45 Minuten entspricht“. Bevor ich darauf eingehe, warum diese Aussage Unsinn ist, möchte ich aber lieber erstmal einen Witz zur Auflockerung einstreuen (Abb. 2.1): Sagt ein Mantafahrer in Dortmund zu seiner Freundin: „Boah, meine neue Karre fährt 190!“ Antwortet die ­Freundin:

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Abb. 2.1  Auch der Manta kommt bis Berlin, egal ob mit 90 oder 190 km/h. Die wenigsten verwechseln Geschwindigkeit mit Reichweite, leider aber viele Leistung mit Arbeit

„So’n Mist – nur 190? Nach Berlin kommste damit abba nich.“ Fanden Sie das witzig? Ich nicht. Zumindest nicht so besonders. Das liegt wahrscheinlich daran, dass wir nicht einmal einer unter Umständen wenig intellektuellen Lebenspartnerin eines Mantafahrers aus Dortmund zutrauen, km/h und km, also die Einheiten für Geschwindigkeit und Entfernung, zu verwechseln. Warum erzähle ich Ihnen dann diesen faden Witz? Weil diese beiden Größen, Geschwindigkeit und Entfernung, eine schöne Analogie zu Leistung und Arbeit darstellen. Wenn ich eine bestimmte Zeit mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit fahre, habe ich in dieser Zeit eine Strecke zurückgelegt, die sich als Produkt aus Geschwindigkeit und Zeit leicht berechnen lässt: In 2 h Fahrt mit 100  km/h lege ich 2  h  · 100 km/h = 200 km zurück. Und genauso gilt: Wenn ich eine bestimmte Zeit lang eine gleichbleibende Leistung erbringe, dann habe ich dabei eine genau definierte Arbeit verrichtet, nämlich das Produkt aus Zeit und Leistung. Wenn eine Herdplatte

2 Einheiten     9

über zwei Stunden eine Leistung von 2000 W, also zwei Kilowatt, abgibt, hat sie insgesamt eine Wärmemenge (= Energie) von 2 h · 2000 W = 4000 Wh bzw. 4 Kilowattstunden (kWh) abgegeben. Beachten Sie bei diesem Beispiel, dass es sich bei den umgangssprachlichen „Stundenkilometern“ (Geschwindigkeit) um Kilometer pro Stunde handelt, während es sich bei der vom Herd in meiner Küche abgegeben Wärme in Kilowattstunden (Energie) um Kilowatt (Leistung) mal Stunden (Zeit) handelt. Leistung ist Arbeit pro Zeit, so wie Geschwindigkeit – ganz anlog – Strecke pro Zeit ist.

Energie, Wärme und Arbeit Ein paar zusätzliche Anmerkungen für Besserwisser und solche, die es noch werden wollen: Vielleicht ist Ihnen aufgefallen, dass ich bisher etwas schwammig von „Energie, Wärme und Arbeit“ als das geredet habe, was man bekommt, wenn man eine gewisse Zeit eine gewisse Leistung erbringt. Sind diese drei Größen denn dasselbe? Ja und Nein! Alle drei Größen haben die gleichen Einheiten (z. B. kWh oder Joule), aber eine jeweils etwas andere Bedeutung, die man ruhig verwechseln darf, solange man nicht a) ein kompetenter Besserwisser sein möchte oder b) eine Prüfung in Thermodynamik bestehen muss. Sie wollen es ganz genau wissen? Na dann: Energie beschreibt den Zustand eines Systems. Ein Liter Benzin hat eine gewisse Energie, ein heißer Stein eine andere. Ein Kubikmeter Wasser in einem Bergsee hat mehr Energie als die gleiche Menge Wasser in einem Becken am Fuße des Berges. Energie beschreibt einen Systemzustand, ohne etwas darüber auszusagen, wie es zu diesem Zustand gekommen ist. Die Begriffe „Arbeit“ und „Wärme“ hingegen beschreiben jeweils einen Prozess: Wenn ich einen

10     M. Buchholz Stein hochhebe und in ein Regal auf Höhe meines Kopfes lege, verrichte ich Arbeit an dem Stein. Wenn ich ein brennendes Feuerzeug unter ein Stück Metall halte, so dass es warm wird, dann führe ich ihm Wärme zu. Sobald dieser Prozess aber vorbei ist, sobald ich den Stein hochgehoben bzw. das Stück Metall erwärmt habe, gibt es diese Arbeit und diese Wärme nicht mehr. Der Prozess des Hebens bzw. Erwärmens ist abgeschlossen und damit spielen auch die Größen, die ihn beschrieben haben, keine Rolle mehr. Dafür kann man aber jetzt eine Aussage über den – nun veränderten – Zustand des Systems machen: Der Stein hat mehr Energie als vorher; ebenso das heiße Stück Metall. Weil wir Arbeit bzw. Wärme zugeführt haben (Prozess), hat sich die Energie des Systems (Zustand) verändert. Man kann Energie und Arbeit vielleicht mit den Begriffen Kontostand und Überweisung vergleichen: Aufgrund einer Überweisung (Prozess) ändert sich mein Kontostand (Zustand). Niemals würde ich aber sagen: „Ich habe viele Überweisungen auf meinem Konto“, sondern lediglich: „Mein Kontostand ist hoch“. Ebenso wenig sollte man sagen: „In dem System steckt viel Arbeit oder Wärme.“, sondern besser „In dem System ist viel Energie gespeichert“. Diesen Unterschied zu verstehen lohnt sich. Er ist aber bei Weitem nicht so relevant wie der Unterschied zwischen Arbeit/Energie und Leistung. Zusätzliche Anmerkung: „Arbeit“ kann sowohl mechanische Arbeit als auch elektrischer Strom sein. Elektrischer Strom kann ebenfalls Arbeit verrichten und auch elektrischer Strom beschreibt einen Prozess des Energietransports und existiert nur im Moment der Übertragung.

Vielleicht fragen Sie sich jetzt, warum ich so lange auf dem Unterschied zwischen Arbeit und Leistung herumreite? Vielleicht sind Sie der Meinung, dass das doch sowieso jedem klar sei. Als Gegenargument möchte ich noch mal das Energieversorgermagazin anführen, das über eine Windkraftanlage berichtet, die „eine elektrische

2 Einheiten     11

­eistung hat, die dem Stromverbrauch unserer ganzen L Stadt für 45 Minuten entspricht“. Das ist Quatsch. Hier versucht jemand offensichtlich die Leistungsangabe eines Windrades mit der Energie ins Verhältnis zu setzen, die eine Stadt in 45 min verbraucht. Das ist ebenso unsinnig, als würde ein Autoverkäufer zu Ihnen sagen: „Die Geschwindigkeit dieses Autos ist hoch genug, um unsere schöne Stadt von Norden nach Süden zu durchqueren.“ Wie hätte aus diesem vermurksten Satz eine sinnvolle Aussage werden können? Indem zwei Leistungen oder aber zwei Energien verglichen worden wären. Also z. B.: „Die Leistung des Windrades reicht im Mittel für den Leistungsbedarf von 500 Haushalten“, oder eben: „Die Energie, die das Windrad in vier Jahren erzeugt, reicht, um unsere gesamte Stadt für einen ganzen Tag mit Strom zu versorgen“. Sie sehen also, es lohnt sich, auf den Unterschied zwischen Arbeit und Leistung hinzuweisen und dafür zu werben, dass er ernst genommen wird. Werden nämlich Texte wie der oben erwähnte gedruckt, sind die Leser bestenfalls verwirrt und werden schlimmstenfalls in ihrem Vorurteil bestätigt, dass das mit der Energie alles irgendwie viel zu kompliziert und überhaupt nicht nachvollziehbar ist. Ich hoffe daher, dass der Praktikant, der den Satz mit dem Windrad verbrochen hat, künftig nur noch die Seite mit den Kochrezepten betreuen darf. Zumindest so lange, bis er in einem Rezept erwähnt, dass für einen doppelt so großen Kuchen die doppelte Temperatur benötigt …

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2.3 Die Einheiten für Energie: Joule und kWh Aber zurück zu den Einheiten: Die grundlegende Einheit für Energie ist Joule (J). Ein Joule ist die Energie, die man mindestens benötigt, um ein Kilogramm um 10 cm nach oben zu heben. Oder um 0,24 g Wasser um 1 °C zu erwärmen. Vielleicht fragen Sie sich an dieser Stelle, warum Sie diese Einheit, also Joule, aus Ihrem Alltag nicht kennen, wenn das die „grundlegende Einheit“ der Energie sein soll. Nun, das liegt im Wesentlichen daran, dass es zwei andere Einheiten für Energie gibt, die aus historischen Gründen deutlich populärer sind und im Alltag die Einheit Joule verdrängen: Das eine ist die insbesondere aus dem Nahrungsmittelbereich bekannte „Kalorie“ (lateinisch calor = Wärme). Eine Kalorie (cal) ist eine alte Einheit und bezeichnet die Wärme bzw. Energie, die benötigt wird, um 1 g Wasser um 1 °C zu erwärmen. Damit ist eine Kalorie das 4,2fache eines Joules (4,186 J = 1 cal). Das Tausendfache einer Kalorie, also eine Kilokalorie (kcal), reicht wie in Abb. 2.2 dargestellt aus, um 1 kg, d. h. einen Liter Wasser um 1 °C zu erwärmen. Um die Verwirrung in Bezug auf die korrekten Einheiten für Energie zu vervollständigen, sagt man umgangssprachlich meist „Kalorie“, wenn man Kilokalorie meint.

Abb. 2.2  Eine Kilokalorie (1 kcal) reicht aus, um einen Liter Wasser um ein Grad Celsius zu erwärmen

2 Einheiten     13

Einheiten – Übersicht Energie bzw. Arbeit: J = Joule kJ = Kilojoule (= 1000 J) kWh = Kilowattstunde (= 3600 kJ) cal = Kalorie (= 4,186 J) kcal = Kilokalorie (= 4,186 kJ) Zeit s = Sekunde h = Stunde (= 3600 s) Leistung W = Watt (= 1 J/s) kW = Kilowatt (= 1 kJ/s) Strecke und Geschwindigkeit m = Meter km = Kilometer (= 1000 m) m/s = Meter pro Sekunde km/h = „Stundenkilometer“, eigentlich Kilometer pro Stunde (= 0,278 m/s) Masse g = Gramm kg = Kilogramm (= 1000 g) t = Tonne (= 1000 kg) Temperatur °C = Grad Celsius K = Kelvin (0 °C = 273,15 K; ohne „Grad“!)

Falls Sie nicht zu den glücklichen Menschen gehören, die sich noch nie Gedanken über ihre Figur machen mussten, so wissen Sie vielleicht, dass ein Erwachsener pro Tag ca. 2000–2500 „Kalorien“ zu sich nehmen sollte, da das seinem Energiebedarf entspricht. (Isst man mehr, füllt man seine Energiespeicher – setzt also Fett an). Falls Sie gut im Kopfrechnen sind, merken Sie hier sofort, dass es sich natürlich um 2000 Kilokalorien ­handeln

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muss, da sonst die aufgenommene Energie gerade einmal reichen würde, um 2 kg Wasser (= 2 L = empfohlene Tages-Trinkmenge) um 1 °C zu erwärmen. Eine kurze Überlegung zur Temperatur eines kühlen Pils oder einer Cola und zur Temperatur unserer flüssigen Ausscheidungen zeigt, dass das nicht der Realität entsprechen kann. Wenn wir das Toilettenthema nun sowieso schon streifen, können wir unser neu erworbenes Wissen auch noch sinnvoller anwenden: Wir können nämlich zeigen, dass man aus einem normalen Getränk ein Diätgetränk machen kann, allein dadurch, dass man es kalt genug trinkt. Angenommen ein Getränk enthält als Nährwert 50 kcal pro Liter, also 50 kcal pro kg (1 l Wasser wiegt 1 kg), dann reicht die Energie des Getränks dafür aus, dass unser Körper damit die gleiche Menge Wasser um 50 °C erwärmen kann. Wenn Sie Ihren Körper nun als Durchlauferhitzer für Kaltgetränke sehen und wissen, dass das Getränk Ihren Körper bei ca. 37 °C wieder verlässt, dann bedeutet das, dass Sie das in Abb. 2.3 gezeigte Getränk bei

Abb. 2.3  Eine stark verdünnte Apfelschorle kann bei niedrigen Temperaturen kalorienneutral sein. Die für unseren Körper verfügbare Energie reicht gerade, um das Getränk auf Körpertemperatur zu erwärmen

2 Einheiten     15

37 °C − 50 °C = −13 °C ohne Reue, also faktisch ohne Energiezufuhr trinken können. Bedauerlich dabei ist nur, dass nichtalkoholische Getränke bei −13 °C schon gefroren sind und dass die im Beispiel gewählten 50 kcal/l ziemlich wenig sind. Bereits eine 50/50-Apfelschorle müsste auf etwa −200 °C abgekühlt werden, um kalorienneutral zu sein, und eine Cola würde selbst am absoluten Nullpunkt (−273 °C) noch dick machen. Vielleicht interessieren Sie sich aber beim Essen nur für den Geschmack und nicht für die Auswirkungen auf Ihre Figur. Vielleicht kümmern Sie sich folglich auch nicht um Kalorien, haben noch nie etwas von Joule gehört und fragen sich jetzt, in welcher Einheit Energie denn sonst einen Platz in Ihrem Leben gefunden haben könnte? Nun, in der Regel in Form der bereits weiter vorne erwähnten ­Kilowattstunden (kWh). Tab. 2.1  Beispiele für Energiemengen Arbeit des menschlichen Herzens pro Schlag Energie, um einen Liter Wasser 10 m hochzupumpen Wärme, um 1 kg Wasser um 1 °C zu erwärmen Energieinhalt einer Mignon-Zelle (AA-Batterie) Stahlträger (1000 kg) auf ein hohes Haus (50 m) heben Elektrische Energie, um eine 10-W-LED 100 h zu betreiben Täglicher Stoffwechsel-Grundumsatz eines Erwachsenen Verbrennungswärme 1 kg Rohöl Jährliche Stromproduktion einer 10 m2 großen Photovoltaikanlage Elektrischer Jahresbedarf 2-Personen-Haushalt

kWh

kJ

–

0,001

–

0,098

0,001

4,2

0,0033

12

0,136

490

1

3600

1,95

7000

11,6 1000

41.900 3.600.000

3000

10.800.000

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Als Erinnerung: Eine Kilowattstunde ist die Energie, die man erhält, wenn man eine Stunde lang eine Leistung von einem Kilowatt (kW) erbringt. Oder zehn Stunden lang 0,1 kW = 100 W =  eine helle altmodische Glühbirne. Die älteren Leser werden sich an diese inzwischen in der EU verbotenen Leuchtmittel noch erinnern. Aber was ist denn eigentlich ein Kilowatt bzw. ein Watt? 1 W ist eine Leistung von einem Joule pro Sekunde. Wenn Sie beispielsweise jede Sekunde 1 kg um 10 cm anheben, erbringen Sie eine Leistung von 1 W; heben Sie das Kilogramm jede Sekunde um 100 m hoch, leisten Sie 1 kW. Und wenn Sie das eine Stunde lang gemacht haben, also 60 min à 60 s = 3600 s lang ein Kilogramm jeweils einmal pro Sekunde 100 m hochgehoben haben, wenn Sie also das Kilogramm 360.000 m = 360 km bis ins All nach oben befördert haben, dann haben Sie 1 kWh geleistet. Alternativ könnten Sie mit einer kWh natürlich auch einen Kleinwagen mit einer Masse von einer Tonne (= 1000 kg) um 360 m anheben. Tab. 2.2  Beispiele für Leistungen Menschliches Herz Dauerleistung eines Menschen Profiradfahrer am Berg 1 PS (Leistungsangabe bei Autos) Waschmaschine Höchstleistung eines Pferdes Antriebsleistung Mittelklasseauto Antriebsleistung ICE 3 Kernkraftwerk Strahlungsleistung der Sonne auf die Erde

In W

In MW

1,5 80

– –

400 735

0,0004 0,0007

2500 15.000 90.000

0,0025 0,015 0,09

8.000.000 1.000.000.000 1,74 · 1017

8 1000 174.000.000.000

2 Einheiten     17

Ein anderes – etwas realistischeres – Beispiel ist das Erwärmen eines Fläschchens Milch für ein Kleinkind in der Mikrowelle: Wenn Sie 200 ml Milch für 30 s in eine Mikrowelle mit 800 W stellen, erwärmt sich die Milch von z. B. 6 °C auf 34,6 °C: In einer halben Minute werden bei der Einstellung „800 W“ von der Mikrowelle 30 s · 800 J/s = 24.000 J an die Milch abgegeben. Pro Gramm Milch sind das 24.000 J/200 g = 120 J/g. Wie Sie wissen, benötigt man 4,2 J, um ein Gramm Milch (genauer: Wasser) um 1 °C zu erwärmen. Also können Sie mit 120 J ein Gramm Milch um 120/4,2 = 28,6 °C erwärmen. Falls die Milch in Ihrem Kühlschrank 6 °C haben sollte, hat sie nach dem Erwärmen 6 °C + 28,6 °C = 34,6 °C. Insgesamt haben Sie dann dafür eine Energie von gerade einmal 0,00667 kWh benötigt, da Sie den 120sten Teil einer Stunde die Leistung 0,8 kW erbracht haben: 0,8 kW · 1/120 h = 0,00667 kWh. Eine solche Kilowattstunde an Elektrizität bzw. „Strom“ kostet übrigens ca. 27 Cent. Finden Sie da wirklich noch, dass Strom zu teuer ist (Abb. 2.4)? Eine Flasche erwärmen

Abb. 2.4  Strom ist nicht teuer! Energie zum Preis eines Kinobesuchs reicht theoretisch aus, um mehrere Autos aufs Matterhorn zu heben

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für 0,2 Cent, einen Kleinwagen aufs Matterhorn heben für drei Euro? Ich halte das für ein Schnäppchen! Das einzige, was Sie sich fragen sollten, ist, wofür zum Geier Sie eigentlich in Ihrem Haushalt eine Energiemenge aufwenden, mit der man jeden Tag unter Umständen gleich mehrere Autos in die Berge schicken könnte. Und falls Sie nun feststellen, dass Sie nichts machen, das diesem Energieaufwand nahe kommt, können Sie anfangen, über die Energieeffizienz Ihrer Geräte nachzudenken. Also darüber, was Ihre Geräte eigentlich den ganzen Tag aus der Energie machen, die Sie ihnen so freigiebig zuführen. Nachdem wir gesehen haben, was man mit nur 1 kWh tolles anstellen kann, können wir Erbsenzähler das der Vollständigkeit halber auch noch in Joule umrechnen: 3600 s (= eine Stunde) lang leisten wir 1000 J pro Sekunde, damit ergibt sich insgesamt: 1 kWh = 3.600.000 J = 3, 6 MJ (Megajoule).

Da die kWh Ihnen aber wahrscheinlich am geläufigsten ist und Sie diese auch direkt an Ihrem Stromzähler ablesen können, werde ich im weiteren Verlauf dieses Buches die meisten Energieangaben in kWh machen, auch wenn das in den Naturwissenschaften eher unüblich ist. Tab. 2.3 Einheitenvorsätze n µ m c d k M G T

Nano Mikro Milli Zenti Dezi Kilo Mega Giga Tera

0,000.000.001 0,000.001 0,001 0,01 0,1 1000 1.000.000 1.000.000.000 1012

Lesebeispiele: 1 cm = 1 Zentimeter = 0,01 m oder 1 MW = 1 Megawatt = 1.000.000 W

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Warum stehen auf Akkus keine Kilowattstunden? Wenn Sie für Ihr Telefon, Ihre Kamera oder Ihr Auto einen Akku, also eine wiederaufladbare Batterie, kaufen, werden Sie meist keine Angaben in kWh finden, sondern über die Einheit Ah (Amperestunde) bzw. mAh (Milliamperestunde) stolpern. Diese Angaben sagen etwas über die gespeicherte elektrische Ladung aus. Aus einem Akku mit einer Kapazität von 1 Ah kann eine Stunde lang ein Strom von einem Ampere fließen. Die Einheit Ampere sagt, wie viel elektrische Ladung pro Zeit fließt. Dabei ist eine Stromstärke von 1 A übrigens schon knackig viel. Wir werden das Ampere in diesem Buch allerdings nicht mehr brauchen; ich gehe daher nicht weiter darauf ein. Die Kapazität eines Akkus lässt sich vergleichen mit dem Fassungsvermögen eines Stausees, das z. B. so groß sein könnte, dass 100 h lang ein Kubikmeter Wasser pro Sekunde herausfließen kann, bis das Speicherbecken leer ist. Über den Energieinhalt wissen wir damit aber noch nichts. Dafür ist bei einem Stausee entscheidend, auf welcher Höhe sich der Stausee befindet. Liegt er nur 20 m über dem Meeresspiegel, lässt sich damit weit weniger Arbeit verrichten, als wenn er sich auf einem Berg in 1000 m Höhe befindet. Und genau so ist das auch bei einem Akku: Die Kapazität in Ah sagt nur, wie viel elektrische Ladung in den Akku passt. Um zu erfahren, wie viel Energie das entspricht, muss man auch die elektrische Spannung des Akkus kennen; diese entspricht der Höhe des Stausees. Ist diese Spannung bekannt (1,5 V bei einer normalen kleinen Batterie, 1,2 V bei Akkus, 12 V bei Autobatterien) kann man die Ladung mit der Spannung multiplizieren und erhält den Energieinhalt. Eine Batterie mit einer Kapazität von 2500 mAh = 2,5 Ah und einer Spannung von 1,5 V kann die folgende Energie speichern:

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Energie = Ladung · Spannung = 2, 5 Ah · 1, 5 V = 3, 75 Wh = 0, 00375 kWh.

Würde man diese elektrische Energie aus der Steckdose entnehmen, müsste man dafür etwa 0,00375 · 27 Cent = 0,1 Cent bezahlen. Bei den Batterien von Elektroautos hat sich übrigens interessanterweise eine andere Angabe etabliert. In Autozeitschriften und anderen Publikationen wird anders als oben beschrieben meist direkt die speicherbare Energie in kWh und nicht die maximale Ladung in Ah angegeben. Vielleicht liegt das daran, dass sich in diesem Fall zum ersten Mal ein größerer Teil der Bevölkerung für die Kapazität von Batterien und deren Vergleich interessiert.

2.4 Energie ist mehr als nur Strom Neben Ihrem Stromzähler haben Sie möglicherweise noch einen weiteren Energiezähler im Haushalt: den Gaszähler. Wobei dieser – damit es nicht zu einfach wird – eigentlich gar keine Energie zählt, sondern Kubikmeter, also ein Volumen. Um daraus eine Energieangabe zu erhalten, müssen wir das angezeigte Volumen an brennbarem Erdgas noch mit der Zustandszahl und dem Brennwert multiplizieren. Die Zustandszahl hängt vom durchschnittlichen Umgebungsdruck und der Temperatur des Gases bzw. des Kellers ab, in dem der Zähler hängt. Da diese Zustandszahl aber meist knapp unter eins liegt, kann man sie durchaus auch einfach ignorieren. Der Brennwert hingegen berücksichtigt, wie viel chemische Energie in einem Kubikmeter Gas unter genormten Bedingungen (0 °C und 1 bar) steckt. In Nord- und Westdeutschland

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liegt der Brennwert von Erdgas meist bei ca. 8–10 kWh/ m3 und in Ost- und Süddeutschland bei 10–12 kWh/ m3. Ein Kubikmeter Gas, also 4–6 Badewannen voll, gibt beim Verbrennen eine Wärme von ca. 10 kWh ab. Der Unterschied zwischen dem norddeutschen L-Gas („low calorific = niederkalorisch“, gibt nicht so viel Wärme beim Verbrennen ab) und dem süd-/ostdeutschen H-Gas (high calorific) liegt an der etwas anderen chemischen Zusammensetzung aufgrund der unterschiedlichen Quellen des Gases. L-Gas kommt aus den Niederlanden oder wird in Norddeutschland gefördert und enthält ca. 10 % nichtbrennbare Gase, während das H-Gas aus Russland oder der Nordsee nur etwa 1 % nichtbrennbare Gase ­enthält. Als Abschätzungsrechnung kann man im Nordwesten seinen Gasverbrauch also mit 9 und im Südosten mit 11 multiplizieren, um aus den auf dem Gaszähler angezeigten (Gas-) Kubikmetern auf (Energie-) Kilowattstunden zu kommen. Zumindest noch die nächsten paar Jahre. Da die Gasvorräte in Norddeutschland weniger werden und die Niederlande ebenfalls bereits angekündigt haben, die Gaslieferungen nach Deutschland in Zukunft zu drosseln, wird es langfristig wohl überall nur noch H-Gas geben. Falls Sie Ihren Gasverbrauch noch exakter bestimmen wollen, finden Sie genauere Informationen auf jeder Abrechnung vom Gasversorger. Oder Sie rufen dort einfach mal an. Ich wette, die freuen sich, wenn endlich mal jemand nach Brennwert oder Zustandszahl fragt, anstatt immer nur nach Rabatt oder Ratenzahlung. Eine kWh Gas kostet übrigens nur etwa 6–7 Cent, also ein gutes Viertel von dem, was eine kWh Strom kostet. Warum der Strom den höheren Preis aber wert ist bzw. warum eine kWh Energie nicht immer das gleiche ist, werden wir in Kap. 3 klären.

22     M. Buchholz 106 % – Besser als perfekt? Wo wir gerade von Gas reden. Vielleicht haben Sie in den letzten Jahren ja auch mal über eine neue Gasheizung nachgedacht oder gleich eine gekauft und sich dabei gewundert, dass Ihnen Ihr Installateur eine moderne „Brennwert“-Heizung mit einem sagenhaften Wirkungsgrad von 106 % angeboten hat. 106 %! Also mehr als 100 %. Besser als perfekt. Könnte man zumindest meinen. Natürlich hat Ihr Installateur recht, wenn er Ihnen empfiehlt, über eine Brennwertheizung nachzudenken. Die unglaubliche Effizienz von 106 % basiert aber darauf, dass man irgendwann beschlossen hat, das, was eine schlechte Heizung alter Bauart bestenfalls aus dem Brennstoff (Öl, Gas) herausholen kann, als „100 %“ zu definieren. Tja, und als dann die neuen Heizungen auf den Markt kamen, waren diese in der Praxis besser als die alten Heizungen in der Theorie. Also war man auf einmal bei mehr als 100 % angelangt. Und weil sich das so toll anhört und sich „106 %“-Heizungen so gut verkaufen lassen, hat man bis heute nichts am Bewertungsmaßstab geändert. Aber warum sind denn nun diese neuen Heizungen so viel besser als die alten? Erdgas, aber auch Öl, besteht aus Kohlenstoff (C-Atomen) und Wasserstoff (H-Atomen). Wenn diese verbrannt werden, verbinden sie sich mit Sauerstoffatomen aus der Luft (O-Atomen) und es entstehen Kohlenstoffdioxid (CO2) aus dem Kohlenstoff und aus dem Wasserstoff entsteht H2O, besser bekannt unter dem Decknamen „Wasser“. Das Abgas besteht also im Falle einer Ölheizung aus viel CO2 und aus wenig Wasserdampf; im Falle einer Gasheizung ebenfalls hauptsächlich aus CO2 und sogar noch etwas mehr Wasserdampf, da im Erdgas mehr Wasserstoff als im Öl vorhanden ist. Relevant für die neuen Brennwertheizungen ist der Wasserdampf. Sie müssen dafür wissen, dass dampfförmiges Wasser mehr Energie enthält als flüssiges Wasser. Sehr viel mehr Energie! Sie merken das in Ihrer Küche, wenn Sie probieren, ein bisschen Wasser in einem kleinen Topf vollständig zu verdampfen. Wenn Sie mit Ihrem Herd eine konstante Wärmeleistung zuführen, also pro Sekunde immer die gleiche Energie, und Ihr Wasser beispielsweise nach vier Minuten kocht, dann benötigen Sie danach noch etwa die siebenfache Zeit, also eine knappe halbe Stunde,

2 Einheiten     23 bis das Wasser vollständig verdampft ist. Sie sehen also, dass für die Frage, wie viel Energie in Wasser gespeichert ist, der Aggregatzustand viel relevanter ist als die Temperatur. Aber zurück zur Heizung: In einem Haus mit alten, gemauerten Schornsteinen muss das Abgas mindestens 160 °C warm sein, wenn es die Heizung verlässt, damit sichergestellt ist, dass der enthaltene Wasserdampf nicht schon innerhalb des Schornsteins kondensiert, also von der gasförmigen zur flüssigen Phase wechselt. Ansonsten würde der Schornstein nach wenigen Jahre gammelig werden und müsste im schlimmsten Fall abgerissen und neu aufgebaut werden. Bei Brennwertheizungen wird deshalb ein wasserundurchlässiges Rohr in den Schornstein eingebaut, das ein Absenken der Abgastemperatur auf weit unter 100 °C zulässt. Die Energie die nun nicht mehr mit dem Abgas verloren geht, können Sie stattdessen verwenden, um Ihre Wohnung zu heizen. Und da große Teile des Wassers im Abgas bei so niedrigen Temperaturen nicht mehr gasförmig, sondern flüssig vorliegen, handelt es sich um eine ganze Menge Energie, die Sie jetzt nicht mehr zum Schornstein rausblasen. Anhand des wasserundurchlässigen Rohrs können Sie übrigens oft auch erkennen, wer in Ihrer Nachbarschaft schon eine Brennwertheizung hat, da es meist ein bisschen oben aus dem gemauerten Schornstein herausschaut.

2.5 Auch Temperatur will gemessen werden Dieses Kapitel über Einheiten soll, wie versprochen, nicht zu lang werden. Über eine Größe müssen wir aber noch sprechen: die Temperatur. Beziehungsweise über die Einheit, in der man Temperatur misst. Ich vermute, dass Sie – sofern Sie wie ich außerhalb der USA aufgewachsen sind – normalerweise die Celsius-Skala für Temperaturangaben nutzen, die die Schmelztemperatur von Wasser (bei Normaldruck = 1,013 bar) als

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„0°“ definiert und dessen Siedetemperatur (ebenfalls bei Normaldruck) als „100°“. Der Rest ergibt sich dann automatisch: Temperaturen unter dem Schmelzpunkt bekommen negative Vorzeichen und Temperaturen über dem Siedepunkt haben Werte, die über 100 °C liegen. Mit dieser Skala kommen Sie und ich im Alltag hervorragend zurecht und ich will auch gar nicht versuchen, Sie davon zu überzeugen, ab jetzt eine andere Einheit zu verwenden, wenn es darum geht, übers Wetter oder die geeignete Waschtemperatur von Buntwäsche zu diskutieren. Wenn Sie aber etwas tiefer in meine Disziplin, die Thermodynamik, eintauchen und sich über die Grenzen der Energiewandlung Gedanken machen wollen – und das werden wir in den folgenden Kapiteln – dann kommen Sie nicht um eine andere Temperatureinheit herum: ­Kelvin. Die Kelvin-Skala hat die gleiche Schrittweite wie die Celsius-Skala, eine Erwärmung um 10 °C entspricht also exakt einer Erwärmung um 10 K. (Achtung: Man sagt nicht „Grad Kelvin“ oder „°K“, sondern schlicht „Kelvin“ bzw. „K“). Die Kelvin-Skala ist aber um 273,15 Schritte gegen die Celsius-Skala verschoben: 0 °C entsprechen 273,15 K, 100 °C entsprechen 373,15 und 0 K sind −273,15 °C.

Warum sollte man diese merkwürdige Kelvin-Skala aber benutzen? Das sieht doch erstmal so aus, als hätte sich da jemand ziemlich billig mit seinem Namen in die Geschichtsbücher der Physik hineinschummeln wollen. Warum nicht eine Buchholz-Skala, die ebenfalls die gleiche Schrittweite wie die Celsius-Skala besitzt, aber um 127,99

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Schritte verschoben ist? 0 °C entsprächen dann 127,99 Buchholz. Was ist an 273,15 K besser als an 127,99 Buchholz? Entscheidend ist, dass der Nullpunkt der Kelvin-Skala, also 0 K bzw. −273,15 °C, kein willkürlich gewählter Punkt, sondern der absolute Nullpunkt der Temperatur ist. Temperatur hat etwas mit gespeicherter Energie und mit Teilchenbewegungen zu tun. Je niedriger die Temperatur, desto weniger Energie ist in einem Stoff gespeichert und desto langsamer bewegen sich die Moleküle, aus denen er besteht. Tja, und irgendwann ist halt Schluss mit „immer noch langsamer“ und die Teilchen bewegen sich gar nicht mehr. Und langsamer als „gar nicht“ geht halt nicht. Dieser Zustand wird bei allen Stoffen bei derselben Temperatur erreicht: bei null Kelvin. Genau deshalb spricht man hier vom absoluten Nullpunkt. Kälter geht es nicht. Eine niedrigere Geschwindigkeit als absoluten Stillstand gibt es nicht. Nun sehen Sie hoffentlich, warum die Kelvin-Skala etwas Besonderes ist. Im Gegensatz zu allen anderen Skalen hat sie Ihren Nullpunkt nicht bei einem willkürlich gewählten Punkt, wie dem Schmelzpunkt von Wasser (Celsius-Skala) oder der Temperatur einer Mischung aus Eis, Wasser und Seesalz (Fahrenheit-Skala), sondern bei dem nirgendwo im Universum erreichten, sondern nur theoretisch bestimmbaren absoluten Nullpunkt. Partytipps für Nerds Abschließend habe ich noch eine Bemerkung (nur) für angehende Fachleute: Falls Sie mal auf einer Party so richtig mit Spezialwissen punkten wollen, können Sie das Gespräch ja unauffällig auf „negative absolute Temperaturen“ bringen. Falls darauf niemand reagiert, belassen Sie es dabei und betreiben weiter ­Smalltalk.

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Falls aber jemand wie erhofft betont, dass Sie jawohl keine Ahnung hätten und dass es doch keine negativen Kelvin-Temperaturen gäbe, so können Sie darauf hinweisen, dass die Temperatur in der Thermodynamik als Ableitung der inneren Energie nach der Entropie (bei konstantem Volumen) definiert sei und dass es Systeme gebe, bei denen die Entropie (siehe Kap. 4) ab einem gewissen Punkt bei Energiezufuhr abnehme, da es ab dieser Schwelle eine Abnahme der möglichen Mikrozustände gebe, die die innere Energie des Systems repräsentieren können. Das funktioniert allerdings nur bei – ziemlich sonderbaren – Systemen, die über eine obere Grenze für die Energiezustände der einzelnen Teilchen verfügen. In einem solchen System kann die oben genannte Ableitung und damit auch die absolute Temperatur dann aber tatsächlich negativ sein. Bemerkenswerterweise liegt dieser Bereich allerdings nicht unterhalb des absoluten Nullpunkts, sondern oberhalb „unendlich“ hoher Temperaturen. Es handelt sich also um eine Polstelle mit Vorzeichenwechsel. Wenn Sie das Thema interessiert, finden Sie im Internet problemlos ausführliche Erklärungen zu diesem Phänomen, das Sie sicherlich nach der Lektüre von Abschn. 4.5 noch besser verstehen werden. Praktische Auswirkungen auf unseren Alltag hat diese Erkenntnis übrigens keine.

3 Exergie, Anergie und die hohe Kunst der Energieverschwendung

3.1 Ich bin ein Energieverschwender. Sie auch? Haben Sie heute schon Energie verschwendet? Vielleicht das warme Wasser beim Einseifen unter der Dusche weiterlaufen lassen oder das Licht im Flur Ihrer Wohnung vor deren Verlassen nicht gelöscht? Wie konnten Sie nur! Jeden Tag lesen und hören wir von der Dringlichkeit des Energiesparens und Sie machen einfach nicht mit. Ich auch nicht – zumindest nicht immer: Der Lichtschalter für das Bad in unserer letzten Wohnung hatte ein kleines Lämpchen, das eigentlich signalisieren soll, ob das Licht im Bad noch brennt. Es war aber fast die ganze Zeit kaputt und ich zu faul, um es auszuwechseln. So kam es regelmäßig vor, dass ich das Licht angelassen habe und es stundenlang sinnlos vor sich hin gebrannt und Energie zum, in diesem Bad leider nicht vorhandenen, Fenster hinausgeschmissen hat. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2019 M. Buchholz, Energie – Wie verschwendet man etwas, das nicht weniger werden kann?, https://doi.org/10.1007/978-3-662-56772-2_3

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Der Vorwurf des Energieverschwenders sitzt schwer. Bei mir zumindest. Als Energieverschwender bin ich nicht erzogen worden. Habe ich doch noch meine Großmutter im Ohr, wie sie früher immer zu mir sagte: „Hach Junge, mach doch das Licht aus und verschwende keine Energie!“. Aber kann man das denn überhaupt – Energie verschwenden? Vielleicht haben Sie ja auch schon mal auf einer Party neben einem angetrunkenen Physiker gestanden, der mit gelockerter Zunge verkündete, nur Idioten sprächen davon, dass Energie verschwendet werden könne. Energie sei schließlich – an dieser Stelle weiten sich die Augen der Partybekanntschaft vor Begeisterung – eine Erhaltungsgröße! Das sei wie mit dem Bier in seiner Hand. Wenn er davon tränke, dann sei das Bier nicht mehr in der Flasche, sondern in seinem Bauch. Aber in der Summe sei genauso viel Bier da wie vorher. Tja, und mit der Energie sei das genauso. Ist das die erlösende Botschaft aus den Naturwissenschaften? Ist es uneingeschränkt ok, das Licht anzulassen und das Auto mit dem großen Motor zu kaufen? Wie sollte man auch etwas verschwenden, das nicht weniger werden kann? Wenn Sie sich mit dieser neuen Erkenntnis und den daraus gezogenen Schlussfolgerungen nicht so recht wohl fühlen, so sind Sie nicht allein. Mir geht es auch so. Woher kommt aber dieser scheinbare Widerspruch zwischen dem, was meine Großmutter sagt, und dem, was der betrunkene Physiker behauptet? Das Problem liegt in dem Wort Energie. Oder vielmehr in der Unschärfe dieses Wortes. Für die meisten Menschen ist Energie das, was aus ihrer Steckdose kommt und womit sie ihre Haushaltsgeräte betreiben. Das was ihr Auto fahren und die Flugzeuge fliegen lässt. Energie nimmt uns Arbeit ab – oder etwas technischer ausgedrückt: Energie leistet Arbeit.

3  Exergie, Anergie und die hohe Kunst …     29

Soweit die populären Deutungen. Leider macht die im ersten Hauptsatz der Thermodynamik formulierte, geltende Lehrmeinung ganz andere Aussagen: Dort heißt es lediglich, dass es eine Größe namens Energie gibt. Und dass diese von einem System auf ein anderes übertragen werden und dabei verschiedene Formen annehmen kann. Und schließlich, dass dabei die universelle Gesamtmenge an Energie nie mehr oder weniger werden darf. Von der Fähigkeit „Arbeit zu leisten“ wird da leider erstmal gar nichts gesagt. Um hier nicht den Faden zu verlieren, sollten wir uns zunächst darüber klar werden, welches diese verschiedenen Energieformen sind: Wenn Sie wie in Abb. 3.1 einen Stift nehmen und diesen in die Höhe halten, so hat der Stift Lageenergie (auch potenzielle Energie genannt) aufgrund seiner Lage von ca. 2 m über dem Boden (und noch viel mehr bezogen auf den Erdmittelpunkt). Je höher ein Körper sich befindet, umso mehr Lageenergie hat er. Lassen Sie den Stift los, so beginnt er zu fallen, verliert dabei an Lageenergie und gewinnt gleichzeitig – und im gleichen Maße – an Bewegungsenergie (auch kinetische Energie genannt). Probieren Sie das ruhig mal aus und versuchen Sie nach Abschluss des Experiments herauszufinden, in welcher Form die Energie denn zu guter Letzt

Abb. 3.1  Wenn ein Stift fällt, wird zunächst potenzielle in kinetische und diese dann in innere Energie umgewandelt

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wohl verborgen ist. Sie werden schnell merken, dass der Stift, der nun vor Ihnen auf dem Boden liegt, weniger Lageenergie hat – er liegt ja tiefer als zuvor – und dass er keine Bewegungsenergie mehr besitzt. Wo ist die Energie also hin? An dieser Stelle erkennt man, dass eine dritte wichtige Energieform bisher wohl übersehen wurde. Sie heißt innere Energie und beschreibt die auf mikroskopischem Niveau gespeicherte Energie der einzelnen Moleküle des Stifts, die sich nach dem Aufprall auf dem Boden etwas schneller bewegen als vorher. Da das Hin- und Herschwingen der Stiftmoleküle und damit auch die innere Energie in hohem Maße von der Temperatur des Stifts abhängt, kann man die innere Energie etwas salopp auch als Wärmeenergie bezeichnen. Der Stift ist beim Aufprall so durchgerüttelt worden, dass die Moleküle danach schneller schwingen und er eine höhere Temperatur und damit auch eine höhere innere Energie als vorher hat. Diese zusätzliche innere Energie lag zunächst als Lageenergie und dann als Bewegungsenergie vor. Um die Brücke zurück zur Frage der Arbeitsfähigkeit zu schlagen, sollten wir uns als Nächstes überlegen, welche dieser drei Energieformen – Lageenergie, Bewegungsenergie und innere Energie – man nutzen kann, um Arbeit zu verrichten. Sie alle kennen Stauseen, die irgendwo in den Bergen liegen, an deren Fuß sich ein Wasserkraftwerk befindet (Abb. 3.2). Was passiert hier? Das Wasser, das hoch oben im Stausee über viel Lageenergie verfügt, rauscht durch ein Rohr ins Tal und treibt dort eine Turbine und damit einen Generator an. Dieser produziert elektrischen Strom, der wiederum in Ihrer Küche aus der Steckdose kommt und mit dessen Hilfe Sie in der Lage sind, Ihren Mixer zu betreiben und Sahne zu schlagen oder sonst eine Arbeit zu verrichten. Lageenergie scheint dafür also brauchbar zu sein.

3  Exergie, Anergie und die hohe Kunst …     31

Abb. 3.2  Die Lageenergie (potenzielle Energie) des Wassers im Stausee kann genutzt werden, um Strom bereitzustellen

Wie sieht es mit Bewegungsenergie aus? Stellen Sie sich einen Haufen Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle vor, die sich gemeinsam mit einer Geschwindigkeit von einigen Kilometern pro Stunde in eine Richtung bewegen. Falls Sie Probleme haben, sich das vorzustellen, verwenden Sie einfach das gängige Wort für dieses Phänomen: Wind, also bewegte Luft. Und wie nutzt man die im Wind vorhandene Bewegungsenergie? Man baut ein Windkraftwerk, dessen Rotor durch den Wind gedreht wird. Diese Drehbewegung wird im Inneren des Windkraftwerks wiederum mithilfe eines Generators in elektrischen Strom umgewandelt, der in Ihrer Küche erneut beim Sahneschlagen hilft. Auch Bewegungsenergie ist also geeignet, um Arbeit zu leisten. Aber innere Energie? Ja, auch sie ist geeignet, um Arbeit zu leisten. In jedem Kohle-, Gas- oder Atomkraftwerk passiert genau das. Die Brennkammer hat durch den radioaktiven Zerfall bzw. durch die Verbrennung von Kohle oder Gas eine sehr hohe Temperatur und damit auch eine hohe innere Energie. Und diese wird im Kraftwerk in Strom umgewandelt, der für Sie Arbeit leisten kann. Welche Erkenntnis haben wir damit gewonnen? Gar keine! Scheinen doch alle Energieformen in der Lage zu sein, Arbeit zu verrichten. Ist „Energie“ also doch nur ein Synonym für die Fähigkeit, Arbeit zu leisten?

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Würden Sie einen Thermodynamiker, also z. B. mich, fragen, ob Sie die innere Energie des Stiftes, der nach dem Fallexperiment immer noch vor Ihnen auf dem Boden liegt, nutzen könnten, um Arbeit zu leisten, so würde er antworten, dass das theoretisch nur in sehr geringem Maße und praktisch gar nicht möglich sei. Und als Begründung würde er angeben, dass die Wärme, die beim Aufprall des Stiftes auf dem Boden entstanden sei, fast die gleiche Temperatur hätte wie die Umgebung. Was für eine wunderliche Begründung. Bisher haben wir uns doch auch nicht für die Umgebung interessiert. Wir möchten wissen, welche Arbeit die im Stift gespeicherte innere Energie verrichten kann. Wie lange wir unseren Mixer in der Küche damit betreiben können. Die Umgebung kann uns dabei doch egal sein. Oder nicht?

3.2 Die Bedeutung der Umgebung An dieser Stelle ist es Zeit für einen kleinen Exkurs, der die Bedeutung des Begriffs Umgebung klären soll: Was ist Ihnen eine Flasche Wasser wert? Zwei Euro vielleicht? Oder drei? Es gibt Leute, die würden dafür gar nichts bezahlen. Ein Wanderer an einem regnerischen Tag mitten in den schottischen Highlands zum Beispiel. Ich bin mir allerdings genauso sicher, dass es ebenfalls Menschen gibt, die bereit wären, 1000 EUR für eine Flasche Wasser zu zahlen. Jetzt glauben Sie sicher, dass es sich dabei um realitätsferne Snobs handelt, die nicht wissen, wohin mit ihrem Geld. Wie wäre es aber, wenn Sie seit Tagen in der Wüste herumirren und Ihre Wasservorräte erschöpft wären, die nächste Oase sich aber noch eine halbe Tagesreise entfernt befände?

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Jetzt werden Sie vielleicht den Kopf schütteln und zu sich selbst sagen: „Na, das ist ja auch eine sehr spezielle Umgebung“. Aber genau darauf kommt es mir an: Auf die Umgebung (Abb. 3.3). Die Flasche Wasser ist in den schottischen Highlands und in der Wüste genau die gleiche. Die gleiche Menge der gleichen Substanz. Die Umgebung jedoch ist anders und deshalb auch der Wert der Flasche. Und damit sind wir bei einer entscheidenden Erkenntnis angelangt: Der Wert einer Sache hängt nicht nur von der Sache selbst, sondern auch von ihrer Umgebung ab.

Das nasse Wasser erhält seinen hohen Wert erst in der heißen und vor allem trockenen Wüste. Der Unterschied zur Umgebung ist also der alles entscheidende Punkt. Und genau das gilt auch für die Energie, wie Sie gleich an einem einfachen Beispiel erkennen werden. Erinnern wir uns noch mal an das Wasserkraftwerk am Fuße des

Abb. 3.3  Der Wert einer Flasche Wasser hängt von der Umgebung ab. So ist das auch bei der Energie

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S­ tausees. Das Wasser des Stausees hatte eine ganz beträchtliche Lageenergie, die im Wasserkraftwerk genutzt werden konnte, um Arbeit zu verrichten. Nun stellen wir uns eine etwas veränderte Umgebung vor. Etwas ganz Realistisches. Eine Veränderung, vor der uns Klimaforscher seit Jahren warnen: Der Meeresspiel steigt deutlich an. Stiege er – auch wenn dieses Szenario so von niemandem prognostiziert wird – bis auf die Höhe des Bergsees, so wäre in diesem zwar immer noch viel potenzielle Energie gespeichert; Arbeit könnte damit aber nicht mehr verrichtet werden. Das Wasser könnte in diesem Fall nicht ins Tal rauschen und dort eine Turbine antreiben, da das ganze Tal ja schon mit Wasser gefüllt wäre (Abb. 3.4). Und genau so sieht es auch mit einem heißen Gegenstand aus: In einer sehr kalten Umgebung kann die innere Energie des Körpers (fast) vollständig genutzt werden, um Arbeit zu leisten. Mit steigender Temperatur geht das immer schlechter und in einer Umgebung, die die gleiche Temperatur wie der Gegenstand selbst hat, kann seine innere Energie gar nicht mehr genutzt werden. Damit sind wir einen wesentlichen Schritt weiter: Energie kann offensichtlich in Abhängigkeit von der Umgebung vollständig, teilweise oder gar nicht genutzt werden.

Abb. 3.4  Änderung der Umgebungsbedingungen: Steigt der Meeresspiegel zu hoch, wird die Lageenergie des Wassers im Stausee wertlos

3  Exergie, Anergie und die hohe Kunst …     35

3.3 Exergie & Anergie – zwei ungleiche Schwestern In der Thermodynamik gibt es zwei Begriffe, mit deren Hilfe man die Tatsache beschreibt, dass Energie nutzbar oder eben nicht nutzbar sein kann: Exergie und Anergie. Exergie ist der Bestandteil der Energie, der (in Abhängigkeit von der vorhandenen Umgebung) genutzt werden kann, um Arbeit zu verrichten. Wenn normale Leute von Energie sprechen, meinen Sie also meistens Exergie. Denn das ist der Anteil der Energie, an dem wir wirklich Interesse haben. Tja, und dann gibt es noch die Anergie, die faule Schwester der Exergie, die den nutzlosen Bestandteil der Energie darstellt, bzw. den Teil, mit dem man keine Arbeit verrichten kann. (Wir werden später, in Kap. 5, beim Stichwort Wärmepumpe noch sehen, dass man Anergie unter Umständen zumindest zum Heizen verwenden kann). Die Summe dieser zwei Bestandteile, also der Exergie und der Anergie, ist dabei die Energie. Es gilt also: Energie = Exergie + Anergie

Oder ausformuliert: Die Gesamtenergie eines Systems setzt sich aus Exergie und Anergie, aus nutzbarer und nicht nutzbarer Energie zusammen. Für den Umgang mit diesen zwei neuen Größen ist folgendes zu beachten: Exergie kann problemlos in Anergie umgewandelt werden. Genau genommen passiert Ihnen eben das gerade jetzt, wo Sie diese Zeilen lesen. Da Ihr Körper keine Wundermaschine mit einem bestmöglichen Wirkungsgrad ist, sind Sie nicht in der Lage, die in Ihrer

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Nahrung enthaltene Exergie vollständig zu nutzen. Stattdessen wandeln Sie einen Teil davon in Anergie um. Unwiederbringlich! Denn unnütze Anergie kann nie mehr in nutzbare Exergie umgewandelt werden. Sie sehen jetzt vielleicht schon, worauf dieses Kapitel hinausläuft: Exergie, also der Teil der Energie, an dem wir ein echtes Interesse haben, da nur er unser Auto respektive unseren Küchenmixer antreibt, ist keine Erhaltungsgröße. Also keine Größe wie z. B. die Energie, die man weder vernichten noch erschaffen kann, deren Menge mithin stets erhalten bleibt. Exergie kann in Anergie umgewandelt werden und damit für immer verschwinden. Mit dieser Erkenntnis lässt sich ganz nebenbei übrigens auch eine wahrlich weltbewegende Frage beantworten: Was ist das Ende des Universums? Damit irgendetwas Spannendes – ganz egal was – passiert, muss Arbeit verrichtet werden. Arbeitsfähigkeit wiederum ist nur da vorhanden, wo es Unterschiede zwischen einem System und seiner Umgebung gibt. Verschwinden die Unterschiede, so verschwindet auch die Arbeitsfähigkeit. Das bedeutet, dass alle Vorgänge im Universum nur aufgrund von Unterschieden ablaufen: Temperaturunterschieden, Druckunterschieden, Konzentrationsunterschieden usw. Immer wenn Exergie in Anergie umgewandelt wird, werden diese Unterschiede weniger. Und irgendwann werden alle Unterschiede ausgeglichen sein und dann … passiert gar nichts mehr. Für immer. Ohne Unterschiede gibt es kein Leben und der absolute Endpunkt des Universums, den ich im nächsten Kapitel nochmal ansprechen werde, ist erreicht. Aber zurück zu den ganz profanen Problemen des Alltags und der Reputation meiner Großmutter, die ich gerne wiederherstellen möchte: Offensichtlich ist Exergie die Größe, die uns eigentlich interessiert. Und wenn diese

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Abb. 3.5  Teile dieses Kapitels basieren auf einem Vortrag des Autors, den Sie sehen können, wenn Sie diesem Link folgen: www.martin-buchholz-online.de/buch/e3.html

Größe im Gegensatz zur Energie keine Erhaltungsgröße ist, sondern weniger werden kann, dann kann man sie natürlich auch sparen bzw. verschwenden. Und somit hatte meine Großmutter also doch Recht: Sie hat zwar Energie statt Exergie gesagt. Aber im Kern lag sie richtig. Wir sollten das warme Wasser während des Einseifens abdrehen, vor dem Verlassen der Wohnung das Licht ausknipsen, um das Ende der Welt noch ein bisschen hinauszuzögern. Mehr praktische Tipps zum Verlängern der Laufzeit des Universums finden Sie übrigens ganz am Ende dieses Buches in Kap. 8.

4 Entropie. Was ist das? Und vor allem … wozu braucht man es?

Im vorangegangen Kapitel über Exergie und Anergie habe ich gezeigt, dass Energie nicht gleichbedeutend ist mit der Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Sie wissen nun, dass nur ein Teil der Energie, die Exergie, dazu in der Lage ist. Um mit diesem Wissen aber wirklich etwas anfangen zu können, müsste man wissen, wie viel Exergie in einem gegebenen Energiepaket steckt. Und hier kommt die Entropie ins Spiel. Weil Entropie aber eine Größe ist, die Ihnen wahrscheinlich gar nichts sagt, oder von der Sie bestenfalls mal als abstraktes Konzept gehört haben, ohne nennenswerten Bezug zur Lebenswirklichkeit, möchte ich mir zunächst mit Ihnen über etwas Gedanken machen, das Sie bereits kennen. Das ist allerdings der Beginn einer etwas längeren gedanklichen Reise. Aber keine Angst: Wir kommen zur Entropie zurück.

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2019 M. Buchholz, Energie – Wie verschwendet man etwas, das nicht weniger werden kann?, https://doi.org/10.1007/978-3-662-56772-2_4

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4.1 Wozu braucht ein Kraftwerk Kühltürme? Was sehen Sie in Abb. 4.1? Das ist nicht schwer zu beantworten, oder? Insbesondere, da der gesuchte Begriff ja schon in der Überschrift dieses Abschnitts steht: Abgebildet ist ein Kühlturm, wie er neben jedem klassischen Kraftwerk steht. Die wirklich spannende Frage lautet aber auch gar nicht „Was ist das?“, sondern „Wozu braucht man das?“. Warum werden Kühltürme gebaut? Was glauben Sie? Diese Frage stelle ich auch oft in Vorträgen und meistens habe ich Glück und jemand aus den ersten Reihen ruft halblaut in den Raum: „zum Kühlen“. Und hey – das ist gar nicht schlecht! Ungefähr in der gleichen Liga

Abb. 4.1  Wozu gibt es Kühltürme? Ist den Leuten im Kraftwerk beim Arbeiten zu warm?

4  Entropie. Was ist das? Und vor allem …      41

wie „Das hat was mit Abwärme zu tun“ oder die Kindererklärung: „Da werden Wolken gemacht“. Alle diese Ansätze sind nicht falsch. Aber können sie wirklich der Grund sein, weshalb man so viel Geld bzw. Beton in die Hand nimmt und neben das Kraftwerk einen riesigen Kühlturm baut? Vielleicht sollten wir zunächst die grundsätzliche Frage nach dem Warum noch etwas erweitern: Warum baut man eigentlich ein Kraftwerk? Ich gehe davon aus, dass Sie das wissen: In einem Kraftwerk wird elektrischer Strom bereitgestellt. Sie wissen aber inzwischen auch, dass Strom nicht einfach aus dem Nichts heraus produziert werden kann. Ebenso wenig wie jede andere Energieform auch. Das sagt uns der aus der Schule bekannte Energieerhaltungssatz bzw. der Erste Hauptsatz der Thermodynamik. Wenn irgendwo urplötzlich Energie auftaucht, dann war sie vorher bereits in einer anderen Form vorhanden, aus der sie umgewandelt wurde. Und diese andere Form ist in einem klassischen Kraftwerk die Wärme. Daher findet sich auch in jedem traditionellen Kraftwerk – egal ob Kohle-, Gas- oder Atomkraftwerk – eine Brennkammer, in der die verbrennende Kohle oder das zerfallende Uran Wärme bereitstellen, die dann im eigentlichen Kraftwerksprozess in Arbeit bzw. Strom umgewandelt wird. Diesen Umwandlungsprozess möchte ich allerdings nicht an dieser Stelle, sondern im folgenden Kap. 5 beschreiben. Der aus Wärme erzeugte Strom kommt dann zu Ihnen nach Hause, so dass Sie ihn nutzen können, um Ihre Küchenmaschine zu betreiben oder sonst irgendwelche Arbeit zu verrichten. Das geht ganz prima, da elektrischer Strom reine Arbeitsfähigkeit, also reine Exergie ist. Um die Sache mit den verschiedenen Energieströmen (Wärme, elektrischer Strom) etwas anschaulicher zu machen, habe ich mich entschlossen, ab dieser Seite

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­ nergie immer als große, rote Kugeln darzustellen, so wie E ich es in Abb. 4.2 gemacht habe. Dabei spielt es keine Rolle, in welcher Form die Energie vorliegt. Egal ob elektrischer Strom, Wärme oder sonstwas: Energie wird mit roten Kugeln dargestellt. Und um zu überprüfen, ob im Kraftwerk der Energieerhaltungssatz eingehalten wird, müssen wir nur nachzählen, ob in das Kraftwerk genauso viele rote Kugeln hineinströmen wie herauskommen. So eine bildliche Darstellung macht es doch herrlich einfach! Aber haben Sie deswegen verstanden, wozu man einen Kühlturm benötigt? Nein, oder? Wozu sollte man den brauchen? Da wird also erst eine Brennkammer gebaut. Dann wird in dieser z. B. Kohle verfeuert; es wird so richtig schön eingeheizt. Und dann, wenn es endlich wirklich ganz, ganz heiß ist, dann … dann wird wieder gekühlt? Warum sollte irgendjemand, der seine fünf Sinne beieinander hat, das machen? Ist den Leuten in dem Kraftwerk vielleicht zu warm? Wollen die Wolken statt Strom? Oder wird manchmal aus Versehen zu viel Kohle verbrannt, mehr als man an Strom benötigt?

Abb. 4.2  Kraftwerk mit Wärmestrom von der Brennkammer zum Kraftwerksprozess und dem für den Verbraucher dort bereitgestellten elektrischen Strom. Rote Kugeln = Energie!

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4.2 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Die eben aufgezählten Gründe klingen alle ziemlich albern. Und sie sind es auch. Das Problem liegt darin, dass wir immer nur ganz gebannt auf diese eine Größe schauen, die Energie. Dabei gibt es eine andere, für dieses Problem aber mindestens ebenso relevante Größe: Die Entropie. Über die Entropie erfahren wir die folgenden drei Dinge im Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik: 1. Zunächst einmal erfahren wir, dass es diese Größe überhaupt gibt: „In jedem Gegenstand befindet sich Entropie“. 2. Diese Entropie kann von einem Gegenstand auf einen anderen übertragen werden; und zwar zusammen mit Wärme. Das gilt immer und ausschließlich: Wenn ich Wärme übertrage, übertrage ich Entropie, und wenn ich Entropie übertrage, übertrage ich Wärme. Entropie und Wärme gehen immer Hand in Hand. Das Bemerkenswerte ist aber, dass pro Wärmemenge nicht immer die gleiche Entropiemenge übertragen wird. Das Mischungsverhältnis von Wärme und Entropie ist nicht konstant, sondern entspricht der Temperatur: ..

..

ubertragene Warme = Temperatur. .. ubertragene Entropie

(4.1)

Bei der ersten Besprechung für dieses Buch wurde mir vom Verlag geraten, Formeln im Text möglichst zu vermeiden. Die Leute würden dann Angst bekommen und das Buch nicht kaufen. Aber wer sind schon „die Leute“?

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Da gehören Sie doch sicherlich nicht zu, oder? Falls Sie tatsächlich Angst vor Mathematik haben sollten, können Sie trotzdem angstfrei weiterlesen, denn diese Gleichung ist beinahe schon der mathematische Höhepunkt des Buches. Oder um es ganz deutlich für diejenigen zu sagen, die Mathe nach der 6. Klasse mental abgewählt haben: Mehr als ein bisschen Addieren (Plus), Subtrahieren (Minus), Multiplizieren (Mal) und Dividieren (Durch) werden wir nicht benötigen. Also schauen wir uns die Gl. 4.1 doch noch mal in Ruhe an und fragen uns, was sie bedeutet. Diese Gleichung sagt eigentlich nur aus, dass bei einer hohen Temperatur die übertragene Wärme nur ein kleines bisschen Entropie an die Hand nimmt. Bei niedrigen Temperaturen aber wird zusammen mit der Wärme richtig viel Entropie übertragen. Beachten Sie dabei bitte, dass die Temperatur wie meistens in der Thermodynamik in Kelvin (siehe Kap. 2) angegeben werden muss, damit die richtigen Ergebnisse herauskommen. Außerdem kann man dann die obige Gleichung auch nach der Entropie umstellen und trotzdem auch bei 0 °C (= 273 K) noch sinnvoll lösen. (Sie wissen schon: Durch Null teilen ist normalerweise nicht so besonders clever.) 3. Als letztes erfahren wir im Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik über Entropie noch, dass diese Größe keine Erhaltungsgröße wie z. B. die Energie ist, sondern aus dem Nichts heraus entstehen kann. Bemerkenswerterweise geht das aber andersrum nicht: Entropie kann nur produziert, aber niemals vernichtetet werden. Sie kann aus dem Nichts entstehen, aber sie kann nicht ins Nichts verschwinden. Als kleinen Vorgriff möchte ich Ihnen jetzt schon verraten, dass diese im dritten Punkt genannte Entropieproduktion

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in technischen Prozessen nicht gerne gesehen ist. Sie ist nämlich immer ein Hinweis darauf, dass in dem Prozess etwas nicht perfekt funktioniert und dass man die Abläufe besser gestalten könnte bzw. sollte. Gleichzeitig muss ich Ihnen allerdings auch verraten, dass eigentlich fast alles, was im Leben Spaß macht, mit Entropieproduktion verbunden ist: Hüpfen, Rennen und laut Schreien ebenso wie Anfahren mit quietschenden Reifen oder der Sprung ins kalte Wasser nach einem Saunabesuch. Da dieses Buch aber nicht „Erfülltes Leben mit Entropieproduktion“ heißt, will ich es bei diesem Hinweis belassen und bin damit eigentlich auch fertig mit dem, was Sie über Entropie wissen sollten. Schließlich haben wir doch alles Wesentliche zur Entropie geklärt. Zumindest bis auf das kleine Detail, was das denn nun eigentlich ist – diese Entropie. Da gibt es einige Erklärungen: Eher mathematische wie „Entropie ist k mal ln Ω“ oder scheinbar alltagsnahe wie „Entropie ist ein Maß für Unordnung“. Gerade letztere haben Sie vielleicht schon einmal gehört und für verständlich erachtet. Ich finde diese Definition eher irreführend. Sie ist zwar nicht falsch; aber da jeder Mensch seine sehr private Vorstellung von Ordnung und Unordnung hat, kann einen dieses Bild der Unordnung auch schnell fehlleiten. Daher möchte ich Ihnen eine Deutung empfehlen, die ich auch den Studenten an meiner Uni ans Herz lege: Stellen Sie sich Entropie am besten gar nicht vor. Ich meine das ernst. Alle mir bekannten Deutungen sind für Neulinge erstmal verwirrend und es ist zum Einstieg einfacher, sich die drei oben genannten Punkte zu merken: Denn allein damit können Sie bereits viele Fragen beantworten, die den meisten unserer Mitmenschen bis ans Ende ihrer Tage ein Rätsel bleiben.

46     M. Buchholz Ein heißes Thema für Besserwisser: Was ist Wärme? Die Frage scheint ebenso trivial wie überflüssig. Ist doch Wärme ein Wort, das im Gegensatz zu innerer Energie oder gar Entropie dauernd in unserem Alltag vorkommt. Leider wird es aber fast immer falsch verwendet. Für die meisten Leute hat es was mit „mollig warm“ oder „hohen Temperaturen“ zu tun. Regelmäßig fragen mich Friseure beim Haare waschen, ob „die Wärme so recht sei“, und als ich einen Freund gefragt habe, was ihm zum Thema Wärme einfällt, sagte er nur „Kamin“. Wärme ist genau wie Arbeit eine Prozessgröße, die einen Austauschprozess, aber keinen Zustand beschreibt: In einem heißen Körper mit einer hohen Temperatur steckt viel Energie, aber nicht „viel Wärme“ drin. Wärme beschreibt einen Energietransport auf mikroskopischer Ebene: Wenn ich einen kalten Gegenstand neben einen warmen Gegenstand lege, dann haben die Moleküle im warmen Gegenstand im Mittel eine höhere Energie und bewegen sich im Schnitt schneller hin- und her als die Moleküle im kalten Gegenstand. Dort aber, wo sich die Gegenstände berühren, stupsen die schnellen Moleküle im heißen Körper die langsamen Moleküle aus dem kalten Gegenstand an und sorgen dafür, dass diese sich auch etwas schneller bewegen. Gleichzeitig werden die schnellen Moleküle von den langsamen Molekülen etwas gebremst und werden dadurch langsamer. Ohne dass sich also Moleküle vom heißen in den kalten Gegenstand bewegen, wird Energie transportiert, da sich nach einer Weile die Moleküle im kalten Gegenstand schneller und die Moleküle im heißen Gegenstand langsamer als zu Beginn der Betrachtung bewegen. Und genau diese Art des Energietransports heißt Wärme: Es ist ein Energietransport auf mikroskopischer Ebene ohne gleichzeitigen Stofftransport. Übrigens: In großen Zirkuszelten gibt es manchmal so Warmluftgebläse, die heiße Luft in das Zelt blasen. Das ist kein Wärmestrom! Das ist ein Stoffstrom, der aus heißer Luft besteht. Wenn dann aber die heiße Luft an Ihrer kalten Nase vorbeiweht, dann wird von der heißen Luft Wärme auf Ihre Nase übertragen.

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Vielleicht sagen Sie nun aber, dass Sie für Entropie doch irgendeine Deutung benötigen, dass Sie eher der visuelle Typ sind und dass Sie nicht mit einer Größe arbeiten können, unter der Sie sich so rein gar nichts vorstellen können. Falls das so ist, dann denken Sie von mir aus ab jetzt an ein paar kleine blaue Kugeln, wenn Sie das Wort Entropie lesen oder darüber reden. Wie in Abb. 4.3 dargestellt, passt diese Art der Visualisierung auch gut zu der gängigen Farbwahl von blau für niedrige und rot für hohe Temperaturen.

Abb. 4.3  Wärme auf einem hohen Temperaturniveau (rot) transportiert viel weniger Entropie als Wärme bei niedrigen Temperaturen (blau)

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4.3 Maximaler Arbeitsgewinn Mit diesem praxiserprobten Vorschlag („blaue Kugeln“), der Ihr emotionales Verhältnis zur Entropie hoffentlich nachhaltig verändern wird, möchte ich nun nochmal zu dem zuvor schon besprochenen Bild von einem Kraftwerk zurückkehren und schauen, ob wir hier etwas korrigieren oder zumindest ergänzen müssen: Beginnen wir mit der Wärme, die von der Brennkammer in den eigentlichen Kraftwerksprozess strömt. Wir wissen inzwischen, dass Wärme immer Hand in Hand mit Entropie übertragen wird. Also müssen wir hier zwischen die roten Kugeln noch ein paar kleine blaue Kugeln malen. Der elektrische Strom, der dann vom Kraftwerk zu Ihnen nach Hause fließt, ist allerdings keine Wärme, sondern Arbeit; also fließt da auch keine Entropie. Wir müssen hier somit nichts verändern und sind fertig. Oder doch nicht? Wir haben nun eine Situation, in der Entropie in das Kraftwerk hineinströmt, aber nicht mehr hinaus. Das ist schlecht. Auch wenn wir nicht so richtig geklärt haben, was denn Entropie eigentlich ist, so wird es Ihnen doch hoffentlich intuitiv klar sein, dass es für kein Kraftwerk der Welt gut sein kann, wenn da jahrelang kleine blaue Kugeln hineinströmen, aber keine herauskommen. Die Entropie, die laut zweitem Hauptsatz ja nicht vernichtet werden darf, muss also wieder raus. Und wie bekommen wir sie raus? Na, so wie wir sie auch schon ins Kraftwerk hineinbekommen haben: zusammen mit Wärme. Vielleicht ist das der Punkt, an dem Ihnen langsam klar wird, wozu wir einen Kühlturm brauchen: Wir müssen einen Teil der zugeführten Wärme in Richtung Kühlturm schicken, um zusammen mit dieser Wärme die Entropie wieder loszuwerden.

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Damit haben wir zwar eine Existenzberechtigung für den Kühlturm gefunden, aber leider gleichzeitig festgestellt, dass wir – wie in Abb. 4.4 dargestellt – einen Teil der zugeführten Wärme über den Kühlturm an die Umgebung abführen müssen und somit nicht mehr in Strom umwandeln können. Die Stromausbeute (Anzahl der roten Kugel im Strompfeil) sinkt also leider. Wobei es doch eigentlich erstaunlich ist, dass da überhaupt noch Wärme übrig bleiben soll, die wir in Strom umwandeln können. Müssen wir nicht die gesamte von der Brennkammer kommende Wärme an den Kühlturm abgeben? Schließlich wollen wir ja auch die gesamte Entropie wieder loswerden. Erfreulicherweise eilt uns an

Abb. 4.4  Ein Teil der Wärme muss an den Kühlturm abgegeben werden, um die von der Brennkammer erhaltenen blauen Entropiekügelchen wieder abzuführen

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dieser Stelle die vor ein paar Seiten eingeführte Gl. 4.1 zu Hilfe, die ja besagt, dass das Mischungsverhältnis von übertragener Wärme und gleichzeitig übertragender Entropie keineswegs konstant ist, sondern von der Temperatur abhängt. Und da die Brennkammer bekanntermaßen sehr heiß, der Kühlturm hingegen, ja genau, kühl ist, wird die Wärme aus der Brennkammer nur von recht wenig Entropie begleitet, so dass ein Teil der Wärme auf dem niedrigen Temperaturniveau des Kühlturms in der Lage ist, die gesamte zugeführte Entropie an die Hand zu nehmen und aus dem Kraftwerk hinauszuführen. Somit bleibt tatsächlich Wärme übrig, die in Strom umgewandelt werden kann, auch wenn wir gleichzeitig erkennen müssen, dass niemals die gesamte Wärme zu Strom werden kann. Und zwar nicht, weil irgendwelche Physiker, Ingenieure, Zulieferer oder Handwerker beim Bau des Kraftwerks geschlampt haben, sondern weil selbst in einem perfekten Kraftwerk die Entropie – Hand in Hand mit einem Teil der Wärme – das Kraftwerk wieder verlassen muss. Dieser Teil der Wärme war also schon beim Eintritt aus der Brennkammer in das Kraftwerk zu nichts anderem zu gebrauchen, als wieder an die Umgebung abgegeben zu werden. Aus dem vorangegangenen Kap. 3 kennen wir den Namen hierfür: Anergie. Arbeitsunfähige Energie. Die Wärme aus der Brennkammer besteht also zu einem Teil aus Anergie und zu einem Teil aus Exergie. Und das Kraftwerk trennt diese beiden Ströme voneinander. Es gibt die Exergie in reiner Form als elektrischen Strom (= Arbeit) wieder ab, während die Anergie ebenfalls in Reinform als Wärme bei Umgebungstemperatur zum Kühlturm und von dort in die Umgebungsluft strömt.

4  Entropie. Was ist das? Und vor allem …      51

Die relevante Frage an dieser Stelle lautet nun: Wie groß ist denn der Anteil an Anergie bzw. Exergie? Und wovon hängt dieser ab? Die Antwort auf diese Fragen lässt sich erfreulicherweise vollständig mithilfe der bereits diskutierten Eigenschaften der Entropie bestimmen. Dazu benötigen wir nämlich eigentlich nur die – uns inzwischen gut bekannte – Gl. 4.1: ..

..

ubertragene Warme = Temperatur. .. ubertragene Entropie

Aus dieser schlichten Gleichung, dem Energieerhaltungssatz und der Überlegung, dass die mit Wärme zugeführte Entropie auch wieder abgeführt werden muss, lässt sich der sogenannte Carnot-Faktor herleiten, der nach dem französischen Physiker und Gründervater der Thermodynamik Sadi Carnot (1796–1832) benannt wurde. Dieser Carnot-Faktor beschreibt, welcher Anteil eines Wärmestroms in der Lage ist, Arbeit zu verrichten:   TU ηCarnot = 1 − . (4.2) T Wie Sie sehen – und nach dem Lesen von Kap. 3 hoffentlich auch erwartet haben – hängt der nutzbare Anteil eines Wärmestroms nicht nur von der Temperatur T des Systems ab, das die Wärme abgibt, sondern auch von der Temperatur TU der Umgebung, die die Abwärme mit der Entropie zusammen aufnimmt. Außerdem erkennen alle Freunde der Mathematik sofort, dass der Carnot-Faktor und damit der Exergieanteil zu null wird, falls die Wärme die gleiche Temperatur wie die Umgebung hat, da dann der Quotient aus TU und T gleich eins ist.

52     M. Buchholz Wie kommt man auf den Carnot-Faktor? Sie wollen es etwas genauer wissen, und verstehen, wie der Carnot-Faktor hergeleitet wird? Kein Problem! Wir schauen uns eine ideale Wärmekraftmaschine an, die den maximalen Anteil der zugeführten Wärme Qzu aus einer Brennkammer mit der Temperatur TB in die Arbeit W umwandelt. Der Rest wird als Abwärme Qab an die Umgebung mit der Temperatur TU abgegeben. Da wir in den nächsten Schritten ein paar Gleichungen umformen müssen, habe ich für Wärme und Arbeit jeweils den dafür üblichen Buchstaben Q bzw. W gewählt, um ein gewisses Maß an Übersichtlichkeit zu wahren. Die Temperaturen TB und TU müssen natürlich in Kelvin und nicht in °C eingesetzt werden. Für die Herleitung des Carnot-Faktors, also des arbeitsfähigen Anteils am Wärmestrom, brauchen wir nur drei einfache Gleichungen bzw. Annahmen: 1. Energie kann nicht mehr und nicht weniger werden. Also muss die zugeführte Wärme Qzu gleich der Summe aus abgeführter Wärme Qab und von der Maschine geleisteter Arbeit W sein: Qzu = Qab + W. 2. Zusammen mit Wärme wird immer auch Entropie S transportiert. Das Verhältnis von übertragener Wärme zu übertragener Entropie ist die jeweilige Temperatur: T = Q/S. Diese Aussage lässt sich umformen zu der Gleichung S = Q/T. 3. Im idealen, also bestmöglichen Fall wird im Kraftwerk keine Entropie produziert. Die Entropie Szu, die aus der Brennkammer kommt, muss dann genauso groß sein wie die Entropie Sab, die über den Kühlturm an die Umgebung abgegeben wird: Szu = Sab. Aus Szu = Sab und der allgemeinen Gleichung S = Q/T ergibt sich Qzu Qab

TB

=

TU

.

Diese Gleichung kann man umstellen und somit die   Abwärme berechnen als TU Qab = Qzu . TB Uns interessiert ja aber weniger die Abwärme Qab, sondern mehr die Arbeit W. Für diese gilt:

4  Entropie. Was ist das? Und vor allem …      53

W = Qzu − Qab 

 TU = Qzu − Qzu T     B TB − TU TU bzw. Qzu = Qzu 1 − . TB TB Und das, was in den eckigen Klammern hinter Qzu steht, ist genau der gesuchte Carnot-Faktor, der aussagt, wie viel Wärme aus dem Wärmestrom Qzu zum Verrichten von Arbeit genutzt werden kann, und zwar in Abhängigkeit von der Temperatur T des Körpers, der die Wärme abgibt (z. B. die Brennkammer), und der Umgebungstemperatur TU:

ηCarnot

W = =1− Qzu



TU T



bzw.

T − TU . T

Damit habe ich die in der Kapitelüberschrift aufgeworfene Frage, was Entropie ist, zwar nicht beantwortet. Ich hoffe aber, dass Sie erkennen, dass man mit der Entropie zumindest etwas Sinnvolles anfangen kann. Nämlich die Grenze der Umwandelbarkeit von Wärme zu Arbeit bestimmen. Ganz generell ist die Entropie immer eine sehr hilfreiche Größe, wenn es darum geht, ideale, also bestmögliche, Grenzfälle zu bestimmen. An der Stelle fragen mich oft Studenten, ob das nicht ziemlich realitätsfern sei, immer solche bestmöglichen Fälle zu berechnen. Und natürlich weiß ich, dass es in der Praxis keine Maschinen gibt, die keine Entropie produzieren und damit bestmöglich funktionieren. Aber trotzdem ist die Berechnung dieses optimalen Falls ganz wichtig, um reale, tatsächlich existierende Maschinen und Prozesse bewerten zu können.

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Das kann man an folgendem Beispiel sehen: Wird Wärme von einer Brennkammer bei 1500 K (= 1227  °C) abgegeben und beträgt die Umgebungstemperatur 300 K (= 27 °C), so kann ein Kraftwerk diese Wärme zu maximal     TU 300 K nCarnot = 1 − =1 − T 1500 K 4 1 = 1 − = = 80 % 5 5 in Arbeit umwandeln. Wenn also ein reales Kraftwerk in diesem Fall einen Wirkungsgrad von 60 % hätte, so wüssten wir, dass da keineswegs noch 40 Prozentpunkte Luft nach oben sind, sondern wir den Wirkungsgrad des Kraftwerkes höchstens noch um 20 Prozentpunkte verbessern könnten, so dass es 80 % der zugeführten Wärme in Strom umwandelt. Die 60 % Wirkungsgrad sind also deutlich besser, als es auf den ersten Blick erscheint. Und darum ist zur Bewertung von Prozessen die Kenntnis des bestmöglichen Grenzfalls relevant. Was passiert denn aber eigentlich in so einem realen Kraftwerk in Bezug auf Entropie und Energie? Zunächst einmal wird aufgrund von Reibung und einigen anderen unerwünschten oder oft in der Praxis unvermeidlichen Effekten Entropie produziert. Diese zusätzliche Entropie muss wie in Abb. 4.5 dargestellt ebenfalls an den Kühlturm abgeführt werden und nimmt dabei leider weitere Wärme an die Hand, die nun nicht mehr in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Sie sehen also: Entropieproduktion ist zu Recht unbeliebt und direkt dafür verantwortlich, dass die Stromausbeute sinkt. Zum Abschluss dieses Abschnitts habe ich noch eine Anmerkung: Oft sprechen mich Studenten oder Zuhörer meiner Vorträge auf die Frage an, ob es denn wirklich so

4  Entropie. Was ist das? Und vor allem …      55

Abb. 4.5  Reales Kraftwerk: Auch die produzierte Entropie muss zusammen mit weiterer Abwärme über den Kühlturm abgeführt werden, was die Stromausbeute weiter absenkt

schlimm sei, wenn sich in einem Kraftwerk fiktive „blaue Kugeln“ bzw. die Modellgröße Entropie ansammle, die schließlich niemandem wehtäte. Und ob man nicht doch die gesamte Wärme in Arbeit umwandeln und die Entropie einfach im Kraftwerk verrotten lassen könne. Diese Frage ist berechtigt und lässt sich auf zwei Wegen beantworten: 1. Akzeptieren Sie bitte, dass jeder dauerhaft ablaufende (stationäre) Prozess sich dadurch auszeichnet, dass alle Größen über die Zeit nicht mehr oder weniger werden dürfen. Und dass dies halt auch für die Größe Entropie gilt. Auch wenn wir sie nicht riechen oder schmecken

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können und sie niemandem weh tut. Natürlich ist sie nur eine Modellgröße; aber wir haben sie genau dafür erfunden, um solche Prozesse besser beschreiben zu können. 2. Alternative Antwort: Die Entropie ist über Gleichungen, die ich in diesem Buch nicht einführen will, die Sie aber in jedem Thermodynamik-Lehrbuch finden können, mit anderen Größen wie der Temperatur oder dem Volumen eines Stoffes verknüpft. Würde die Entropie eines Systems ins Unermessliche steigen, so müsste das auch für mindestens eine der zuvor genannten Größen ebenfalls gelten. Und nun ist es offensichtlich. Kein Kraftwerk darf immer heißer oder immer größer werden, ohne dass es zerstört würde. Die Entropie muss also raus und somit lässt sich Wärme niemals vollständig in Arbeit umwandeln.

4.4 Entropie und Zeit im Gleichschritt Im letzten Abschnitt habe ich erwähnt, dass reale Maschinen nie bestmöglich funktionieren und stattdessen stets Entropie produzieren. Diese Entropieproduktion hat neben der Tatsache, dass der Wirkungsgrad schlechter wird, aber noch eine weitere, fast philosophische Konsequenz: Prozesse, in deren Verlauf Entropie produziert wird, sind irreversibel, also unumkehrbar. Da in einem idealen Prozess, wie in unserem im ersten Teil dieses Kapitels betrachteten Kraftwerk, keine Entropie produziert wird, tritt dort genauso viel Entropie und Energie ein, wie auch wieder austritt. Es strömen pro Zeit immer so viele rote und blaue Kugeln in das System, wie es auch wieder verlassen. Und daher spricht aus Sicht des ersten und zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik auch nichts dagegen, diese Prozesse andersrum ablaufen zu lassen.

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In dem Moment aber, wo im Prozess Entropie produziert wird, treten auf lange Sicht immer mehr blaue Kugeln aus dem System (Kraftwerk) aus, als in das System eintreten. Würde man diesen Prozess umkehren, bekäme man eine Situation, in der mehr kleine blaue Kugeln in das System einträten als austräten. Das kennen Sie vom Schlachthof: Da fahren auch mehr Tiere hin als wieder zurück. Während das Schlachten und damit Auslöschen von Kühen oder Schweinen aber nach aktueller Gesetzeslage erlaubt ist, verbietet der zweite Hauptsatz das Vernichten von Entropie. Solche Prozesse sind unmöglich. Durch Entropieproduktion wird die Umkehrung eines Prozesses also unmöglich. Er kann nur in die eine Richtung ablaufen, in der die Entropie zunimmt. Und damit erkennen wir plötzlich eine Parallele zwischen Entropie und Zeit: Diese beiden Größen sind wie zwei Schwestern, die sich stets in eine Richtung bewegen. Nämlich in die Richtung, in der die Entropie des Universums zunimmt. Unsere Begriffe von vorher und nachher gewinnen erst durch Entropieproduktion und die damit verbundene Unumkehrbarkeit der Dinge eine Bedeutung. Irreversibel? Oder alles zurück auf Start? Was heißt schon irreversibel, also unumkehrbar? Kann man nicht mit den technischen Möglichkeiten unserer Tage nahezu jeden Prozess umkehren? Natürlich kann man eine zerbrochene und in tausend Teile zersprungene Tasse wieder zusammenfügen. Theoretisch sogar perfekt. Und zwei chemische Stoffe, die miteinander reagiert haben, kann man wieder voneinander trennen und den Ursprungszustand der beiden Stoffe wieder herstellen. Wir sind also in der Lage, fast jedes System wieder in seinen Ursprungszustand zurückzuversetzen. Ist also alles reversibel? Mitnichten!

58     M. Buchholz Echte Reversibilität, also Umkehrbarkeit, bedeutet, dass das betrachtete System und seine Umgebung in den Ursprungszustand zurückversetzt werden. Und genau hier hakt es spätestens. Wir können zwar eine zersprungene Kaffeetasse zur Not wieder zusammenkleben. Während wir das machen, verbrauchen wir aber Klebstoff und verdauen Nahrung, um unser Gehirn und unsere Muskeln zu versorgen, damit diese den komplizierten Vorgang des Kleinteile-Zusammenklebens für uns erledigen. Die Tasse ist zwar nachher (fast) wieder die alte. Ich, das Essen in meinem Bauch und die Klebstofftube sind es aber nicht. Also ist der Zustand der Welt nach dem Kleben zwangsläufig ein anderer als der Zustand vor dem Kleben und das Zersplittern der Tasse somit ein irreversibler Prozess.

Ja ich weiß. Das kling alles ein bisschen wunderlich und weit hergeholt. Aber die Verknüpfung der Entropie mit der Zeit, also mit einem Konzept, mit dem wir alle gut vertraut sind, bringt einen großen Vorteil: Wir gewinnen dadurch nämlich ein ganz gutes Bauchgefühl für Entropieproduktion. Und genau das möchte ich Ihnen gerne kurz noch zeigen: Dass Sie ein Bauchgefühl für eine Größe haben, die Sie unter Umständen vor 15 min überhaupt noch nicht kannten. Stellen Sie sich mal die folgenden drei Vorgänge vor. (Wer es sich nicht vorstellen kann, kann dem in Abb. 4.6 abgebildeten QR-Code folgen, um ein Video davon zu sehen).

Abb. 4.6  Auf www.martin-buchholz-online.de/buch/e1.html finden Sie Videos zur Entropieproduktion

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Als Erstes stellen Sie sich bitte etwas Milch vor, die Sie in eine Tasse mit Kaffee gießen und die sich mit dem Kaffee mischt. Als zweites ein Pendel, etwa einen Ball an einer langen Schnur, der hin- und herschwingt und als letztes ein unbeaufsichtigten Kleinkind vor einem wackeligen Podest, auf dem eine äußerst wertvolle Porzellanvase aus der Ming-Zeit steht. Zumindest anfänglich. Sie wissen sicherlich, was mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit der Endzustand des Systems Kind–Vase sein wird … In zwei dieser drei Szenarien wird richtig viele Entropie produziert und in dem dritten (fast) keine. Wissen Sie, in welchem? Haben Sie Ihr Bauchgefühl befragt? Falls Ihr Bauch Ihnen zum Thema Energie & Entropie mal wieder nur das gesagt hat, was er immer sagt („Energie = Essen! Für den komplizierten Kram ist der Kopf zuständig“), und Sie keine Ahnung haben, in welchem der drei Fälle keine Entropie produziert wird, sollten Sie sich nicht ärgern, sondern mit mir zusammen ein kleines Gedankenexperiment machen. Stellen Sie sich vor, die genannten Prozesse würden rückwärts ablaufen. Dann würde bei den Prozessen, die im Vorwärtsgang Entropie produzieren, im Rückwärtsgang Entropie vernichtet werden müssen. Das aber ist verboten! Nun stellen Sie sich aber mal vor, wir hätten einen Film von den drei Vorgängen gedreht. Dann könnte Ihnen niemand – nicht einmal der zweite Hauptsatz der Thermodynamik – verbieten, diesen Film rückwärts ablaufen zu lassen. Dabei sähen wir dann – siehe Abb. 4.7 – zwei Vorgänge, die es in der Natur nicht geben darf (2. Hauptsatz!), die also unnatürlich aussehen. Und in der Tat werden Sie schnell feststellen, dass die Vorstellung eines hellbraunen Milchkaffees, der sich wie von Geisterhand selbst entmischt und wieder in seine Bestandteile schwarzer Kaffee und weiße Milch zerlegt, genauso unglaubwürdig ist, wie ein in tausend Teile

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Abb. 4.7  Auf www.martin-buchholz-online.de/buch/e4.html können Sie die Filme rückwärts ansehen

z­ersprungenes Blumengefäß aus China, dass sich von selbst zusammenfügt und am Ende unversehrt neben einem schelmisch lächelnden Dreijährigen steht. Um das zu erkennen, müssen Sie nicht Physik studiert haben. Sie wissen einfach, dass so etwas nicht passiert. Anders sieht es bei dem dritten Vorgang aus: Das Video eines Pendels, das rückwärts abläuft, lässt sich nicht von einem Pendelvideo unterscheiden, das in normaler Richtung abgespielt wird. Aber warum? Das Schwingen eines reibungsfrei aufgehängten Pendels ist ein Vorgang, der ohne Entropieproduktion abläuft und der daher weder einen klar definierten Anfang noch ein klar definiertes Ende und auch keine Vorzugsrichtung hat. Damit stellt dieser Vorgang, den wir an langen Pendeln mitunter fast perfekt beobachten können, eine große Ausnahme dar. Die allermeisten Alltagsprozesse sind mit merklicher Entropieproduktion verbunden und haben daher eine klare Richtung, in die sie ablaufen; eine Richtung, von der wir meist eine eindeutige Vorstellung haben. Und genau diese Intuition, die Ihnen sagt, in welcher zeitlichen Abfolge Dinge geschehen, ist Ihr Bauchgefühl für Entropie. Warum fließt Wärme von warm zu kalt? Ein weiteres Beispiel für die Fähigkeit des zweiten Hauptsatzes, eine Richtung vorzugeben, liefert die eigentlich überflüssige Frage, ob Wärme immer vom warmen zum

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kalten System fließen muss? Sie kennen sicher die Antwort („Ja, muss sie“) aber kennen Sie auch den Grund? Stellen Sie sich zwei Räume vor, z. B. Ihr Wohnzimmer und Ihr Schlafzimmer, die die unterschiedlichen Temperaturen TH (heiß) und TK (kalt) haben und die nur durch eine dünne Wand voneinander getrennt werden (Abb. 4.8). Die Wärme QH, die der warme Raum abgibt, muss der Wärme QK entsprechen, die der kalte Raum aufnimmt: QH = QK .

Das fordert der erste Hauptsatz der Thermodynamik; Energie darf nicht einfach verschwinden oder mehr werden. Aber wie sieht es mit der abgegebenen bzw. aufgenommenen Entropie aus? Die vom warmen Raum abgegebene Entropie SH, die Hand in Hand mit der Wärme QH fließt, lässt sich gemäß der weiter vorne in diesem Kapitel eingeführten Gl. 4.1 als das Verhältnis von Wärme zu Temperatur berechnen: SH =

QH . TH

Abb. 4.8  Wärme fließt durch eine Wand von einem warmen Raum in einen kalten Raum. Die dabei produzierte Entropie legt die Flussrichtung (warm zu kalt) fest

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Die vom kalten Raum bei seiner niedrigen Temperatur aufgenommene Entropie SK berechnet sich analog zu SK =

QK . TK

Da QH = QK ist, die Temperatur TH des warmen Raums allerdings größer ist als die Temperatur TK des kalten Raums und da die Temperaturen im Nenner des Bruchs stehen, ist die Entropie SK, die vom kalten Raum aufgenommen wird, größer als die Entropie SH, die vom warmen Raum abgegeben wird: SK > S H .

Wie kann das aber sein, dass der kalte Raum mehr Entropie aufnimmt, als der warme Raum abgibt? Woher soll die kommen? Ganz einfach: Es entsteht neue, vorher nicht vorhandene Entropie aus dem Nichts. Sie wird im Grenzbereich, d. h. in der Wand zwischen den beiden Räumen, beim Wärmetransport produziert. Und genau diese Entropieproduktion macht den Prozess des Wärmetransports unumkehrbar. Wärme fließt immer nur von warm nach kalt, da bei umgekehrter Flussrichtung Entropie vernichtet würde. Und das wird vom zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verboten. Abschließende Anmerkung: Den Grenzfall der reversiblen, also umkehrbaren Wärmeübertragung stellt eine Wärmeübertragung bei einer unendlich geringen Temperaturdifferenz dar, also von einem System mit 20 °C zu einem andern System mit 19,999.999.999.9… °C. Diese Wärmeübertragung läuft dann aber leider auch nur unendlich langsam ab, weil die Temperaturdifferenz gleichzeitig die Triebfeder jeder Wärmeübertragung ist. Praktisch ist so ein Vorgang also nicht zu gebrauchen. Relevant ist diese Betrachtung aber für theoretische

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Abb. 4.9  Der bisherige Teil dieses Kapitels basiert auf einem Vortrag des Autors, den Sie sehen können, wenn Sie diesem Link folgen: www.martin-buchholz-online.de/buch/e3.html

Berechnungen von bestmöglich funktionierenden Prozessen, die dann wiederum als Vergleichswert für reale Prozessen dienen.

4.5 Na gut. Doch noch eine Deutung der Entropie Sie freuen sich zwar, dass Sie etwas zum Thema Entropie erfahren haben, sind aber mit meinen blauen Kugeln nicht glücklich? Sie meinen, dass es doch noch eine bessere Deutung der Entropie geben müsste? Ok. Auch wenn ich die blauen Kugeln in den weiteren Kapiteln noch verwenden werde, möchte ich Ihnen eine Deutung der Entropie aus der statistischen Thermodynamik anbieten: Um diese zu verstehen, müssen wir aber erst zwei neue Begriffe kennenlernen: Mikrozustände und Makrozustände. Mikrozustände beschreiben ein System auf einer sehr kleinteiligen Ebene. Es geht dabei um die Zustände eines jeden einzelnen Teilchens (Atom oder Molekül), während der übergeordnete Makrozustand die über alle Teilchen gemittelten Eigenschaften des ganzen Systems beschreibt. Wenn Sie eine Flasche mit einem Gas betrachten, können

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Sie also entweder die Position und Geschwindigkeit jedes einzelnen Moleküls beschreiben (Mikrozustand) oder aber sich darauf beschränken, den Druck, das Volumen und die Temperatur des Gases in der Flasche anzugeben (Makrozustand). Wichtig dabei ist es zu erkennen, dass es für jeden Mikrozustand immer genau einen Makrozustand gibt. Wenn Sie die Position und Geschwindigkeit aller Gasteilchen kennen, stehen Druck, Temperatur und Volumen des Gases eindeutig fest. Andersrum gilt das aber nicht: Zu (fast) jedem Makrozustand gehören sehr viele mögliche Mikrozustande. Wenn Sie beispielsweise einen Beutel mit Kleingeld haben, und wissen, wie viele Münzen zu 1, 2, 5, 10, … Cent sich darin befinden (Mikrozustand), steht der Gesamtgeldbetrag (Makrozustand) in Ihrem Beutel eindeutig fest. Wenn Sie aber nur den Gesamtbetrag kennen (z. B. 20 Cent), dann gibt es viele verschiede Möglichkeiten, aus welchen Münzen sich dieser Gesamtbetrag zusammensetzen könnte: 4 × 5 Cent, 2 × 10 Cent oder auch 5 × 2 Cent + 1 × 10 Cent usw. Ich hoffe, dass Ihnen jetzt klar ist, was ein Mikro- und was ein Makrozustand ist. Aber was hat das bitteschön mit der Entropie zu tun? Der österreichische Physiker Ludwig Boltzmann hat vor über 100 Jahren eine Gleichung entwickelt, die die Entropie eines Makrozustands mit der Anzahl seiner möglichen Mikrozustände verknüpft. Diese Gleichung ist für sein Lebenswerk so relevant, dass sie sogar auf dem Gedenkstein seines Ehrengrabs auf dem Wiener Zentralfriedhof steht: S = k log W

Die Entropie S eines Makrozustandes ist demnach gleich dem Produkt aus der Boltzmann-Konstanten k und dem

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natürlichen Logarithmus der Anzahl W der möglichen Mikrozustände, die diesen Makrozustand ergeben. (Meist findet man diese Formel mit einem Ω anstelle des W und der präziseren Bezeichnung des natürlichen Logarithmus ln statt der unspezifischen Form „log“). Anders ausgedrückt: Je mehr Mikrozustände W es für einen Makrozustand gibt, umso höher ist die Entropie dieses Makrozustandes. Die Tatsache, dass alle realen Prozesse so ablaufen, dass die Entropie produziert und damit mehr wird, kann man also dahingehend interpretieren, dass die Natur den (Makro-)Zustand anstrebt, für den es die meisten Mikrozustände gibt – ganz einfach, weil dieser mit Abstand am wahrscheinlichsten ist. Veranschaulichen kann man das mit einem Salz- und einem Pfefferstreuer. Stellen Sie sich vor, ihr Lieblingsitaliener bietet zum Nachwürzen Glasbehälter für Salz und Pfeffer. Nun nehmen Sie bitte in Gedanken die Deckel der beiden Gefäße ab und halten Salz- und Pfefferstreuer wie in Abb. 4.10 so aneinander, dass sie sich an ihren beiden Öffnungen berühren. Das machen sie aber so vorsichtig, dass sich die Gewürze noch nicht vermischen. Wenn Sie von etwas weiter weg hinschauen, sieht das eine Gefäß schwarz (Pfeffer) und das andere weiß aus (Salz). Dies ist der Makrozustand der beiden Streuer. Die Positionen der einzelnen Salz- und Pfefferkörner

Abb. 4.10  Der Makrozustand von Salz- und Pfefferstreuer „reines Schwarz“ links und „reines Weiß“ rechts hat nur einen einzigen Mikrozustand

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(­Mikrozustände) können Sie so natürlich nicht erkennen. Dennoch wissen Sie ganz genau, dass alle Pfefferkörner im Pfefferstreuer und umgekehrt alle Salzkörner im Salzstreuer sein müssen, da es für den Makrozustand perfekt reines Weiß bzw. Schwarz nur einen einzigen Mikrozustand gibt. Aber wie sieht es aus, wenn wir das Ganze ein kleines bisschen schütteln, so dass ein Pfefferkorn in den Salzstreuer gerät und ein Salzkorn in den Pfefferstreuer? Nun haben wir den Makrozustand „ganz, ganz helles Grau“ und „ganz, ganz dunkles Grau“, für den es aber bereits eine sehr große Anzahl an Mikrozuständen geben kann: Es könnten z. B. Salzkorn Nr. 167 und Pfefferkorn Nr. 48 die Seite gewechselt haben. Eventuell aber auch Salzkorn Nr. 1848 und Pfefferkorn Nr. 300; oder die Körner Nr. 215 und Nr. 4630 usw. usf. Schon bei einem getauschten Körnchen gibt es also eine sehr große Anzahl an Mikrozuständen, die diesen Makrozustand herbeiführen könnten. Und die Anzahl der Mikrozustände wird noch viel größer, wenn wir weiter schütteln und 2 oder gar 20 oder 200 Körner die Seiten wechseln. Die größte Anzahl an Mikrozuständen gibt es für den Makrozustand „überall 50 % Grau“, also einen gleichmäßigen Grauton auf beiden Seiten. Und genau das ist ja auch der Endzustand, den wir erwarten, wenn wir die beiden miteinander verbundenen Streuer lange genug schütteln. Es ergibt sich der Makrozustand mit den meisten Mikrozuständen, also der Zustand mit der höchsten Entropie! Natürlich könnte es theoretisch auch vorkommen, dass wir die Streuer lange und wiederkehrend schütteln und plötzlich aus purem Zufall den Makrozustand „reines Weiß und reines Schwarz“ erhalten; also einen Zustand, in dem alle Pfefferkörner auf der einen und alle Salzkörner

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auf der anderen Seite sind. Dieser ist aber so unglaublich unwahrscheinlich, dass er seit der Erfindung des Salzstreuers noch nie beobachtet wurde.

4.6 Evolution versus Entropie: Kreationisten und die Unordnung Das folgende Unterkapitel ist ein abschließender Exkurs, der sich mit einer mutwilligen Fehlinterpretation des zweiten Hauptsatzes durch sogenannte Kreationisten beschäftigt. Kreationisten sind Leute, die die Evolutionstheorie und alle wissenschaftlichen Gedanken über die Entstehung der Welt für falsch halten und darauf pochen, dass ein übergeordneter Schöpfer innerhalb kurzer Zeit unsere Erde und alles, was hier so kreucht und fleucht, fertig für uns hingestellt hat. Nun sollte Religion bekanntlich Privatsache sein und ich hege in keiner Weise den Wunsch, Naturwissenschaften und Religion als Gegenspieler darzustellen, die sie in meinen Augen gar nicht sind. Gerade die Kreationisten versuchen aber, Ihre religiösen Glaubenssätze pseudowissenschaftlich zu untermauern, und in diesem Kontext werden auch oft die Entropie und der zweite Hauptsatz angeführt. Die Argumentation lautet dann regelmäßig so: „Entropie ist Unordnung und der zweite Hauptsatz sagt aus, dass Entropie nur mehr und nicht weniger werden kann. Also kann keine Ordnung entstehen. Ganz im Gegenteil werden aus geordneten Systemen ungeordnete Systeme. Daher hätte sich niemals aus einer galaktischen Ursuppe die Erde und noch weniger aus lauter Einzellern und später Quallen der Mensch entwickeln können.“

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Abgesehen davon, dass ich – wie schon erwähnt – die Deutung der Entropie als Unordnung für zumindest missverständlich halte, ist an dem Argument zunächst mal etwas Wahres dran: Ein wilder Mischmasch aus Molekülen hat sicherlich eine höhere Entropie als ein Lebewesen. Und Entropie darf in der Tat nicht vernichtet werden. Die Aussage: „Entropie darf nicht vernichtet werden.“ darf aber nicht dahingehend fehlinterpretiert werden, dass Entropie in einem System nicht weniger werden kann. Genau wie die Börsenweisheit „Ihr Geld ist nicht weg – es hat jetzt nur ein anderer“ gilt auch für die Entropie „Entropie darf in einem System weniger werden – solange sie sich danach in einem anderen System befindet“. Wenn Sie einen heißen Körper in eine kalte Umgebung legen, gibt er Wärme und mit der Wärme auch Entropie an die Umgebung ab. Die Entropie des heißen Körpers wird also weniger. Sie wird aber nicht vernichtet, sondern einfach an die Umgebung abgegeben, die danach umso mehr Entropie hat. De facto kommt in der Umgebung sogar mehr Entropie an, als der heiße Körper abgibt, da bei der Wärmeübertragung zusätzliche Entropie produziert wird. Keinesfalls aber wird hierbei Entropie vernichtet. Und nur letzteres verbietet der zweite Hauptsatz: das Vernichten von Entropie. Nicht aber, dass die Entropie in einem System sinkt, wenn es Wärme abgibt. Also darf die Entropie auf der Erde ruhig weniger werden, sofern wir diese Entropie an die Umgebung abgeben. Aber gibt die Erde denn Wärme (und Entropie) an die Umgebung ab? Und was ist die Umgebung? Zunächst einmal nimmt die Erde eine enorme Menge an Wärme von der Sonne auf. Und mit dieser Wärme auch Entropie. Das ist im Sinne meiner Argumentation erstmal unerfreulich, weil ich Ihnen ja gerade zeigen möchte, dass die Entropie der Erde durchaus abnehmen kann. Dass wir von der Sonne Entropie erhalten, scheint

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daher nicht dazu geeignet, die Glaubwürdigkeit meiner Aussage zu stärken. Weil die Sonne aber so herrlich heiß ist – an der Oberfläche ca. 6000 °C – ist die unerwünschte Entropie-Mitgift, die wir zusammen mit der Sonnenstrahlung erhalten, überschaubar gering. Außerdem gibt die Erde ja auch Wärme wieder ab. Und zwar an das uns umgebende ­Weltall. Und was glauben Sie, wie groß der Anteil der Wärme ist, den wir von der Sonne empfangen und den die Erde wieder an das All abgibt? 10 %? 50 %? 90 %? Es sind 100 %! Alle Wärme, die wir von der Sonne empfangen, wird auch wieder abgegeben. Stellen Sie sich doch mal vor, was passierte, wenn dem nicht so wäre. Wenn die Erde z. B. nur 90 % der empfangenen Wärme wieder abgäbe. Dann würden die in der Erde gespeicherte Energie und damit auch ihre Temperatur mit jedem Tag etwas steigen. Und das schon seit Milliarden von Jahren. Eine heiße Vorstellung. Offensichtlich und glücklicherweise ist das nicht der Fall, so dass wir uns auf der Erde an recht moderaten Temperaturen erfreuen können, die sich – abgesehen von Schwankungen über die Jahrtausende – im Mittel eben nicht verändern. Die Erde gibt also alle Wärme wieder ab. Aber nicht bei 6000 °C wie die Sonne, sondern bei einer mittleren Oberflächentemperatur von nur etwa 15 °C. Deshalb glüht sie auch nicht wie die Sonne im sichtbaren Bereich des Lichts, sondern gibt nur unsichtbare (infrarote) Wärmestrahlung ab. Für uns entscheidend aber ist folgendes: Da das Verhältnis von übertragender Wärme zu übertragender Entropie ja gleich der Temperatur ist, wird – wie in Abb. 4.11 gezeigt – zusammen mit der Wärmestrahlung der Erde sehr (!) viel mehr Entropie an das Universum abgegeben als wir von der Sonne empfangen.

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Abb. 4.11  Die Erde gibt durch Strahlung genauso viel Energie an das All ab, wie sie von der Sonne aufnimmt – aber deutlich mehr Entropie

Sollte also auf unserem Weg von der Amöbe zum Affen die Entropie der Lebewesen etwas abgenommen haben, so wurde diese Entropie nicht vernichtet, sondern einfach ans Universum abgestrahlt. Und das ist ok; dieses Detail wird vom zweiten Hauptsatz ebenso wenig verboten wie der Rest der Evolutionstheorie.

4.7  Α und Ω – vom Urknall bis zum Wärmetod Eigentlich wäre der letzte Satz des vorangegangenen Unterkapitels ein schöner Schlusssatz für das Kapitel gewesen. Aber vielleicht haben Sie sich gefragt, wie denn dann bitteschön die Sonne entstanden sein soll oder noch besser: Das ganze Universum. Die Antwort darauf möchte ich Ihnen natürlich nicht schuldig bleiben. Muss ich aber. Ich weiß es nämlich nicht. Falls es einen Urknall gab, war das der Anfang der Welt, der Zeit und unserer Physik. Ab diesem Zeitpunkt können wir die Abläufe ganz hübsch mit dem zweiten Hauptsatz erklären. Der Urknall war der Moment, in dem an einem Punkt alles war und überall sonst nichts. Für diesen

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Makrozustand gibt es nur einen einzigen Mikrozustand. Der maximal denkbare Unterschied, der härteste aller Kontraste und damit das Gegenstück zum Wärmetod, den ich in Kap. 3 erwähnt habe: dem Ende des Universums, das darin besteht, dass nichts mehr passiert, weil es keine treibenden Unterschiede mehr gibt und überall alles gleich ist. Zwischen diesen Grenzsituationen erstreckt sich die mit unserer Physik beschreibbare Entwicklung des Universums. Wie es aber zu der Anfangssituation kam, kann zumindest ich Ihnen nicht erklären. Zumindest nicht, solange ich davon ausgehe, dass die Entropie des Universums nur zunehmen darf. Wie im Beispiel mit dem Salzstreuer bereits erwähnt, kann Entropie aber sehr wohl auch manchmal weniger werden. Manchmal sind beim Schütteln für eine kurze Weile 50,01 % aller Salzkörner im linken Streuer und 50,01  % aller Pfefferkörner im rechten. Dann hat die Entropie gemessen an einer 50/50-Verteilung abgenommen. Manchmal bilden sich auch im Weltraum plötzlich aus dem Nichts heraus ein Teilchen und sein Antiteilchen. Solche entropievernichtenden Vorgänge sind nicht unmöglich, sondern, wie schon beschrieben, nur so unwahrscheinlich, dass seit Menschengedenken noch nie ein mit bloßem Auge beobachtbarer, makroskopischer Vorgang eines komplexen Systems in die „falsche“ Richtung abgelaufen ist. Aber so furchtbar lange denken die Menschen ja auch noch nicht. Wenn man also viel (!) länger wartet, kann es passieren, dass ein warmer Körper etwas Wärme von einem kalten Körper aufnimmt oder dass eine Murmel unter Aufnahme von Energie aus der Umgebung vom Boden plötzlich auf den Tisch hüpft. Und wenn man noch viel (!) länger wartet, könnte sich zufällig jede

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beliebige Verteilung von Energie und Materie im ganzen Universum einstellen. Vielleicht gab es also auch nie einen Urknall und unser Universum in seinem jetzigen Zustand hat sich erst vor ein paar Sekunden zufällig in dieser Form ergeben. Unsere Erinnerungen an die Zeit davor sind nur Illusion und ein Ergebnis dessen, dass sich die Atome in unserem Gehirn zufällig gerade so angeordnet haben, dass sich diese Erinnerungen ergeben. Sie fragen sich, wie lange man dafür warten muss? Unvorstellbar lange. Aber das Universum hat ja unendlich viel Zeit. Oder nicht? Vielleicht wurde die Zeit auch zusammen mit der Entropie und allem anderen erst im Moment des Urknalls geschaffen. Und dann gab es einfach kein davor. Vielleicht war es aber auch ganz anders. Doch das ist ein Thema für ein anderes Buch. Und vielleicht auch für einen anderen Autor.

5 Reale Energiewandlungsprozesse und deren Grenzen

5.1 Energiewandlung im Alltag „Energiewandlung und deren Grenzen“ – das hört sich etwas hölzern an. Dabei ist Energiewandlung in unserem Alltag eine wichtige Sache. Könnten wir nicht verschiedene Energiearten ineinander umwandeln, so könnte uns ein Aufzug nur dann in den vierten Stock bringen, wenn eine genau so große Masse wie Sie – nehmen Sie das Wort Masse in diesem Zusammenhang nicht persönlich – gleichzeitig nach unten führe. Und wir könnten unser Auto nur beschleunigen, indem wir etwas anderes abbremsten. Und damit uns an einem kalten Tag warm bliebe, müssten wir die ganze Zeit sehr viel Warmes trinken oder essen. Das alles müssen wir zum Glück nicht, weil wir Maschinen haben, die elektrischen Strom nutzen, um die Lageenergie eines Körpers zu erhöhen (Aufzug), weil wir Motoren haben, die die Verbrennungswärme des Treibstoffs nutzen, um die Bewegungsenergie unseres Autos © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2019 M. Buchholz, Energie – Wie verschwendet man etwas, das nicht weniger werden kann?, https://doi.org/10.1007/978-3-662-56772-2_5

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zu erhöhen und weil unser Körper chemisch gebundene Energie in der Nahrung nutzen kann, um unsere Muskeln spielen zu lassen und unseren Körper warm zu halten. (Trotzdem ist an einem kalten Tag natürlich nichts gegen einen heißen Tee einzuwenden). Einige häufig zu beobachtende Umwandlungsprozesse sind einfach zu verstehen: • Die Umwandlung von Lageenergie in Bewegungsenergie: Das passiert jedes Mal, wenn Sie einen Gegenstand fallen lassen oder ein Eiszapfen vom Dach fällt. Ein Objekt ist zunächst weit oben und saust dann nach unten. Während des Fallens wird die Lageenergie kleiner und die Geschwindigkeitsenergie nimmt zu. • Die Umwandlung von Bewegungsenergie in Wärme, die abgegeben wird, bzw. in innere Energie, also auf mikroskopischer Ebene gespeicherte Energie. Oder einfacher: Erst ist ein Gegenstand schnell; danach ist er warm. Das passiert, wenn der Eiszapfen auf dem Boden aufschlägt. Er wird beim Auftreffen abgebremst und dafür ist seine Temperatur nachher (minimal) höher. Oder noch ein anderes Beispiel, das für die meisten von uns allerdings nicht unbedingt Teil ihrer alltäglichen Erfahrungen ist: Ein Raumschiff oder ein Meteoroid tritt in die Erdatmosphäre ein, wird stark abgebremst und dabei so heiß, dass es/er anfängt zu glühen. Sie können auch Ihre Hände aneinander reiben und beobachten, wie sie warm werden. Andere Umwandlungsprozesse können Sie in Ihrer Umwelt zwar auch oft beobachten; trotzdem haben Sie sie vielleicht nie so richtig verstanden: • Die Umwandlung von elektromagnetischer Strahlung (in diesem Fall Licht), in chemisch gebundene Energie: Das macht jede grüne Pflanze bei der Photosynthese.

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Das Licht der Sonne wird hier genutzt, um CO2 in Kohlenstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Den Kohlenstoff kann die Pflanze dann bei Bedarf zum Wachsen verwenden oder später „verbrennen“, um die gespeicherte Energie anders zu verwerten. (Alternativ können wir Menschen den Baum später umhauen und verbrennen. Ein Kamin ist also im weiteren Sinne auch „Heizen mit Sonne“.) • Die Umwandlung von chemisch gebundener Energie in Arbeit: Das macht unser Körper. Er wandelt die im Essen oder in Ihren Fettpölsterchen chemisch gespeicherte Energie so um, dass sie damit Arbeit verrichten können: Ihr Herz kann schlagen oder Sie können einen Gegenstand vom Boden aufheben, so dass er nachher eine höhere Lageenergie hat. Da ich hier aber kein Biologiebuch schreibe und – um ganz ehrlich zu sein – auch weniger Ahnung von Chemie habe, als ich gerne hätte, überlasse ich es Ihnen, sich zu diesen Prozessen weitergehend zu informieren, und erzähle Ihnen stattdessen etwas über die Prozesse, die für einen Thermodynamiker spannend sind. Und natürlich auch für Sie – denn auch wenn Sie diese Prozesse vielleicht bisher nicht so ganz bewusst wahrgenommen haben, prägen viele davon unseren Alltag erheblich: • Umwandlung von Wärme zu Arbeit (Kraftwerk, Auto), • Umwandlung von chemisch gebundener Energie direkt zu Arbeit bzw. elektrischem Strom (Brennstoffzelle, Batterie), • Umwandlung von elektrischem Strom in mechanische Arbeit und umgekehrt, • Umwandlung von chemisch gebundener Energie zu Wärme (Verbrennung), • Umwandlung von Arbeit zu Nutzwärme (Wärmepumpe, Nachtspeicherheizung),

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• Umwandlung von Arbeit zu „Kälte“ (Kühlschrank, Klimaanlage), • Umwandlung von Arbeit zu chemisch gebundener Energie (Power2Gas). Ok, bei Power2Gas und der Brennstoffzelle geht’s nicht ganz ohne Chemie und ich werde in diesem Kapitel sogar einige Molekülstrukturen zeigen. Aber das ist es wert, da es wichtig ist, diese Techniken zumindest grundsätzlich zu verstehen, um beim Thema Energiewende mitdiskutieren zu können. Mehr dazu in Kap. 7. Was ist chemisch gebundene Energie? Atome können sich zu Molekülen verbinden. Dabei ist es aber möglich, aus denselben Atomen verschiedene Moleküle zu basteln: Aus zwei Sauerstoffatomen (O) und vier Wasserstoffatomen (H) kann man wie in Abb. 5.1 gezeigt zwei Wasserstoffmoleküle (2H2) und ein Sauerstoffmolekül (O2) basteln oder aber auch zwei Wassermoleküle (2H2O). Oder man kann wie in Abb. 5.2 gezeigt aus einem Kohlenstoffatom (C), vier Wasserstoffatomen (H) und vier Sauerstoffatomen (O) entweder ein Methanmolekül (CH4) und zwei Sauerstoffmoleküle (O2) machen oder aber einmal Kohlenstoffdioxid (CO2) und zweimal Wasser (H2O). An der Menge und Art der Atome ändert sich also nichts. (Sonst wären wir auch nicht mehr in der Chemie, sondern im Bereich der Kernphysik.) Aber aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzungen der Moleküle ist die für die Bindungen zwischen den Atomen benötigte Energie jeweils eine andere. Die Bindungsenergie für 2-mal H2 und 1-mal O2 ist in der Summe größer als die Bindungsenergie, die in zwei Wassermolekülen (H2O) steckt. Und was passiert mit dieser Energiedifferenz bei der Umwandlung von 2H2 und 1O2 in 2H2O? Sie wird abgegeben. Meist in Form von Wärme. Und das ist genau das, was passiert, wenn wir Wasserstoff in Kontakt mit Luft bringen und ein kleiner Funke die Umwandlung in Gang setzt: Der Wasserstoff verbindet sich mit dem Sauerstoff aus der Luft in einer neuen Form und es wird Verbrennungswärme frei.

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Abb. 5.1  Verschiedene Verwendungsmöglichkeiten für Sauerstoff- und Wasserstoffatome

Abb. 5.2  Molekülbastelkasten mit Sauerstoff-, Wasserstoff und Kohlenstoffatomen

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In diesem Kapitel werde ich gegen Ende auch noch – aber nur sehr knapp – auf folgende Vorgänge eingehen: • Umwandlung von Arbeit – in diesem konkreten Fall von elektrischem Strom – zu Licht (Glühbirnen, Energiesparlampen, LEDs), • Umwandlung von Licht in Arbeit (Photovoltaik, Solarkraftwerke). Ich beginne aber erstmal oben auf der Liste. Sie müssen das natürlich nicht machen; lesen Sie doch einfach die Unterkapitel zu den Umwandlungsprozessen, die Sie interessieren. Besonders ans Herz legen möchte ich Ihnen dabei die Umwandlung von Wärme zu Arbeit und andersrum die Umwandlung von Arbeit in Wärme.

5.2 Umwandlung von Wärme zu Arbeit Aus Wärme Arbeit zu machen, ist einer der zentralen Prozesse in der Thermodynamik; und gleichzeitig einer der Grundbausteine der Industrialisierung. Dampfmaschinen und Lokomotiven, deren erste Vorläufer schon im 17. Jahrhundert gebaut wurden, ermöglichten ab dem 18./19. Jahrhundert den Betrieb von Maschinen, die man nicht mit Menschen- oder Pferdekraft hätte antreiben können. Dabei wurde stets Holz oder Kohle verbrannt und die dabei abgegebene Wärme in Arbeit gewandelt – anfangs noch mit miserablen Wirkungsgraden von teilweise nur einem Prozent. Später wurden die Maschinen immer ausgeklügelter, heute können manche Kraftwerke Wärme zu etwa 60 % nutzen, um Arbeit zu leisten, also in diesem Fall, um Strom zu erzeugen.

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Aus dem Entropie-Kapitel (Kap. 3) wissen Sie, dass man die maximale Arbeitsfähigkeit von Wärme mit dem Carnot-Faktor berechnen kann, in den die Temperatur des heißen Körpers, also in diesem Fall die Verbrennungstemperatur, und die Umgebungstemperatur eingehen. Der Carnot-Faktor ist niemals gleich 1, es sei denn, die Umgebungstemperatur wäre exakt 0 K, also −273,15 °C, oder die Verbrennungstemperatur des Gases oder der Kohle wäre unendlich hoch. Beides ist unmöglich und so kann eine Wärmekraftmaschine – so bezeichnet man eine Maschine, die Wärme in Arbeit umwandelt – niemals alle Wärme in Arbeit umwandeln. Aber auch das wussten Sie ja hoffentlich noch: Die kleinen blauen Kügelchen müssen irgendwo hin. Daher ist es unvermeidbar, dass ein Teil der zugeführten Wärme als Abwärme abgeführt wird (Abb. 5.3). Bei einer Verbrennungstemperatur von z. B. 2000 K (ca.  1730  °C) und einer Umgebungstemperatur von 300 K (27 °C) könnte ein Kraftwerk theoretisch   300 ηCarnot = 1 − = (1 − 0, 15) = 0, 85 = 85 % 2000

Abb. 5.3  Energie- (rot) und Entropieströme (blau) in einer Wärmekraftmaschine

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der vorhandenen Wärme in Arbeit umwandeln. Praktisch sind es, wie oben schon erwähnt, bestenfalls ca. 60 % und in vielen weniger effizienten Kraftwerken auch nur 50 % oder 40 %. Insbesondere Kernkraftwerke haben aufgrund Ihrer relativ niedrigen Temperaturen nur Wirkungsgrade im Bereich von 35 %. Auch die Verbrennungsmotoren unserer Autos liegen mit ca. 40 % (im besten Betriebspunkt) bzw. 20–30 % (in der Realität) weit entfernt von den theoretischen Bestmarken. Aber wie geht das denn nun ganz praktisch – Wärme rein, Arbeit raus? Bisher haben wir uns ja sehr theoretisch – und mithilfe von ein paar blauen und roten Kugeln – überlegt, wie viel Wärme man in Arbeit umwandeln kann. Aber wie funktioniert denn nun so ein Kraftwerk oder ein Automotor ganz konkret? Nun, es gibt verschiedene Kraftwerksprozesse und daneben nochmal andere Prozesse, die z. B. in Autos ablaufen. Der Otto- und der Diesel-Prozess sind die bekanntesten. Aber daneben gibt es zum Beispiel noch den weniger bekannten Stirling-Motor oder das – Achtung, anderes Verkehrsmittel! – Strahltriebwerk. Falls Sie sich weitergehend für diese Prozesse interessieren, erlaube ich mir, Sie mit Freuden auf die vielen spannenden (und auch auf die anderen) Thermodynamiklehrbücher zu verweisen. Hier in diesem Buch möchte ich Ihnen dagegen nicht die Details der einzelnen Prozesse zumuten, sondern das zeigen, was alle der gerade genannten Prozesse gemeinsam haben. Quasi die Quintessenz der Umwandlung von Wärme in Arbeit. Stellen Sie sich eine Luftpumpe fürs Fahrrad vor. Halten Sie wie in Abb. 5.4 die Auslassöffnung mit einem Daumen zu und versuchen sie dann, mit der anderen Hand die Pumpe zusammenzudrücken. Sie merken: es ist

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Abb. 5.4  Die Verdichtung eines Gases kann man mit einer Luftpumpe selber durchführen

ziemlich anstrengend und Sie müssen einiges an Arbeit verrichten, um die beiden Teile der Pumpe zusammenzuschieben. Nun stellen Sie sich vor, Sie würden die Pumpe direkt vor dem Zusammendrücken in ein Becken mit sehr kaltem Wasser halten. Dann würde sich die in der Pumpe eingeschlossene Luft abkühlen und der Druck in der Pumpe würde sinken. Daher wäre ein nun folgendes Zusammendrücken der Pumpe auch weniger anstrengend. Genau andersherum sieht es aus, wenn Sie die Pumpe in ein Becken mit heißem Wasser halten. Die Luft im Inneren erwärmt sich, der Druck steigt und das Zusammendrücken wird noch anstrengender als sowieso schon. Ok. Bisher haben wir nur vom anstrengenden Zusammendrücken gesprochen. Wie aber sieht es aus, wenn wir die bereits zusammengedrückte Pumpe betrachten? Die Luft in der Pumpe steht unter einem hohen Druck und wird, wenn Sie locker lassen, versuchen, den Griff wieder herauszudrücken. (Wichtig ist, dass Sie Ihren Daumen die ganze Zeit wirklich fest auf die Auslassöffnung drücken, so dass dort keine Luft entweichen kann). Wenn die komprimierte Luft den Griff herausdrückt, leistet sie Arbeit. Das heißt, diesmal müssen wir uns nicht anstrengen. Das Auseinandergehen der Pumpe funktioniert

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von alleine bzw. es ist sogar noch besser: Bei diesem Schritt könnte die Pumpe – wenn sie mit einem entsprechenden Mechanismus verbunden wäre – Arbeit leisten und z. B. ein kleines Gewicht anheben. Tragen wir nun zusammen, was wir bisher herausgefunden haben: 1. Wir nehmen eine vollständig ausgezogene Luftpumpe, deren Auslass verschlossen ist (dann müssen wir nicht immer den Daumen draufhalten). Dann legen wir die Pumpe in ein kaltes Wasserbad. Die Luft kühlt sich ab und der Druck in der Pumpe sinkt. 2. Nun drücken wir die Pumpe zusammen. Weil die Luft in ihr kalt ist, müssen wir dafür nur wenig Arbeit verrichten, uns also nur wenig anstrengen – ein bisschen anstrengen aber schon. Das ist eigentlich nicht das, was wir wollen. Die Maschine soll doch für uns arbeiten und nicht umgekehrt! Aber ok. Wir vertrauen darauf, dass es besser wird. 3. Nun halten wir die zusammengedrückte Pumpe in ein warmes Wasserbad. Dadurch steigt der Druck im Inneren der Pumpe. 4. Wir nehmen die Pumpe aus dem Wasserbad und nutzen die Arbeit, welche die Pumpe nun beim Ausdehnen ganz freiwillig verrichtet. Dabei gilt: Je heißer das Wasserbad, desto höher der Druck und desto mehr Arbeit kann sie verrichten. Zusammengefasst kann man also sagen: Wie haben ein wenig Arbeit investiert und kurz danach viel Arbeit zurückbekommen. In der Summe leistet unsere Luftpumpe also Arbeit, sie gibt Arbeit ab. Aber wo kommt die her? Nun, die Pumpe nimmt im warmen Wasserbad Wärme auf. Und im kalten Wasserbad gibt die Pumpe Wärme ab. Und da liegt es natürlich nahe – richtigerweise – zu

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vermuten, dass die Pumpe mehr Wärme aufnimmt als sie abgibt. Insgesamt nimmt unsere Maschine also Wärme auf und gibt Arbeit ab und – Heureka! – genau das ist es, was wir uns erhofft hatten: Eine Wärmekraftmaschine, die Wärme – teilweise – in Arbeit verwandelt. Der Rest der Wärme verschwindet im kalten Wasserbad. Wie funktioniert der Otto-Motor 1. Der nach dem Erfinder Nicolaus Otto (1832–1891) benannte Motor komprimiert zunächst Luft und zerstäubtes Benzin so reibungsfrei wie möglich. Dabei muss Arbeit am Luft-Benzin-Gemisch geleistet werden. 2. Wie in Abb. 5.5 gezeigt, bringt dann die Zündkerze das Gemisch zur Explosion, wodurch (viel) Wärme freigesetzt wird. Das geht so schnell, dass der Kolben sich nicht bewegt und sich das Luft-Benzin-Gemisch nicht ausdehnen kann. Der Raum, den das Gas einnimmt, ändert sich also zunächst nicht. Man spricht daher von einer Gleichraum-Verbrennung oder einer isochoren Wärmezufuhr. 3. Nun lässt man das heiße Gemisch möglichst reibungsfrei expandieren. Es dehnt sich also aus, schiebt den Kolben weg und verrichtet dabei Arbeit. 4. Danach wird die Luft mit dem verbrannten Benzin, also das Abgas, ausgestoßen und neue, kalte Luft angesaugt. Dieser Schritt entspricht einer (erneut isochoren ) Wärmeabgabe. Anmerkung: Im Unterschied dazu wird bei einem Dieselmotor der Kraftstoff nach der Verdichtung langsam eingespritzt. Dadurch kommt es nicht zu einer explosionsartigen isochoren Verbrennung, sondern zu einer langsamen Wärmeabgabe, während der Kolben sich bereits wieder nach unten bewegt. Dadurch, dass sich das Volumen vergrößert und gleichzeitig Wärme zugeführt wird, bleibt der Druck konstant. Bei gleicher maximaler Verbrennungstemperatur hat der Dieselprozess einen höheren Wirkungsgrad als der Ottoprozess. Aufgrund dieser besseren Effizienz emittiert der Dieselmotor auch weniger CO2 pro gefahrenem Kilometer.

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Abb. 5.5  Drei der vier Prozessschritte in einem Otto-Motor: Verdichtung, Wärmezufuhr durch Explosion und Entspannung des Gases. Nicht gezeichnet ist die anschließende Wärmeabgabe an die Umgebung

Nun findet man weder in einem Kraftwerk noch in Ihrem Auto lauter Luftpumpen, die von fleißigen Arbeitern von einem Wasserbad ins andere getragen werden. Die Grundidee finden wir aber auch dort: Es wird erst an einer kalten Stelle Wärme abgegeben (Ausstoß des heißen Abgases in die Umgebung, Kühlturm, …), dann der Druck des abgekühlten Arbeitsmediums mit einer Pumpe oder von einem Kolben erhöht und anschließend Wärme zugeführt (Verbrennung des Treibstoffs). Und wenn das heiße Arbeitsmedium dann expandiert, wenn man es also Arbeit verrichten lässt, während sein Druck sinkt und es

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sich ausdehnt, liefert es mehr Arbeit, als man vorher beim Zusammendrücken investieren musste. Das ist alles. Das Arbeitsmedium, also der Stoff, der da zusammengedrückt, erwärmt und wieder expandiert wird, ist übrigens zumeist Luft (Automotor, Strahltriebwerk) oder Wasser (Kraftwerk).

5.3 Direkte Umwandlung von chemisch gebundener Energie zu Arbeit Im vorherigen Abschnitt ging es um die Umwandlung von Wärme zu Arbeit. Aber in den dort genannten Beispielen (Kraftwerk, Automotor, Strahltriebwerk) wird ja eigentlich nicht Wärme, sondern ein Brennstoff zugeführt, in dem die Energie chemisch gebunden vorliegt: Kohle, Gas, Benzin, Kerosin. Und diese Energie wird dann am Ende als Arbeit wieder abgegeben. Die Wärme ist bei diesen Prozessen eigentlich nur ein Zwischenschritt, der aber leider unumgänglich ist. Womit wir zwei Fragen klären müssten: Warum „leider“ und ist das wirklich „unumgänglich“? Ich schreibe „leider“, da, sobald die Umwandlung von chemisch gebundener Energie in Wärme erfolgt ist, diese Energie nicht mehr vollständig genutzt werden kann, um Arbeit zu verrichten. Die Verbrennung erzeugt Entropie bzw. wertet Exergie in Anergie ab, da die Verbrennung niemals bei unendlich hohen Temperaturen erfolgt. Trotz der genannten Exergieverluste hat sich der Weg „Brennstoff   → Wärme → Arbeit“ etabliert und wird für große Leistungen aktuell auch nicht ernsthaft infrage gestellt. Aber könnte es denn nicht auch irgendwie anders

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gehen? Kann man chemische gebundene Energie direkt in Arbeit umwandeln? Ja – können wir. Zum einen kennen Sie das schon ganz lange von elektrischen Batterien, in denen bei der Entladung die chemische gespeicherte Energie durch eine elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt wird. Und elektrischer Strom ist eine Form der Arbeit, die wir mit sehr geringen Verlusten in mechanische Arbeit umwandeln können. Falls Sie sich für Chemie interessieren und gerne genauer wüssten, wie das mit dem Reduzieren und Oxidieren funktioniert – denn genau dafür steht das Kürzel „Redox“ – dann muss ich Sie auf die einschlägigen Chemiebücher verweisen. Zum anderen gibt es neben Batterien und wiederaufladbaren Akkus aber auch noch Brennstoffzellen, denen man genau wie einem Verbrennungsmotor kontinuierlich Treibstoff zuführen muss, den sie dann in elektrischen Strom, also Arbeit umwandeln. Der Unterschied zum Motor liegt darin, dass der Treibstoff hier nicht verbrannt wird, sondern wie in Batterie und Akku eine chemische Reaktion abläuft, die eine direkte Umwandlung – ohne Wärme als Zwischenschritt – ermöglicht. Eine Brennstoffzelle ist also eine Art Batterie zum Nachtanken. Sie wird nicht mit elektrischem Strom wieder aufgeladen, sondern mit einem Brennstoff. Meist – aber nicht ausschließlich – handelt es sich dabei um Wasserstoff. Ein paar Gedanken zu Wasserstoff Wasserstoff wird oft als Energiequelle der Zukunft in den siebten Himmel gelobt, weil bei seinem Verbrennen nur Wasser(dampf) als Abgas entsteht. Das ist natürlich prima. Aber wo kommt der Wasserstoff denn eigentlich her? Natürlich gibt es Wasserstoffvorräte, die wir anzapfen können. Erdgasmoleküle enthalten eine ganze Menge

5  Reale Energiewandlungsprozesse und …     87 Wasserstoffatome und auch Öl besteht nur zu einem Teil aus Kohlenstoff und daneben eben auch aus Wasserstoff. Aber diese Vorräte sind zum einen begrenzt und zum anderen hängt bei den eben genannten Molekülen der Wasserstoff immer an dem fiesen Kohlenstoff dran, der beim Verbrennen das unerwünschte CO2 erzeugt. Und puren Wasserstoff wiederum kann man leider nirgendwo abbauen, da er zu leicht bzw. zu flüchtig ist, um als Bodenschatz in Gasblasen vorzuliegen. Neben der oben genannten Gewinnung aus Erdgas und Öl kann Wasserstoff auch durch ein elektrochemisches Verfahren gewonnen werden, die in Abb. 5.6 dargestellte Elektrolyse, bei der elektrischer Strom normales Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) auftrennt. Es ist quasi das Gegenstück zur Brennstoffzelle, die aus Wasserstoff und Sauerstoff Wasser macht und dabei elektrischen Strom zur Verfügung stellt. Über dieses Verfahren wird aktuell nur ein kleiner Teil des Wasserstoffs hergestellt; in Zukunft könnte dieses Verfahren aber an Bedeutung gewinnen. Natürlich ist es dabei leider so, dass wenn man 1 kWh Strom für die Elektrolyse nutzt und dann den dabei gewonnenen Wasserstoff in einer Brennstoffzelle zur Stromgewinnung einsetzt, am Ende weniger als 1 kWh wieder herauskommt. Der Rest ist Anergie, wird als Wärme abgegeben und ist damit für uns verloren. Wasserstoff hat also (auf der Erde) langfristig weniger eine Bedeutung als Energiequelle, sondern kann zur Energiespeicherung bzw. zum Energietransport genutzt werden. Das ist aber immer noch praktisch, da man in einem Kilogramm Wasserstoff viel Energie speichern kann: etwa 200-mal mehr als in einer Batterie, die ebenfalls ein Kilogramm wiegt. Ein weiterer positiver Punkt ist, dass im Gegensatz zu Benzin keine schädlichen Abgase da entstehen, wo der Wasserstoff verbrannt wird, also z. B. in der Innenstadt, wo viele Autos fahren, aber auch viele Menschen leben. Leider ist das Handhaben von Wasserstoff allerdings nicht ganz unproblematisch. Inzwischen gelten die Speicher zwar als sicher; die Bilder des brennenden, mit Wasserstoff gefüllten Luftschiffs Hindenburg von 1937 sind aber auch heute noch präsent und erinnern eindrücklich an die leichte Entzündbarkeit von Wasserstoff-Luft-Gemischen.

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Abb. 5.6  Bei der Elektrolyse wird Wasser unter Zufuhr von elektrischer Energie in Wasserstoff (weiß) und Sauerstoff (rot) aufgespalten

Theoretisch können Brennstoffzellen, da sie nicht den Grenzen des Carnot-Wirkungsgrades unterworfen sind, eine sehr hohe Effizienz nahe 100 % erreichen. Tatsächlich liegt das Verhältnis von abgegebener Energie in Form von elektrischem Strom zu chemisch gespeicherter Energie im Brennstoff aber meist nur bei 50–70 %. Der Wirkungsgrad hängt dabei von der Art der Brennstoffzelle ab. Es gibt Brennstoffzellen, die bei Temperaturen im Bereich von 600–1000 °C arbeiten (SOFC-Brennstoffzellen). Diese sind erst nach einer Aufwärmphase einsatzbereit, haben dafür aber auch Wirkungsgrade von teilweise über 70 %. Auf der anderen Seite gibt es die PEM-Brennstoffzellen, die bei Temperaturen unter 100 °C laufen und schnell startbereit sind. Diese haben zwar etwas geringere Wirkungsgrade, sind jedoch aufgrund der gerade genannten Eigenschaften besser handhabbar und im Bereich der Elektromobilität daher aktuell erste Wahl.

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5.4 Umwandlung zwischen elektrischem Strom und mechanischer Arbeit Aus thermodynamischer Sicht gibt es keinen wesentlichen Unterschied zwischen mechanischer Arbeit, wie sie z. B. von einer sich drehenden Welle übertragen wird, und Arbeit in Form von elektrischem Strom. Beide beschreiben einen Prozess des Energietransports und in beiden Fällen handelt es sich um reine Exergie. Im Gegensatz zur Wärme, die auch Anergie transportiert. Wenn ich in diesem Buch von „Arbeit“ rede, steht also keineswegs fest, ob ich nun die mechanische oder die elektrische Variante meine. Trotzdem lassen sich diese beiden Arbeitsformen in der Praxis nicht völlig verlustfrei ineinander umwandeln. Auch wenn das theoretisch aus Sicht des zweiten Hauptsatzes möglich wäre. Wer mechanische Arbeit in elektrischen Strom umwandeln will, benötigt dafür einen elektrischen Generator. Umgekehrt kann man für das Verrichten mechanischer Arbeit einen Elektromotor verwenden, den man mit Strom betreibt. Beide Maschinen werden heutzutage mit Wirkungsgraden von teilweise über 99 % hergestellt und eingesetzt. Seit 2011 ist es in der EU in bestimmten Leistungsbereichen sogar verboten, Elektromotoren mit Wirkungsgraden unter 94 % in den Handel zu bringen. Aufgrund dieser sehr guten Wirkungsgrade ist es auch gar nicht wichtig, immer genau zwischen mechanischer Arbeit und elektrischem Strom zu differenzieren. Braucht man das eine, hat aber das andere, so kann man beide Arten von Arbeit mit nur sehr geringen Verlusten in die jeweils andere umwandeln.

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5.5 Umwandlung von chemisch gebundener Energie in Wärme Endlich mal ein wirklich einfacher Umwandlungsprozess, den die Menschen schon seit mehreren 10.000 Jahren beherrschen: Ein Feuerchen machen. Damals eine Kulturtechnik für geübte Hände mit dem Feuerstein; heute leicht mit einem Streichholz für weniger als einen Cent in Gang zu setzen. Und auch die Wirkungsgradbestimmung ist so herrlich einfach: 100 %. Immer. Falls Sie sich jetzt fragen, warum private, kleine Holzöfen dann angeblich schlechte Wirkungsgrade haben und wie es denn bitte sein kann, dass Ihr Schornsteinfeger Ihnen bei der letzten Heizungswartung dringend zu einer neuen Heizung – wegen des Wirkungsgrades! – geraten hat, dann sollte ich vielleicht noch erwähnen, dass es natürlich auch hier, wie so oft, verschiedene Betrachtungsweisen gibt. Als Thermodynamiker an einer Uni kann ich mir einen sehr theoretischen Standpunkt leisten: Die chemisch gebundene Energie, die verbraucht wird, wird zu 100 % in Wärme umgewandelt. In was auch sonst? Egal ob am Lagerfeuer, im Kamin oder in Ihrer Gasetagenheizung. Als derjenige, der die Rechnung bezahlt, werden Sie sich aber wahrscheinlich nur für die Wärme interessieren, die wirklich da ankommt, wo Sie sie auch haben wollen. Und jetzt müssen wir doch über unterschiedliche Wirkungsgrade sprechen. Bei einem Topf über einem offenen Feuer wird zwar die gesamte vorher chemisch gespeicherte Energie in Wärme umgewandelt. Leider rauschen aber etwa 85–95 % der Wärme am Topf vorbei. Der Wirkungsgrad beträgt also meist nur 5–15 % und daher ist es im Sinne von effizienter Nutzung unserer begrenzten Rohstoffe wichtig, dass möglichst wenig Menschen weltweit an einfachen, offenen

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Kochstellen kochen. Bei Projekten wie „Öfen für Afrika“ geht es also nicht um eine Frage von „Schöner Wohnen“, sondern darum, den Wirkungsgrad beim Kochen zu erhöhen. Und in nicht ganz so drastischem Ausmaß kann auch eine neue Heizung den Anteil der Wärme erhöhen, der bei Ihnen in Wohn- und Badezimmer ankommt und nicht durch den Schornstein rausgeht. Daran, dass die chemische Energie des verbrannten Gases vollständig als Wärme abgegeben wird, ändert sich natürlich nichts. In diesem Zusammenhang möchte ich auch darauf hinweisen, dass der heimische Kamin oder Kaminofen mehr Gemütlichkeit als Wärme abstrahlt. Verglichen mit einer Gasheizung erzeugt er nicht nur viel (!) mehr Dreck, sondern schickt auch – zusammen mit dem Dreck – viel mehr Wärme zum Schornstein hinaus.

5.6 Umwandlung von Arbeit zu Wärme Wie sieht es denn aber aus, wenn ich gerade nichts zum Verbrennen da habe? Oder keine fossilen Brennstoffe mehr verfeuern will, sei es, weil ich mir um deren Endlichkeit bewusst bin und sie für zu schade zum Verbrennen halte oder weil mir die Innen- oder Außenpolitik vieler Lieferanten von fossilen Brennstoffen nicht gefällt? Na dann kann ich mit Strom heizen. Also Arbeit in Wärme umwandeln. Geht das denn so einfach? Ja. Sehr einfach sogar. Würden Sie einfach einen langen Kupferdraht in die beiden Löcher Ihrer Steckdose stecken, so würde – sofern nicht die Sicherung rausfliegt oder Sie direkt beim Einführen des Drahtes der Schlag getroffen hat – Strom durch diesen fließen und ihn erwärmen.

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Tja, so einfach baut man eine Elektroheizung; abgesehen von den oben erwähnten Problemchen mit der Sicherung und dem elektrischen Schlag. Falls Du, lieber Leser, noch ein Kind bist und keine Ironie verstehst: Das ist NICHT zum Nachmachen! Niemals einen Draht in eine Steckdose stecken! Das ist eine ganz blöde Idee, bei der man sogar sterben kann.

Arbeit wird auf diese Weise ganz unkompliziert in Wärme umgewandelt. Zu 100 %. Das Prinzip ist aus Nachtspeicheröfen, die in den 60er und 70er Jahren viel verbaut wurden, hinlänglich bekannt. Warum sind die trotzdem nicht mehr so richtig beliebt und in Deutschland inzwischen auch fast überall wieder ausgebaut worden? Nun, „100 %“ hört sich erstmal gut an. Aber wenn man sich klar macht, dass der elektrische Strom ja meist von Kraftwerken bereitgestellt wird, in denen für 1 kWh Strom ca. 2–3 kWh Gas oder Kohle verbrannt werden, dann sieht man, dass es deutlich eleganter wäre, die 2–3 kWh Gas oder Kohle direkt dort zu verbrennen, wo man die Wärme benötigt. Damit könnte man mehr als die Hälfte an Energie einsparen. Man erkennt das auch schnell, wenn man ein Energie-Entropie-Schaubild (siehe Abb. 5.7) für eine normale elektrische Widerstandsheizung zeichnet. In die Heizung geht elektrischer Strom hinein, also reine Energie und keine Entropie. Heraus kommt aber Wärme, also Energie und jede Menge Entropie. Diese Entropie ist in der Heizung entstanden. Und ich hoffe, Sie erinnern sich: Entropieproduktion ist immer ein Hinweis darauf, dass man etwas besser machen könnte.

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Abb. 5.7  In einer Elektroheizung wird viel Entropie (blau) produziert. Das ist ein Hinweis darauf, dass das deutlich besser geht

Und genau darauf möchte ich in der zweiten Hälfte dieses Abschnitts eingehen. Wie kann man effizient mit Strom heizen? Das geht nämlich durchaus, und zwar mit einer Wärmepumpe! Damit kann man Wärme von einer niedrigen Temperatur auf ein höheres Temperaturniveau heben – genau wie man mit einer Wasserpumpe Wasser von unten nach oben pumpen kann. Ich kann mich noch sehr gut daran erinnern, wie ich in meinem dritten Semester in der Thermodynamik-Vorlesung das erste Mal von einer solchen Wärmepumpe gehört habe. Ich fand die Idee zwar spannend, war mir aber völlig sicher, dass es sich dabei um ein theoretisches Science-Fiction-Konstrukt handeln musste. Umso erstaunter war ich, als mir einer der Tutoren in der darauf folgenden Übung sagte, dass eine Wärmepumpe keineswegs Zukunftstechnik sei, sondern im

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Prinzip nichts anderes als ein Kühlschrank, an dessen Rückseite man sich wärmt. Auch in einem Kühlschrank wird Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau, nämlich dem Ihres Biers oder Ihrer Joghurts, aufgenommen und auf der Rückseite Ihres Kühlschranks mit vergleichsweise hoher Temperatur Ihrer Küche wieder abgegeben. Und genau das macht auch eine Wärmepumpe: Sie nimmt Wärme aus der Umgebungsluft (draußen) oder dem Grundwasser auf – je nach Jahreszeit sogar bei teilweise ziemlich niedrigen Temperaturen. Und dann gibt sie bei z. B. 35 °C die Wärme in Ihrem Haus wieder an Ihre Fußbodenheizung ab und sorgt dafür, dass Ihnen warm wird. Natürlich wissen wir alle: In der Natur fließt Wärme in die andere Richtung; also von „warm“ nach „kalt“ – und nicht von „kalt“ nach „warm“ (siehe Kap. 4). Und deshalb funktioniert eine Wärmepumpe, übrigens ebenso wie eine Wasserpumpe, auch nicht von alleine. Wir müssen diesen Geräten Arbeit zuführen, indem wir sie an die Steckdose anschließen und mit elektrischem Strom versorgen. Die Wärmepumpe nimmt einen Wärmestrom auf, der neben Energie auch viel Entropie transportiert, also eine niedrige Temperatur hat. Um diesen Wärmestrom auf eine höhere Temperatur zu bekommen, müssen wir das Energie-zu-Entropie-Verhältnis so verändern, dass wir pro Energie weniger Entropie haben. Das könnten wir zum einen erreichen, indem wir ein bisschen Entropie vernichten … Ach nee – das verbietet ja der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Also bleibt nur der andere Weg: Wir führen ein bisschen reine Energie ohne Entropie zu, beispielsweise Arbeit in Form von elektrischem Strom. Wie man in Abb. 5.8 sehen kann, haben wir nun eine Mischung mit mehr Energie pro Entropie bzw. weniger

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Abb. 5.8  Die Wärmepumpe nimmt aus der Umgebung Energie (Wärme) und Entropie auf, reichert diese mit reiner Exergie in Form von elektrischem Strom an und gibt alles zusammen als Wärme auf einem höheren Temperaturniveau, also mit mehr Energie pro Entropie, wieder ab

Entropie pro Energie. Und das entspricht einem Wärmestrom bei einer höheren Temperatur. Also genau dem, was wir haben wollten. Man kann es auch anders ausdrücken: Die Wärmepumpe nimmt sich aus der Umgebung reine Anergie – wertlose Energie – und mischt diese mit ein bisschen reiner Exergie – wertvoller Energie – aus der Steckdose. Die Mischung ist ein Energiestrom, der aus viel Anergie und ein bisschen Exergie besteht – mithin einem Wärmestrom, dessen Temperatur ein bisschen über der Umgebungstemperatur liegt. Wir veredeln also quasi die Wärme, die wir kostenlos aus der Umgebung bekommen, mit ein bisschen wertvollem Strom und bekommen dabei Wärme, mit der wir

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heizen können. Das ist deutlich effektiver, als nur Strom zu nehmen und diesen in Heizwärme umzuwandeln. Wie dieser Prozess technisch funktioniert, werde ich im nächsten Abschn. 5.7 erklären. Falls Ihnen die ganze Idee noch nicht so recht schlüssig erscheint, kann ich die Sache an folgendem Bild vielleicht noch etwas verständlicher machen: Stellen Sie sich vor, dass Sie an einem sehr warmen Tag mit ein paar Freunden an einem klaren See sitzen und gerne ein kühles Getränk trinken wollen. Sie haben eine kleine Kiste mit 1 kg Eiswürfeln zur Verfügung und außerdem natürlich das Wasser im See. Das Seewasser ist zwar gesundheitlich unbedenklich aber leider lauwarm und Sie würden gerne wirklich kaltes Wasser, sagen wir bei 8 °C, trinken. In diesem Fall gibt es zwei Möglichkeiten: • Sie nehmen die Eiswürfel und füllen Ihr Glas vollständig bis oben mit diesen. Dann warten sie eine halbe Stunde, bis das Eis vollständig geschmolzen ist und sich auf 8 °C erwärmt hat. In dem Fall erhalten Sie 1 kg kaltes Wasser und jeder von Ihnen bekommt ein kleines Glas. • Oder aber Sie füllen die Gläser mit Seewasser, geben jeweils zwei Eiswürfel hinzu und warten, bis die Eiswürfel das Seewasser auf 8 °C gekühlt haben. In dem Fall erhalten Sie mehrere Liter kaltes Wasser und jeder kann so viel trinken, wie er mag (Abb. 5.9). Und so ist das auch mit einer Wärmepumpe. Natürlich kann man Strom auch direkt in Wärme verwandeln. Aber Strom kann so viel mehr! Und so wie die Eiswürfel viel mehr Wasser abkühlen können, kann 1 kWh Strom mithilfe einer Wärmepumpe gleich mehrere kWh Wärme bereitstellen. Alles was man dazu noch braucht, ist etwas Wärme aus der Umgebung, die es aber genauso kostenlos gibt wie das Wasser aus dem See.

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Abb. 5.9  Wer das Eis mit warmem Seewasser mischt, bekommt viel mehr kalte Getränke

Das hört sich doch alles wunderbar an. Kann man Wärmepumpen also uneingeschränkt als Wärmequellen der Zukunft empfehlen? Nicht uneingeschränkt. Wärmepumpen machen immer da einen tollen Job, wo nur geringe Temperaturdifferenzen überbrück werden müssen. Liegt die Heiztemperatur nur geringfügig über der Umgebungstemperatur, so besteht die Heizwärme fast nur aus Anergie und somit ist der Strombedarf (Exergie) der Wärmepumpe sehr gering. Wird beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur von 0 °C (= 273 K) Wärme für eine Fußbodenheizung bei 30 °C (= 303 K) benötigt, so lässt sich der Carnotfaktor (siehe Kap. 4) und somit der Exergieanteil der Wärme zu 1 − (273/303) = 0,1 =  10 % bestimmen. 1 kWh Strom reicht daher bei den gegebenen Temperaturniveaus theoretisch aus, um insgesamt 10 kWh Wärme bereitzustellen.

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Je höher aber die Temperatur, bei der die Wärme benötigt wird, umso größer werden der Exergieanteil der Heizwärme und somit auch die benötigte Stromzufuhr. Das erklärt auch, warum Wärmepumpen meist mit Fußbodenheizungen kombiniert werden: Bei diesen Heizungen stehen große Übertragungsflächen – nämlich der gesamte Boden – für die Wärme zur Verfügung. Und wenn die Übertragungsflächen groß sind, reichen relativ geringe Temperaturunterschiede zwischen dem Wasser in der Heizung und der Luft im Raum aus, um die gewünschte Wärme zu übertragen. Der klassische Heizkörper unterm Fenster hat hingegen eine deutlich geringere Oberfläche. Um die gleiche Wärme zu übertragen, muss er eine größere Temperaturdifferenz zur Raumluft aufweisen. Und in der Tat hat das Wasser in solchen Heizkörpern Temperaturen von 60–70 °C, während Fußbodenheizungen mit ca. 30 °C auskommen. (Alles andere würde auch für ein ungutes Gefühl an den Füßen sorgen). Was hat die Temperatur des Heizungswassers mit der Wärmepumpe zu tun? Im einen Fall muss die Wärmepumpe bei einer angenommenen Außentemperatur von 0 °C nur eine Temperaturdifferenz von 30 Grad und im anderen Fall von 60–70 Grad überbrücken, um das Heizwasser mit der benötigten Temperatur bereitzustellen. Somit sinkt bei Verwendung von kleinen, „normalen“ Heizkörpern die theoretisch maximale Heizwärme, die die Wärmepumpe aus 1 kWh Strom herausholen kann, auf etwa die Hälfte und die Wärmepumpe ist nicht mehr konkurrenzfähig. Noch eindeutiger sieht es aus, wenn man für industrielle Prozesse Wärme bei vielen hundert Grad Celsius benötigt. In diesem Fall würde eine Wärmepumpe nur

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unwesentlich mehr Wärme als eine billige Widerstandsheizung liefern – bei allerdings sehr viel höheren Anschaffungs- und Wartungskosten. Wärmepumpen lohnen sich nur dann, wenn Wärme auf einem Temperaturniveau benötigt wird, das lediglich geringfügig über dem der Umgebung liegt.

5.7 Umwandlung von Arbeit zu „Kälte“ Die Frage, wie ein solcher Umwandlungsprozess aussieht, ist eigentlich bestenfalls so spannend wie die Frage, warum ich Kälte in Anführungsstrichen schreibe. Warum? Nun, der Umwandlungsprozess an sich ist schon spannend. Aber eigentlich habe ich fast alles dazu schon in der zweiten Hälfte des letzten Abschnitts geschrieben, wo es um Wärmepumpen ging. Dort habe ich ja bereits darauf hingewiesen, dass eine Wärmepumpe eigentlich das gleiche wie ein Kühlschrank macht: In beiden Fällen wird einem Raum oder einem Gegenstand Wärme bei einer niedrigen Temperatur entzogen und auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Während unser Interesse bei einer Wärmepumpe aber auf der warmen Seite liegt, wir sie uns also kaufen, um damit zu heizen, so interessieren wir uns bei einem ansonsten gleichen Kälteprozess für die kalte Seite. Also den Teil der Maschine, der bei einer niedrigen Temperatur Wärme aufnimmt. Außerdem sind die Temperaturniveaus etwas anders: Bei einer Wärmepumpe pumpen wir in der Regel die Wärme von Umgebungstemperatur, also z. B. −5 °C

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Außentemperatur an einem Wintertag auf eine höhere Temperatur; z. B. auf +50 °C, um unseren Warmwasserspeicher zu füllen. Bei einem Kälteprozess hingegen pumpen wir die Wärme von einem Temperaturniveau, das unterhalb der Umgebung liegt, z. B. 4 °C in unserem Kühlschrank, auf die Umgebungstemperatur, was in dem Fall die Temperatur unserer Küche wäre. Sie sehen: Die Unterscheidung zwischen Wärmepumpe und Kältemaschine liegt eigentlich nur in der Anwendung und reicht so gerade für ein weiteres Unterkapitel. Kälteprozesse für Besserwisser und angehende Juristen Herr Müller-Thurgau zieht vor Gericht, weil sein Nachbar, Herr Klauberg, der im gleichen Haus wie er wohnt, ihn angeblich bestohlen hat. Herr Müller-Thurgau besitzt nämlich, wie in Abb. 5.10 dargestellt, zwei Kellerräume, die nicht nebeneinander liegen, sondern durch den Keller von Herrn Klauberg voneinander getrennt werden. In einem seiner beiden Räume hat Herr Müller-Thurgau einen Weinkeller eingerichtet. Da die Temperaturen in den Kellerräumen im Sommer allerdings zu hoch für seine edlen Tropfen sind, hat Müller-Thurgau eine Klimaanlage installiert, die sich in seinem zweiten Kellerraum befindet. Die Klimaanlage stellt kaltes Wasser bereit, das durch isolierte Rohre durch den Keller von Herrn Klauberg bis in den Weinkeller transportiert wird und dort die Luft auf die für den Wein optimale Temperatur abkühlt. Zwei Jahre lang funktioniert alles reibungslos. Im dritten Jahr ist der Stromverbrauch der Klimaanlage aber plötzlich deutlich höher als in den vorherigen zwei Jahren und Herr Müller-Thurgau findet bei der Suche nach der Ursache heraus, dass Herr Klauberg die Isolierung von den kalten Wasserrohren im Bereich seines Kellers entfernt hat, weil er diesen ebenfalls gerne etwas kühlen wollte, um darin Lebensmittel zu lagern.

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Abb. 5.10  Wer stiehlt was? Ist Energie immer ein willkommenes Geschenk?

Doch vor Gericht zeigt sich Herr Klauberg keineswegs reumütig, sondern betont, dass er keineswegs etwas gestohlen, sondern – ganz im Gegenteil – seinem Nachbarn Energie geschenkt habe. Schließlich sei ja Wärme von seinen wärmeren Lebensmitteln in das kalte Wasser geflossen und somit habe er dem Klimasystem Energie zugeführt. Das bringt den Richter ins Grübeln. Aber uns nicht. Schließlich haben wir schon so oft darüber geredet, dass Energie nicht gleich Energie ist, sondern dass man immer ganz genau hinschauen muss, ob es um wertvolle Exergie geht oder nur um nutzlose Anergie. Und in diesem Fall hat Herr Klauberg ganz eindeutig Exergie, also Arbeitsfähigkeit, geklaut. (Siehe Kap. 3). Er führt nicht nur (Wärme-)Energie, sondern vor allem ganz viel Entropie in die Kühlanlage ein und mindert damit die Exergie im Kühlkreislauf. Wir erkennen also, dass bei Temperaturen unter der Umgebungstemperatur die Exergie in die entgegengesetzte Richtung der Wärme fließt.

102     M. Buchholz Die Wärme fließt zwar in das Kühlsystem hinein, die Exergie dagegen hinaus. Falls Sie ein Zahlenmensch sind, können Sie ja einfach mal den Carnot-Faktor berechnen. Nehmen Sie dazu für die Temperatur des Wärmestroms eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur. Schnell werden Sie merken, dass Sie dann einen negativen Wert herausgebekommen. Zusammengefasst: Der Exergieanteil eines Wärmestroms oberhalb der Umgebungstemperatur liegt zwischen null und eins. Der Exergieanteil eines Wärmestroms bei Umgebungstemperatur ist gleich null und unterhalb der Umgebungstemperatur ist er sogar negativ: Die Exergie strömt dann also der Wärme entgegen.

Bleibt also nur noch die Frage nach der Kälte und den Anführungsstrichen. Nun, der Begriff „Kälte“ ist nicht wirklich falsch gewählt. Aber es hat sich eben etabliert, dass man davon spricht, Wärme von Gegenstand A auf Gegenstand B zu übertragen; und eben nicht stattdessen Kälte von B zu A, was inhaltlich dasselbe wäre. Wenn Ihnen jemand Geld gibt, könnte man stattdessen auch sagen, dass Sie dem anderen etwas Armut geben oder ein bisschen Geldmangel. Könnte man. Tut man aber nicht. Man redet über das das Guthaben vergrößernde Geld und nicht über das Anti-Geld, für das es ja nicht mal einen richtigen Namen gibt. Und genau so redet man in der Thermodynamik auch meist nur über die Wärme, die die Energie eines Körpers vergrößert, und eben nicht über die Anti-Wärme, die Kälte, die seine Energie reduziert. Aber wie geht das denn nun ganz praktisch? Wie funktioniert ein Kühlschrank? Wie befördert man Wärme von kalt nach warm? Ich kann mich noch daran erinnern, wie ich im Alter von vielleicht 11 oder 12 Jahren meinen Vater fragte, wie die

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Klimaanlage in unserem Auto funktioniert und als Antwort bekam, da werde ein Gas von einem hohen Druck auf einen niedrigen gebracht. Und dabei werde es dann kalt. Danach verbrachte ich manche heiße Autofahrt damit, Luft zwischen meinen Händen zusammenzudrücken, so dass der Druck der eingeschlossenen Luft stieg, um die Luft danach wieder auf Normaldruck absinken und entweichen zu lassen. Abgesehen von ein paar Furzgeräuschen hat das aber nichts gebracht. Kalt geworden ist es auf alle Fälle nicht. Schauen wir uns also an, wie es wirklich geht. Im Prinzip haben wir das meiste, das man wissen muss, in diesem Kapitel bereits besprochen: Wir benötigen ein Arbeitsmedium, also irgendeinen Stoff, dessen Temperatur wir verändern können. Und zwar so, dass er schön kalt ist, wenn er durch Leitungen strömt, die im Innenraum des Kühlschranks liegen, und schön warm, wenn er durch die Außenleitungen an der Rückseite fließt. Diese zwei unterschiedlichen Temperaturen, die das Kältemittel annimmt, führen zu folgendem: Im Inneren des Kühlschranks, wo das Kältemittel eine Temperatur von etwa 0 °C hat, fließt Wärme von z. B. unserem Bier in Richtung Kältemittel, weil Wärme von Natur aus immer von warm nach kalt fließt. Weil die Wärme also aus dem Bier herausströmt, wird das Bier kälter. Damit wäre das Hauptziel ja schon mal erreicht. Wenn dann das Kältemittel durch die Außenrohre auf der Rückseite des Kühlschranks fließt, hat es eine Temperatur von etwa 40 °C und dadurch fließt die Wärme aus dem Kältemittel in die Küche, die ja selbst bei Saunaliebhabern in der Regel eine niedrigere Temperatur hat. Auch dieser Schritt ist wichtig, weil die vom Bier aufgenommene Wärme ja irgendwo hin muss.

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Deshalb sollte man seinen Kühlschrank ja auch nie direkt an die Wand stellen und noch weniger in einen Schrank einbauen, wie das bei vielen Minibars in Hotels der Fall ist. Dann kann die abgegebene Wärme nämlich nur schwer entweichen und der Kühlschrank braucht mehr Strom. Aber das ist das Problem des Hoteliers. Für uns ist viel wichtiger, dass wir es jetzt geschafft haben, dass die Wärme aus dem Bier zunächst ins Kältemittel fließt und dann vom Kältemittel wieder in die Küche. Und genau das wollten wir ja. Die Wärme sollte mithilfe einer Maschine, also des Kühlschranks, von kalt (Bier) nach warm (Küche) fließen. Jetzt ist nur noch eine, allerdings ziemlich entscheidende Frage noch offen: Wie bekommt man es hin, dass das Kältemittel in der Nähe meines Biers kalt und auf der Außenseite meines Kühlschranks warm ist? Dazu brauchen wir zwei Dinge: Einen Verdichter und eine Drossel. Ein Verdichter ist dabei allerdings kein Poet auf Abwegen und die Drossel befindet sich auch nicht in Gesellschaft von Amsel, Fink und Star. Der Verdichter – das oft auch als Kompressor bezeichnete schwarze Ding unten auf der Rückseite Ihres Kühlschranks, das manchmal Geräusche macht – drückt das Kältemittel zusammen. Dabei steigt dessen Druck und – wichtig! – dessen Temperatur; in unserem Fall auf ca. 40 °C. Diese Temperaturerhöhung können Sie z. B. beim Aufpumpen Ihres Fahrradreifens mit einer Luftpumpe nachvollziehen. Fassen Sie mal nach dem Aufpumpen das Ventil des Reifens an. Dann werden Sie spüren, dass die frisch von der Pumpe verdichtete Luft recht heißt war und die Pumpe und das Ventil erwärmt hat. Das Kältemittel ist also erwärmt worden, so dass es danach Wärme an die Küche abgeben kann. Nachdem es die Wärme abgegeben hat, ist seine Temperatur aber immer noch zu hoch, um es wieder in den Innenraum des Kühlschranks zu schicken.

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Kältemittel: FCKW – FKW – CO2? Vielleicht ist Ihnen beim Stichwort „Kältemittel“ wieder eingefallen, dass es Anfang der 1990er Jahre plötzlich FCKW-freie Kühlschränke gab. Oder Sie haben 2013/2014 in der Presse etwas von einem angeblich gefährlichen neuen Kältemittel gelesen, das jetzt in Autoklimaanlagen eingesetzt wird. Worum geht es dabei? Warum sollte man überhaupt neue Kältemittel verwenden und wo liegen die Vor- und Nachteile? Es gibt zwei große Probleme: Das erste war das sogenannte Ozonloch, über das erstmals in den 80ern berichtet wurde. Und das zweite ist der Treibhauseffekt, der aktuell ein großes Thema ist. Die ganz alten Kältemittel waren FCKWs, also Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe. Diese Stoffe waren wesentlich für die Entstehung des Ozonlochs und wurden weltweit Ende der 80er/Anfang der 90er weitgehend verboten. Ihre Nachfolger waren die FKWs – also ohne Chlor –, die zwar keine Gefahr mehr für die Ozonschicht darstellen, aber immer noch ein hohes Treibhauspotenzial haben, also dafür sorgen, dass die Temperatur auf der Erde im Mittel steigt. Bemessen wird dieses Treibhauspotenzial mit dem GWP (Global Warming Potential), der Fähigkeit die globale Erwärmung auf die nächsten 100 Jahre gesehen voranzutreiben. Das Maß aller Dinge ist dabei das bekannte Treibhausgas CO2, das per Definitionem ein GWP von 1 besitzt. Harmlose Stoffe haben ein GWP von deutlich unter 1. Methan, also der Stoff, der z. B. abgegeben wird, wenn Rinder rülpsen und furzen, hat dagegen ein GWP von 28. 1 kg Rinderfurz hat also die gleiche Auswirkung aufs Klima wie 28 kg CO2. Und das gängige Kältemittel R134a, das in Autoklimaanlagen weltweit genutzt wird, hat ein GWP von 1400. Da ist es verständlich, dass die EU eine Vorschrift erlassen hat, dass dieses Kältemittel nur noch vorübergehend verwendet werden darf und die Autoindustrie sich etwas Neues einfallen lassen muss. An dieser Stelle sind aktuell zwei Kältemittel im Rennen: CO2 (unter dem Namen R744), das ansonsten ja immer der

106     M. Buchholz böse Bube des Klimawandels ist, aber mit seinem GWP von 1 im Vergleich zu R134a wie ein Chorknabe wirkt. Alternativ gibt es dann noch das von zwei Chemiekonzernen entwickelte R1234yf mit einem GWP von 4. R1234yf hat natürlich den deutlich markanteren Namen und lässt sich außerdem in den bereits bestehenden Klimaanlagen (mit kleinen Veränderungen) verwenden. Bei Unfällen können daraus aber unter besonderen Umständen sehr gefährliche Stoffe wie z. B. Flusssäure entstehen und außerdem können die zwei Herstellerfirmen natürlich hohe Preise für Ihre patentierte Substanz berechnen. CO2 hingegen ist zwar spottbillig – fürs Entsorgen von CO2 wird ja sogar Geld bezahlt – aber dafür stehen die Klimaanlagen unter einem höheren Druck und deshalb ist hier noch Entwicklungsbedarf nötig, den die Hersteller leisten müssen. Das dauert und kostet Geld. Dafür ist CO2 aber ungiftig und das Nachfüllen des Kältemittels kostengünstig. Und als kleines Bonbon können CO2-Klimaanlagen auch als Wärmepumpe verwendet werden, um im Winter das Auto zu heizen. Das erscheint zwar auf den ersten Blick überflüssig (der Motor liefert doch genug Abwärme, oder?) wird aber bei Elektroautos sehr interessant, deren Reichweite sich dramatisch verkürzt, wenn im Winter Strom aus der Batterie zum Heizen verwendet werden muss, da die Elektromotoren – aufgrund ihres sehr guten Wirkungsgrades – selber fast keine Abwärme freisetzen, die zum Heizen verwendet werden kann. Mit einer Wärmepumpe kann der Stromverbrauch fürs Heizen auf etwa ein Drittel reduziert werden, ohne dass es deswegen kalt im Auto wird.

Nun kommt die Drossel zum Einsatz. Die Drossel ist nichts anderes als eine Engstelle in der Kältemittelleitung. So wie eine Baustelle, in der eine ansonsten dreispurige Autobahn plötzlich einspurig wird. Und es passiert auch etwas ganz ähnliches wie auf der Autobahn: Vor der Engstelle ist der Druck hoch und alle Autos bzw. Kältemittelmoleküle fahren ganz dicht beieinander. Dann kommt die Engstelle und dahinter ist die Bahn plötzlich frei. Kein Stau mehr

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wie kurz vor der Engstelle. Der Druck ist gesunken. Nicht nur auf der Autobahn, sondern auch in der Kältemittelleitung. Wenn der Druck eines Gases oder einer Flüssigkeit durch eine Drosselung plötzlich sinkt, sinkt meist auch deren Temperatur. Das können Sie z. B. an Ihrer Deooder Haarspraydose beobachten. Beim Sprühen – dabei sinkt der Druck vom hohen Druck in der Dose auf den Umgebungsdruck – kühlt sich das Spray und damit auch die Düse ab. Das lässt sich direkt nach dem Sprühvorgang erfühlen. Fassen Sie einfach mal die Auslassöffnung mit der Hand nach (langem) Sprühen an. Als mir das im dritten Semester beigebracht wurde, kam dann auch die Erinnerung an die Erklärung meines Vaters wieder hoch. In der Tat ist die Drosselung, also das Absinken des Drucks an einer Engstelle, der Punkt, an dem tatsächlich die Temperatur sinkt. Ich war sehr beruhigt, dass mein Vater mir keinen Unsinn erzählt, sondern lediglich die Notwendigkeit der Wärmeabgabe an die Umgebung nach dem Verdichten unterschlagen hatte. Aber bitte – das sind ja nur Details! Zurück zum Kühlschrank: Jetzt ist unser Kältemittel also auf einem niedrigen Druck und auf einer niedrigen Temperatur; bereit, um weitere Wärme von meinem Bier aufzunehmen. Ist dies erledigt, geht es wieder in den Verdichter. Druck und Temperatur steigen und der Prozess geht von vorne los. Alles zusammengenommen wird also Wärme von einer niedrigen Temperatur auf eine hohe befördert. Egal ob zum Kühlen von Bier oder zum Heizen per Wärmepumpe. Wie schon vorher gesagt, läuft dieser Prozess natürlich nicht von alleine ab. Der Verdichter benötigt elektrischen Strom, der den Prozess antreibt.

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5.8 Umwandlung von Arbeit zu chemisch gebundener Energie Weiter oben habe ich es schon beim Thema Wasserstoff erwähnt: Man kann mithilfe von elektrischem Strom aus Wasser Wasserstoff gewinnen. Wasser – Sie wissen schon: H2O besteht aus Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2). Und genau in diese beiden Bestandteile wird das Wasser in einem Elektrolyseur aufgespalten. Den Sauerstoff können wir einfach in die Atmosphäre entlassen; die Luft besteht ja sowieso schon zu über 20 % daraus. Den Wasserstoff aber können wir speichern und später wieder nutzen, um Energie in einer anderen Form bereitzustellen. Wirkungsgrad der Elektrolyse Mit den bekannten Verfahren lässt sich die Energie des elektrischen Stroms zumindest im Labor zu ca. 80 % in Wasserstoff speichern. Das klingt erstmal viel. Aber während Strom eine Energieform ist, mit der man ganz viel machen kann (reine Exergie), kann Wasserstoff zwar toll zum Heizen, aber wiederum nur mit mäßigen Wirkungsgraden zum Antreiben eines Motors oder in einer Brennstoffzelle zum Erzeugen von Strom verwendet werden. Betrachtet man den exergetischen Wirkungsgrad, also die Frage, wie viel Arbeit/Strom man am Ende aus dem mit Strom hergestellten Wasserstoff wieder gewinnen könnte, liegt der nur bei ca. 35 %. Von 1 kWh Strom verbleiben nach dem Durchlaufen der Umwandlungskette Strom → Wasserstoff → Strom nur noch etwa 0,35 kWh.

Natürlich geht das Ganze nicht verlustfrei vonstatten. Moderne Elektrolyseure können etwa 80 % des zugeführten Stroms nutzen, um dessen Energie in chemisch gebundener Form, also als Wasserstoff (H2) zu speichern.

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Das Attraktive daran ist, dass der Wasserstoff entweder in geringen Mengen direkt oder nach einer Umwandlung in Methan (CH4, siehe Abb. 5.11) auch in großen Mengen in das Erdgasnetz eingespeist werden kann, da Erdgas zum Großteil aus Methan besteht. Und im Gegensatz zum Stromnetz sind die Möglichkeiten, Energie zu transportieren und vor allem zu speichern, im Erdgasnetz sehr, sehr viel größer. Wollte man die Energie, die in 1 kg Erdgas steckt, in einem Pumpspeicherwerk zwischenspeichern, so müsste man 5000 kg Wasser in einen 1000 m hohen Stausee pumpen, oder man müsste einen Akku besorgen, der etwa 200 kg wiegen und aktuell mehrere Tausend Euro kosten würde. Außerdem könnte das so aus Strom hergestellte künstliche Erdgas (Power2Gas – deutsch: Arbeit zu Gas) genutzt werden, um die Abhängigkeit von Gaslieferungen aus dem Ausland zu verringern und – sofern der Strom für die Elektrolyse z. B. mit Windkraft erzeugt wurde – um klimafreundliches Gas für die Bereitstellung von Hochtemperatur-Prozesswärme für die Industrie oder zum Verbrennen in der heimischen Gastherme bereitzustellen.

Abb. 5.11  Bei der Methanisierung wandelt man Wasserstoff und CO2 in Methan und Sauerstoff um

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Wobei zum Beheizen von Wohnungen der Einsatz einer effizienten Wärmepumpe energetisch sinnvoller ist und zumindest zurzeit bei diesem grünen Gas der Teufel noch im Detail steckt, wie ich im Energiewende-Kapitel (siehe Kap. 7) zeigen werde.

5.9 Umwandlung von Licht zu Arbeit Licht in Arbeit bzw. elektrischen Strom umzuwandeln ist ganz einfach. Mit Solarzellen. Die kennt jeder, auch unter dem Namen Photovoltaik (PV). Das schön schillernde Blau der Solarzellen sieht nach sauberer Zukunft und Hightech aus. Und ich glaube, dass allein schon dieser optische Vorteil gegenüber den langweiligen schwarzen Solarthermie-Modulen, mit denen man Wasser heiß machen kann, dazu geführt hat, dass man selbst im schattigen Norden eine Menge dieser Photovoltaik-Module auf den Dächern findet und nur selten Solarthermie-Module, welche die Heizung unterstützen. Ganz abgesehen von der attraktiven finanziellen Förderung in den letzten 15 Jahren. Der Effekt, auf dem Solarzellen basieren, ist schon seit über 150 Jahren bekannt und schon seit vielen Jahrzehnten gibt es Solarzellen, die dort im Einsatz sind, wo man keine Stromleitung hinlegen wollte oder konnte: Kleine Verbraucher an entlegenen Orten, z. B. Satelliten, die ja bekanntermaßen recht weit ab vom Schuss rumfliegen und zu denen man definitiv kein Stromkabel legen kann. Daher hat man zunächst auch gerne akzeptiert, dass deutlich weniger als 1/10 des Lichts in Strom umgewandelt wurde. Am Anfang waren die Wirkungsgrade von Solarzellen sogar so schlecht, dass für Ihre Herstellung mehr Energie benötigt wurde, als sie in ihrer durchschnittlichen Lebenszeit abgeben konnten. So richtig öko war das also nicht.

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Theoretischer und tatsächlicher Wirkungsgrad der Photovoltaik Theoretisch könnten Solarzellen entwickelt werden, deren Wirkungsgrad einen sehr großen Teil (>80 %) des einfallenden Lichts in Strom umwandeln. Diese müssten dann aber aus sehr vielen Schichten unterschiedlicher Materialien bestehen und wären so teuer, dass sich ihre Herstellung wahrscheinlich niemals lohnen würde. Um das zu verstehen, kann man sich folgende Situation vorstellen. Angenommen Sie wollten in der Nähe eines Bahnhofs, an dem jeden Abend viele Menschen von auswärts ankommen, ein Hotel betreiben: Welchen Zimmerpreis müssten Sie dann verlangen, um die maximalen Einnahmen zu erzielen? Fordern Sie einen zu hohen Preis, müssen die meisten potenziellen Gäste an Ihrem Hotel vorbeigehen, obwohl sie doch dringend ein Zimmer suchen; einfach weil sie sich eine Übernachtung bei Ihnen nicht leisten können. Ist Ihr Preis hingegen lächerlich niedrig, kommen zwar sehr viele Gäste; aber leider zahlen sie dafür fast nichts. Am besten betreiben Sie daher mehrere Hotels. Das am nächsten am Bahnhof liegende Hotel kostet 200 € pro Nacht, das folgende 100 € und das letzte nur 50 €: So knöpfen Sie vielleicht den wohlhabendsten 20 % Reisenden 200 € ab, den nächsten 50 % 100 € und weiteren 20 % 50 €. Natürlich hätte es auch ein paar Superreiche gegeben, die 500 € pro Nach bezahlt hätten. Und ganz offensichtlich gibt es in diesem Beispiel auch 10 % Gäste, denen selbst 50 € pro Nacht zu teuer sind. Hätten Sie noch zwei weitere Hotels gebaut, hätten Sie auch an diese beiden Gruppen noch mehr verdienen können; wahrscheinlich hätte es sich aber schlicht finanziell nicht gelohnt, für die geringen zusätzlichen Einnahmen noch zwei weitere Häuser zu errichten. Genau so sieht es auch mit den Solarzellen aus, auf die Photonen, also Lichtteilchen, mit unterschiedlichen Energien treffen. Die unterschiedliche Energie der Photonen ist dabei die Analogie zum mehr oder weniger prall gefüllten Portemonnaie der Reisenden. Eine Halbleiterschicht der Solarzelle kann, je nachdem aus welchem Material sie besteht, einem Photon eine bestimmte Energiemenge abnehmen – analog zum Zimmerpreis; vorausgesetzt, das Photon bringt genug

112     M. Buchholz Energiegeld mit. Ansonsten muss der Gast weitergehen bzw. wird gar keine Energie des Photons in elektrischen Strom umgewandelt. Ich denke, sie erkennen die Parallele: Wird die Mindestenergiemenge hoch gewählt, können viele Photonen gar nicht in Strom umgewandelt werden, wird sie niedrig gewählt, liefern zwar viele Photonen einen Beitrag; aber eben nur einen jeweils recht geringen. Um Solarzellen effizienter zu machen, kann man – genau wie bei den Hotels – mehrere Schichten hintereinander staffeln. Die ersten Schichten beuten die besonders energiereichen Photonen aus, während die energieärmeren vorbeifliegen. Diese werden dann von dahinterliegenden Schichten mit geringerer Mindestenergie abgefangen. Genau wie bei den Hotels gibt es aber auch hier eine ökonomische Grenze, bei der es sich aufgrund der steigenden Herstellungskosten einfach nicht mehr lohnt, Solarzellen mit immer mehr verschiedenen Schichten zu bauen, nur um noch ein paar Prozent mehr Licht in Strom umzuwandeln. In der Praxis haben heutige industriell in großen Stückzahlen hergestellte Solarzellen mit nur einer Schicht Wirkungsgrade von 16 bis 22 %. Mehrschicht-Solarzellen mit zwei oder drei Schichten werden meist nur für spezielle Einsatzzwecke wie etwa in der Raumfahrt verwendet. Die besten Zellen, die von Forschern bisher produziert wurden, schaffen im Labor etwa 45 %. Fast die Hälfte des einfallenden Lichts wird dort also in elektrischen Strom umgewandelt.

Das hat sich mittlerweile aber geändert und inzwischen haben sich Solarzellen in Deutschland nach ca. 30–40 Monaten energetisch amortisiert, also mehr Energie abgegeben, als für Ihre Herstellung benötigt wurde. Bei der ganzen Diskussion über die Photovoltaik wird aber oft vergessen, dass sie nicht der einzige Weg ist, um Licht in Strom umzuwandeln. Es besteht nämlich auch die Möglichkeit, das Licht zum Erwärmen von Wasser zu verwenden und dann über einen herkömmlichen

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Prozess Wärme in Arbeit umzuwandeln, so wie ich es in Abschn. 5.2 beschrieben habe. Der Wirkungsgrad, der auf die Erwärmung folgenden Umwandlung von Wärme zu Arbeit wird zwar wieder durch den Carnot-Faktor begrenzt; die Wärme kann also niemals vollständig in Arbeit umgewandelt werden. Aber dafür kann man „Wärme“ im Gegensatz zu Strom viel besser speichern. Man kann tagsüber, wenn die Sonne kräftig scheint, Salz schmelzen, in isolierten Tanks speichern, um die Wärme, die bei einer Rekristallisation abgegeben wird, bei trübem Wetter, nachts oder in Zeiten höheren Strombedarfs in Arbeit umzuwandeln. (Eine solche Wärmespeicherung kennen Sie vielleicht von den kleinen Taschenwärmern, in denen auf Knopfdruck ebenfalls ein flüssiges Salz erstarrt und dabei Wärme abgibt). Solarthermischen Kraftwerke, in denen die Sonne eine Flüssigkeit erwärmt, die dann Arbeit verrichtet, waren übrigens das geplante Herzstück des riesigen DESERTEC-Projekts, das 2003 ins Leben gerufen wurde, um Strom in Nordafrika zu produzieren und nach Europa zu leiten, und das aufgrund von Zweifeln an der politischen und finanziellen Machbarkeit aktuell beerdigt wird. Es gibt jedoch vor allem in den USA und Spanien weniger große aber dafür tatsächlich gebaute solarthermische Kraftwerke mit Leistungen im Bereich einiger hundert Megawatt.

5.10 Umwandlung von Arbeit zu Licht Umwandlung von Arbeit zu Licht hört sich erstmal wichtig an. Dahinter verbirgt sich aber nichts anderes als z. B. eine Glühbirne. Oder eine Energiesparlampe oder LEDLeuchte. Alle diese Leuchtmittel wandeln elektrischen Strom in Licht um.

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Allerdings nur teilweise. Und zwar zu sehr unterschiedlichen Teilen. Eine herkömmliche Glühbirne wandelt nur wenige Prozent des Stroms in sichtbares Licht um. Der Rest wird zwar größtenteils auch in Strahlung umgewandelt; aber halt leider in einem Wellenlängenbereich, der für das menschliche Auge nicht sichtbar und damit für Beleuchtungszwecke unbrauchbar ist. Man könnte über eine Glühbirne also auch sagen: Super Wirkungsgrad; besser sogar als Energiesparlampen oder LEDs. Die strahlt echt intensiv. Wir können es nur leider nicht sehen. Aber zumindest im Winter, wenn wir unsere Wohnung sowieso heizen, profitieren wir bei einer Glühbirne davon, dass sie es zwar nicht sehr hell, aber dafür zumindest schön warm macht. Falls Sie eine einfache Elektroheizung haben sollten, spielt es daher sogar gar keine Rolle mehr, ob Sie eine Glühbirne oder eine Energiesparlampe einsetzen, da sie den verschwendeten Strom der Glühbirne dann bei der Elektroheizung wieder einsparen. Falls Sie aber – was ich hoffe – nicht mit elektrischen Heizlüftern heizen, lohnt es sich natürlich sehr wohl, andere Leuchtmittel zu verwenden. Dazu empfehlen sich entweder die seit vielen Jahren bekannten Energiesparlampen, die immerhin etwa 20 % des Stroms in sichtbares Licht umwandeln und im Prinzip nichts anderes als zusammengefaltete Neonröhren sind, oder aber LEDs. Diese sind letztlich „umgedrehte“ Solarzellen, erreichen eine noch etwas größere Ausbeute von bis zu 30 %, enthalten im Gegensatz zu Energiesparlampen kein Quecksilber und sind außerdem auch noch sofort richtig hell. Wer jetzt einwendet, dass doch auch 20 % noch ziemlich wenig sind, und ob die paar Prozentpunkte denn wirklich so einen Unterschied machen, hat nicht richtig gerechnet: Angenommen ich benötige 2 W Lichtleistung,

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so brauche ich im Falle einer konventionellen Glühbirne eine elektrische Leistung von etwa 50 W, wenn ich davon ausgehe, dass nur 4 % davon in Licht umgewandelt werden. Im Falle einer Energiesparlampe benötige ich für 2 W Lichtleistung nur 2/0,2 = 10 W und bei einer LEDLampe sogar nur 2/0,3 = 6,5 W also weniger als 1/7 der Leistung einer Glühbirne. Und je teurer elektrischer Strom wird, umso mehr lohnt es sich, auf neue Leuchtmittel umzusteigen. Und ja: Ich finde auch, dass echte Glühbirnen ein schöneres Licht machen. Aber machen nicht auch Kerzen ein wundervolles Licht? Und? Zünden Sie abends zwölf Kerzen im Kronleuchter an oder legen Sie einfach den Schalter um? Wir werden uns schon dran gewöhnen. Außerdem gibt es seit ein paar Jahren auch LED-Birnen, die ein sehr angenehmes „warmweißes“ Licht machen, das nicht mehr so kalt und weiß strahlt wie die LEDs von 2010.

6 Das Perpetuum mobile – Energiewandlung jenseits aller Grenzen

6.1 Die Geschichte vom Perpetuum mobile Wer sich für das Thema Energie interessiert, wird fast zwangsläufig früher oder später auf diesen Menschheitstraum stoßen: Eine Maschine, die unsere Züge und Autos antreibt, unsere Gefrierschränke kalt und unsere Wohnzimmer warm hält … und das alles, ohne Abgas zu produzieren, den Treibhauseffekt zu verstärken und – für viele ist das vielleicht das Wichtigste – ohne, dass wir am Ende des Monats die Rechnung dafür präsentiert bekommen. Das Perpetuum mobile (lateinisch: etwas sich ständig Bewegendes, im Plural Perpetuum mobiles oder auch Perpetua mobilia ) übernimmt die Rolle des Energiespenders ohne Aufwand: Ewige Bewegung ohne ewigen Aufwand, Wirkung ohne Ursache und die Widerlegung des alten Spruchs, dass man im Leben nichts geschenkt bekommt. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2019 M. Buchholz, Energie – Wie verschwendet man etwas, das nicht weniger werden kann?, https://doi.org/10.1007/978-3-662-56772-2_6

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Seine geistigen Ursprünge hat das Perpetuum mobile wahrscheinlich schon in der Erfindung des Flaschenzugs, als man vor einigen Tausend Jahren plötzlich merkte, dass Menschen mithilfe von Maschinen Dinge heben konnten, die sie ohne eine solche Maschine nicht hoch bekommen hätten. Und je vollkommener die Maschine war, umso mehr schonte sie die Kräfte der Menschen. Von da war es natürlich nicht mehr weit bis zum Idealbild einer Maschine, die gar nichts von uns verlangt, keine Kraft für ihren Betrieb fordert und immer weiter aus sich selbst heraus Arbeit verrichtet. In diesem Ideal liegt etwas von der Wunschvorstellung paradiesischer Zustände, wo man erntet, ohne zu säen, und der Mensch nicht mehr im Schweiße seines Angesichts sein Brot essen muss. Schon seit über tausend Jahren gibt es auch schon recht konkrete Vorschläge. Im 8. Jahrhundert beschreibt ein indischer Astronom erstmals ein Rad, das als „Energie produzierende Maschine“, also als Perpetuum mobile fungieren soll und auch in den kommenden Jahrhunderten kommen aus Indien und dem Orient weitere Vorschläge. Die älteste mir bekannte Konstruktionszeichnung einer solchen selbst-arbeitenden Maschine wurde im 13. Jahrhundert auf dem Gebiet des heutigen Frankreichs angefertigt (Abb. 6.1). Seit dieser Zeit gibt es eine Menge Realisierungsvorschläge: Manche sind ernster gemeint, wie das in Abb. 6.2 gezeigte Rad, das sich ewig drehen und dabei Arbeit verrichten soll – übrigens letztendlich eine moderne Version des alten Vorschlags aus dem 13. Jahrhundert, den Sie in der vorhergehenden Abbildung gesehen haben. Dieses Rad soll sich für ewige Zeit im Uhrzeigersinn drehen, da der Hebelarm der ausgeklappten Ärmchen auf der rechten, sich abwärts bewegenden Seite größer ist als der Hebelarm der eingeklappten Ärmchen auf der linken,

6  Das Perpetuum mobile – Energiewandlung …      119

Abb. 6.1  Entwurf eines Perpetuum mobile aus dem 13. Jahrhundert. (Aus [1])

Abb. 6.2  Zeitgenössischer Entwurf eines Perpetuum mobile

sich aufwärts bewegenden Seite. Und sie wissen ja: „Wer am längeren Hebel sitzt, setzt sich meistens durch.“ Andere Vorschläge sind wohl eher nicht so ernst gemeint, aber trotzdem nicht weniger populär – wie das Perpetuum mobile zu dem Jim Knopf und Lukas

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der Lokomotivführer die Lokomotive Emma in dem berühmten Kinderbuch von Michael Ende umbauen. Abb. 6.3 zeigt, wie die Lokomotive einen starken Magneten an einer Stange vor sich her bewegt, der wiederum die Lok anzieht und so für ihr Fortkommen sorgt. Ganz ohne Kohle, die verheizt werden muss. Tja, solch eine sich selbst ziehende Lokomotive bzw. so ein Perpetuum mobile ganz allgemein wäre doch ein echter Segen für die ganze Menschheit! Für die ganze Menschheit? Nun ja, natürlich nicht für die großen Energieversorger oder Raffinerien und deren Aktionäre. Oder für Staaten mit großen Öl- und Gasvorkommen, insbesondere für die, deren Reputation oft etwas zweifelhaft ist und die sich nur durch den Verkauf dieser Rohstoffe politisch und finanziell über Wasser halten können. Für all diese etablierten Mitspieler im Energiemarkt wäre die Erfindung des Perpetuum mobiles ein Graus, der wahrscheinlich direkt zum ihrem Bankrott führen würde.

Abb. 6.3  Diese Lokomotive zieht sich mit einem Magneten selbst. Ganz ohne Kohle oder Strom

6  Das Perpetuum mobile – Energiewandlung …      121

6.2 Verschwörung allüberall Diese heterogene Interessenlage in Bezug auf das Perpetuum mobile ist wohl auch der Grund für eine Menge Verschwörungstheorien, die insbesondere im Internet kursieren. Da wird von Erfindern berichtet, die teilweise schon vor 100 Jahren funktionsfähige Perpetuum mobiles erfunden und diese auch vorgeführt haben. Blöderweise wurden diese Erfinder dann aber immer daran gehindert, die Früchte Ihrer Forschung zu genießen, indem sie – im besseren Fall – wissenschaftlich diskreditiert wurden oder im schlechteren Fall gleich ganz von der Bildfläche verschwanden. Auch wie diese Maschinen funktionieren, erfährt man selbst durch geduldiges Klicken im Internet nicht wirklich, dafür erhält man jede Menge höchst unverständliche Beschreibungen, in denen es von vermeintlichen Fachwörtern nur so wimmelt: Von Potenzialwirbelwolken ist die Rede, von Ätherwellen, von Raum-Energie, Orgon-Akkumulator, morphogenetischen Feldern, Nullpunkt-Energie und allerlei mehr. Machen Sie sich doch einfach mal die Freude und geben Sie in die Suchmaschine ihrer Wahl die oben genannten Stichwörter zusammen mit „Perpetuum mobile“ oder „Verschwörung“ ein. Und nehmen sie sich am besten einen Tag dafür frei. Sie werden aus dem Staunen nicht herauskommen. Die Verschwörungstheoretiker gehen dabei davon aus, dass es eine weltweite Zusammenarbeit von Kapital und Geheimdiensten gibt. Ok – bis dahin klingt das in den heutigen Zeiten ja noch recht glaubwürdig. Aber diese Gruppierung soll es angeblich erfolgreich schaffen, das

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Wissen über alle tatsächlich funktionsfähigen Perpetuum mobiles zurückzuhalten. Das hingegen ist in meinen Augen unglaubwürdig. Schon Friedrich Dürrenmatt lässt in seinem Theaterstück „Die Physiker“ die Figur des Möbius sagen: „Was einmal gedacht wurde, kann nicht mehr zurückgenommen werden.“ Dieser Meinung schließe ich mich an. Man kann neuerworbenes Wissen sicherlich für eine Weile zurückhalten. Aber niemand könnte es schaffen, eine so umwälzende Erfindung wie ein Perpetuum mobile immer wieder zu unterdrücken, wenn sie an verschiedenen Stellen der Erde im Laufe von 100 Jahren immer mal wieder erfolgreich gebaut worden wäre. Obwohl es also allem Anschein nach bisher noch nie ein erfolgreiches Perpetuum mobile gegeben hat, lassen sich neue „Erfinder“ davon nicht entmutigen und es treten regelmäßig Menschen auf die Weltbühne der Physik und präsentieren neue Perpetuum-mobile-Konstruktionen. Und es ist ein echter Kampf gegen ideologische Windmühlen, diese Mal für Mal zu wiederlegen. Kleine Anmerkung an dieser Stelle: Das Deutsche Patent- und Markenamt weist Patentanmeldungen, die ein Perpetuum mobile zum Gegenstand haben, unter Verweis auf die mangelnde Ausführbarkeit der Erfindung nach § 1 des Patent-Gesetzes direkt und ohne weitere Prüfung zurück. Wobei sich auch das Patentamt ein kleines Hintertürchen offenlässt: Der potenzielle Erfinder kann einen Schutz seiner Erfindung sehr wohl erreichen, wenn er dem Deutschen Patent- und Markenamt einen funktionstüchtigen Prototypen präsentiert und nicht nur Konstruktionszeichnungen und Berechnungen.

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6.3 Wie man ein Perpetuum mobile widerlegt Das hat bisher aber niemand geschafft. Nach Ansicht der Verschwörungstheoretiker natürlich nur deshalb, weil alle Erfinder auf dem Weg zum Patentamt vergiftet und ihre Erfindungen verbrannt wurden. Damit aber niemand sagt, ich wollte mir keine Mühe gegeben, will ich Ihnen zumindest bei den zwei bereits vorgestellten Perpetuum mobiles zeigen, wo der Denkbzw. Konstruktionsfehler liegt: Warum also sollte die Lokomotive mit dem Magneten nicht funktionieren, obwohl das in Abb. 6.4 dargestellte Prinzip doch vom Esel mit der Möhre hinlänglich bekannt ist? Nun, der Punkt ist, dass die Beziehung zwischen Möhre und Esel von einer starken Einseitigkeit geprägt ist: Der Esel fühlt sich intensiv zur Möhre hingezogen; die Möhre erwidert diese Liebe aber (aus verständlichen Gründen) nicht. Und daher läuft der dumme Esel der Möhre immer weiter hinterher, die sich so gar nicht von ihm angezogen fühlt.

Abb. 6.4  Das funktioniert wirklich: Der Esel läuft der Möhre immer und immer weiter hinterher

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Ganz anders sieht es bei der Lokomotive und dem Magneten aus: Natürlich wird die Lok vom Magneten angezogen und diese Kraft könnte die Lokomotive durchaus in Richtung Magnet in Bewegung versetzen. Aber – und hier kommt der Haken an der Sache – der Magnet wird mit einer genauso großen Kraft zur Lokomotive hingezogen. (Hinweis für Besserwisser: Das ist das dritte Newton’sche Axiom: actio = reactio oder auf Deutsch Kraft = Gegenkraft ). Und da die Lokomotive und der Magnet über eine Stange miteinander verbunden sind, heben sich diese beiden gleich großen, aber genau entgegengerichteten Kräfte auf und Lokomotive wie Magnet verharren im Stillstand. Das Ganze funktioniert also ebenso wenig, wie der Baron von Münchhausen sich eben nicht an seinen eigenen Haaren aus dem Sumpf zu ziehen vermochte. Bei dem Rad mit den einklappbaren Ärmchen aus Abb. 6.2 muss man etwas genauer hinsehen. In der Tat ist das Drehmoment, mit dem ein langer, ausgeklappter Hebel auf der rechten Seite das Rad im Uhrzeigersinn drehen möchte, größer als das entgegengesetzte Drehmoment eines der eingeklappten Hebel auf der linken Seite. Aber da die abgeklappten Ärmchen immer nach links geklappt sind, befinden sich auf der linken Seite im Schnitt mehr Hebel als auf der rechten Seite. Deutlich kann man das in Abb. 6.5 an dem Ärmchen erkennen, das senkrecht nach oben zeigt. Eigentlich sollte es das Rad weder im noch entgegen dem Uhrzeigersinn drehen. Tatsächlich ist seine obere Hälfte aber nach links abgeklappt, also befindet sich diese Hälfte auf der linken Seite des Rades und versucht somit, das Rad entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen. Man kann also vereinfacht sagen: Viele kleine Hebel links, wenige große Hebel rechts. Und in der Summe heben sich alle auf und auch das Rad verbleibt – ebenso wie Lukas’ Lokomotive – in Ruhe.

6  Das Perpetuum mobile – Energiewandlung …      125

Abb. 6.5  Rad mit eingezeichneten Drehmomenten. Also doch kein Perpetuum mobile

So wie ich es in den vorangegangenen Abschnitten für diese zwei Konstruktionen gezeigt habe, kann man sich natürlich an jedem einzelnen jemals präsentierten angeblichen Perpetuum mobile abarbeiten. Das wäre dann aber eine Lebensaufgabe. Und dazu noch eine unsinnige, da das Ergebnis schon bekannt ist, wie wir gleich sehen werden. Wie müsste ein Perpetuum mobile geprüft werden? Ein Perpetuum mobile ist, wie bereits gesagt, ein Gerät, das langfristig mehr Energie abgibt, als es aufnimmt. Ein wichtiges Stichwort ist dabei „langfristig“. Kurzfristig können Maschinen natürlich mehr Energie abgeben, als sie aufnehmen, da in der Maschine ja ein Energiespeicher eingebaut sein kann: Eine Batterie, eine gespannte Feder, ein Gewicht, das sich langsam absenkt … Es ist also relevant, dass ein Erfinder seine Maschine über einen Zeitraum am besten von mehreren Monaten vorführt. Weiterhin ist wichtig, dass die Maschine in einer von den Prüfern ausgewählten Umgebung läuft. Also am besten nicht im Labor des Erfinders. So kann ausgeschlossen

126     M. Buchholz werden, dass es geheime Leitungen gibt, durch die der Maschine unbemerkt Energie zugeführt wird. Dass selbst das nicht immer vor Betrügern schützt, zeigt folgende Geschichte: Im 18. Jahrhundert „erfand“ Johann Ernst Elias Bessler (1680–1745) z. B. ein Perpetuum mobile, das er erst der Öffentlichkeit vorstellte und dann, nachdem er von sich reden gemacht hatte, dem Landgraf Carl von Hessen-Kassel in dessen eigenem Schloss vorführte. Dazu baute er in einem Zimmer seine große Maschine auf und setzte sie in Gang. Danach wurde das Zimmer versiegelt und erst nach 40 Tagen wieder geöffnet. Und siehe da: Die Maschine lief noch immer und Herr Bessler war ein gemachter Mann. Angeblich hatte sogar Zar Peter der Große Interesse, diese Maschine zu kaufen. Diese Geschichte endete allerdings nicht mit der Lösung aller Energieprobleme, sondern mit dem Geständnis einer Magd, die für zwei Groschen pro Stunde im Wechsel mit Besslers Frau die Maschine durch einen versteckten Mechanismus aus dem Nachbarzimmer in Bewegung gehalten hatten. Merke: Wenn Du betrügen willst, dann bezahl wenigstens Deine Komplizen gut genug, dass sie nicht plaudern. Am besten – nicht aus Sicht des Betrügers, sondern aus Sicht der Wissenschaft – ist es also, dass die Maschine wiederholt, an verschiedenen Orten und vor unabhängigen Zeugen vorgeführt wird, deren Reputation unzweifelhaft ist. Außerdem muss fachkundigen Zeugen ein Einblick in die Maschine gegeben werden und die Erlaubnis erteilt werden, sie vollständig zu zerlegen. Und zu guter Letzt ist es immer ein verdächtiges Zeichen, wenn man eine riesige, schwere Maschine braucht, die dann nur eine winzige Leistung liefert. Das ist zwar kein Ausschlusskriterium für ein Perpetuum mobile. Aber allemal ein Warnsignal, dass es sich wahrscheinlich nicht um eines handelt.

Es geht aber auch deutlich einfacher, als mit den Gesetzen der Mechanik jede einzelne Konstruktion zu widerlegen. Wir können uns einer allgemeinen Aussage bedienen, die alle Perpetuum mobiles, die aus sich selbst heraus Arbeit

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verrichten, grundsätzlich und prinzipiell widerlegt: Nämlich des Satzes von der Energieerhaltung, wie er erstmals von dem deutsche Arzt Julius Robert Mayer Mitte des 19. Jahrhunderts formuliert (und in den Kap. 3 und 4 dieses Buches bereits oft erwähnt) wurde. Mayer stellte fest, dass Energie in einem vollständig geschlossenen System nicht mehr und nicht weniger werden, sondern nur in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Die Gesamtenergie bleibt also erhalten. Daher der Begriff „Erhaltungsgröße“. Der Beweis, dass Energie eine Erhaltungsgröße ist, basiert letztendlich zwar nur auf Beobachtungen der Vergangenheit; es handelt sich also um einen Erfahrungssatz und damit in gewisser Weise nur um eine Vermutung, dass dies ein allgemein und für immer gültiges Gesetz ist. Diese Annahme ist aber mehr als glaubhaft, da sie in sehr, sehr langer Zeit noch nie wiederlegt wurde. Und außerdem ist das nun mal so mit physikalischen Gesetzen: Alle Naturwissenschaften beschäftigen sich damit, Modelle zu bilden, die unsere Welt beschreiben und ihr Verhalten erklären. Wir beobachten also die Welt, und wenn wir einen bestimmten Vorgang oft genug beobachtet haben und glauben, eine Gesetzmäßigkeit gefunden zu haben, dann prüfen wir, ob diese Gesetzmäßigkeit alle Beobachtungen der Vergangenheit erklärt. Und sofern sie das tut, haben wir ein gültiges Gesetz, das so lange gilt, bis es jemand doch widerlegt. Solange also niemand tatsächlich ein Perpetuum mobile baut, das langfristig mehr Energie abgibt, als es aufnimmt und somit vorführt, wie Energie aus dem Nichts entsteht, gehe ich davon aus, dass der Energieerhaltungssatz gilt und muss mir deshalb die Konstruktionszeichnungen solcher „energieproduzierenden“ Maschinen gar nicht im Detail ansehen.

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6.4 Historische Fehlschläge Prima. Ich muss mir all die vielen Konstruktionen gar nicht mehr genau ansehen. Kann ich aber. Mitunter macht es auch Spaß, sich die – vergeblichen – Erfindungen der letzten paar Jahrhunderte anzusehen, und ich möchte Ihnen daher gerne noch ein paar besonders geistreich ersonnene Perpetuum mobiles zeigen, die natürlich alle nicht funktioniert haben. In Abb. 6.6 sehen Sie Skizzen von Leonardo da Vinci (1452–1519), die alle auf dem Radprinzip aus Abb. 6.1 bzw. Abb. 6.2 basieren. Mal im Wasser und mal in der Luft. Mal mit einklappbaren Ärmchen und mal mit sich nach innen und außen bewegenden Kugeln (oben links). Aber immer mit der Grundidee, die Gravitationskraft mal am langen und mal am kurzen Hebel angreifen zu lassen. Die gleiche Idee finden wir auch in Abb. 6.7, die eine weitere Variation des Radprinzips zeigt. Diesmal aus dem 17. Jahrhundert und von Alessandro Capra, einem Architekten aus dem italienischen Cremona. Der rote Faden bzw. die durchgehende Fehleinschätzung der Erfinder dieser Modelle ist, dass eine permanente Kraft mit einer permanenten Energiequelle verwechselt wird. Egal ob Gravitationskraft oder auch Magnetkraft: Die Kräfte mögen zwar ewig wirken; aber sie können nicht ewig Energie spenden und Arbeit verrichten. Wenn Sie beispielsweise ein Buch in Ihr Regal stellen und es dann lange dort stehen lassen, wirkt die ganze Zeit eine Kraft vom Buch auf das Regalbrett. Und – und natürlich auch umgekehrt vom Regal auf das Buch. Aber es wird dabei keinerlei Arbeit verrichtet. Nachdem ich die magnetische Kraft nun schon erwähnt habe, möchte ich Ihnen jetzt in Abb. 6.8 auch noch den Entwurf eines magnetischen Perpetuum mobile aus dem

6  Das Perpetuum mobile – Energiewandlung …      129

Abb. 6.6  Wie müsste ein Perpetuum mobile geprüft werden?

16. Jahrhundert zeigen, den Johannes Taisnerius, ein katholischer Geistlicher, in Köln publizierte. Dabei ist nicht nur die Zeichnung liebevoll dekoriert. Nein, es gibt auch eine hübsch zu lesende Bauanleitung, aus der ich zitieren möchte:

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Abb. 6.7  Entwurf des Capra (1683). (Aus [1])

italienischen

Architekten

Alessandro

Man nehme einen Behälter aus Eisen nach der Art von konkaven Gläsern, von außen mit allerlei künstlichen Gravierungen geschmückt, nicht allein wegen der Zierde, sondern auch wegen der Leichtigkeit, denn je leichter er ist, desto besser kann er in Bewegung gesetzt werden. Aber er darf dabei nicht so durchbrochen sein, daß man das darin eingeschlossene Geheimnis leicht sehen kann. An der Innenseite des Behälters müssen mehrere kleine gleich schwere Leistchen aus Eisen befestigt werden,

6  Das Perpetuum mobile – Energiewandlung …      131

Abb. 6.8  Magnetisches Perpetuum mobile aus dem 16. Jahrhundert. (Aus [1])

von der Dicke einer Bohne oder Erbse. Das im Behälter benutzte Rad muß in allen Teilen gleich schwer sein. Die Vorrichtung, auf der das Rad sich drehen kann, wird so in die Mitte gesetzt, daß sie völlig unbeweglich bleibt. Daran wird ein silberner Stift angebracht und auf den höchsten Punkt ein Magnetstein gesetzt. Wenn der Stein so vorbereitet ist, muß er zuerst in eine runde Form gebracht werden: darauf müssen die Pole bestimmt werden. Später, während die Pole unberührt bleiben, müssen zwei einander gegenüberliegende Seiten in der Mitte zwischen den Polen, nach der Form eines Eies ausgefeilt werden, und auch müssen jene zwei Seiten zusammengedrückt werden, damit der untere Teil die niedrigste Stelle einnehme, und so wird er mit den Wänden des Gehäuses in Berührung kommen nach der Art eines Rades. Ist das ausgeführt, so schiebt man den Stein auf den Stift derart, daß der Nordpol gegen die Leistchen ein wenig geneigt ist, damit die Kraft nicht unmittelbar, sondern unter einer gewissen Schräge auf die eisernen Leistchen wirke. Daher wird jedes Leistchen zum Nordpol kommen und wenn es dann aus dem Antrieb des

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Rades den Nordpol überschritten haben wird, wird es zum Südpol kommen, der es dann in die Flucht treiben wird; und dann wird es wieder vom Nordpol angezogen, so daß es im Gang bleibt. Damit das Rad schneller seine Arbeit verrichte, schließe man im Behälter ein kleines rundes erzenes oder silbernes Steinchen ein, von solcher Größe, daß es bequem zwischen zwei Leistchen aufgenommen werden kann. Wenn das Rad in die Höhe geht, wird das Steinchen auf die Gegenseite fallen; und da die Bewegung des Rades nach dem tiefsten Teil perpetuierlich ist, so wird auch das Fallen des Steinchens zwischen je zwei Leistchen perpetuierlich sein, da es ja durch sein Gewicht nach dem Mittelpunkt der Erde und dem tiefsten Orte strebt …

Es ist mir unklar, wie sich jemand die Mühe machen kann, einen zwar unverständlichen, aber dennoch so langen und ausgeschmückten Text über etwas zu schreiben, was er wahrscheinlich nie selbst gebaut und ganz sicher nicht in Funktion erlebt hat. Aber ein solcher Hang, auch nicht funktionierende Dinge blumig darzustellen, ist nur eines unter vielen möglichen Problemen der Erfinder. Ein anderes ist, dass sie mitunter schon beim Entwerfen ihres Perpetuum mobile das wesentliche Problem ihrer Konstruktion erkannten; dann aber eine – bestenfalls auf den ersten Blick plausible, tatsächlich aber unbrauchbare – Lösung dafür fanden und sich trotz des eigentlich vorhandenen Problembewusstseins nicht von der weiteren Arbeit abhalten ließen. Ein Beispiel dafür ist das in Abb. 6.9 abgebildete hydraulische Perpetuum mobile in der Variante von einem Bischof namens Wilkins. Eine Art Schraube soll das Wasser von unten rechts nach oben links befördern, von wo es dann über Wasserräder nach unten fließt, die ihrerseits die Schraube antreiben.

6  Das Perpetuum mobile – Energiewandlung …      133

Abb. 6.9  Hydraulisches Perpetuum mobile. (Aus [1])

Zurecht ist Wilkins zunächst skeptisch und erklärt, „man brauche dreimal so viel Wasser, um die Schraube zu drehen, als dass von ihr hinaufgeschraubt werde“. „Dreimal“ ist dabei natürlich eine an den Haaren herbeigezogene Zahl. Aber in der Tat hat er damit eigentlich schon erkannt, dass seine Konstruktion nie wird laufen können, da aufgrund von Reibung die nach oben fördernde Schraube stets weniger Wasser fördern wird, als für den Antrieb der Schraube herunterlaufen muss. Anstatt das aber zum Anlass zu nehmen, die weiteren Arbeiten an diesem Perpetuum mobile einzustellen, beschließt er als Ausgleich, das Wasser einfach dreimal wirken zu lassen, d. h. es über drei Wasserräder (an den Stellen H, I und K in der Abbildung) laufen zu lassen. Der Fehler dieses Vorgehens besteht in der falschen Vorstellung, dass man die Triebkraft des Wassers verdreifacht, wenn man dieselbe Wassermenge dreimal arbeiten lässt.

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Die Arbeitsfähigkeit ist jedoch proportional zur Fallhöhe: doppelte Fallhöhe bedeutet doppelte Arbeitsfähigkeit. Aber eben auch: Gleiche Fallhöhe führt stets zur gleichen Arbeitsfähigkeit und gedrittelte Fallhöhe leistet nur ein Drittel der Arbeit und drei Drittel sind wieder ein Ganzes. Es ist also egal, ob das Wasser einen Weg auf einmal oder dreimal zu je einem Drittel durchläuft. Entwürfe solcher hydraulischen Perpetuum mobiles hat es viele gegeben. Stets mit der gleichen Grundidee, dass man Wasser nach oben fördert und das herunterlaufende Wasser nutzt, um erstens den Fördermechanismus am Laufen zu halten und zweitens auch noch eine sinnvolle Arbeit zu verrichten. Aber so liebevoll und detailreich diese Entwürfe auch mitunter waren – natürlich blieb es immer dabei. Bei Entwürfen. Aber dann, 1870, gelingt es plötzlich doch! Horace Wickham aus Chicago schafft das, was vor ihm niemandem gelungen ist und was all die anderen Erfinder so gerne geschafft hätten. Ja, im Land der unbegrenzten Möglichkeiten gelingt es ihm … Nein! – kein Perpetuum mobile zu bauen. Dann gäbe es heute keine dreckigen Kraftwerke und Sie bekämen keine Stromrechnung. Nein, aber es gelingt ihm immerhin, ein Patent auf sein Perpetuum mobile zu erhalten. Ich habe anhand seiner Zeichnung (Abb. 6.10) nicht verstehen können, wie diese Wundermaschine funktioniert haben soll. Aber damals müssen sich die amerikanischen Zeitungen überschlagen haben mit Berichten über die Apparatur: Angeblich soll sie zwei Monate am Stück gelaufen sein. Schon das wage ich zu bezweifeln. Aber selbst wenn: Ein Perpetuum mobile muss ewig laufen. Und ganz offensichtlich hat die beschriebene Maschine dabei kein bisschen Arbeit geleistet; sonst stünde heute davon sicherlich in jedem Haus eine.

6  Das Perpetuum mobile – Energiewandlung …      135

Abb. 6.10  Für diese Konstruktion gab es 1870 ein Patent in den USA. (Aus [1])

6.5 Waren die früher alle so dumm? Nachdem wir so viele Fehlschläge betrachtet haben, möchte ich davor warnen, dass wir uns schenkelklopfend zurücklehnen und darüber lachen, was für Deppen die Menschen doch früher waren, welche die Unmöglichkeit Ihres Handelns einfach nicht erkennen wollten. Erstens gibt es auch heute noch viele Suchende, die glauben, dass sie kurz davor sind, das Perpetuum mobile zu bauen. Und wo wären die Menschen hingekommen, wenn nicht immer auch einige an Dingen geforscht hätten, die die Mehrheit für unsinnig erachtete? Und zum anderen möchte ich gerne klarstellen, dass es selbstverständlich auch in den vergangenen Jahrhunderten stets Menschen gegeben hat, die sich bewusst waren, dass es niemals ein Perpetuum mobile würde geben können. Schon Leonardo da Vinci, der sich in jungen Jahren ja selber noch an diesem Thema abgearbeitet hatte, klagte resigniert im Alter: „O Erforscher der ewigen Bewegung, wie viele vergängliche Pläne habt ihr bei euren Suchen

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geschaffen?“ Da hört man schon durchklingen, dass er nicht mehr an einen Erfolg des Projekts „Nie-wiederEnergierechnung“ glaubte. Wir finden eine sehr schöne und verständliche Erklärung für die Unmöglichkeit des Perpetuum mobile vom Standpunkt der vorenergetischen Physik aus, also zu einem Zeitpunkt, als es den Energiebegriff so noch gar nicht gab, in einer offiziellen Erklärung der französischen Akademie der Wissenschaften. Diese beschloss nämlich 1775 mit der folgenden Begründung, keine Perpetuum mobiles mehr zur Prüfung anzunehmen: Die Konstruktion eines Perpetuum mobile ist absolut unmöglich. Wenn auch auf die Dauer die Reibung […] die bewegende Kraft nicht zerstören würde, so könnte diese Kraft nur einen Effekt produzieren, der der Ursache gleichkäme. Wollte man aber, dass der Effekt einer endlichen Kraft immer währte, so müsste der Effekt in einem endlichen Zeitraum unendlich klein sein. Könnte man von der Reibung […] absehen, so würde ein Körper, dem man eine Bewegung erteilt hat, diese ewig beibehalten, aber auf die anderen Körper keine Wirkung ausüben, und so wäre das Perpetuum mobile, das man in diesem hypothetischen Fall erhalten hätte […] absolut nutzlos im Sinne der Erfinder.

Schon vor fast 250 Jahren erkannten die Mitglieder der französischen Akademie der Wissenschaften also, dass das theoretische Optimum z. B. ein Rad wäre, das sich, nachdem es einmal in Bewegung versetz wurde, zwar ewig dreht, dabei aber keine Art von Arbeit verrichten kann. Somit wäre es im Sinne seiner ursprünglichen Zielsetzung, dem Menschen Arbeit abzunehmen, in der Tat sinnlos.

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6.6 Unheimliche Maschinen der dritten Art Eine solche, theoretisch erlaubte, Maschine, die ewig läuft, ohne Arbeit zu verrichten, wird oft als „Perpetuum mobile der 3. Art“ bezeichnet. Es scheint so zu sein, dass es solche ewig laufenden Systeme im mikroskopischen Bereich in Form von elektrischen Kreisströmen in Supraleitern auch wirklich gibt. Supraleiter haben nämlich bei sehr tiefen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand. Also nicht einen sehr niedrigen, sondern gar keinen. Ein einmal in Gang gesetzter elektrischer Strom, der innerhalb eines konstanten Magnetfeldes im Kreis fließt, könnte daher – ohne jeglichen Nutzen – auf unbegrenzte Zeit weiterfließen. Aus Sicht des Menschen mit seinem begrenzten zeitlichen Horizont kann man auch die Bewegung der Planeten um die Sonne als Perpetuum mobile der 3. Art begreifen, das in menschlichen Zeitmaßstäben ja auch ewig läuft, ohne dabei nützliche Arbeit zu leisten. Beim Lesen der vorhergehenden Absätze hat sich Ihnen unter Umständen die Frage aufgedrängt, warum ich denn plötzlich von einem Perpetuum mobile der „dritten“ Art spreche. Bisher haben wir doch nur eine einzige Art Perpetuum mobile kennengelernt: Eine Maschine, die aus sich selbst heraus Energie produziert, damit Arbeit verrichtet und auf diese Weise den Energieerhaltungssatz verletzt. Aber – Sie haben es vielleicht schon vermutet – daneben gibt es noch eine andere Variante des Perpetuum mobiles, mit der ich Sie nun bekannt machen möchte: Das Perpetuum mobile der 2. Art. Stellen Sie sich z. B. ein Schiff vor, das dem See, in dem es schwimmt, Wärme entzieht und diese Wärmeenergie für den Antrieb nutzt (siehe Abb. 6.11). Der See wird dadurch kühler, ihm wird also Energie entzogen, die dann

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Abb. 6.11  Das Schiff nimmt Wärme aus dem See auf und treibt damit seinen Motor an. Die Energieerhaltung wird dabei nicht infrage gestellt. Trotzdem funktionieren auch solche Perpetuum mobiles der 2. Art nicht

im Schiffsmotor genutzt wird, um die Schiffsschraube zu drehen und das Schiff damit vorwärts zu bewegen. Kann so etwas theoretisch funktionieren? Man kann doch Wärme nutzen, um damit Arbeit zu verrichten. Oder nicht? Die Energieerhaltung wird hier auf alle Fälle nicht verletzt. Was aber dann? An dieser Stelle ist es wichtig, dass Sie sich an Kap. 3 und 4 dieses Buches erinnern oder ansonsten kurz zurückblättern. Dort habe ich Ihnen den Unterschied zwischen Exergie und Anergie erklärt, also zwischen nutzbarer Energie, die Arbeit zu leisten vermag, und eher nutzloser Energie, die keine Arbeit verrichten kann. Außerdem habe ich Ihnen die Entropie vorgestellt, die uns hilft, den Anteil an Exergie bzw. Anergie eines Wärmestroms mit konkreten Zahlen zu bestimmen. Und Wärme aus der Umgebung ist leider reine Anergie. Also Energie, mit der man keine Arbeit zu verrichten

6  Das Perpetuum mobile – Energiewandlung …      139

und somit auch keine Schiffsschraube anzutreiben vermag. Man bräuchte daher eine Wundermaschine auf dem Schiff, die Anergie in Exergie verwandelt. Das ist aber offensichtlicher Unsinn, da nutzlose Energie nicht nutzlos wäre, wenn man sie nutzen (bzw. in nutzbare Energie umwandeln) könnte. Außerdem würde – formal betrachtet – eine solche Maschine den 2. Hauptsatz der Thermodynamik verletzen, da sie Entropie vernichten würde. Und genau das ist für alle Prozesse die Grenze des Möglichen: Es darf keine Entropie vernichtet werden! Je weniger Entropie produziert wird, umso besser ist der Prozess. Ein Prozess ganz ohne Entropieproduktion ist das Optimum. Und ein Prozess, der noch besser ist als das Optimum, bei dem also Entropie vernichtet wird, ist unmöglich. Dafür muss man kein Physiker sein. Jeder Deutschlehrer weiß, dass es „besser als optimal“ also „optimaler“ nicht gibt. Wer sich mit dem Begriff der Entropie nicht so recht anfreunden mag, kann sich auch folgendes merken: Nur der Ausgleich von Unterschieden erlaubt es, Arbeit zu verrichten und dabei im besten Fall einen gleichwertigen Unterschied wieder herzustellen.

Wir hatten vorhin schon über ein Buch in Ihrem Bücherregel gesprochen, das dort hundert Jahre stehen und auf das Regalbrett Kraft ausüben kann, ohne Arbeit zu verrichten. Erst wenn Ihre Enzyklopädie vom Regal fällt, wenn also der Unterschied zwischen dem hoch stehenden Buch und dem niederen Boden ausgeglichen wird, kann Arbeit verrichtet werden. Aber eben nur so viel, dass mit einer dafür geeigneten Konstruktion eine andere, genauso schwere Enzyklopädie aufs gleiche Regalbrett gehoben wird.

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In der Realität würde es aufgrund von Reibung aber wohl eher nur für ein Taschenbüchlein reichen. Perpetuum mobiles – ein Überblick Ich denke, an dieser Stelle ist es Zeit für eine kleine Zusammenfassung: Das Perpetuum mobile der 1. Art erschafft Energie aus dem Nichts und verstößt damit gegen den 1. Hauptsatz der Thermodynamik, also gegen den Energieerhaltungssatz. Das auf den ersten Blick etwas schwieriger zu durchschauende Perpetuum mobile der 2. Art nutzt Wärme aus der Umgebung, um damit Arbeit zu verrichten. Es verletzt dabei den 2. Hauptsatz der Thermodynamik, da es Entropie vernichtet. Oder – und das ist sicherlich etwas griffiger: Das Perpetuum mobile der 2. Art erschafft zwar keine Energie aus dem Nichts, aber dafür – und das ist ebenso unmöglich – Arbeitsfähigkeit. Es wandelt also Anergie in Exergie um. Das Perpetuum mobile der 3. Art ist zwar nicht unmöglich, aber sinnlos: Es läuft ewig vor sich hin, verrichtet dabei aber keinerlei Arbeit.

Also Enttäuschung auf der ganzen Linie. Alles ist entweder verboten oder es macht keinen Spaß. Konkreter: Zwei Sorten des Perpetuum mobile verstoßen gegen fundamentale Grundsätze der Thermodynamik und das einzig erlaubte verrichtet niemals Arbeit.

6.7 Scheinbare Perpetuum Mobiles Bevor wir nun ganz im Leid darüber versinken, dass wir Menschen uns wohl doch weiterhin werden mühen und unsere Arbeit selber verrichten müssen, klammern wir uns doch lieber noch an eine letzte Hoffnung: Wir wenden uns einfach von der Theorie ab! Wir schauen uns lieber die Beispiele funktionierender Perpetuum mobiles an, die

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man in gut sortieren Museen und natürlich im Internet finden kann. Was soll das ganze Gerede, dass nicht sein kann, was nicht sein darf! Was ist z. B. mit diesen Stirling-Motoren, die man einfach auf seine Hand stellt und die dann fröhlich immer weiter laufen? Ganz ohne Benzin. Die funktionieren sogar in einer dunklen Kammer, enthalten also auch keine versteckten Solarzellen. Oder wie sieht es mit diesem Wippvogel aus? Das ist ein in Abb. 6.13 gezeigtes Kinderspielzeug, das ein bisschen wie ein Vogel aussieht, der ewig hin- und her pendelt und ab und zu seinen Schnabel in ein Glas Wasser tunkt. Der läuft doch auch ohne Energiequelle. (Wasser hat ja schließlich keine Kalorien!). Und dann habe ich mal im Foyer eines Museums ein großes Rad gesehen, das sicherlich drei oder vier Meter hoch war und sich langsam – aber eben ohne Antrieb – drehte. Stundenlang. Und mir wurde gesagt, dass das dort schon seit einem guten halben Jahr dort stünde und seitdem niemals von außen angetrieben worden sei. Schließlich bin ich beim Recherchieren im Internet noch über eine Uhr gestolpert, die nach Herstellerangaben ewig laufen soll. Lediglich die Jahresanzeige geht nur bis zum Jahr 3000; aber ich denke, dieses Manko wird den heutigen Käufer recht kalt lassen. Die anderen Funktionen gehen dann ja bis in die Ewigkeit.

Abb. 6.12  Unter www.martin-buchholz-online.de/buch/e2.html finden Sie Videos von einigen der hier erwähnten Maschinen

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Abb. 6.13  Der Wippvogel wippt und wippt und wippt … ganz ohne Batterie

Wie kann das sein? Sind das alles Betrüger, von denen ich Ihnen hier berichte? Oder haben Sie sich umsonst durch dieses Kapitel hindurchgearbeitet? Kann man für 73.000 €, das ist der Preis der Uhr, dann doch ein funktionsfähiges Perpetuum mobile erwarten? Ich muss Sie leider schon wieder enttäuschen. All diese Maschinen zeichnen sich dadurch aus, dass sie nur sehr kleine Leistungen abgeben und dass sie eben doch keine Perpetuum mobiles sind. Wobei die geringen Leistungen für sich alleine genommen noch kein Problem sind. Auch ein Perpetuum mobile mit einer niedrigen Leistung wäre spektakulär. Aber alle diese Maschinen nutzen ganz profan einen (nicht sofort ersichtlichen) Unterschied aus, um zu funktionieren, und laufen nur so lange, wie dieser Unterschied nicht ausgeglichen ist. Da sie aber alle so geringe Leistungen erbringen, reichen auch schon sehr kleine Unterschiede, die wir meist auf den ersten Blick gar nicht bemerken.

6  Das Perpetuum mobile – Energiewandlung …      143

Ewig wippt der Vogel Beginnen wir mit dem Wippvogel: Der Wippvogel taucht seinen Kopf immer wieder in ein Glas mit Wasser. Dadurch behält er stets einen nassen und aufgrund der nun auftretenden Verdunstung auch kühlen Kopf. Das sorgt dafür, dass eine blaue Flüssigkeit in seinem inneren – die nichts mit dem Wasser im Glas zu tun hat – nach oben gesaugt wird und dem Vogel so zu Kopf steigt, dass er irgendwann das Gleichgewicht verliert und wieder vornüber ins Wasserglas taucht. Dieser Prozess ist nicht ganz einfach zu verstehen; der Unterschied, der zum Antrieb des Vogels genutzt wird, hingegen schon: Es funktioniert nur, solange Wasser am Kopf des Vogels verdunsten kann. Und was braucht man für einen Verdunstungsvorgang? Auf der einen Seite flüssiges Wasser und auf der anderen Seite Luft, deren relative Feuchte noch nicht bei 100 % liegt. Also einen Unterschied zwischen nassem Wasser und trockener Luft. Der Vogel läuft also nur so lange, bis entweder das Wasser im Glas verbraucht ist oder – das wird aber wohl nur in sehr kleinen Räumen geschehen – bis durch die Verdunstung des Wassers die Luftfeuchte im Raum bei 100 % angekommen ist. Dann läuft der Vogel nicht mehr und wir erkennen, dass es sich keineswegs um ein Perpetuum mobile handelt, sondern um eine Stoffkraftmaschine, die sich einen Konzentrationsunterschied (in diesem Fall: nass–trocken) zunutze macht. Weitergehende Besserwisser

Erklärung

zum

Wippvogel

für

Bevor ich den eigentlichen Mechanismus erkläre, der den Vogel am Laufen hält, müssen wir erstmal drei grundsätzliche Dinge klären: 1. Bei einem Verdunstungsprozess entsteht „Kälte“. Das kann jeder von Ihnen selber ausprobieren: Einfach mal

144     M. Buchholz den eigenen Handrücken anfeuchten – im einfachsten Fall ablecken – und dann leicht darüber pusten. Obwohl Ihr Atmen eine höhere Temperatur hat als Ihr Handrücken, fühlt es sich kalt an, weil beim Verdunsten des Wassers, also beim Wechsel vom flüssigen zum gasförmigen Aggregatzustand, Energie benötigt wird und diese der Umgebung und damit auch Ihrem Handrücken entzogen wird. Dadurch kühlt sich Ihr Handrücken ab und das spüren Sie als „Verdunstungskälte“. 2. Flüssigkeiten sieden nicht immer bei der gleichen Temperatur. Jeder weiß, dass bei Normaldruck, also bei 1 bar, in der heimischen Küche das Wasser bei 100 °C siedet. In einem Schnellkochtopf ist das anders. Dort herrscht ein höherer Druck und die Kartoffeln sind schneller gar. Und zwar nicht, weil die sich nun „unter Druck gesetzt fühlen“, sondern weil Wasser bei höheren Drücken erst bei einer höheren Temperatur kocht. Das siedende – gerade eben noch flüssige – Wasser hat bei z. B. 2 bar, also einem doppelt so hohen Druck, schon eine Siedetemperatur von 120 °C. Umgekehrt siedet bei dem niedrigen Luftdruck auf einem hohen Berg das Wasser schon bei deutlich unter 100 °C. Erfahrene Bergsteiger kennen das Problem, dass es ganz weit oben recht schwierig ist, Kartoffeln weich oder Eier hart zu bekommen. Druck und Temperatur von siedender Flüssigkeit und darüber stehendem Dampf sind also fest aneinander gekoppelt. Oder in anderen Worten: Wenn ein Stoff gerade eben an dem Punkt ist, wo er von der flüssigen in die gasförmige Phase übergeht, gibt es zu jeder Temperatur nur genau einen Druck, bzw. zu jedem Druck nur genau eine Temperatur. Bei 1 bar kocht Wasser immer nur bei genau 100 °C. Und nicht bei 90 °C (da wäre es nur flüssig) und auch nicht bei 110 °C (da wäre es nur gasförmig). 3. In dem (geschlossenen) Vogel ist keine Luft, sondern nur eine einzige (hier blaue) Substanz. Es handelt sich also nicht um blau gefärbtes Wasser und Luft, sondern um nur einen einzigen Stoff, der teilweise im flüssigen Zustand vorliegt und teilweise im gasförmigen. Zweiteres ist dort der Fall, wo wir nichts sehen. Da der Stoff also gleichzeitig im flüssigen und gasförmigen Zustand

6  Das Perpetuum mobile – Energiewandlung …      145 vorliegt, scheint er genau an dem Punkt zu sein, wo er siedet. Wo also beide Zustände gleichzeitig vorliegen. Druck und Temperatur sind demzufolge fest aneinander gekoppelt. Ändere ich die Temperatur leicht, so muss sich auch der Druck verändern. Nach diesem Vorgeplänkel kommen wir nun zum eigentlich thermodynamischen Vorgang, der hier abläuft: Weil der Vogel immer wieder mit dem Kopf ins Wasser eintaucht – ganz zu Beginn habe ich das einmal von Hand machen müssen – ist sein mit Filz bezogener Kopf durchgehend feucht. Daher verdunstet dort auch Wasser und der Kopf wird kühler als der Bauch des Vogels. Nach dem Eintauchen verdunstet also Wasser an der Außenseite des Kopfes und dadurch sinkt die Temperatur des Kopfes – im Gegensatz zum Bauch, der weiterhin Umgebungstemperatur hat. Mit sinkender Temperatur sinkt auch der Druck im Kopf. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen in Kopf und Bauch herrschen dann auch unterschiedliche Drücke. Und deshalb saugt der Kopf die Flüssigkeit in dem Röhrchen nach oben zum Kopf, wie durch einen Strohhalm, wenn Sie in Ihrem Mund einen Unterdruck erzeugen. Und je höher die Flüssigkeit steigt, umso weiter verschiebt sich der Schwerpunkt des Vogels nach oben. Und irgendwann liegt der Schwerpunkt des Vogels oberhalb des Aufhängepunktes und er kippt nach vorne in das Wasserglas. In diesem Moment passieren zwei Sachen: Zum einen wird der Kopf wieder befeuchtet und zum anderen befindet sich – wie in Abb. 6.14 gezeigt – das untere Ende des Röhrchens, das vom Kopf bis in den Bauch hinein ragt, plötzlich oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche im Bauch und die Flüssigkeit fließt zurück nach unten in den Bauch hinein. Diesen Effekt können Sie übrigens auch gerne mit einem Strohhalm und einem Glas Wasser ausprobieren: Saugen Sie etwas am Strohhalm, bis er großenteils mit Wasser gefüllt ist, heben sie Ihren Kopf dann langsam an und ziehen Sie den Strohhalm damit aus dem Getränk heraus. Sofern Sie das nicht ganz senkrecht, sondern unter einem gewissen Winkel machen, läuft das Wasser in dem Moment wieder heraus, in dem der Strohhalm nicht mehr ins Wasser eingetaucht ist.

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Abb. 6.14  Ist dem Wippvogel die flüssige Phase zu Kopf gestiegen, kippt er vornüber, das hintere Ende des Röhrchens hebt sich über den Flüssigkeitsspiegel im Bauch und die zuvor in den Kopf gestiegene Flüssigkeit läuft in den Bauch zurück

Tja, und durch das Zurücklaufen des Wassers in den Bauch verschiebt sich der Schwerpunkt wieder unter den Aufhängepunkt, also unter den Punkt, um den der Vogel schwingt, der Bauch geht wieder nach unten, der Kopf nach oben und das Ganze beginnt von vorne und geht so lange weiter, bis so viel Wasser verdunstet und der Wasserspiegel im Glas soweit gesunken ist, dass der Vogel mit seinem Schnabel nicht mehr an das Wasser kommt und nicht mehr „trinken“ kann. Dann wird der Filz am Kopf trocken und kühlt nicht mehr ab. Der Prozess kommt zum Stillstand.

Der Stirling-Motor auf der Hand Wie sieht es bei diesem Stirling-Motor aus, der sogar auf einer Hand läuft? Nun, der läuft nicht sogar auf einer Hand, sondern nur auf einer Hand. Er nutzt nämlich die Temperaturdifferenz zwischen der warmen Handoberfläche und der etwas kälteren Umgebungsluft. Diese Temperaturdifferenz ist zwar nur ein paar Grad groß. Sie reicht aber, um den Motor anzutreiben – wenn auch nur mit geringer Leistung.

6  Das Perpetuum mobile – Energiewandlung …      147

Diesen Text durch Überschrift ersetzen Leistungsabschätzung für Besserwisser Sie möchten gerne wissen, welche Leistung so ein kleiner Stirling-Motor auf Ihrer Hand haben könnte? Vielleicht fragen Sie sich ja auch, ob das nicht die Lösung für Ihre hohe Stromrechnung zu Hause wäre: Einfach jeden Sonntag den Stirling-Motor für ein paar Stunden in die Hand nehmen und Strom produzieren. Beginnen wir mal mit der Frage, welchen Anteil der Wärme, die Ihre Hand abgibt, der Motor bestenfalls in elektrischen Strom umwandeln könnte. Dazu brauchen wir den im Entropie-Kapitel Kap. 4 hergeleiteten Carnot-Wirkungsgrad, der eine Aussage darüber trifft, wie groß der Exergieanteil eines Wärmestroms ist. Denn das ist gleichbedeutend mit dem Anteil, den man in Strom umwandeln kann, da elektrischer Strom reine Exergie, also Arbeitsfähigkeit ist. Der Carnot-Wirkungsgrad lässt sich mit einer angenommenen Temperatur Ihrer Hand von 32 °C = 305  K und einer angenommenen Umgebungstemperatur von 20 °C = 293 K zu

ηCarnot = 1 −

293 K ≈ 0, 04 = 4 % 305 K

bestimmen. Nur 4 % der Wärme, die Ihre Hand abgibt, könnten also maximal in Strom umgewandelt werden. Tatsächlich werden es sogar noch deutlich weniger sein. Aber gehen wir mal vom besten Fall aus und klären nun, wie viel Wärme Ihre Hand denn eigentlich abgibt. Wenn Sie ruhig im Sessel sitzen, geben Sie etwa 80 W Wärme ab. Die Tatsache, dass der größte Teil davon im Bereich Ihrer Leber und Ihres Gehirns frei wird – und das nicht nur, weil sie gerade einen Whisky und ein anregendes Buch in der Hand haben – ignorieren wir jetzt einfach mal und gehen davon aus, dass dieser Wärmestrom gleichmäßig über Ihre gesamte Körperoberfläche abgegeben wird. Bei einer Gesamtoberfläche Ihres Körpers von ca. 1,6 m2 ergibt das einen auf die Fläche bezogenen Wärmestrom von

q˙ =

80 W W = 50 2 . 2 1, 6 m m

148     M. Buchholz Nun ist Ihre Handfläche aber nur ca. 10  × 10  cm2 groß. Also etwa 0,01 m2, das ist ein Hundertstelquadratmeter. Damit geben Sie über eine Handfläche ca. 50 W/m2 · 0,01 m2 = 0,5  W, d. h. ein halbes Watt an Wärme ab. Das ist schon erbärmlich wenig. Jetzt denken Sie aber bitte daran, dass von dieser Wärme nur etwa 4 % in elektrischen Strom umgewandelt werden können; also 0,04 · 0,5 W = 0,02 W. Um mit so einem Motor eine Arbeit von 1 kWh zu erbringen, bräuchten Sie

1000 Wh = 50.000 h. 0, 02 W Diese 50.000 h entsprechen 2083 vollständigen Sonntagen, bzw. den Sonntagen von etwa 40 Jahren Ihres Lebens, die Sie mit dem Stirling-Motor auf der Hand in Ihrem Wohnzimmer sitzen müssten, um 1 kWh Strom zu erzeugen, die aktuell keine 30 Cent wert ist. Ich denke, es ist relativ offensichtlich, warum sich die Stirling-Motoren als Handkraftwerk für zu Hause nicht durchgesetzt haben.

Uhr für die Ewigkeit Auch die Uhr, die ich Ihnen vorgestellt habe, benötigt für ihren Antrieb nur eine sehr geringe Leistung. Diese gewinnt sie aber, anders als der Wippvogel oder der Stirling-Motor, nicht aus einem räumlichen Unterschied, sondern aus einem zeitlichen. Sie nutzt die Schwankungen des Luftdrucks. In Abb. 6.15 kann man sehen, dass das Innere der Uhr von der Umgebung durch eine Membran abgetrennt ist, die in Zeiten hohen Umgebungsdrucks nach innen gewölbt ist, sich bei niedrigem Druck dagegen nach außen ausbeult. Und allein die durch normale Schwankungen des Luftdrucks hervorgerufene Bewegung der Membran reicht aus, um die Uhr kontinuierlich zu betreiben, da der Luftdruck niemals über einen langen Zeitraum exakt gleich bleibt.

6  Das Perpetuum mobile – Energiewandlung …      149

Abb. 6.15  Diese Uhr läuft ewig, da sie die natürlich vorkommenden Luftdruckschwankungen ausnutzt

Das ganz große Rad drehen Mein letztes Beispiel für ein scheinbares Perpetuum mobile, das große Rad, das sich ganz von alleine langsam dreht, nutzt wieder einen räumlichen Temperaturunterschied, wie auch schon der Stirling-Motor. Alle Bewohner hoher Altbauwohnungen wissen aus schmerzlicher Erfahrung, dass sich die warme Luft, die

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man für teures Geld mit seiner Heizung erwärmt hat, unter der Decke sammelt, während es im bodennahen Bereich, in dem sich das gesellschaftliche Leben abspielt, mitunter eher fröstelig kalt bleibt. Und genau diese Tatsache, dass es in Räumen oben wärmer ist als unten, nutz das in Abb. 6.16 dargestellte, nach dem für seine gut verständlichen Vorlesungen bekannten Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman benannte, Feynman-Rad aus: Dieses Rad besitzt Speichen aus einem Material, das sich bei Erwärmung stark ausdehnt. Wird das Rad also in einem hohen Raum aufgestellt, der oben wärmer ist als unten, so dehnen sich die Speichen im oberen Bereich aus, die unteren ziehen sich zusammen. Da das Rad aber am Mittelpunkt der Speichen aufgehängt ist, verschiebt sich der Schwerpunkt des Rades nach oben, über den Aufhängepunkt. Dieser Zustand ist instabil, das Rad kippt zu einer Seite und fängt damit an sich zu drehen. Dadurch gelangen die langen Speichen nach unten und die kurzen nach oben. Aufgrund der Temperaturverteilung im Raum beginnen die langen Speichen unten aber, sich wieder zusammenzuziehen, während die kurzen, nun oben liegenden Speichen sich ausdehnen. Damit wird das Rad wieder

Abb. 6.16  Der Zyklus des Feynman-Rades, das scheinbar ohne Energiezufuhr ewig läuft

6  Das Perpetuum mobile – Energiewandlung …      151

nach oben gehoben und alles beginnt von vorne. In der Praxis sind allerdings keine einzelnen Bewegungen (Anheben, Drehen, Anheben, …) zu erkennen, sondern stattdessen eine langsame, kontinuierliche Drehbewegung. Diese Bewegung und die Tatsache, dass das Rad tatsächlich (ein wenig) Arbeit verrichten kann, sind aber nichts Spektakuläres. Es handelt sich beim Feynman-Rad um eine zwar relativ unbekannte, von der Thermodynamik her aber ganz gewöhnliche Wärmekraftmaschine, die Wärme auf einem im wahrsten Sinne des Wortes hohen Temperaturniveau aufnimmt, einen Teil davon auf einem niedrigen Niveau abgibt und den Rest nutzt, um Arbeit zu verrichten. Warum steigt warme Luft nach oben? Luft verhält sich wie ein ideales Gas und gehorcht damit der thermischen Zustandsgleichung für ideale Gase, die Sie aus der Schule vielleicht auch kürzer als Idealgasgleichung kennen:

pV = mRT . In Worten: Druck p mal Volumen V ist gleich Masse m mal Gaskonstante R mal Temperatur T. Wenn Sie nun ein festes, mit Luft gefülltes Volumen, z. B. einen Liter (einen Würfel mit 10 cm Kantenlänge) betrachten, dann hat dieser Liter Luft am Boden und unter der Decke Ihrer Wohnung den gleichen Druck; das Produkt aus Druck mal Volumen ist also am Boden und unter der Decke das gleiche. Da somit die linke Seite der Gleichung konstant ist, egal ob wir den Liter Luft unten oder oben betrachten, darf sich auch die rechte Seite der Gleichung nicht verändern. Das Produkt aus Masse, der sogenannten Gaskonstanten R und der Temperatur muss also gleich bleiben. Da es das Wesen einer Konstante ist, konstant zu sein, wird sich R nicht verändern. Also muss das Produkt aus m und T konstant sein. Steigt T, muss m sinken. Bei höheren Temperaturen ist daher die Masse m, die sich in einem Liter

152     M. Buchholz Luft befindet, geringer als bei niedrigeren Temperaturen. Und aufgrund der Erdanziehung sammeln sich am Boden stets die dichten und schweren Dinge an, während die leichteren darüber liegen. Oder haben Sie schon mal ein Glas Bier gesehen, bei dem das Bier oben und der Schaum unten im Glas war? Und deshalb steigt auch die warme und daher weniger dichte Luft nach oben.

Langer Rede kurzer Sinn: Auch die „funktionierenden“ Modelle sind kein echter Trost. Alles mehr Schein als Sein und nirgendwo ein echtes Perpetuum mobile in Sicht. Und ich will Ihnen auch ganz ehrlich sagen, dass ich keine Hoffnung hege, dass zu unseren Lebzeiten oder der unserer Kinder der erste oder zweite Hauptsatz der Thermodynamik jemals widerlegt werden. Die einzige Hoffnung auf billige Exergie besteht vielleicht darin, dass wir Energieformen wie die Kernfusion zu bändigen lernen, die wir bisher nicht kontrollieren und nutzen können. Oder aber, dass wir neue Energieformen entdecken, die wir bisher einfach noch nicht messen und verstehen können. Auch bei der Dampfmaschine und der Atomenergie schien es zunächst so, als könnte ein lebloser, energiearmer Körper – ein Stück Kohle oder ein Stück Uran – auf wundersame Weise, gleich einem Perpetuum mobile, Arbeit verrichten. Erst die Chemie bzw. die Kernphysik waren dann später in der Lage, diese Energieformen zu beschreiben, zu vermessen und ihre Umwandlungen zu erklären. Vielleicht taucht ja irgendwann noch eine neue Energieform auf, die mühelos, kostengünstig und ohne Treibhauseffekt oder Atommüll über lange Zeiträume nachhaltig unsere Energieversorgung (bzw. Exergieversorgung) übernehmen kann, auch wenn auch diese natürlich kein Perpetuum mobile ermöglichen würde.

6  Das Perpetuum mobile – Energiewandlung …      153

Da ich auf das Auftauchen einer solchen Wunderenergie aber auch nicht unbedingt wetten würde, scheint mir aktuell die Energie, die wir von der Sonne erhalten, die beste Lösung zu sein. Machen Sie sich bitte klar: Für die Menschen vor 150 Jahren wäre ein Photovoltaik-Solarmodul ganz klar ein Perpetuum mobile gewesen, das ohne Zufuhr von außen Arbeit leistet. Die Sonne kann und muss es also richten. Falls Sie sich jetzt fragen, warum ich so auf die Sonne abfahre, machen Sie sich bitte klar, dass auch Windenergie, Wasserkraft und Biogas letztendlich alle Formen von Sonnenenergie sind, da es ohne die Sonne keine Temperaturschwankungen und damit auch keine für den Wind notwendigen Luftdruckschwankungen geben würde. Ebenso wenig wie es ohne Sonne keine Verdunstung und damit keinen Regen und keine Stauseen geben würde und natürlich ohne Sonnenlicht auch keine Photosynthese, somit keine Pflanzen und damit kein Brennholz und keine Biomasse. Nur Geothermie (Wärme kommt aus dem Erdinneren) und Gezeitenkraftwerke (Der Mond bewegt das Wasser) kommen ohne die Sonne aus. Sie merken schon: Wir nähern uns langsam dem Kapitel zur Energiewende.

Abb. 6.17  Teile dieses Kapitels basieren auf einem Vortrag des Autors, den Sie sehen können, wenn Sie diesem Link folgen: www.martin-buchholz-online.de/buch/e3.html

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Literatur 1. Ichak F (1914) Das Perpetuum mobile. B. G. Teubner, Leipzig. http://www.gutenberg.ca/ebooks/ichak-perpetuummobile/ichak-perpetuummobile-00-h-dir/ichak-perpetuummobile-00-h.html. Zugegriffen: 4. Sept. 2015

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Die Energiewende, also der Umstieg von nicht regenerativen Energieträgern wie Kohle, Gas und nuklearer Energie hin zu Wind, Sonne und Biogas, ist ein vielseitiges Thema. Jeder ist damit schon in Berührung gekommen: Man sieht mehr Solarzellen auf Dächern. Strom wird teurer. Öl auch. Mancher hat mehr Angst vor Unfällen in Atomkraftwerken; für andere ist eher die ungeklärte Endlagerung von Kernbrennstoffen ein Problemthema. Es gibt Leute, die in Windrädern den Weg in die Zukunft sehen. Andere ärgern sich über eine „Verspargelung“ der Landschaft. Die einen machen sich Gedanken über Klimawandel, manche anderen halten die Erderwärmung für eine Verschwörungstheorie. Und insgesamt geht es um sehr, sehr viel Geld. Sowohl für diejenigen, denen die alten Kraftwerke und die Ölfelder gehören. Als auch für die, die in neue Technologien investieren, riesige Flächen mit Solarzellen bestücken, Windräder auf dem Land oder gar im Meer © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2019 M. Buchholz, Energie – Wie verschwendet man etwas, das nicht weniger werden kann?, https://doi.org/10.1007/978-3-662-56772-2_7

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aufstellen oder sich auch nur ein paar Solarzellen auf das Dach ihres Einfamilienhauses haben montieren lassen. Und natürlich auch für uns alle, die wir Strom verbrauchen, unsere Wohnung heizen und mobil sein wollen. Denn wir müssen dafür bezahlen. Jetzt und auch noch in 20 oder 50 Jahren. Die Frage, ob die Energiewende insgesamt und die Geschwindigkeit, mit der wir sie vollziehen, richtig ist, möchte ich hier gar nicht diskutieren. Sie ist hochkomplex und es lassen sich außerdem nicht alle Vor- und Nachteile objektiv gegeneinander abwiegen: • Wie teuer ist das Risiko, aufgrund von Feinstaub eine Lungenkrankheit zu entwickeln? • Wie ist das Risiko eines atomaren Unfalls zu bewerten? • Wie sehr leidet meine Lebensqualität durch einen Hochspannungsmasten, der 800 m von meinem Haus entfernt steht? • Und wie verrechnet man das mit der Versorgungssicherheit, also der Sicherheit, dass zu jedem Zeitpunkt Strom aus Ihrer Steckdosen kommt? • Wie gut kommen wir in Europa damit klar, wenn der Meeresspiegel ein bisschen steigt? Und wie gut die Menschen in Bangladesch? Oder auf den Malediven? Und was geht mich das an? Alle diese Fragen und noch zig andere kann ich für mich und können Sie für sich vielleicht persönlich beantworten. Aber wer kann uns schon objektiv sagen, was richtig und was falsch ist, und vor allem, wie man Vor- und Nachteile miteinander korrekt verrechnet? Grundsätzliches: Gibt’s den Treibhauseffekt denn überhaupt wirklich? Ich persönlich gehe davon aus, dass es eine menschengemachte („anthropogene“) Erderwärmung gibt. Aber ich

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kann akzeptieren, dass es Leute gibt, die das für wissenschaftlich noch nicht bewiesen halten. Was ich aber überhaupt nicht verstehen kann, ist, dass es Verschwörungsfreunde gibt, die behaupten, es gäbe überhaupt keinen Treibhauseffekt, und sich teilweise sogar zu der Ansicht versteigen, dieser würde dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik widersprechen. Erstens hat sicherlich jeder schon mal in einem echten Treibhaus – oder auch nur einem Wintergarten – erlebt, dass es diesen Effekt gibt, und zum anderen ist dieser auch recht einfach und im Einklang mit dem Energieerhaltungssatz zu erklären: Jeder Körper strahlt Energie ab. Auch Sie und ich und dieses Buch. Je höher aber die Temperatur eines Körpers, desto höher ist seine Strahlungsleistung. Bei einem Heizkörper können wir das schon fühlen und erst recht bei der Sonne. Bei der können wir es sogar sehen, weil heiße Körper nicht nur mehr abstrahlen, sondern das auch mit einer anderen Wellenlänge, also einer andern Farbe, tun. Während die Strahlung eines Gegenstandes mit 10 °C ausschließlich im Infrarotbereich liegt, den wir mit unseren Augen nicht sehen können, strahlt die Sonne auch in den sichtbaren Farben Rot, Grün und Blau, die unsere Augen in der Mischung als weiß wahrnehmen. Nun aber zum Treibhauseffekt (Abb. 7.1): Die Erde nimmt permanent von der Sonne Strahlungsenergie auf. Warum wird die Erde dann nicht immer wärmer? Eben weil sie permanent Strahlungsenergie an das sehr kalte Weltall abgibt. Dabei nimmt sie die gleiche Leistung auf, die sie auch abgibt. Und das ist kein Zufall: Wäre die Erde etwas kälter, würde sie weniger Energie ins Weltall abstrahlen. Würde sie aber weniger Energie abstrahlen als sie von der Sonne aufnimmt, würde sie sich erwärmen. Dann stiege ihre Temperatur und aufgrund der höheren Temperatur würde sie wiederum mehr Energie abstrahlen. Und irgendwann hätte sie eine Temperatur erreicht, bei der

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Abb. 7.1  Der Treibhauseffekt – egal, ob natürlich oder vom Menschen verstärkt – erschwert die infrarote Wärmeabstrahlung ans Weltall und sorgt dadurch für höhere Temperaturen auf der Erde

sich Strahlungsaufnahme von der Sonne und Abstrahlung ans Weltall wieder im Gleichgewicht befänden. Die Gleichgewichtstemperatur, bei der die Erde von der Sonne genauso viel Strahlung aufnimmt, wie sie ans Weltall abgibt, stellt sich also von ganz alleine ein. Da wir die Temperatur der Sonne (ca. 5800 K = ca. 5500 °C) und des Weltalls (3 K = −270 °C) kennen und außerdem wissen, wie groß die Sonne und die Erde sowie ihr mittlerer Abstand sind, können wir berechnen, wie hoch diese Gleichgewichtstemperatur sein müsste: Es sind ca. −18 °C.

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Tatsächlich liegt die mittlere Oberflächentemperatur der Erde aber höher. Warum? Weil vor allem der Wasserdampf in der Erdatmosphäre für einen natürlichen Treibhauseffekt sorgt. Strahlung von der Erde wird teilweise vom Wasserdampf in der Luft aufgenommen und wieder zum Boden zurückgestrahlt. Dadurch wird die Abstrahlung ins Weltall zwar nicht unterbunden, aber ein kleines bisschen erschwert. Das betrifft aber nur die Infrarotstrahlung, die von der Erde kommt. Im sichtbaren Bereich ist Wasserdampf durchsichtig. Licht von der Sonne kommt also weiterhin gut zur Erdoberfläche. Um trotz dieses einseitigen Strahlungswiderstandes weiterhin genauso viel Energie an das Weltall abzustrahlen, wie sie von der Sonne aufnimmt, muss die Erde ihre Oberflächentemperatur etwas erhöhen. Und tatsächlich liegt die Oberflächentemperatur der Erde dank des natürlichen Treibhauseffekts auch etwa bei milden +15 °C. Der Effekt bewirkt also zunächst einmal nicht, dass es immer wärmer und wärmer wird, sondern sorgt dafür, dass sich die Temperatur der Erde auf einem etwas höheren, lebensfreundlichen Niveau einpendelt. Der Treibhauseffekt ist also nicht immer schlecht – es wäre sonst in unseren Breiten recht ungemütlich kalt – aber er existiert auf jeden Fall. Und neben Wasserdampf ist Kohlenstoffdioxid, also CO2, ebenfalls ein Gas, das zum Treibhauseffekt beiträgt. Es kann ihn, je nach seiner Konzentration in der Luft, merklich verstärken und hat das in der langen Geschichte der Erde auch schon oft getan: Es gab Zeiten mit deutlich höheren und auch niedrigeren CO2-Konzentrationen in der Luft. Ganz ohne den Menschen. Aber zum einen war es damals auch nicht unbedingt so gemütlich wie heute und zum anderen handelt es sich aktuell um einen erdgeschichtlich gesehen unglaublich schnellen Anstieg der CO2-Menge in der Atmosphäre. Sollten wir also weiterhin ungebremst CO2

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ausstoßen, wird der anthropogene Effekt früher oder später nicht nur eindeutig nachweisbar sein, sondern erdgeschichtlich belegte Temperaturerhöhungen weit in den Schatten stellen. Müssen alle Länder mitmachen oder bringt es was, wenn Deutschland alleine die Energiewende vollzieht? Die mittlere Temperatur auf der Erde ist prima und überhaupt gefällt es uns Menschen, wenn die Umstände, an die wir uns gewöhnt haben, so bleiben, wie sie sind. Egal ob in Finnland oder auf Sizilien. Wenn wir weniger Öl verbrennen, wird weniger CO2 freigesetzt, die menschengemachte Verstärkung des Treibhauseffekts fällt geringer aus und die sich daraus ergebenden Veränderungen ebenfalls. Da sollte es doch eigentlich eine klare Sache sein, dass jedes einzelne Land, das von fossilen Brennstoffen auf Energie aus Wind- und Sonne umsteigt, die Welt ein bisschen besser macht. Oder nicht? Leider ist es nicht so einfach: Denn wenn wir kein Öl mehr kaufen, wird es auf dem Weltmarkt billiger und Menschen in anderen Ländern können es sich plötzlich leisten, mit dem Auto zu fahren oder mehr zu heizen. Unter Umständen verbrennen wir dann zwar kein Öl mehr; dafür verbrennen die anderen umso mehr. Für den Klimawandel gilt: Nur Öl, das im Boden bleibt und nicht verfeuert wird, ist gutes Öl. Wer es verbrennt, spielt keine Rolle. Und daneben gibt es noch einen anderen frustrierenden finanziellen Effekt, wenn wir kein Öl mehr auf dem Weltmarkt kaufen und dessen Preise deshalb sinken. Es wirkt dann nämlich so, als hätten wir uns nur eingebildet, dass fossile Brennstoffe immer teurer werden. Ich möchte diesen Effekt gerne anhand einer kleinen Geschichte erläutern: Können Sie sich noch an die Versteigerung der UMTS-Mobilfunk-Lizenzen durch die heutige Bundesnetzagentur im Jahr 2000 erinnern? Da es

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nicht ausreichend Frequenzbereiche für alle Interessenten gab, haben sich die mitbietenden Konzerne gegenseitig hochgeschaukelt und am Ende für die Nutzungslizenz dieser Mobilfunkfrequenzen die unglaubliche Summe von jeweils 16 Mrd. DM gezahlt. Nun stellen Sie sich vor, die Geschäftsführer von einem oder zwei dieser Konzerne hätten im Vorfeld erkannt, dass die UMTS-Frequenzen sehr, sehr teuer werden, und hätten für z. B. 5 Mrd. Mark ein anderes Verfahren entwickelt, um Daten ohne UMTS genauso schnell zu übertragen. Als Ergebnis hätten weniger Konzerne an der Versteigerung teilgenommen, es wären von Anfang an für jeden genug Frequenzbereiche verfügbar gewesen und die Konzerne hätten sich nicht gegenseitig überboten. Daraus hätte sich ergeben, dass die Konzerne z. B. nur eine Mindestgebühr von 1 Mrd. Mark hätten zahlen müssen und deutlich billiger weggekommen wären. Tja, und wie wären wohl die Geschäftsführer der beiden Konzerne mit der alternativen Strategie beurteilt worden? Hätten deren Aktionäre gratuliert und gesagt „Klasse, dank eurer Idee haben wir nur 5 Mrd. und nicht 16 Mrd. Mark gezahlt!“ Wahrscheinlich nicht. Wahrscheinlich hätte man sie gefeuert und ihnen vorgeworden, dass alle andern das Ziel für nur 1 Mrd. Mark erreicht haben. Erkennen Sie die Parallele? Wenn nur ein paar Länder bei der Energiewende mitmachen, sinken die Ölpreise und es fühlen sich all diejenigen bestätigt, die schon immer der Meinung waren, dass es ewig billiges Öl geben wird. Aus beiden Gründen ist es wichtig, dass möglichst viele Länder mitmachen und Ihren Öldurst einschränken. Damit das Öl im Boden bleibt und damit sich niemand ärgern muss, dass andere die Dividende einfahren, die wir durch die Energiewende überhaupt erst mühsam ermöglicht haben.

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Falls das aber nicht passiert und nur einige Länder weltweit auf Wind und Sonne umsteigen, gibt es zumindest zwei Trostpflaster für die einsamen Energiewende-Kämpfer: Die Geschichte mit den UMTS-Lizenzen zeigt ja, dass die Firmen, die den alternativen Weg gegangen sind, zwar am Ende mehr bezahlen als die anderen. Sie zeigt aber auch, dass es sonst noch teurer geworden wäre. Und zum anderen führen niedrigere Ölpreise zumindest auf mittlere Sicht auch zu geringeren Ölfördermengen, weil manches schwer zu erschließende Ölfeld dann einfach nicht angezapft wird. Denn das würde sich halt nur lohnen, wenn wir weiterhin am Ölmarkt mitböten und bereit wären, unsere hohen Preise für das Öl zu zahlen. Aber ist Deutschland überhaupt so ein Vorbild? Zum Schluss sollten wir uns auch noch eingestehen, dass Deutschland gar nicht der absolute Vorreiter in Sachen Treibhausgas-Einsparungen ist: Die Emissionen sind zwar von 1252 Millionen Tonnen CO2 (1990) auf 905 M ­ illionen Tonnen(2017) gesunken. Aber erstens hat sich seit 2008 (908 Millionen Tonnen) fast nichts mehr getan. Und zweitens hing die starke Abnahme der Emissionen Anfang der 90er Jahre wohl mehr mit dem Zusammenbruch der ehemaligen DDR-Schwerindustrie als mit Umweltschutzbestrebungen zusammen. Aber wie kann das sein, dass wir so viele Windkraftwerke aufgestellt und Solaranlagen errichtet haben, ohne dass der deutsche Ausstoß an Treibhausgasen nennenswert abgenommen hat? In den letzten Jahren seit der Nuklearkatastrophe von Fukushima konkurriert in Deutschland die Dekarbonisierung, also der Abschied von fossilen, kohlenstoffhaltigen Energieträgern, mit dem Atomausstieg. Der war eigentlich schon 2002 von der Bundesregierung beschlossen worden. Er hatte

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aber üppige Übergangzeiten und hat erst 2011 im Angesicht des Unfalls in Japan so richtig an Fahrt aufgenommen. Und seit dem ersetzen die oben genannten neuen Windräder und PV-Anlagen eben kaum mehr Kohlekraftwerke, sondern Kernkraftwerke, die abgeschaltet werden. Ist das gut? Das müssen Sie selbst beurteilen. Ich war immer ein Freund des Ausstiegs aus der Kerntechnik, weil ich unserer Gesellschaft nicht zutraue, den strahlenden Atommüll wirklich langfristig sicher zu lagern. In der nun aber entstandenen Konkurrenzsituation Dekarbonisierung vs. Atomausstieg halte ich die Entscheidung, dem Atomausstieg den Vorrang zu geben, für egoistisch und damit für falsch. Was ist daran egoistisch? Die Lasten des Klimawandels müssen die Menschen überall auf der Welt tragen. Die möglichen Probleme eines Nuklearunfalls oder der mangelhaften Lagerung von Atommüll bekommen in erster Linie Menschen in der Region zu spüren, in der sich das Kraftwerk oder die Lagerstätte befinden. Wir haben uns also entschieden, erstmal diejenigen Kraftwerke abzuschalten, die UNS Probleme bereiten und diejenigen laufen zu lassen, deren negative Auswirkungen sich gleichmäßig über die ganze Welt verteilen. Wie eingangs gesagt: Ob das nun richtig oder falsch war, hängt vom persönlichen Empfinden ab. Ich meine, wir hätten die andere Reihenfolge wählen sollen. Wenn vieles unsicher und subjektiv ist: Worum soll es dann in diesem Kapitel gehen? Ich werde, wie bereits gesagt, im weiteren Verlauf des Kapitels weder die Frage diskutieren, ob es einen anthropogenen Treibhauseffekt gibt, noch ob die Energiewende richtig ist, sondern einfach voraussetzen, dass die Energiewende in Deutschland kommt, und mich fragen, wie wir damit umgehen können. Welche Möglichkeiten wir haben und wo die Grenzen unserer Möglichkeiten liegen.

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Zu Beginn müssen wir aber erstmal klären, was denn eigentlich die Probleme der Energiewende sind: • Der Aufbau und die Wartung einer neuen Energieinfrastruktur sind anfangs ziemlich teuer. Wie teilen wir diese Kosten gesellschaftlich auf? • Wind und Sonne liefern zwar mehr als genug Energie, sie tun dies aber zu Zeitpunkten, die sich bestenfalls ein paar Tage im Voraus halbwegs sicher vorhersagen lassen. Sicher ist nur, dass es nachts dunkel ist. Ansonsten ist die Natur für viele Überraschungen gut. Wie schaffen wir es, dass die Energie dann zur Verfügung steht, wenn wir sie brauchen? Wir werden, wie auch immer, Antworten auf diese beiden Fragen finden müssen. Als Ingenieur ist das zweite Problem für mich natürlich das interessantere. Da wir aber alle an dem ersten Punkt, dem mit dem Geld, nicht so ganz vorbeikommen, werde ich ihn zumindest kurz anreißen.

7.1 Wirtschaftliche Betrachtung Ich möchte gleich am Anfang gestehen, dass in meinen Augen einer der größten Fehler unserer Politiker in Bezug auf die Energiewende weniger die Höhe der Kosten ist, sondern deren Verleugnung. Diverse Politiker haben noch zu Beginn des Jahrhunderts behauptet, dass die Energiewende (fast) nichts kosten würde – bzw. nur so viel „wie eine Kugel Eis pro Monat“ [1]. Etwas sarkastisch könnte ich an dieser Stelle anmerken, dass so auch schon Helmut Kohl gegen Oskar Lafontaine die Bundestagswahl 1990 gewonnen hat. Beide wollten die Wiedervereinigung. Aber Lafontaine nannte

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Steuererhöhungen aufgrund der Wiedervereinigung unausweichlich. Kohl hingegen versprach blühende Landschaften ohne relevante Mehrkosten. Sie wissen, wer die Wahl gewonnen – und danach die Steuern kräftig erhöht hat. Vielleicht wird man nur dann ein erfolgreicher Politiker und gewinnt Wahlen, wenn man die Kosten eines Projekts kleinredet oder ganz verschweigt. Ärgerlich ist es trotzdem. Denn es hätte eine Menge Unzufriedenheit ersparen können, wenn man von Anfang an gesagt hätte, dass Energie in den letzten Jahrzehnten zu billig war und dass wir uns mental von den gewohnten Preisen verabschieden müssen. Und zwar mit oder ohne Energiewende. Die fossilen Ressourcen sind endlich und es wird immer komplizierter und damit teurer werden, diese zu fördern. Vielleicht nicht für unsere Generation; dann aber umso sicherer für die nächste. Vielleicht wenden Sie jetzt ein, dass es gar keinen Trend nach oben gäbe und der Ölpreis z. B. von Mitte 2014 bis Frühjahr 2016 doch sogar dramatisch von 110 auf 35 US$ pro Fass gesunken sei. Das liegt aber nicht an einer generellen Trendumkehr, sondern an kurzfristigen Überkapazitäten. Die Öl- und Gasförderung unterliegt einem Schweinezyklus: Ist Öl teuer, werden neue Öl- und Gasfelder erschlossen, die tiefer liegen oder nur mit neuen Methoden (z. B. Fracking) erschlossen werden können. Das ist zwar teuer; scheint aber aufgrund des hohen Ölpreises ökonomisch sinnvoll. Zwischen Beginn der Arbeiten und der tatsächlichen Förderung liegen unter Umständen mehrere Jahre. Liefern dann aber plötzlich die vielen neuen Felder Öl und Gas, so gibt es ein Überangebot und der Preis fällt. Daraufhin investiert niemand mehr in neue Ölfelder. Im Februar 2016 gab die internationale Energieagentur bekannt, dass 2015 die Investitionen in Fördertechnik weltweit um 24 % im Vergleich zum Vorjahr gesunken waren. Dadurch wird das

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Angebot sinken, da alte Felder immer weniger Öl liefern, und mit sinkendem Angebot steigt der Preis dann wieder. Der Zyklus beginnt von neuem. Zusätzlich können politische Veränderungen einen massiven Einfluss auf den Ölpreis haben. (Beispiele: Saudi-Arabien will die Frackingindustrie der USA durch hohe Fördermengen und damit niedrige Preise ruinieren und geht dabei selber fast pleite. Oder aber die Aufhebung des Ölembargos gegen Iran). Anmerkung 2. Auflage: Von Frühjahr 2016 bis Sommer 2018 ist der Preis pro Fass wieder auf ca. 80 US$ gestiegen nur um dann bis Ende November 2018 auf 50 US$ abzustürzen. Dieses Auf und Ab verschleiert aber bestenfalls, dass der Aufwand, der betrieben werden muss, um Öl und Gas zu fördern, im Laufe der Zeit immer höher wird und die Preise – sofern die Nachfrage nicht durch eine globale Energiewende einbricht – damit im langjährigen Mittel immer weiter steigen werden. Das Öl ist also nicht bei konstantem Preis irgendwann alle. Es wird wahrscheinlich „unendlich“ lange Öl geben; irgendwann dann aber zu nahezu „unendlich“ hohen Preisen. In meinen Augen ist es sinnvoller, die Zeit, in der fossile Energie noch zu moderaten Preisen zu haben ist, zu nutzen, um eine neue Energieinfrastruktur aufzubauen, als mit den Zusatzkosten für den Umbau zu warten, bis auch die fossile Energie so richtig teuer geworden ist. Denn wenn wir jetzt anfangen, kommt ja auch irgendwann der Zeitpunkt, an dem wir als Gesellschaft so richtig von unseren Investitionen profitieren werden, weil wir weniger Öl und Gas aus dem Ausland kaufen müssen. Selbst bei konstanten Preisen für Öl und Gas werden wir voraussichtlich schon Mitte der 2020er Jahre weniger Geld neu in Windräder & Co. investieren müssen, als wir durch die bereits bestehenden an Brennstoffkosten sparen.

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Es gibt beispielsweise eine umfangreiche Studie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme mit dem Titel Energiesystem Deutschland 2050 [3], der ich diese und einige weitere Zahlen in diesem Kapitel entnommen habe. Diese Studie kommt zu dem Schluss, dass wir 2050 sogar einen Zustand erreichen könnten, in dem alle Neuinvestitionen und alle Instandhaltungskosten für die erneuerbaren Kraftwerke in der Summe nur genauso hoch sein werden, wie die aktuellen Kosten für unsere Energieinfrastruktur. Ganz ohne Treibhauseffekt und Atommüll. Und bedenkt man noch, dass die Kosten für Brennstoffe in den nächsten Jahrzehnten aufgrund der Verknappung eher steigen werden, stünden wir dann sogar finanziell besser da als heute. Zunächst aber wird die Energiewende mit Sicherheit eine Menge Geld kosten. Und außerdem kann es ja auch sein, dass wir später gesamtgesellschaftlich zwar profitieren, trotzdem aber einige Gruppen als Gewinner dastehen und andere nicht. Und natürlich muss man darüber reden, ob es nicht unfair ist, dass unsere Generation den Wandel alleine stemmen muss. Vor allem mit Blick auf unsere Großeltern, die es sich mit den fossilen Energien und ganz ohne Reue haben gut gehen lassen, und mit Blick auf unsere Enkel, die es sich dann irgendwann gemütlich machen können mit all den Windrädern, die ohne Brennstoffkosten Energie bereitstellen. Lassen Sie Ihren Puls nicht zu weit nach oben gehen. Zumindest die Frage der Generationengerechtigkeit sollte uns kalt lassen: Fahren wir nicht auch auf den Autobahnen, die … ach nee – schlechtes Thema. Aber wohnen wir nicht auch in Häusern, gehen in Kirchen und besichtigen Schlösser, die unsere Vorfahren gebaut haben? Und außerdem hinterlassen wir ja nicht nur Windräder, sondern auch eine Menge Schulden, Atommüll und bereits emittiertes CO2. Ist also schon ok. Kein Grund, neidisch auf unsere Enkel zu sein.

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Und außerdem trifft es ja auch nicht exakt eine Generation, sondern eher zwei bis drei. Wobei man natürlich schon zugeben muss, dass jemand, der 1950 geboren wurde, in der ersten Hälfte seines Lebens nicht unter den Lasten der Energiewende zu leiden hatte. Und jemand, der heute geboren wird, wird wohl in der zweiten Hälfte seines Lebens eher von der Wende profitieren als dafür zu zahlen. Für die Generation in der Mitte, zu der auch ich gehöre, bleibt hingegen neben den oben schon aufgeführten Argumenten (Infrastruktur geerbt/Schulden vererbt) nur der Trost, bei einem wichtigen Moment der Geschichte dabei gewesen zu sein. Fühlen Sie sich beim Zahlen der EEG-Umlage einfach heroisch und machen Sie sich klar, dass Sie ein Revolutionär sind. Der Sturm auf die Bastille war auch kein Kindergeburtstag. Aber wie damals wird eine Generation Europa nachhaltig verändern. Unsere. Bleibt also noch die Frage, wie die Kosten innerhalb unserer Generation verteilt werden Aktuell werden Mehrkosten für die Förderung erneuerbarer Energien über die sogenannte EEG-Umlage (EEG =  Erneuerbare-Energien-Gesetz) auf unsere Stromkosten draufgeschlagen. Für jede kWh Strom bezahlen wir einen gewissen Zusatzbeitrag: Im Jahr 2019 gute 6 Cent; also etwa 20–25 % des Gesamtpreises. Die beachtliche Höhe des Aufschlages folgt zum einen daraus, dass nur „normale“ Verbraucher den Aufschlag zahlen, während genau die Industriebetriebe, die sehr viel Strom verbrauchen, sich nur minimal an der Förderung der Energiewende beteiligen müssen. Im Jahr 2013 wurde z. B. nur auf knapp die Hälfte des Stroms die volle EEG-Umlage gezahlt. Das wurde so beschlossen, um die internationale Wettbewerbsfähigkeit dieser Unternehmen zu stärken, da sie ja mit Unternehmen aus Ländern konkurrieren, die keine Energiewende fördern müssen. Das kann man richtig oder falsch finden; die Tatsache, dass

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diese Unternehmen sich nicht beteiligen, erhöht aber auf jeden Fall die Last der anderen Verbraucher. Und es wäre ehrlicher und übersichtlicher, solche Unternehmen direkt durch Zahlungen aus Steuermitteln zu subventionieren statt durch verdeckte Zahlungen aus der Kasse der Stromkunden. Neben der Frage, ob sich alle Verbraucher an den EEG-Zahlungen beteiligen sollten, ist die Höhe der EEG-Umlage aber auch ganz wesentlich davon abhängig, auf welche Art die Mehrkosten der erneuerbaren Energien berechnet werden. Auch das ist nämlich gar nicht so eindeutig zu bestimmen (siehe Kasten zur EEG-Umlage auf der nächsten Seite). Wie absurd die Regelungen zur Preisbildung mitunter sind, erkennt man an einem Prozess einiger Anbieter von Ökostrom unter der Führung von Greenpeace Energy gegen die EU aus dem Jahr 2015. Die EU-Kommission hat üppige Beihilfen für den Bau des britischen Atomkraftwerks Hinkley Point C durch die britische Regierung genehmigt, ohne die sich dessen Bau vermutlich nicht lohnen würde. Nun mag man einwenden, dass das doch uns nicht beträfe und bayrische Bauern schließlich auch Agrarsubventionen bekämen. Warum sollten wir den Briten also Ihr neues Atomkraftwerk nicht gönnen, das sie ja sogar selber finanzieren? Nur weil wir aus der Kernenergie aussteigen, müssen die es ja nicht tun. Diese Förderung kostet merkwürdigerweise aber nicht nur die Briten Geld, sondern könnte außerdem auch für die deutschen Stromkunden steigende Kosten bedeuten. Denn wenn im UK ein großes Kraftwerk mit Subventionen gebaut wird und dadurch künstlich verbilligter Strom auch bis nach Deutschland fließt, drückt das den Großhandelspreis. Wenn aber die Börsenstrompreise nach unten gehen, vergrößert sich die Differenz zu den feststehenden

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Einspeisetarifen der Erneuerbaren. Und damit steigt die EEG-Umlage. EEG-Umlage 2015 war die EEG-Umlage erstmals minimal gesunken; aber nur um 2016 und 2017 wieder auf neue Rekordwerte zu steigen und 2018 dort zu verharren. Und obwohl sie dann 2019 wieder um fast einen halben Cent gesunken ist, scheint es vielen Menschen so, als würde diese zusätzliche Belastung auf ihrer Stromrechnung aufgrund von immer neuen geförderten Windkraft- und Solaranlagen mit jedem Jahr schneller wachsen. Und in der Tat sieht der Verlauf der EEG-Umlage insbesondere von 2009 bis 2014 beängstigend aus. Interessant ist aber, dass die Förderung von Neuanlagen seit Jahren immer niedriger ausfällt und auch die Gesamtmenge der Förderung, die an Eigentümer alter und neuer Wind- und Solaranlagen in jedem Jahr ausgeschüttet worden ist, nur moderat gemäß den tatsächlich neu entstandenen Anlagen zunimmt. Wie kann es also sein, dass die Umlage, die wir alle pro kWh an verbrauchtem Strom bezahlen, schneller steigt, als die ausbezahlte Förderung für erneuerbare Energien? Entscheidend für den rasanten Anstieg der EEG-Umlage ab 2009 war keineswegs der unglaubliche Boom von Solaranlagen, sondern eine Gesetzesänderung, die festlegt, wie die Betreiber der Stromnetze in Deutschland dafür entschädigt werden, dass sie den Erzeugern von Ökostrom diesen zu relativ hohen Preisen abkaufen müssen. Ab hier wird es leider etwas kompliziert. Sie können aber den Rest dieses Kastens auch überspringen und sich einfach merken, dass die EEG-Umlage ab 2009 zu einem großen Teil aufgrund von Gesetzesänderungen und nicht einfach aufgrund von vielen neuen Solaranlagen dramatisch von 1,2 auf über 6 Cent pro kWh gestiegen ist. Bis 2009 wurde die Differenz zwischen dem mittleren Preis für normalen Strom und dem höheren (vom Gesetzgeber garantierten) Preis für Wind- und Solarstrom gebildet. Diese Differenz, also die Mehrkosten von Ökostrom, wurde von der EEG-Umlage gedeckt und von uns allen bezahlt. Seit 2010 jedoch wird als Vergleich nicht mehr der mittlere Strompreis herangezogen, sondern der im Moment

7  Die Energiewende     171 der Einspeisung aktuelle Preis an der Strombörse in Leipzig bzw. in Paris. An diesen Börsen wird aber nur ein kleiner Teil des Stroms bei stark schwankenden Preisen gehandelt. Im Mittel sind diese dort natürlich ähnlich hoch wie die Preise, die von Kraftwerksbetreibern und z. B. Stadtwerken langfristig vereinbart wurden. Aber immer genau dann, wenn Wind & Sonne viel Strom liefern, gehen die Preise an der Börse natürlich steil nach unten, da dann zusätzlich zu den erneuerbaren auch die konventionellen Kraftwerke weiterhin liefern. Warum aber liefern die weiter, auch wenn die Preise sinken? Wenn ein Kraftwerk noch Kapazitäten übrig hat und der Strompreis gerade noch höher liegt als die Grenzkosten, also die Kosten, die bei der Produktion einer zusätzlichen kWh Strom entstehen, dann wird diese kWh Strom produziert und an der Strombörse verramscht. Und selbst wenn der Preis dort kurzfristig unter die Grenzkosten rutscht, wird der Strom hergestellt und verkauft, da man Kohle- und Atomkraftwerke nicht so schnell an- und abschalten kann. Daraus ergibt sich die Situation, dass Wind & Sonne immer dann liefern, wenn die Preise gerade in den Keller gehen. In diesen Momenten liefern die Kraftwerksbetreiber weiter, weil sie dann ja nur ihre Grenzkosten decken müssen bzw. weil sie ihre Kraftwerke gar nicht so schnell herunterfahren können. Kein Kraftwerksbetreiber könnte es sich leisten, all seinen Strom für diesen niedrigen Preis zu verkaufen, da er ja z. B. auch Zinsen für das Kapital zahlen muss, mit dem er sein Kraftwerk gebaut hat. Diese Kosten fallen aber nur einmalig an und nicht pro kWh Strom, die er herstellt. Hat er also schon genug durch langfristige Verträge und durch Stromverkauf in windstillen, dunklen Zeiten verdient und kann nun noch ein bisschen zusätzlichen Strom verkaufen, so reicht es für ihn, wenn der Börsenpreis über dem Preis für Brennstoff und CO2-Emissionskosten liegt. Der BWLProfi spricht hier vom Unterschied zwischen Vollkosten und Grenzkosten. Die Hersteller von Ökostrom hingegen beißen sich selbst in den Schwanz, da sie immer dann einspeisen müssen, wenn aufgrund Ihrer eigenen Einspeisung der Strom gerade billig ist. Sie müssen aber Ihre gesamten (Voll-)Kosten mit dem Strom decken, den sie an der Strombörse zu

172     M. Buchholz Niedrigpreiszeiten verkaufen und der dort wiederum mit dem Strom konkurriert, der bei den anderen Kraftwerksbetreibern nur die Grenzkosten decken muss. Das ist natürlich eine undankbare Situation, die dazu führt, dass die Lücke zwischen (an der Börse) erzieltem Preis und Förderkosten auseinandergeht. Und diese – nun deutlich größere – Differenz müssen wir alle mit der steigenden EEG-Umlage decken. Eigentlich sollte das alles aber auf der andern Seite auch dazu führen, dass aufgrund der niedrigeren Börsenpreise die Einkaufspreise für die Stadtwerke sinken. Selbst wenn das allerdings funktioniert und die niedrigeren Einkaufspreise von den Stadtwerken auch an die Endverbraucher weitergegeben werden, wird die EEG-Umlage und damit die offensichtliche Zusatzbelastung für den Ökostrom steigen, was viele Menschen dazu verleitet zu glauben, dass der Zubau von Solaranlagen die Preise kontinuierlich steil nach oben treibt.

Kosten der konventionellen Kraftwerke Neben der Frage, wer die Kosten für die Förderung der Energiewende tragen soll, können und sollten wir uns aber auch die Frage stellen, wer eigentlich die Kosten für die alten Kraftwerke trägt. Jetzt kann man es sich einfach machen und sagen, dass das doch genau die Stromkosten ohne die EEG-Umlage (und Steuern) sind. Dass dieser Preis doch die Kosten für den Bau der alten Kraftwerke und die Brennstoffkosten deckt. Und das ist in der Tat korrekt. Aber sind die Kosten für Kraftwerke und Brennstoffe wirklich die Gesamtkosten? Haben nicht saubere Luft, ein stabiles Klima und ein Land ohne Atommüll-Endlager auch einen Wert? Jetzt mögen Sie einwenden, dass das zwar stimmt, aber dass das halt der Preis für eine gute Energieversorgung sei, den wir als Gesellschaft zu zahlen bereit sind oder zumindest mangels Alternative waren. Ok. Dreckige Luft, Klimawandel und Atommüll sind also der Preis, den wir bereit sind zu zahlen. Das mag

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sogar zutreffen, schließlich bekommen wir ja auch etwas dafür und das Leben in Deutschland und Europa ist recht bequem. Aber zahlen nur wir den Preis? Und hier erkennen wir die wahre Ungerechtigkeit, wenn es darum geht, alte Kraftwerke mit neuen Windrädern und Solarzellen zu vergleichen. Die Mehrkosten – auch wenn es schwierig ist, diese immer in Euro oder Dollar anzugeben – für fossile und nukleare Energie mussten immer alle Menschen tragen. Besitzer von großen Industrieanlagen leiden kein bisschen mehr unter Smog als ein normaler Arbeitnehmer. Und ein Fischer auf den Malediven, der noch viel weniger Energie nutzt als wir und dessen Insel trotzdem in 30 Jahren verschwunden sein wird, ist von den Folgen des Klimawandels sogar deutlich mehr betroffen als wir. Tod und Erkrankung durch den Betrieb von Kraftwerken Es gibt eine Studie von 2007, die beschreibt, wie viele Tote und Erkrankte es aufgrund von Luftverschmutzung je nach Kraftwerksart gibt. Angegeben sind in der Tabelle die Betroffenen pro bereitgestellter Milliarde kWh (d. h. pro TWh) Strom. Tod und Krankheit durch fossile Energieträger [5] Tote Braunkohle Steinkohle Erdgas

32,6 24,5 2,8

Schwere Erkrankung 298 225 30

Leichte Erkrankung 17.676 13.288 703

Diese Zahlen sollten aber natürlich mit Vorsicht genossen werden, da zu deren Ermittlung sehr große Zahlen (gesamte Bevölkerung) mit sehr kleinen Zahlen (vermutetes relatives Risiko pro Person) multipliziert werden müssen. Dabei kommt es leicht zu Ungenauigkeiten.

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Das bedeutet, dass ein Teil der Kosten konventioneller Energiebereitstellung vergemeinschaftet wird, also von allen Menschen unabhängig von Ihrer Energienutzung getragen wird, ohne dass wir ihn auf irgendeiner Rechnung entdecken können. Die EEG-Umlage hingegen wird uns privaten Verbrauchern jeden Monat auf unserer Stromrechnung präsentiert und ist uns deshalb viel bewusster. Eigentlich sollte die Einführung des Handels mit CO2-Zertifikaten diesen Missstand zumindest teilweise beheben. Diejenigen Industriebetriebe, die viel Kohle verbrennen oder aus anderen Gründen CO2 ausstoßen, sollten das nicht mehr kostenlos bzw. auf Kosten der Allgemeinheit tun dürfen, sondern sollten dafür sogenannte CO2-Zertifikate kaufen müssen, wobei ihnen ein Zertifikat erlaubt, eine Tonne CO2 in die Umwelt zu emittieren. Um die Industrie aber nicht völlig vor den Kopf zu stoßen, wurden die meisten Zertifikate in den ersten Jahren verschenkt. Wer also einfach weitermachte wie bisher, musste fast nichts zahlen. Wer aber expandieren wollte, brauchte zusätzliche Zertifikate und wer auf der anderen Seite seine Prozesse optimierte und weniger CO2 produzierte, hatte Zertifikate über und konnte diese verkaufen. So sollte zumindest die CO2-Emission einen „echten“ Preis bekommen, der beispielsweise den Betrieb relativ dreckiger Braunkohlekraftwerke teurer und den Betrieb relativ CO2-armer Gaskraftwerke billiger machen sollte. Buhmann Braunkohle Braunkohlekraftwerke stoßen mit 850–1200  g CO2 pro bereitgestellter kWh Strom etwas mehr Kohlenstoffdioxid aus als Steinkohlekraftwerke (750–1100 g CO2 pro kWh). Damit liegt der CO2-Ausstoß von Kohlekraftwerken insgesamt deutlich höher als der von ebenfalls fossil betriebenen modernen Gaskraftwerken, die nur 350–450 g

7  Die Energiewende     175 pro kWh emittieren, aber aktuell aufgrund höherer Brennstoffkosten den Strom leider teurer herstellen. Gaskraftwerke haben trotz der höheren Strom-Herstellungskosten eine Zukunft, da sie im Gegensatz zu Kohlekraftwerken schneller hochgefahren, also „eingeschaltet“ werden können, wenn Wind und Sonne plötzlich zu wenig liefern. Als Vergleich: Ein Porsche 911 emittiert gute 200 g CO2 pro gefahrenem Kilometer. Sie können also eine 5-W-LED zwei Tage mit Strom aus Kohle leuchten lassen oder mit Ihrem 911er einen Kilometer weit fahren. Der CO2-Ausstoß wäre etwa derselbe. Allerdings sind die Preise für CO2-Zertifikate deutlich gefallen und lagen lange Zeit so niedrig, dass sie ihre Steuerwirkung fast vollständig verloren hatten (Während ihr Preis 2005 noch bei ca. 20–25 € pro Tonne CO2 lag, bewegte er sich Anfang 2017 nur noch im Bereich von etwa 6 €/t.) Dieser niedrige Preis machte übrigens grauen – also nicht-regenerativ erzeugten – Strom nicht einfach nur billiger, sondern ließ nebenbei auch die EEG-Umlage steigen, da die Mehrkosten der erneuerbaren Energien dadurch ebenfalls größer wurden.

Letztendlich ist der Preis der CO2-Zertifikate aber weitgehend politisch steuerbar, da die Menge der verfügbaren Zertifikate im Prinzip beliebig erweitert oder verknappt werden kann. Der französische Präsident Macron forderte im Herbst 2017 in seiner Grundsatzrede beispielsweise ein Ansteigen der Preise auf „25–30 Euro pro Tonne CO2“ Und seitdem stieg der Preis bis Ende 2018 auch bereits auf etwa 20 €/t. Zusammenfassung der wirtschaftlichen Betrachtung • Aktuell steigt unsere Stromrechnung. Würde sie aber (teilweise) auch ohne Energiewende. • Ab in 10–15 Jahren sind gesamtgesellschaftlich die Einsparungen durch geringeren Brennstoffbedarf größer als die neuen Investitionen in erneuerbare Energiequellen.

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• Es könnte sinnvoll sein, die Kosten zur Förderung der Energiewende anders zu verteilen. • Würde man die vergemeinschafteten Kosten der konventionellen Energiebereitstellung auch auf jeder Stromrechnung ausweisen, stünden die Erneuerbaren besser da.

7.2 Zurück zur Technik Lassen wir die wirtschaftlichen Fragen hinter uns und wenden uns wieder den Naturwissenschaften zu. In Deutschland haben wir in letzter Zeit pro Jahr etwa 550 TWh Strom verbraucht. Das sind 550 Mrd. kWh, da eine TWh (Terawattstunde) einer Milliarde kWh entspricht. Noch machen die erneuerbaren Energien, wie man in Tab. 7.1 sehen kann, davon erst etwa ein Viertel aus. Aber immerhin haben wir es geschafft, innerhalb der letzten 15 Jahre den Anteil der Erneuerbaren von etwa 5 % auf die heutigen 25 % zu steigern. Gleichzeitig sind z. B. die Kosten für Solarmodule aufgrund der großen Nachfrage und des technischen Fortschritts auf ein Fünftel des Preises von damals gefallen. Wo sollte denn da die Herausforderung sein, innerhalb der nächsten Jahrzehnte auch den Rest des Weges zu gehen und annähernd 100 % zu erreichen, so dass wir gar keine fossilen Brennstoffe mehr brauchen? Als erstes müssen wir immer im Hinterkopf behalten, dass wir nicht nur Strom verbrauchen. Im Gegenteil: Der Strom macht nur einen geringen Teil unserer Energienutzung aus. Neben den 600 TWh Strom nutzen wir in Deutschland weitere 1900 TWh pro Jahr vornehmlich für das Beheizen unserer Wohn- und Arbeitsräume (Öl, Gas), für den Antrieb von Autos und Flugzeugen (Benzin, Diesel, Kerosin) und für sogenannte Prozesswärme, also für

7  Die Energiewende     177 Tab. 7.1  Energie(wende) in Zahlen (gültig für Deutschland, Stand: 2017) [7, 9] Jährlicher Endenergiebedarf (Der Primärenergiebedarf ist ca. 50 % höher) Jährlicher Strombedarf Jährliche Stromproduktion eines Kohlekraftwerks Jährliche Stromproduktion eines modernen Windrades auf dem Land Jährliche Stromproduktion pro Offshore-Windrad Anzahl der Windräder (auch viele kleinere) Installierte Windräder (Leistung) Jährliche Stromproduktion Wind Jährliche Stromproduktion einer 100 m2 großen Photovoltaikanlage Installierte Photovoltaikanlagen (Leistung) Jährliche Stromproduktion Photovoltaik Jährliche Stromproduktion Biomasse Jährliche Stromproduktion Wasserkraft

2600 TWh 550 TWh 5 TWh 4,5 GWh = 0,0045 TWh 24 GWh = 0,0240 TWh 29.800 Stück 56,2 GWp 103 TWh 10 MWh = 0,000.01 TWh 43 GWp 38 TWh 48 TWh 20 TWh

technische Vorgänge wie z. B. Trocknen, Schmelzen oder Schmieden. Diese Wärme wird meist ebenfalls aus der Verbrennung von Öl und Gas gewonnen. Bemerkenswert! Der Strom macht also nur etwa ein Viertel unserer Energienutzung aus. Wie kann es dann sein, dass man mitunter das Gefühl hat, dass wir meist eher von einer Stromwende als von einer Energiewende sprechen und dass vor allem immer nur über die Strompreise gesprochen wird? Ein Grund könnte sein, dass Strom der Energieträger der Zukunft ist. Würden wir völlig auf Öl und Gas verzichten wollen, bliebe nur noch Strom übrig.

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Einen anderen Grund liefert eine etwas ungewöhnliche Betrachtung der Lage. In den vorherigen Kapiteln habe ich Ihnen ja den Unterschied zwischen Energie und Exergie erklärt. Exergie ist der Bestandteil der Energie, der Arbeit zu leisten vermag. Und elektrischer Strom ist reine Exergie, also reine Arbeitsfähigkeit. Wärme hingegen kann – in Abhängigkeit von ihrer Temperatur – nur teilweise genutzt werden, um Arbeit zu leisten. Würde man also nicht unseren Energiebedarf, sondern unseren Exergiebedarf anschauen, so würde sich auf der Seite des Strom nichts ändern: 550 TWh elektrische-Energie = 550 TWh Exergie. Raumwärme (800  TWh), also Wärme auf einem Temperaturniveau, das nur 20–60 °C über der Umgebungstemperatur liegt, besteht allerdings nur zu etwa 10–20 % aus Exergie. Bei der Prozesswärme (500 TWh) muss man etwas genauer hinschauen. Etwa ein Viertel der Prozesswärme wird bei Temperaturen um 100 °C benötigt; ein weiteres Viertel bei Temperaturen bis 1000 °C und fast die Hälfte bei Temperaturen über 1000 °C. Insgesamt kann man abschätzen, dass der Exergieanteil hier bei etwa 50–60 % liegt. Aus 1300  TWh Wärme werden also gerade mal 420 TWh Exergie. In einer idealen Welt mit idealen Maschinen ist somit der Aufwand, den wir betreiben müssen, um unsere bisherige Stromversorgung zu sichern, in der Tat größer als der Aufwand, den wir für unsere Wärmeversorgung betreiben müssen, obwohl der Energiebedarf auf den ersten Blick anderes vermuten lässt. Und da in dieser idealen Welt mit Strom betriebene Wärmepumpen (siehe Kap. 5) und Solarthermie einen Großteil der Wärme bereitstellen würden und da ja eventuell auch ein Teil der von mir bisher nicht betrachteten Autos (Bedarf: ca. 100 TWh pro Jahr) mit Strom fahren

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würde, ist es also schon ok, sich darauf zu konzentrieren, wie unser Stromnetz in Zukunft aussehen könnte. Kleine Anmerkung: Prozesswärme auf sehr hohem Temperaturniveau für die Industrie wird auch in Zukunft weder mit Wärmepumpen und meist auch nicht solarthermisch bereitgestellt werden. Hier bietet sich entweder die Verbrennung von – regenerativ erzeugtem – Gas oder die Nutzung einer schlichten Widerstandsheizung an. Denn während eine Widerstandsheizung, die aus 1 kWh elektrischem Strom 1 kWh Wärme macht, auf niedrigem Temperaturniveau Teufelszeug ist, ist diese eins zu eins Umwandlung von Strom (= 100 % Exergie) in Wärme bei sehr hohen Temperaturen akzeptabel, da die Wärme z. B. bei über 1200 °C auch zu über 80 % aus Exergie besteht.

7.3 Das Stromnetz der Zukunft: Schwankende Nachfrage trifft auf schwankendes Angebot Und damit sind wir endlich bei dem zweiten zentralen Problem der Energiewende: dem Wunsch nach einem stabilen Stromnetz. Das Stromnetz wird oft etwas blumig als ein „Energie-See“ beschrieben, in den an vielen Stellen Strom hineinfließt und aus dem an noch viel mehr Stellen von uns allen Strom entnommen wird. Im Gegensatz zu einem See hat das Stromnetz selber aber nur eine minimale Speicherfähigkeit, die beispielsweise dadurch entsteht, dass bei einer Unterversorgung alle Generatoren, aber auch angeschlossene Elektromotoren anfangen, minimal langsamer zu drehen. In der Drehbewegung dieser Maschinen ist Rotationsenergie gespeichert, die dafür sorgt, dass etwas zu geringe oder

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zu hohe Stromeinspeisungen für einige Sekunden ausgeglichen werden können. Nach ein paar Sekunden muss dann aber ganz schnell zusätzlicher Strom eingespeist werden bzw. die Einspeisung reduziert werden. Würde das nicht geschehen, würde die Netzfrequenz weiter fallen bzw. bei einem Überangebot an Strom steigen. Und dadurch würden sich dann z. B. angeschlossene Elektromotoren nicht mehr mit der korrekten Geschwindigkeit drehen und teure Maschinen könnten zerstört werden. Und noch ein paar Sekunden später würde das Netz dann ganz zusammenbrechen und es käme gar kein Strom mehr aus unserer Steckdose; der gefürchtete Blackout (siehe Abschn. 7.4) träte ein. Erfreulicherweise kümmern sich allerdings die Stromnetzbetreiber mit großem Aufwand darum, innerhalb kürzester Zeit zusätzlichen Strom einzuspeisen, wenn es nötig ist, und damit das Netz stabil zu halten. Und das machen die vier großen Übertragungsnetzbetreiber in Deutschland – nicht zu verwechseln mit den Stromanbietern – aktuell so gut, dass ein Stromausfall heutzutage in Deutschland einen gewissen Seltenheitswert hat. Ok – offensichtlich gibt es diese Regelung also schon. Was ändert sich denn dann mit zunehmenden Mengen Ökostrom im Netz? Bis vor etwa zehn Jahren gab es eigentlich nur ein Problem mit der Stromnachfrage. Die schwankt nämlich, weil viele Menschen morgens fast gleichzeitig das Licht und den Toaster anmachen, weil große Industrieanlagen zumindest teilweise am Wochenende nicht in Betrieb sind, weil Aluminiumhütten, die elektrische Schmelzöfen mit riesigen Leistungen betreiben, ihre Öfen mal an- und mal abschalten und weil bei der Fußball-Weltmeisterschaft viele Millionen Menschen gleichzeitig abends den

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Fernseher einschalten und in der Halbzeitpause auch noch kurz das Licht in ihrem Bad. Aber zum einen sind diese Schwankungen oft planbar. (Sonntags schlafen die Leute länger und unter der Woche stehen die meisten zwischen 6 und 8 Uhr auf.) Und zum anderen konnte man ja früher zumindest die Angebotsseite fast nach Belieben steuern, da man einfach in Zeiten mit hohem Bedarf zusätzliche Kraftwerke, die sich gut an- und ausschalten lassen, aktivieren und später wieder herunterfahren konnte. Und genau hier ändert sich die Situation gerade. Je mehr Strom aus Wind und Sonne gewonnen wird, umso schlechter lässt sich die Angebotsseite steuern. Statt einer nur schwankenden, aber ganz gut vorhersagbaren Nachfrage haben wir es nun zusätzlich auch noch mit einer schwankenden Produktion zu tun, die nur begrenzt vorhersagbar ist. Sie kennen das Problem ja ganz persönlich vom Wetterbericht. Es ist allerdings leichter, einen Regenschirm auf Verdacht mitzunehmen, als darauf vorbereitet zu sein, dass plötzlich einige Gigawatt Solarleistung fehlen, weil es nun leider doch trübe geworden ist. Warum haben Windräder drei Flügel? Wer alte Windmühlen besichtigt, erkennt einen großen Unterschied zu modernen Windkraftwerken sofort: Alte Windmühlen haben meist vier Flügel, neue Windräder dagegen nur drei. Den Grund dafür liefert eine Optimierungsrechnung: Jeder Flügel dreht an der Welle in der Mitte des Windrades mit einem gewissen Drehmoment. Dabei berechnet sich das Gesamtdrehmoment aus der Summe der Drehmomente der einzelnen Flügel. Das hört sich erstmal nach „je mehr, desto besser“ an. Das Drehmoment eines einzelnen Flügels wird aber immer schlechter, je mehr Flügel insgesamt verbaut wurden, da er sich dann immer näher am nächsten Flügel und

182     M. Buchholz somit immer stärker in dessen Windschatten befindet. Hier gilt also „Je weniger, desto besser“. Das Optimum hängt dabei vom Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit an den Flügelspitzen zur Windgeschwindigkeit ab. Tatsächlich können die besten Ergebnisse mit 2 Rotorblättern erzielt werden. Für einen recht kleinen Gewinn an Effizienz müssten sich bei gegebener Windgeschwindigkeit die Flügelspitzen aber etwa doppelt so schnell bewegen, wie bei 3 Rotorblättern. Gleichzeitig würden deutlich höhere Kräfte auf die Blätter wirken, was das Risiko eines Unfalls erhöhen würde.

Aber das müssen wir lernen. Darauf vorbereitet zu sein, dass es plötzlich regnet, obwohl der Wetterbericht Sonne vorausgesagt hat, dass tage- oder sogar wochenlang kaum Wind in Deutschland weht oder aber dass bei bestem Wetter und strahlender Sonne auch noch Windstärke 7 herrschen kann. In jeder dieser Situationen müssen wir dafür sorgen, dass genauso viel Strom ins Stromnetz eingespeist wie entnommen wird. Um diese Herausforderung zu bewältigen, gibt es folgende Lösungsansätze, die wir uns auf den nächsten Seiten genauer ansehen werden: 1. Überkapazitäten schaffen, 2. Energie speichern, 3. Deutschland/Europa besser vernetzen, 4. Verbrauch steuern.

7.3.1 Überkapazitäten schaffen Der erste Lösungsansatz lautet ganz schlicht: „Viel hilft viel.“ Wenn wir uns nicht sicher sein können, wie viel Wind morgen weht und ob die Sonne scheinen wird,

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dann ist es sinnvoll, mehr – sogar deutlich mehr – Solarzellen und Windräder aufzubauen, als wir im Bestfall bräuchten. Dieser Bestfall wird durch die Peakleistung (oder Nennleistung) repräsentiert. Die Nenn-, Peak- oder auch Spitzenleistung eines photovoltaischen Moduls ist die maximal mögliche Leistung bei Standardbedingungen. Als Standardbedingung wird eine Sonneneinstrahlung von 1000 W pro Quadratmeter angesetzt, die in Deutschland in den Mittagsstunden eines schönen Sommertages erreicht wird. Die Nennleistung einer Windkraftanlage ist die elektrische Leistung, die sie bei der sogenannten Nennwindgeschwindigkeit abgeben kann. Ist der Wind schwächer, also langsamer, gibt sie weniger ab. Dabei führt eine halb so hohe Windgeschwindigkeit aber nicht etwa zu halber Leistung, sondern nur zu einem Achtel der Leistung. (Für Besserwisser: Die Windgeschwindigkeit geht in dritter Potenz in die Leistung ein). Weht der Wind hingegen schneller als die Nennwindgeschwindigkeit, werden die Rotorblätter automatisch etwas verdreht, so dass sie weniger Angriffsfläche für den Wind bieten und die Anlage weiterhin nicht mehr als die Nennleistung abgibt. Bei ganz hohen Windgeschwindigkeiten wird die Anlage sogar völlig abgeschaltet. Das gleiche gilt natürlich auch für klassische Kraftwerke. Auch die haben eine Nennleistung; also eine Leistung, die sie im Normalbetrieb bereitstellen. Während aber z. B. ein Kohlekraftwerk fast das ganze Jahr – abgesehen von ein paar Wartungspausen – laufen kann, liefern Photovoltaik und Windkraftanlagen nur selten Ihre Nennleistung, meistens weniger und manchmal auch gar keine – (Solaranlagen z. B. nachts).

184     M. Buchholz Ausbau von Windrädern und Photovoltaik erstmal begrenzen? EU-Kommissar Günther Oettinger sagte in einem Interview [4]: „Wir müssen den ausufernden Zubau von Photovoltaikanlagen in Deutschland begrenzen. Überhaupt brauchen wir eine Geschwindigkeitsbegrenzung für den Ausbau erneuerbarer Energien, bis wir ausreichende Speicherkapazitäten und Energienetze haben, die den Strom intelligent verteilen können.“ Man kann aber auch genau andersherum argumentieren: Investitionen in Speicher lohnen sich erst, wenn große Schwankungen beim Strompreis auftreten. Aktuell werden Investitionen in Speicher sogar zurückgestellt, weil sich das wirtschaftlich noch nicht lohnt. Denn der Kauf von vielen Batterien oder der Bau eines Pumpspeicherwerks lohnt sich ja nur dann, wenn die Schwankungen täglich so stark sind, dass ich als Speicherbetreiber die Kilowattstunden zum Einlagern fast geschenkt bekomme und sie dann später gewinnbringend für 5, 10 oder gar 20 Cent die kWh verkaufen kann. Man braucht also noch viel mehr fluktuierende Erzeuger und schwankende Preise, um Entwicklung und Bau von Energiespeichern effektiv zu fördern! Das scheint aber nicht unbedingt der Fall zu sein. Ein Bekannter von mir, der bei einem der großen Energiedienstleister den Bereich Erzeugung leitet, schrieb mir im Sommer 2017: „Das verrückte ist: Angesichts des stetig wachsenden Anteils an volatiler Leistung erwarten wir alle wachsenden Ausregelungsbedarf, stellen aber fest, dass die Preisindikatoren vom Markt – auch als Knappheitsindikatoren – zumindest in den letzten Jahren in die andere Richtung gingen.“

Um das präziser beschreiben zu können, schaut man, wie viel Energie eine Anlage in einem Jahr bereitstellt. Dann überlegt man sich, wie lange das Kraftwerk bei Nennleistung laufen müsste, um diese Energie bereitzustellen. Und diese Dauer, die in der Regel in Stunden angegeben wird, ist dann die Anzahl der Volllaststunden.

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Bei klassischen Kraftwerken kann diese Anzahl im Bereich von 8000 h pro Jahr liegen. Da ein Jahr insgesamt nur 365 · 24 = 8760 h hat, entspricht das einem Nutzungsgrad von über 90 %. Windkraftwerke auf dem Festland hingegen erreichen im Mittel nur knappe 1700 Volllaststunden (19  % Nutzungsgrad) und Photovoltaikanlagen sogar nur 1100 Volllaststunden (12 %). Letzteres kann man auch in Abb. 7.2 erkennen: Würde die Sonne das ganze Jahr, Tag und Nacht, mit den Standardbedingungen (1000 W/m2) auf Deutschland scheinen, erhielte jeder Quadratmeter von der Sonne eine Energie von 8760 kWh pro Jahr. Tatsächlich liegt dieser Wert aber nur bei ca. 1000 kWh/ m2 in meiner norddeutschen Heimat und bei knapp 1200 kWh/m2 im sonnigen Süden Deutschlands. Wenn Sie also irgendwo lesen, dass in Deutschland nie mehr als etwa 80 GW elektrische Leistung benötigt werden und dass 2015 bereits Solarzellen mit einer Gesamtleistung von 40 GW, Windkraftanlagen mit einer Leistung von 43 GW und Wasserkraftanlagen mit einer Leistung von 5 GW installiert waren, dann sollten Sie auf keinen Fall denken, dass wir mit der Energiewende schon fertig sind. Klar – wenn in ganz Deutschland um 12 Uhr mittags keine einzige Wolke am Himmel ist und der Wind überall mit Windstärke 7 (50 km/h Windgeschwindigkeit) bläst, dann kann sich Deutschland selbst jetzt schon vollständig mit erneuerbarem Strom versorgen. Selbst wenn wir dann alle den Herd anschalten und auch die Industrie so richtig Strom zieht. Da es aber meistens nicht 12 Uhr ist und ich zumindest bei uns in Norddeutschland auch schon mal die eine oder andere Wolke am Himmel gesehen habe, müssen wir wohl doch noch ein paar Solaranlagen installieren. Und Windräder bauen. Nach Meinung des Fraunhofer-Instituts

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Abb. 7.2  Wo scheint die Sonne am meisten? Jahressumme der eintreffenden Sonnenstrahlung in Kilowattstunden pro Quadratmeter

für Solare Energiesysteme noch gut drei- bis viermal so viele Solar- und Windkraftanlagen wie aktuell installiert, wobei von den neuen Windkraftwerken wiederum jede dritte Anlage offshore – also im Meer – stehen sollte, da dort immerhin etwa 4400 Volllaststunden erreicht werden (50 % Nutzungsgrad).

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Falls Sie sich an dieser Stelle fragen, ob man überhaupt noch so viele Windkraftwerke bauen und Solarmodule installieren kann: Man kann. Der Bundesverband Solarwirtschaft hat 2012 eine Studie in Auftrag gegeben, um herauszufinden, wie groß die in Deutschland für Solaranlagen verfügbare Fläche ist. Das Ergebnis: 2800 km2. Und zwar ohne dabei Ackerland zu nutzen. Dafür aber abgesehen von Dächern z. B. auch die Flächen direkt neben Autobahnen oder Eisenbahnstrecken. Diese 2800 km2 reichen für etwa 280 GW Peakleistung, sofern man alles mit Photovoltaikmodulen vollstellt. In der Realität geht das allerdings nicht, da manche der Flächen bereits heute für Solarthermie genutzt werden. Und in der Zukunft sollten es sogar noch etwas mehr Flächen werden, auf denen in Solarkollektoren Wasser erwärmt statt Strom produziert wird. Die gewünschten 150–200 GW Photovoltaik sollten sich aber ohne Probleme unterbringen lassen. Und auch die benötigten Windkraftwerkskapazitäten in ähnlicher Größenordnung scheinen realistisch. In der Umsetzung ist bei Windkraftanlagen an Land aber immer neben Fragen des Naturschutzes auch die gesellschaftliche Akzeptanz zu beachten; also die Frage, wie dicht man Anlagen an bestehende Siedlungen heranbauen kann. (In Bayern ist gemäß der Gesetzeslage Anfang 2015 der Mindestabstand von Windkraftwerken zu Siedlungen größer als der von Atomkraftwerken zum nächsten Wohnhaus). Bei Offshore-Anlagen sind es hingegen fast ausschließlich Fragen des Naturschutzes, die verhindern, dass das technische Potenzial voll ausgeschöpft wird. Das soll aber kein Herumgemecker am Naturschutz sein. Schließlich treiben wir die ganze Energiewende ja voran, um eine intakte Welt zu bewahren. Da bringt es nichts, die Atmosphäre zu retten und dabei Flora und Fauna zu opfern. Bei der Auswahl

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von Standorten für Windkraftanlagen – on- und offshore – muss Naturschutz daher mitbedacht werden. Wenn wir aber mal annehmen, dass die oben genannten Leistungen naturgerecht umsetzbar sind und Sie sich bis hierher alle Zahlen gemerkt haben, jetzt den Taschenrechner zücken und flink alle installierten Leitungen mit den jeweiligen Nutzungsgraden multipliziert haben, kommen Sie auf etwa 500–600 TWh Strom, die wir in Deutschland im Jahr mit Wind und Photovoltaik produzieren könnten. Und – hurra – das entspricht gerade der Strommenge, die wir auch aktuell pro Jahr brauchen. Aber woher kommt denn dann die Energie fürs Heizen? Und für die Prozesswärme und zum Antrieb unserer Autos und Flugzeuge? Und da Wind und Sonne nicht immer dann liefern, wenn wir Energie benötigen, müssen wir die Energie ja zum Teil auch mit stellenweise erheblichen Verlusten zwischenlagern. Wollen wir das nicht auch alles im Rahmen der Energiewende mit den erneuerbaren Energien stemmen? Dazu sei zunächst angemerkt, dass es bei der Energiewende in erster Linie um weniger Emissionen und NICHT um Autarkie geht. Wenn wir also nicht alle Energie selbst bereitstellen können, die wir benötigen, werden wir eben Energie importieren müssen, die woanders regenerativ gewonnen wird. Und das wird aus Kostengründen voraussichtlich in Ländern mit hohem Sonnenund Windaufkommen passieren – evtl. auch außerhalb Europas. Von dort können wir dann per Leitung elektrischen Strom, per Pipeline aus Elektrolyse gewonnenes Gas (siehe Abschn. 7.3.4) vor allem aber per Tanker mit Ökostrom hergestellten flüssigen Treibstoff (siehe letzter Teil von Abschn. 7.3.4) beziehen. Volkwirtschaftlich wäre es ja auch schon erfreulich, wenn wir statt wie bisher 70 % unserer Energie nur noch 50 % oder gar 30 % importieren müssten.

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Und zum Glück haben wir daneben noch ein paar weitere Joker in der Hand: Erstens ist das Ziel der Bundesregierung im Rahmen der Energiewende ja gar nicht eine Reduktion der CO2-Emissionen auf null, sondern „nur“ eine Reduktion um 80 % gemessen an den Emissionen von 1990. Ein bisschen Erdgas dürfen wird also ruhig noch verbrennen – und werden wohl auch nur schwer darum herum kommen. Ist Fahrradfahren klimafreundlich? Ein Streitgespräch „Was für eine blöde Frage! Radfahren produziert doch gar keine Abgase. Natürlich ist es umweltfreundlich.“ „Aber stimmt das? Verbraucht der Radfahrer nicht Nahrung und atmet CO2 aus?“ „Na klar. Aber das tut doch auch der Autofahrer.“ „Ja. Aber der verbraucht weniger Nahrung. Ein Radfahrer hat also sehr wohl einen gewissen CO2-Fußabdruck im Verhältnis zu jemandem, der nur ruhig vorm Steuer sitzt. Und wie groß der ist, hängt ganz wesentlich davon ab, ob sich der Radler von Gemüse oder von Rindfleisch ernährt.“ „Soll das heißen, dass ein nicht veganer Radfahrer auch genauso gut das Auto nehmen könnte?“ „Nein. Das Auto ist noch viel schlechter. Aber bei 100 km in einem gut besetzen, modernen Reisebus wird weniger CO2 emittiert als beim Radfahren auf der gleichen Strecke, wenn der Radfahrer sich u. a. mit Fleisch ernährt.“ „Aber Radfahren ist gesund. Und die CO2-Ersparnis hast du nur, wenn dein Fernbusfreund nicht ins Fitnessstudio geht, um nach dem langen Sitzen im Bus dort zu trainieren.“

Und zum anderen haben wir ja auch noch die bereits kurz erwähnte Solarthermie und eine ganze Menge Biomasse (Gülle, energiereiche Pflanzen …), die in Wärme umgewandelt, d. h. verbrannt und gegebenenfalls verstromt werden kann. Leider gibt es keine eindeutigen

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Zahlen, wie viel Biomasse pro Jahr in Deutschland verfügbar ist. Ich habe aber an ein paar Stellen Abschätzungen gefunden, dass unter Gesichtspunkten der Nachhaltigkeit etwa 335 TWh Biomasse im Jahr energetisch genutzt werden könnten. Und das muss nicht immer nur extra für diesen Zweck angebauter Raps sein oder andere Pflanzen, die man potenziell auch essen könnte. Es gibt in Schwedt (Oder) bereits eine Pilotanlage, die aus Stroh Methan herstellt, das ins Erdgasnetz eingespeist wird. Ein Strohballen (= 360 kg) reicht dabei aus, einen Kleinwagen ca. 3000 km weit fahren zu lassen. Vor allem aber haben wir noch einen ziemlich langen Hebel, an dem wir ansetzen können: Wir können unseren Verbrauch senken. Das klingt erstmal unerfreulich und in der Tat kann das durchaus auch bedeuten, dass wir vielleicht mit dem Fernbus oder der Bahn statt alleine mit dem Pkw fahren. Oder dass wir wie schon unsere Großeltern auch in der Wohnung ab und zu mal einen Pulli tragen, statt den Temperaturregler der Heizung auf „Karibik-Feeling“ zu stellen. Oder wir ändern unser Wohnverhalten. Im letzten Jahr war ich auf einer Veranstaltung, auf der ein anderer Vortragender die Absenkung des Energiebedarfs pro Quadratmeter Wohnfläche seit den 70er Jahren präsentierte. Ich war ziemlich überrascht, dass die benötigte Energie in den letzten 40 Jahren auf die Hälfte gesunken ist. Und zwar nicht nur in den Neubauten – da liegt der Bedarf viel niedriger – sondern im Mittel über alle Wohngebäude in Deutschland. Warum hört man so selten etwas davon, obwohl das doch so gute Nachrichten sind? Weil der Gesamtbedarf an Energie konstant geblieben ist. Wie das sein kann? Leider hat sich parallel der Bedarf an Wohnfläche in Deutschland verdoppelt. Lebten die Menschen in Deutschland vor

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40 Jahren noch auf ca. 23 m2/Person, bewohnt heute jeder von uns im Mittel stattliche 46 m2. Familien mit Kindern eher weniger. Alte Paare, deren Kinder längst ausgezogen sind, eher mehr. Tja und 0,5 mal 2 ergibt eben leider 1. Der Energiebedarf pro Person ist konstant geblieben, weil der größere Flächenbedarf alle effizienteren Heizungen und Dämmmaßnahmen kompensiert hat. Leben in kleineren Wohnungen würde also nicht nur die aktuelle Wohnraumnot in den Großstädten lindern, sondern uns auch dabei helfen, unseren Wärmebedarf deutlich zu reduzieren. Vor allem aber sollten wir weiter in die Verbesserung der Effizienz unserer Anlagen investieren. Wie schon in Kap. 5 angesprochen, ist der Komfort einer guten LEDLampe eigentlich genauso hoch wie der einer klassischen Glühbirne. Der Energieverbrauch liegt aber nur bei etwas mehr als einem Zehntel. Effizienzsteigerung durch Wärme-Kälte-Kopplung Es gibt Stellen, an denen braucht man recht nah beieinander Kälte und Wärme. Das kann z. B. ein Hotel in einer warmen Gegend sein, in dem es klimatisierte Hotelzimmer (Kältebedarf), aber auch ein Schwimmbad und eine Großküche (Wärmebedarf) gibt. Meistens werden Kälte und Wärme durch unterschiedliche Systeme zur Verfügung gestellt. Das ist schade, weil jeder Kältekreislauf sowieso „Abwärme“ produziert (erinnern Sie sich an Kap. 5?). Verbindet man die Systeme geschickt, so kann man Klimaanlage und Heizung des Whirlpools koppeln und damit die Energienutzung deutlich reduzieren. Und keine Angst: Das bedeutet nicht, dass es in jedem Hotelzimmer nach Schwimmbad riecht oder im Pool nach Hotelküche. Es wird Energie transportiert, aber keine Luft von einem Zimmer ins andere geblasen.

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Oder wir können unsere Häuser dämmen, so dass wir trotz angenehmer Temperaturen deutlich weniger heizen müssen. Und in Wärmepumpen investieren, die es uns erlauben, effizient mit Strom zu heizen. Dadurch werden wir unabhängig von Erdgas und Öl. Und wenn die Forschung die Wärmepumpen noch ein bisschen weiter optimiert und diese dann auch in großen Stückzahlen gekauft und eingebaut werden, ist dieses Heizen mit Strom sogar deutlich energie- bzw. exergiesparender als das Heizen mit einer normalen Öl- oder Gasheizung. Schon heute wird übrigens jede fünfte neu gebaute Wohneinheit mit einer Wärmepumpe beheizt. Fazit Wenn wir noch viermal so viele Solar- und Windkraftanlagen bauen wie bisher, können wir etwa die Strommenge pro Jahr produzieren, die wir auch bisher gebraucht haben. Zusätzlich werden wir auch weiterhin Erdgas verwenden und Strom/Gas aus erneuerbaren Quellen importieren müssen. Und wir sollten unseren Energiebedarf senken, sowohl indem wir auf ein paar Dinge verzichten als auch und vor allem indem wir die Effizienz unserer Prozesse steigern. Wenn wir das alles machen, werden wir mehr Energie pro Jahr zur Verfügung haben, als wir brauchen. Das bedeutet aber noch lange nicht, dass uns die Energie immer dann zur Verfügung steht, wenn wir sie benötigen. Womit wir zu den nächsten drei Punkten kommen: Speichern, vernetzen und gezielt verbrauchen.

7.3.2 Energie speichern Eigentlich ist das doch alles gar kein Problem. Die Herausforderung, Angebot und Nachfrage in Einklang zu bringen, haben schon unsere (Ur-)Großmütter in den Griff

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bekommen: Im Sommer und Herbst gab es mehr Äpfel, Pflaumen und Beeren, als die Familie essen konnte, und in den anderen Jahreszeiten blieb nicht nur der eigene Garten, sondern auch der des Nachbarn leer. Also haben sie in den Zeiten des Überschusses Obst in Gläsern eingemacht und diese in den mageren Zeiten wieder aus dem Keller geholt. Warum sollte das mit der Energie nicht genauso einfach funktionieren? Schließlich gibt es doch Akkus, also wiederaufladbare Batterien. Die machen doch genau das. Oder wie wär’s – falls Ihnen die Sache mit den Akkus eine Nummer zu klein vorkommt – mit diesen Pumpspeicherwerken? Das sind Stauseen im Gebirge, die am Fuße des Berges nicht nur über eine Turbine verfügen, sondern auch über eine Pumpe. Die Turbine kann dem herunterströmenden Wasser Energie entziehen, um damit Arbeit zu verrichten und Strom zu erzeugen. Und die elektrisch angetriebene Pumpe kann – genau umgekehrt – Strom nutzen, um das Wasser wieder nach oben in den Stausee zu pumpen. Ist also gerade zu viel Strom da, pumpt man Wasser nach oben. Braucht man Strom, lässt man das Wasser wieder runterfließen und dabei elektrischen Strom bereitstellen. Natürlich bekommt man bei einem Kubikmeter Wasser, den man mit einem gewissen energetischen Aufwand erst hochgepumpt hat, auf dem Rückweg nicht ganz so viel Energie wieder heraus. Aber selbst wenn man nur etwa 80 % der Energie zurückgewinnt, ist das doch eine tolle Lösung, oder? Und in der Tat sind sowohl Batterien als auch Pumpspeicherwerke Bestandteile einer möglichen zukünftigen Speicherstrategie. Pumpspeicherwerke Prima! Könnte man dann nicht einfach das ganze Problem des nicht planbaren Wind- und Solarstroms damit

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lösen, dass man einfach genügend dieser Pumpspeicherwerke baut und sich die anderen in Abb. 7.3 gezeigten Maßnahmen sparen? In einem Land wie Norwegen wäre das problemlos möglich: Dort gibt es ziemlich wenig Menschen und dafür jede Menge Berge und Bergseen.

Abb. 7.3  Was tun, wenn zu wenig Strom da ist? Oder zu viel?

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In Deutschland sieht das leider anders aus. Im Jahr 2010 lag die Speicherfähigkeit deutscher Pumpspeicherkraftwerke bei etwa 40 GWh. Das Problem ist aber, dass wir das nicht einfach beliebig steigern können, sondern dass vermutlich bei höchstens 100–150 GWh das Ende der Fahnenstange erreicht ist und es einfach keine Seen mehr gibt, die man wirtschaftlich und ökologisch verträglich in Pumpspeicherwerke umwandeln könnte. Natürlich hören sich alle Angaben in Gigawattstunden erstmal beeindruckend an. Aber bedenken Sie, dass der jährliche Strombedarf bei ca. 550 TWh = 550.000 GWh liegt. Die Energie in einem 150-GWh-Speicher entspricht also gerade einmal dem, was wir in 150/550.000 = 0,00027 Jahren an Strom verbrauchen – das sind gute zwei Stunden! Aber zäumen wir das Pferd doch mal von hinten auf: Wie groß müsste denn ein Stausee sein, um uns ernsthaft weiterzuhelfen? Im Land der Ingenieure sollte das doch wohl möglich sein, so etwas zu bauen. Schlimmstenfalls müssen wir halt ein oder zwei Dörfer umsiedeln! Gehen wir für dieses Gedankenspiel zunächst davon aus, dass wir gerne den Strombedarf von zwei Wochen speichern würden. Also ca. 2 · 550 TWh/52 = 21 TWh. Weiterhin haben wir ja bereits in Kap. 2 geklärt, dass 1 kWh ausreicht, um 1 t um 360 m anzuheben. Ein Kubikmeter Wasser hat eine Masse von 1 t und 360 m entsprechen zufällig – zumindest grob – dem typischen Höhenunterschiedes zwischen Ober- und Unterbecken eines Pumpspeicherwerks in einem deutschen Mittelgebirge. Gehen wir davon aus, dass so ein Stausee im Mittel 21 m tief ist, so kann pro Quadratmeter Seefläche eine Energie von 21 kWh gespeichert werden, da ja auf jedem Quadratmeter 21 m3 Wasser liegen, die bei Bedarf um 360 m nach unten ins Unterbecken rauschen können.

196     M. Buchholz

Um die gewünschten 21 TWh = 21 · 109 kWh speichern zu können, benötigen wir also 21 · 109 kWh/21 kWh/ m2 = 109 m2. Also 1000 km2 – tausend Quadratkilometer. Oder anders ausgedrückt: Es würde nicht reichen, ein oder zwei Dörfer umzusiedeln; man müsste große Teile des Südschwarzwalds fluten. Die doppelte Fläche des Bodensees. Auch wenn ich als Norddeutscher das relativ emotionslos als Herausforderung für Bauingenieure begreifen kann, vermute ich, dass die Akzeptanz dafür bei der lokalen Bevölkerung gleich Null wäre (Abb. 7.4). Dieses drastische Beispiel soll nicht zeigen, dass Pumpspeicherwerke Unsinn sind. Im Gegenteil, sie sind ein wichtiger Bestandteil der Energiewende. Aber sie sind halt kein Allheilmittel und können es auch niemals werden.

Abb. 7.4  Ein 21 m hohes Speicherbecken auf 360 m Höhe würde die blau eingezeichnete Fläche benötigen, um Energie für 2 Wochen zu speichern

7  Die Energiewende     197

Batterien  Batterien sind es nach aktuellem Stand der Dinge leider auch nicht, da sie zu teuer sind und es wahrscheinlich auch bleiben werden. Bei einem Preis von 350 €/kWh würde der oben berechnete 21 TWh Speicher 21.000.000.000 mal 350 € = 7300 Mrd. € kosten. Und bei der gegenwärtigen (2017) weltweiten Produktionskapazität für Lithium-Ionen-Akkus von etwa 75 GWh/a würde es 280 Jahre dauern, bis der Speicher fertig wäre. Außerdem ist es fragwürdig, ob es überhaupt genug Rohstoffe für die Herstellung so vieler Batterien gibt. Aktuell ist Kobalt der knappste Rohstoff bei der Herstellung. Und auch wenn es hier Vorschläge gibt, wie man Batterien ohne diesen seltenen Stoff bauen kann, wird es vermutlich immer notwendige Stoffe geben, die man nicht in den benötigten Mengen innerhalb kurzer Zeit fördern kann. Es gibt allerding erfreulicherweise noch andere spannende Speichertechnologien, die ich gerne vorstellen möchte. Druckluftspeicher In Druckluftspeicherwerken wird bei einem Überange­ bot an Strom Luft in unterirdische Höhlen (z. B. in einen Salzstock) gepresst und dort unter hohem Druck gespeichert. Bei Bedarf wird diese Druckluft dann wieder entspannt, also auf Umgebungsdruck abgesenkt. Dabei wird Energie frei, die per Turbine und Generator als Strom ins Netz eingespeist werden kann. Unglücklicherweise kühlt die Luft bei der Druckabsenkung aber stark ab, so dass man auch noch Wärme zuführen muss, damit die Turbine nicht vereist. Daher wird meist eine Kombination aus Druckluftspeicher und Gasturbinenkraftwerk verwendet. Es wird also sowohl Gas verbrannt als auch die Arbeitsfähigkeit der vorher eingespeicherten Druckluft genutzt.

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Bisher gibt es weltweit nur zwei solche Anlagen, die relevante Mengen an Energie speichern können: Das Kraftwerk Huntorf von 1978 in Norddeutschland mit einer Speicherfähigkeit von etwa 0,6 GWh und ein Kraftwerk in den USA von 1991 das eine Energiemenge von ca. 2,8 GWh speichern kann. Weitere sind aber in Planung; unter anderem auch Anlagen, die die Wärme, die bei der Druckerhöhung, also beim Einlagern der Luft, entsteht, zwischenspeichern und sie dann zum Erwärmen der Luft verwenden wollen, wenn diese wieder entspannt wird. Solche zukünftigen Druckluftspeicherkraftwerke könnten dann Wirkungsgrade von 60–70 % [6] erreichen (aktuell sind es eher 40–50 %), also pro eingespeicherter kWh am Ende 0,6–0,7 kWh wieder abgeben. Da die Wärme bei diesem Verfahren aber zwischengelagert werden muss, funktioniert das nur dann richtig gut, wenn zwischen dem Einlagern der Luft und dem Wiederherauslassen nicht allzu viel Zeit liegt. Zum Einspeichern von Windspitzen ist das also prima, zum Abfedern jahreszeitlicher Schwankungen hingegen wären diese Druckspeicher weniger geeignet. Bei allem Gemecker über schlechte Wirkungsgrade von Druckspeicherkraftwerke muss man aber einen Vorteil gegenüber Pumpspeicherwerken anerkennen: Während die für Druckluftkraftwerke gut geeigneten Salzstöcke oft im windreichen Norden liegen, sieht es bei den vorher besprochenen Pumpspeicherwerken leider anders aus: Pumpspeicherwerke benötigen Berge. Und Berge liegen leider öfter im vergleichsweise windarmen Süden Deutschlands. Womit wir zum nächsten Punkt kommen: bessere Vernetzung. Neuartige Gravitationsspeicher Nachdem ich weiter oben ja bereits über die begrenzten Potentiaze von Pumpspeicherwerken berichtet habe, möchte

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ich nun aber noch ein paar alternative Gravitationsspeicher vorstellen, die bisher noch nicht oder nur als Prototypen gebaut wurden: Das erste Konzept besteht, wie in Abb. 7.5 gezeigt, darin, Hohlkörper im Meer oder in einem tiefen See zu versenken. In Zeiten überschüssiger Energie kann durch eine Leitung zur Oberfläche Luft in die Hohlkörper gepumpt werden, die dann das Wasser im Inneren verdrängt. Das Wasser strömt durch ein Ventil nach außen ins Meer, bis der Körper nur noch mit Luft gefüllt ist. Alternativ kann eine Pumpe, die direkt an dem Hohlkörper befestigt ist, einfach nur das Wasser nach außen pumpen, ohne dass Luft nachströmt. Wer sich jetzt fragt, was dann den ehemals mit Wasser gefüllten Platz im Hohlkörper einnimmt, ist mit dieser Frage sicher nicht alleine. Die Antwort ist verblüffend einfach: Gar nichts wird ersetzt. Der Hohlkörper bleibt mit Wasser gefüllt. Aber nicht mehr nur mit flüssigem Wasser, sondern auch mit dampfförmigem Wasser. Beim Herauspumpen sinkt der Druck im Hohlkörper und mit sinkendem Druck sinkt die Siedetemperatur soweit, dass Teile des Wassers verdampfen. Und dieser Dampf, der eine viel geringere

Abb. 7.5  Energiespeicherung in versenkten Hohlkörpern

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Dichte als flüssiges Wasser hat, der also viel mehr Platz einnimmt, füllt dann immer mehr des Innenraums des Hohlkörpers. Wird die Energie wieder benötigt, so lässt man das aufgrund der Tiefe unter hohem Druck stehende Wasser wieder in den Hohlkörper einströmen. Dabei wird eine Turbine bzw. ein Generator angetrieben, der elektrischen Strom ins Netz einspeist. Erste Versuche mit Hohlkugeln aus Beton wurden bereits durchgeführt. Eine kostengünstigere Alternative könnten auch mit Schottersteinen gefüllte Beutel sein, zwischen denen sich ebenfalls Luft bzw. Wasser einlagern lässt. Einen Ansatz, der sich mehr nach oben als nach unten orientiert, verfolgt eine Schweizer Firma, die mit einem Kran Blöcke aus Beton (oder billiger aus Bauschutt) stapeln will. Je nach Höhe der Kräne, die beim Einspeichern von Energie einen Turm um sich herum aufbauen, soll die Kapazität der Speicher bei 10–35 MWh liegen. Der Vorteil dieses System ist, dass auf bekannte und günstige Komponenten zurückgegriffen werden und die Speicherkosten daher niedriger als bei anderen Systemen liegen sollen. (Siehe auch www.energyvault.ch). Ein ziemlich verrückter Ansatz kommt aus dem Schwarzwald (klar – die haben Angst, dass sie geflutet werden): Die Idee ist es, in massiven Fels einen Zylinder zu sägen, der hydraulisch angehoben oder abgesenkt werden kann, je nachdem, ob man Energie speichern oder nutzen will. Als ich das erste Mal davon gehört habe, war das für mich nur ein Hirngespinst. Nachdem ich mit dem Erfinder Eduard Heindl kürzlich ein Bier getrunken habe und er mir mehr davon erzählt hat, scheint mir der Plan deutlich weiter fortgeschritten, als ich es gedacht hätte: Mit sehr langen diamantbeschichteten Kettensägen – gibt es wirklich – wird der Zylindermantel aus dem Stein

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gesägt und ebenfalls mit dieser Technik und einigen vorher gebuddelten Stollen wird der Felszylinder dann untenrum frei gemacht. Alle mit dem Wasser in Kontakt kommenden Gesteinsoberflächen werden versiegelt, um ein Eindringen des Wassers zu verhindern. Abschließend werden balgenförmige Gummidichtungen an Zylinder und äußerer Felswand angebracht, um zu verhindern, dass das Wasser einfach zwischen Zylinder und Außenwand nach oben fließt. (Die Balgendichtung ist in Abb. 7.6 nicht dargestellt). Mehr Informationen zu diesem Konzept finden Sie unter www.heindl-energy.com. Dort findet sich auch die Angabe, dass hiermit Speicherkapazitäten von bis zu 10 GWh realisiert werden sollen. Die Kosten des Baus liegen zwar in einem ähnlichen Bereich wie bei Lithium-Ionen-Batterien. Der große Vorteil aber ist, dass die wirklich teure Komponente, also der freigesägte Felszylinder, nahezu unverwüstlich ist. Im Gegensatz zu einer Batterie verliert dieser Speicher nicht an Kapazität und kann auch nach Jahrzehnten bzw. Jahrhunderten noch genutzt werden. Lediglich die Dichtung sowie Pumpen und Turbinen

Abb. 7.6  Neuartiger Gravitationsspeicher

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werden gewartet und dann und wann ausgewechselt werden müssen. Ich bin gespannt, ob die erste Pilotanlage, die auf der arabischen Halbinsel geplant ist, tatsächlich realisiert wird.

7.3.3 Deutschland und Europa besser vernetzen Zu Beginn des letzten Abschnitts („Energie speichern“) habe ich bereits unsere Großmütter als erfolgreiche Managerinnen des saisonalen Über- und Unterangebots an Früchten gelobt, die durch das Einmachen, also Speichern, von Früchten dafür gesorgt haben, dass es auch im Winter was Leckeres zum Nachtisch gab. Aber wie funktioniert das in unserer Zeit? Machen wir das nur deshalb nicht mehr, weil heutzutage Lebensmittelunternehmen die Früchte für uns zwischen Ernte und Verkauf einlagern? Teilweise ist das in der Tat so: Lebensmittelkonzerne lagern Früchte in großen Kühlhäusern bis zu dem Zeitpunkt, wenn sie verkauft werden sollen. Zum Teil kommen die Früchte aber einfach auch aus anderen, oft ziemlich fernen, Ländern, in denen gerade dann Erntezeit ist, wenn wir Hunger haben. Man muss also gar nicht unbedingt alles speichern, wenn es die gewünschten Güter zum gewünschten Zeitpunkt einfach woanders gibt. (Welche Variante – Transport oder Lagerung – die ökologisch korrekte ist, ist keineswegs eindeutig. Siehe Kap. 8). Und hier können wir den Bogen zurück zur Energie schlagen: Natürlich ist es manchmal windstill. Und manchmal auch tagelang. Aber nur weil es bei uns windstill ist, muss es ja nicht in Spanien windstill sein oder in Estland. Und wenn es irgendwann überall in Europa eine Überkapazität an Windrädern gibt, dann kann uns auch

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Windenergie aus Spanien und Estland versorgen, während sich bei uns gerade kein (Rotor-)Blatt regt. Dann brauchen nämlich sowohl wir als auch die Spanier und Esten viel weniger Energiespeicher. Daneben gibt es Länder in den Alpen oder z. B. Norwegen, die aufgrund ihrer bergigen Landschaft über natürliche (Wasser-/Energie-) Speicher verfügen, die andere Länder gerne mitnutzen würden. Das wird in Zukunft aber nur funktionieren, wenn wir Europa besser elektrisch vernetzen und die notwendigen Leitungskapazitäten schaffen. Natürlich gibt es auch jetzt schon internationale Stromleitungen, die es ermöglichen, Strom über Ländergrenzen hinweg zu kaufen und zu verkaufen. Diese sind aber, wie in Tab. 7.2 ersichtlich, bisher nur für moderate Leistungen ausgelegt und wären z. B. nicht in der Lage, Deutschland komplett von außen zu versorgen. Das kann man auch daran erkennen, dass Strom in verschiedenen Ländern Europas verschieden viel kostet. Als Endverbraucher können wir das zwar erstmal nicht direkt aus unserer Stromrechnung ablesen, da der Preis, den wir zahlen, wesentlich von Steuern und Gebühren abhängt, die in jedem Land unterschiedlich hoch sind. Aber auch die Strompreise, die die Stromanbieter bezahlen, unterscheiden sich in verschiedenen Ländern zum Teil deutlich. Und das liegt daran, dass Europa keineswegs gut vernetzt ist. Sonst würden die Stromanbieter den Strom einfach dort kaufen, wo er gerade billiger ist und die Strompreise würden sich überall einander annähern. So geht es aber in Europa immer noch wie auf mittelalterlichen Marktplätzen zu: Da kosteten vor 1000 Jahren die Rüben in Braunschweig unter Umständen auch erheblich mehr oder weniger als in Hannover. Ach nee … Hannover gab es da ja noch nicht. Na, dann halt als in Magdeburg. Der deutliche Preisunterschied war aber nur

204     M. Buchholz Tab. 7.2  Stromverbundgrade im Jahr 2014 [2] Staat

Verbundgrad (in %)

Staat

Verbundgrad (in %)

Luxemburg Kroatien Slowenien Slowakei Dänemark Finnland Österreich

245 69 65 61 44 30 29

10 10 9 7 7 7 6

29 26 17 17

Deutschland Frankreich Irland Italien Rumänien Portugal Vereintes Königreich Estland Litauen Lettland Spanien

17 11 11

Polen Zypern Malta

Ungarn Schweden Belgien Tschechische Republik Niederlande Bulgarien Griechenland

4 4 4 3 2 0 0

Tab. 7.2 zeigt, wie gut die einzelnen Staaten vernetzt sind. Der Stromverbundgrad beschreibt, wie groß die Kapazität der grenzüberschreitenden Stromleitungen relativ zur heimischen Stromerzeugungskapazität ist In Deutschland haben wir eine Stromerzeugungskapazität von etwa 180 GW. Da Deutschland laut Tabelle einen Verbundgrad von 10 % besitzt, gibt es offenbar Stromleitungen mit einer Gesamtkapazität von ca. 18 GW in unsere Nachbarländer. Dass Länder wie Malta und Zypern schlecht vernetzt sind, verwundert aufgrund ihrer Insellage kaum. Luxemburg hingegen ist auch für elektrischen Strom ein Transitland; über seine Grenzen kann ein Vielfaches des Stroms fließen, den es selber erzeugt

deshalb möglich, weil es so mühselig war, billige Rüben von Magdeburg nach Braunschweig zu bringen und weil das daher nicht in beliebig großen Mengen möglich war. Die Tatsache, dass Strom in verschiedenen Ländern Europas dauerhaft unterschiedlich teuer ist, ist also ein deutliches Zeichen für arg begrenzte Leitungskapazitäten. Und deshalb kann in Norwegen (sehr viele Wasserkraftwerke) großflächig sogar der Bürgersteig mit Strom geheizt werden während so etwas bei uns völlig undenkbar ist.

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In Zukunft wird das vielleicht anders aussehen: Dann gibt es mehr Leitungen und die Norweger können mit Ihrem Wasserkraft-Strom besseres machen, als ihn zu verheizen, nämlich ihn außer Landes bringen und dort gewinnbringend verkaufen. Und das Risiko eines Blackouts würde für alle sinken, weil es einfach deutlich unwahrscheinlicher ist, dass nirgendwo in Europa Wind weht, als dass nur kein Wind in Deutschland weht. Außerdem würde auch das Lastprofil geglättet; also der Bedarf an Strom gleichmäßiger: Denn wenn in Portugal gerade alle den Herd einschalten, um Mittagessen zu kochen, haben die Menschen in Polen schon längst ihre Mittagspause hinter sich und arbeiten wieder. Und während die Menschen in Irland abends noch den Fernseher anhaben, liegen die Bulgaren schon im Bett. In einem gut vernetzen Europa könnten die Portugiesen dann mit dem Strom der Polen kochen und die Iren mit bulgarischem Strom ihre Fernseher betreiben. Außerdem können wir Europäer uns dann im Fall eines drohenden Blackouts auch besser gegenseitig absichern. Denkt man das konsequent zu Ende, würde diese europäische „Energiesolidarität“ allerdings unter Umständen auch bedeuten, dass in einer Situation allgemeiner Knappheit z. B. in Deutschland Privathaushalten der Strom abgedreht wird, damit in Frankreich Krankenhäuser und andere priorisierte Verbraucher weiter versorgt werden können. Und natürlich umgekehrt. Warum bauen wir dann nicht mehr Stromleitungen? Ein Problem ist, dass viele Menschen zwar keinen Atommüll und keinen Klimawandel wollen, aber eben auch keine Stromleitungen in ihrer Sichtweite. Vielleicht bin ich als Kind des Ruhrgebiets da etwas abgestumpft, aber ich finde, dass Überlandleitungen durchaus eine gewisse

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Ästhetik haben. Aber selbst wer diese Ansicht nicht teilt, sollte zumindest einsehen, dass Überlandleitungen notwendig bzw. das geringere Übel sind. „Erdkabel“ werden jetzt einige rufen. Legt die Kabel doch einfach unter die Erde! Dann hat sich das ganze Problem mit den hässlichen Masten erledigt und auch für Terroristen und Winterstürme wird es schwieriger, das Stromnetz zu schädigen. Das ist zwar richtig. Aber auch viel teurer. Schon das Verlegen verursacht etwa die sechsfachen Kosten im Vergleich zu Leitungen an Strommasten. Außerdem sind später eventuell notwendige Reparaturarbeiten an Erdkabeln zeitaufwendiger und ebenfalls teurer. Wer jetzt meint, dass diese Kosten aber doch die Energiekonzerne tragen müssten, irrt sich. Wenn die Netzbetreiber Stromleitungen bauen, die von der Bundesnetzagentur vorgeschrieben werden, sind diese Kosten voll umlagefähig. Das bedeutet, dass bei höheren Kosten einfach die Netznutzungsentgelte und damit unsere Stromrechnungen steigen. Abgesehen von bestimmten Passagen durch besonders schützenswerte Naturräume oder besonders dicht besiedelte Gegenden wird es daher wohl bei Freilandleitungen bleiben. Bleibt mir noch ein letztes Stichwort, das im Zusammenhang mit neuen Leitungen oft genannt wird: HGÜ, also Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung. Die in letzter Zeit viel diskutierten NordSüd-Stromtrassen, gegen die sich insbesondere die bayrische Landesregierung so heftig wehrt, sind genau solche HGÜ-Leitungen. Fast alle Stromleitungen, die wir kennen, werden mit Wechselstrom betrieben. Plus und Minus wechseln sich dort 50-mal pro Sekunde ab. Der Vorteil des Wechselstroms für die Stromübertragung ist, dass er sich gut transformieren lässt. Das heißt, man kann ihn mit relativ geringem Aufwand auf die für die Übertragung

7  Die Energiewende     207

­ otwenigen sehr hohen Spannungen (bis zu 380 kV) brinn gen und dann für die Verteilung auf die einzelnen Häuser auch leicht wieder auf die weniger gefährlichen 230 V. Im Vergleich zu den Wechselstromtransformatoren sind die Stromrichter (oder Konverter) zum Umstellung von Wechsel- auf Gleichstrom (und zurück) sowie zum Anpassen an die noch höhere Spannung des Gleichstrom (500 kV) deutlich komplizierter, verlustbehafteter und teurer. Aber dafür sind die Leitungsverluste geringer. Bei Gleichstromübertragung geht viel weniger elektrischer Strom auf dem Transport in Form von Wärme verloren. Aus wirtschaftlicher Sicht lohnt es sich daher ab einer Entfernung von etwa 600 km, den hohen finanziellen Aufwand für die Konverter in Kauf zu nehmen und dafür die geringeren Leitungsverluste als Belohnung zu erhalten. Leider haben manche Anwohner vor Ort nicht nur etwas gegen Freilandleitungen im Allgemeinen, sondern haben insbesondere Angst vor den Gleichstromleitungen mit ihren sehr hohen Spannungen, da diese so starke statische magnetische und elektrische Felder haben. Und tatsächlich gibt es diese Felder. Wer direkt unter einer HGÜ-Leitung steht, befindet sich in einem konstanten magnetischen Feld, das eine Flussdichte von 50 Mikrotesla (µT) hat. Kurzer Einschub: Unter der Einheit Tesla müssen Sie sich nichts vorstellen können. Benannt wurde Sie nach dem Physiker Nikola Tesla, der im 18. und 19. Jahrhundert lebte und neben vielen sehr wichtigen Erfindungen auch ziemlich skurrile Projekte verfolgte, von denen das Perpetuum mobile noch eines der harmloseren war. Aber zurück zur HGÜ-Leitung: 50  µT sind nur ein kleines bisschen mehr als die Stärke des natürlichen Magnetfeldes der Erde und weit entfernt von den 3 T = 3.000.000 µT, denen Patienten in modernen Kernspintomografen zu Untersuchungszwecken ausgesetzt werden. Und ich kann aus eigener Erfahrung sagen: Von

208     M. Buchholz

3.000.000 µT merkt man nichts. Gar nichts. Zumindest solange man keine metallische Hüftprothese, metallhaltige Tattoos oder Piercings hat. Also liebe Freunde der metallischen Körperverschönerung: Unter HGÜ-Leitungen könnt Ihr ruhig picknicken, aber passt beim Arzt auf! Und auch Festplatten, Magnetkarten und vor allem Herzschrittmacher sind in Feldern bis 1000 µT nicht gefährdet. Das Magnetfeld scheidet also als ernstzunehmende Gefahr aus. Und das bei Gleichstromleitungen ebenfalls vorhandene statische elektrische Feld, kann zwar dafür sorgen, dass sich kleine Haare auf der Haut aufstellen, spielt aber gesundheitlich überhaupt keine Rolle. Das spiegelt sich zum Beispiel darin wieder, dass in der Bundes-Immissionsschutzverordnung gar kein Grenzwert für statische elektrische Felder benannt wird. (Im Gegensatz zu statischen magnetischen Feldern, deren Grenzwert bei dauerhafter Belastung dort mit 500 µT angegeben wird). Auch wenn große HGÜ-Leitungen also dabei helfen können, Deutschland und Europa ohne Gesundheitsrisiken besser zu vernetzen, entstehen dabei immer noch hohe Kosten und es wäre natürlich schön, wenn wir neben einem Ausbau des Stromnetzes auch eine andere Energieinfrastruktur nutzen könnten, die bereits vorhanden ist und seit Langem gut ausgebaute Speicherkapazitäten aufweist: Unser Gasnetz.

7.3.4 Power2Gas: Technik zum Speichern und Vernetzen Unter dem Schlagwort „Power2Gas“, sprich: „Power to Gas“, versteht man die Umwandlung von elektrischer Leistung (Power) in ein Gas, das chemische Energie enthält und darum als Speicher und Transportmedium für Energie dienen kann.

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In Kap. 5 bin ich bereits auf die Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mithilfe von elektrischem Strom eingegangen: In einem Elektrolyseur wird Wasser (H2O) in reinen Wasserstoff (H2) und reinen Sauerstoff (O2) aufgespalten. Dazu benötigt man Energie. Beim Verbrennen oder in einer Brennstoffzelle kann man aber einen Teil dieser Energie wieder zurückbekommen, daher eignet sich Wasserstoff, um Energie zu speichern und zu transportieren. Das Speichern und Transportieren in der ja sowieso schon vorhandenen Erdgasinfrastruktur, also den durch ganz Europa verlegten Rohren, geht besonders gut, wenn man noch etwas Kohlenstoffdioxid nimmt und aus dem Wasserstoff (H2) den Hauptbestandteil des Erdgases, nämlich Methan (CH4), macht. Die Eigenschaften des künstlich hergestellten Gases sind dann fast die gleichen wie beim konventionellen Erdgas. Reiner Wasserstoff hingegen kann die Leitungen durch Korrosion beschädigen und entweicht auch wesentlich leichter aus Leitungen oder Behältern. Ok. Technisch funktioniert das Power2Gas Verfahren also. Aber ist es sinnvoll? Die Antwort darauf ist nicht ganz einfach und hängt davon ab, von welchem Zeitpunkt innerhalb der nächsten 30 Jahre wir sprechen. Zunächst mal kann man mit Sicherheit sagen, dass die Speichermöglichkeiten innerhalb des Erdgasnetzes grandios groß sind, im Vergleich zu allen anderen Speichertechnologien, die wir bisher besprochen haben. Wenn nicht für den Transport, dann ist Power2Gas also auf jeden Fall ein wichtiger Baustein, um Energie für windstille, wolkige Tage und Wochen zu speichern. Außerdem bietet uns das Verfahren die Chance, langfristig vielleicht ganz unabhängig von fossilem Erdgas zu werden, ohne dass wir deshalb ganz auf Gas verzichten müssen. Denn solche chemisch gebundene Energie hat einen großen Vorteil: Die Energiedichte ist sehr hoch. Ein

210     M. Buchholz

kg Erdgas enthält etwa 100-mal so viel Energie wie man in 1 kg Lithium-Ionen-Akku speichern kann. Dieser Vorteil und das einfache Betanken im Verhältnis zu Batterien ist einer der Gründe, weshalb es auch 2018 noch deutlich mehr Erdgasautos gibt als solche, die nur mit Batterie betrieben werden. Eventuell werden wir in Zukunft also mit Erdgasautos fahren, deren Treibstoff bei uns im Lande regenerativ hergestellt wird. Ein abschließender Vergleich zwischen Energietransport in Form von elektrischem Strom und Transport mittels Gas fällt ambivalent aus: Auch wenn der Energietransport mithilfe von Stromleitungen weniger Verluste hat als die Kette „Strom zu Gas, Transport in Gasleitungen, erneutes Verstromen in Gaskraftwerken“, hat der Transport per Gas eindeutig den Vorteil, dass weniger neue Infrastruktur (Stromleitungen) neu gebaut werden muss. Trotzdem scheint mir der Energietransport per Gasleitung aber aufgrund der genannten Verluste nicht so attraktiv, dass wir auf den Neubau von Stromleitungen ganz verzichten sollten. Vielmehr können sich beide Systeme ergänzen. Dort wo regelmäßig elektrischer Strom transportiert werden muss, werden Leitungen gebaut. Die Umwandlung von Strom zu Gas hingegen ist immer dann sinnvoll, wenn wir sowieso Gas benötigen oder wenn kurzfristig z. B. an einem stürmischen Tag zu viel Strom zu Verfügung steht, so dass wir sonst Windkraftwerke abschalten müssten, weil wir den Strom gar nicht benötigen. Tab. 7.3  Übersicht über die auftretenden Wirkungsgrade beim Power2Gas-Verfahren [6, 8] Art der Umwandlung

Maximaler energetischer Wirkungsgrad (in %)

Strom → Wasserstoff Strom → Methan Strom → Methan → Strom

80 75 35

7  Die Energiewende     211

Und genau das ist aktuell der Knackpunkt: In der Zukunft werden wir hoffentlich hohe Überkapazitäten an Windstrom haben, also noch viel mehr Windkraftwerke. Und dann wird es immer öfter so sein, dass mehr Wind bläst, als wir Strom benötigen. Und dann ist das Power2Gas-Verfahren ein echter Segen. Heute werden manchmal Windkraftwerke einfach ausgemacht oder es wird Geld dafür gezahlt (!), dass jemand den Strom abnimmt. In Zukunft könnte man dann einfach aus diesem überflüssigen Strom Gas machen. Elektromobilität Oft bekommt man beim Zeitunglesen den Eindruck, dass der Erfolg der Energiewende an den Erfolg oder Misserfolg von Elektroautos gekoppelt sei. Dieses sehr umfassende Thema kann ich hier aus Platzgründen leider nicht vollständig diskutieren, möchte aber zumindest ein paar Denkanstöße geben: • Es gibt schon ganz viel E-Mobilität in Deutschland: Allerdings denke ich jetzt nicht an hippe Tesla-Autos, sondern an so altmodische Sachen wie Straßenbahnen und Züge. • Ist eigentlich wirklich entscheidend, ob im Auto ein Verbrennungsmotor oder ein Elektromotor verbaut wird? Kommt es nicht vielmehr darauf an, dass wir unabhängig von Ölimporten werden und etwas für unsere CO2-Bilanz tun? Dann könnte man doch auch Wasserstoff oder Methan, die man aus Elektrolyse mit Windstrom gewonnen hat, verbrennen. Im Falle von Methan könnte man dann sogar das bereits vorhandene Netz an Erdgas-Tankstellen weiterhin nutzen und ausbauen. (Stand 2018: Immerhin gibt es ca. 1000 Erdgastankstellen in Deutschland. Zum Vergleich: Es gibt etwa 14.000 normale Tankstellen). • Auf der anderen Seite haben Brennstoffzellen mit angeschlossenem Elektromotor mit ca. 50–60 % bessere Wirkungsgrade als Verbrennungsmotoren mit nur ca. 30 %.

212     M. Buchholz • Die meisten Elektroautos, die heute rumfahren, haben aber gar keine Brennstoffzelle, sondern eine Batterie. Das ist wahrscheinlich der Tatsache geschuldet, dass man fast nirgendwo Wasserstoff bekommt (Stand 2017: 43 öffentliche Wasserstofftankstellen in Deutschland), aber jeder eine Steckdose zu Hause hat, mit der er das Auto aufladen kann. Außerdem ist der Weg Strom–Batterie–E-Motor effizienter als Strom–Wasserstoff–Brennstoffzelle–Strom–E-Motor. Bleibt bei den Batterien eigentlich nur das Problem, dass sie so viel Platz brauchen und so schwer sind. • Wo wie gerade über Platzbedarf reden – das ist ein echter Vorteil der Brennstoffzelle gegenüber der Batterie: Die Energiedichte von Wasserstoff ist so hoch, dass bei gleicher Größe des Energiespeichers (Tank/Batterie) ein Auto mit Brennstoffzelle deutlich weiter fahren kann als eines mit Batterie. Und zwar trotz des schlechteren Wirkungsgrades der Brennstoffzelle im Vergleich zur Batterie und der sich daraus ergebenden Abwärmeverluste. • Im Sommer ist der Effizienzvorteil der Batterie-Autos besonders hoch. Im Winter allerdings, können die Abwärmeverluste der Brennstoffzelle zumindest zum Heizen des Innenraums verwendet werden. Weder Batterie noch E-Motor geben hingegen aufgrund ihrer guten Wirkungsgrade nennenswert Wärme ab, so dass man in batteriebetriebene Elektroautos die eingebaute Elektroheizung intensiv nutzen muss, deren Betrieb die Reichweite der Autos wiederum deutlich verkürzt. Eine Klimaanlage mit CO2 als Kältemittel, die im Winter als Wärmepumpe verwendet werden kann, kann hier etwas helfen und den Stromverbrauch reduzieren. (Klimaanlagen mit anderen Kältemitteln lassen sich nicht effizient als Wärmepumpen verwenden. Die Begründung ist allerdings zu kompliziert für dieses Buch). • Brennstoffzellen und Wasserstoff zu verwenden, lohnt sich insbesondere dann, wenn man große Reichweiten erzielen will und wenn der Wasserstoff an Orten und zu Zeitpunkten hergestellt wird, an denen man den Strom z. B. von Windkraftwerken sowieso nicht abtransportieren könnte und besser zur Elektrolyse nutzt. Die Nutzung von Batterien ist unkomplizierter, weil man

7  Die Energiewende     213 sie überall und jederzeit laden kann und die Effizienz höher ist. • Von manchen für die Herstellung von Akkus benötigten Rohstoffen gibt es weltweit allerdings zu wenig, als dass man alle Autos auf diesem Planeten mit Batterien fahren lassen könnte. Aber das ist nur eine Momentaufnahme. Es könnten durchaus noch andere Akkutechnologien entwickelt werden, die andere – weniger seltene – Rohstoffe benötigen. • Zum Abschluss stellt sich für mich noch die Frage, ob es nicht erstmal wichtigere Ziele gäbe als Elektromobilität: Ein wesentliches Problem der Elektromobilität ist schließlich die Mobilität und der damit verbundene Zwang, einen Energiespeicher mitzuführen. Das ist ja bekanntlich gar nicht so unkompliziert (Akkus: schwer/ Wasserstofftank: hoher Druck). Warum konzentrieren wir uns nicht erstmal auf Elektroheizungen? Unsere Häuser sind mit dem Stromnetz direkt verbunden. Und würde man die gleichen Anstrengungen, die man aktuell weltweit in die Entwicklung von Elektroautos steckt, unternehmen, um Wärmepumpen zu verbessern, würden diese sicherlich nochmal eine ganze Ecke besser und billiger werden. Und würden wir mehr mit diesen verbesserten Wärmepumpen mit regenerativ erzeugtem Strom heizen, könnten wir unabhängiger von Öl und Gasexporten werden und gleichzeitig unseren CO2-Ausstoß dramatisch reduzieren. Mit einem Wärmespeicher, etwa einem isolierten Wassertank, im Keller wäre es sogar möglich, den Strom dann zum Heizen zu verwenden, wenn es gerade zu viel davon gibt, und nicht dann, wenn wir die Heizung aufdrehen. Es bleibt aber natürlich auch mit Wärmespeicher das Problem, dass zwar rund ums Jahr Auto gefahren – aber nur im Winter geheizt wird. Genau dann, wenn die Sonne so wenig scheint.

Aber so richtig attraktiv ist das Verfahren eben nur mit „überflüssigem“ Strom. Wenn also heute ein Energieversorger Ökogas aus Windstrom anbietet und extra ein paar Windkraftwerke errichtet, mit denen er dann rund ums Jahr in einem Elektrolyseur Gas erzeugt, dann ist dieses

214     M. Buchholz

Gas nur auf den ersten Blick auch wirklich „öko“. Warum? Wenn ich 1 kWh dieses Gases aus Windstrom in meiner Heizung verbrenne, erhalte ich 1 kWh Wärme und es entsteht kein CO2. Ist doch prima, oder? Um zu erkennen, dass das nicht ganz so prima ist bzw. dass es deutlich besser ginge, muss man sich Folgendes klar machen: Um diese 1 kWh Gas herzustellen, bräuchte man – ganz grob geschätzt – 2 kWh Windstrom. Und jetzt stellen wir uns mal vor, was passiert wäre, wenn diese 2 kWh Windstrom nicht in Gas umgewandelt, sondern ins Stromnetz eingespeist worden wären. Dann hätte dafür irgendein konventionelles Kraftwerk 2 kWh Strom weniger produzieren müssen. Und dafür hätte man dann z. B. 4 kWh Gas weniger verbrennen müssen (bei einem angenommenen Wirkungsgrad von 50 %). Durch das Verbrennen des Gases aus Windenergie habe ich also in meinem Haushalt 1 kWh dreckiges Erdgas eingespart; aber gleichzeitig dafür gesorgt, dass bis zu 4 kWh Erdgas mehr in einem Kraftwerk verbrannt wurden. (Oder im schlechteren Fall sogar Kohle). Kein gutes Geschäft! Ganz anders sieht es wie weiter oben beschrieben aus, wenn der Windstrom nicht hätte verwendet werden können, weil gerade gar nicht so viel Strom gebraucht wird. Dann müsste auch kein konventionelles Kraftwerk diesen Strom stattdessen bereitstellen. Und es würde kein Erdgas und keine Kohle verbrannt. Ich kann mich nur wiederholen: Power2Gas ist eine phantastische Technologie für die Nutzung von Strom, den man sonst wegwerfen müsste. Aber eine miese Idee, wenn man den Strom alternativ auch anderweitig sinnvoll nutzen kann. Daraus ergibt sich eine Zwickmühle. Der Betrieb eines Elektrolyseurs lohnt sich wirtschaftlich nur, wenn er einen Großteil der Zeit auch genutzt wird. Noch haben wir aber

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nicht so viele Windkraftwerke, dass regelmäßig zu viel Strom produziert wird. Abgesehen von den sogenannten Windspitzen können wir den Windstrom direkt als Strom verwenden und der Einsatz von Power2Gas lohnt sich nicht. Auf der anderen Seite werden wir in der Zukunft an den Punkt kommen, wo wir aufgrund von vielen neuen Wind- und Solarkraftwerken häufig genug im Jahr überflüssigen Strom haben, den wir in dem Moment gar nicht brauchen und der sich daher für Power2Gas eignet. Damit zu diesem Zeitpunkt die Power2Gas-Technologie dann aber auch schon weit genug entwickelt und die Startschwierigkeiten überwunden sein werden, müssen wir heute bereits anfangen, diese Technik zu nutzen, obwohl sie sich eigentlich erst morgen oder übermorgen richtig lohnen wird. Und dann wird neben der Herstellung von Gas aus regenerativ erzeugtem Strom vielleicht auch die Herstellung von flüssigen Treibstoffen – Benzin, Diesel, Kerosin – eine Rolle spielen. Da sie unter Zufuhr elektrischer Energie aus Wasser und CO2 erzeugt werde, werden diese Treibstoffe mitunter auch e-fuels genannt. Solche flüssigen e-fuels würden es sogar ermöglichen, Flugzeuge sauber fliegen zu lassen und beschleunigen natürlich den Tankvorgang von Autos. Verglichen mit der Ladezeit einer Batterie ist das Tanken von chemisch gebundener Energie eine gigantisch schnelle Energieübertragung: Das Betanken eines normalen Autos mit Benzin oder Gas entspricht, wie in Abb. 7.7 dargestellt, einer Leistung von etwa 5 MW, das ist etwa 1500 mal mehr als die Leistung, die man einer Haushaltssteckdose entnehmen kann, und immer noch 50 mal mehr als das, was die 100 kW Supercharger von Tesla liefern. Außerdem es ist einfacher, Tankstellen mit Treibstoff zu beliefern, als sie mit neuen, sehr dicken elektrischen Leitungen ans Stromnetz anzubinden.

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Abb. 7.7  Tanken mit chemisch gebundener Energie (Benzin, Gas…) geht viel schneller als das elektrische Laden einer Batterie

Und nein, die künstliche Herstellung von flüssigen Treibstoffen ist keine Zukunftsmusik. Das prinzipielle Verfahren, die Fischer-Tropsch-Synthese, wurde bereits in den 1920er Jahren entwickelt und gewann im Zweiten Weltkrieg an Bedeutung. Teilweise wurden im deutschen Reich bis zu 600.000 t synthetischer Kraftstoff pro Jahr hergestellt. Damals allerdings nicht aus Wind- und Sonnenenergie. Und der benötigte Kohlenstoff wurde damals natürlich bequem direkt aus Kohle gewonnen und nicht mühsam Abgasen oder gar der Umgebungsluft entzogen. Dass man prinzipiell aber auch aus CO2, Wasser und Strom künstlichen Dieselkraftstoff herstellen kann, beweisen erfolgreich betriebene Pilotanlagen. Aktuell wird z. B. bei einem Karlsruher Unternehmen, einer Ausgründung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) daran gearbeitet, dieses Verfahren effizienter zu machen, das in der Zukunft unter Umständen ein wichtiger Baustein zur Energiewende sein wird.

7.3.5 Stromverbrauch steuern Nochmal zurück zu unseren Kompott einkochenden Großmüttern: Was hat man damals wohl gemacht, wenn es erst Februar war, aber die eingemachten Früchte schon zu Ende gingen? Völlig klar, dann gab’s halt nur noch

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sonntags Nachtisch und das Eingemachte reichte, bis das Jahr weit genug fortgeschritten war und es neue Früchte gab. Und genau das ist in meinen Augen der letzte Baustein der Energiewende: Wir werden uns daran gewöhnen müssen, unseren Verbrauch ein Stück weit dem Angebot anzupassen. Das bedeutet in erster Linie gar nicht, dass wir weniger verbrauchen müssen, sondern dass wir den Strom dann verbrauchen sollten, wenn er gerade gut verfügbar ist. Wenn also die Sonne scheint und der Wind bläst. Natürlich kann ich morgens mit dem Kaffeekochen nicht warten, bis um 10 Uhr der Himmel endlich aufklart. Und noch weniger kann ich während einer Operation in einem Krankenhaus die Beatmungsmaschine abschalten und eine kleine Pause einlegen, weil gerade wieder Flaute herrscht. Es gibt aber genug Stellen, an denen es durch clevere Programmierung von Maschinen möglich ist, den Strom zu sinnvollen Zeiten zu verbrauchen. Also dann, wenn es ihn gerade im Überfluss gibt. Grundlegende Voraussetzung dafür ist aber, dass der Verbraucher überhaupt erfährt, wann es gerade (zu) viel Strom gibt. Und natürlich muss es einen (finanziellen) Anreiz dafür geben, seinen Verbrauch dem Angebot anzupassen. Beim Tanken kann man sehr schön beobachten was für irre Umwege manche Autofahrer auf sich nehmen, um beim Benzin einen oder zwei Cent pro Liter zu sparen. Warum sollte das beim Strom und den dort zu erwartenden viel stärkeren Schwankungen nicht auch gehen? Schon seit 2010 ist es so, dass neu eingebaute Stromzähler prinzipiell in der Lage sind, neben dem bloßen Stromverbrauch auch den Zeitpunkt des Stromverbrauchs an den Stromversorger zu übermitteln und Tarife mit zeitabhängigen Preisen zu ermöglichen. Noch sind die Regeln

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für diese neuen sogenannten „intelligenten“ Stromzähler nicht ganz fertig und man kann nur hoffen, dass die in den letzten Jahren bereits verbauten Geräte auch wirklich fit für die Zukunft sind. Außerdem muss der Gesetzgeber darauf achten, dass der Kunde nicht völlig gläsern wird und seine Verbrauchsdaten geschützt werden. Trotzdem führt kein Weg daran vorbei, dass in der Zukunft nicht mehr nur wie bisher über das ganze Jahr aufsummiert wird, wie viel Strom gebraucht wurde, sondern dass auch erfasst wird, wann der Strom genutzt wird. Außerdem muss es für den Verbraucher eine Möglichkeit geben, zu jedem Zeitpunkt zu erfahren, ob der Strom gerade billig oder teuer ist. Denn dann ergeben sich z. B. folgende Möglichkeiten: Für eine Gefriertruhe (oder auch einen Kühlschrank) geben wir nicht mehr nur eine Temperatur an, die möglichst konstant gehalten werden soll, sondern einen Temperaturbereich. Also statt „−18 °C“ geben wir z. B. „−23 bis −17 °C“ an. Ist der Strom gerade billig, kühlt die Truhe dann auf −23 °C ab und hält diese Temperatur. Wird der Strom nun aber plötzlich für eine Weile teuer, schaltet sich die Gefriertruhe automatisch aus und das Stromnetz wird entlastet. Natürlich steigt dann die Temperatur langsam an. Aber sie bleibt erstmal eine ganze Weile innerhalb des von uns gewählten akzeptablen Bereichs. Und wird der Strom dann wieder billiger, weil mehr produziert wird oder andere Verbraucher wegfallen, beginnt die Truhe wieder, auf −23 °C herunterzukühlen. Bleibt der Strom allerdings lange knapp und erreicht die Kühltruhe −17 °C und damit die Obergrenze dessen, was wir als akzeptabel erachten, schaltet sie sich natürlich – auch bei hohem Strompreis – wieder an. Nun kann man argumentieren, dass es bei einer Haushaltsgefriertruhe doch nur um relativ geringe Leistungen

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geht. Da es in Deutschland aber mehrere Millionen Tiefkühltruhen und noch mehr Kühlschränke gibt, ergibt sich in der Summe eben doch eine ganz ordentliche Leistung, die bei Bedarf für eine Weile ab- bzw. angeschaltet werden kann. Und außerdem geht es ja auch gar nicht nur um private Verbraucher wie Sie und mich, sondern in erster Linie um Supermärkte mit großen Kühlregalen und Tiefkühltruhen („Kühlmöbel“ ist hier der hübsche Fachausdruck) oder gar um riesige Tiefkühlhallen, wie sie Schlachtereien oder die weiter oben erwähnten Obsthändler betreiben. Anstatt diese also beispielsweise alle 30 min für 5 min anzuschalten, kann man sie auch einfach gezielt dann anschalten, wenn es gerade sowieso genug Strom gibt und zumindest für eine Weile ohne Probleme abschalten, wenn Strom mal knapp sein sollte.Genau nach dem gleichen Prinzip kann man mit einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe nicht direkt die Heizung heizen, sondern erstmal einen großen, gut isolierten Behälter mit Wasser, aus dem sich dann die Heizung bei Bedarf bedient. Dann muss man die Wärmepumpe nicht mehr zwangsweise in dem Moment anschalten, in dem es in der Wohnung zu kalt wird, egal wie hoch der Strompreis gerade ist. Sondern kann zu der Zeit den Wassertank heizen, wenn gerade niemand anderes den Strom will (nachts) oder wenn zu viel produziert wird (Sonnenschein und steife Brise). Und vielleicht werden eines Tages die Arbeiter in Aluminiumhütten wieder wie Bauern früher Ihre Arbeit dem Wetter anpassen: An Tagen mit strahlender Sonne und Wind wird eine verlängerte Schicht geschoben, während es an windstillen, dunklen Tagen frei gibt. Einfach deshalb, weil der Strom dann zu teuer ist, um Aluminium unter Einsatz von viel Energie herzustellen. Neben solchen Maßnahmen, von denen wir als Verbraucher gar nichts

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mehr mitbekommen gibt es aber auch Vorschläge, die etwas mehr in unseren Tagesablauf eingreifen. Wir können beispielsweise die Waschmaschine oder den Trockner mit Wäsche befüllen, aber nicht sofort starten. Stattdessen sagen wir der Maschine, dass sie erst beim Unterschreiten eines gewissen Strompreises loslegen soll. Das geht aber selbstverständlich nur in bestimmten Grenzen. In einem Mehrfamilienhaus wird das ökologisch zwar korrekte, aber akustisch unerfreuliche Waschen nachts um halb drei eventuell nicht goutiert. Und auch in einer Familie mit mehreren Kindern ist es meist keine Option, einfach mal fünf Tage gar nicht zu waschen, weil es so bedeckt und windstill ist. Aber auch wenn wir unser Verhalten und damit unseren Energiegebrauch nicht immer an das Angebot anpassen wollen oder können, stellen die oben genannten Verfahren zusammen mit den Möglichkeiten der besseren Energiespeicherung und der besseren Vernetzung einen Weg dar, wie wir in Zukunft schwankende Nachfrage bei gleichzeitig schwankendem Angebot in Balance bringen können. Ob uns dieser Balanceakt tatsächlich gelingen wird, weiß ich nicht. Ich weiß aber, dass er die zentrale Voraussetzung für den Wechsel von fossilen Brennstoffen hin zu den schwankenden, aber dafür regenerativen Energielieferanten ist. Vieles von dem, was dafür nötig ist, müssen der Gesetzgeber oder große Industrieunternehmen erledigen. Auf der andern Seite kann aber auch jeder einzelne einen Beitrag leisten, indem er sich lieber zweimal überlegt, ob es wirklich sinnvoll ist, gegen jede Überlandleitung und jedes Windrad zu demonstrieren, das nahe dem eigenen Heim und nicht woanders errichtet werden soll, und indem wir versuchen, Energie etwas maßvoller und bewusster als bisher zu nutzen.

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Denn wenn uns das gelingt, schaffen wir den Wechsel hin zu umweltfreundlicher Energiebereitstellung ohne Angst vorm …

7.4 Blackout Einige Leser der ersten Auflage dieses Buches haben mir vorgeschlagen, doch noch ein launiges Kapitel zum Thema Blackout zu schreiben. Das ist nur leider ähnlich erfolgsversprechend wie „mach mal was Lustiges zur Apokalypse“. Wobei Apokalypse wahrscheinlich genau das richtige Stichwort ist. Denn wovor haben Sie Angst, wenn Sie an die Energiewende denken? So richtige Angst. Tote Fledermäuse in Windrädern, hohe Stromkosten, Überlandleitungen mit Elektrosmog? Das ist alles nicht schön. Aber nichts davon hat auch nur annähernd den gleichen Gruselfaktor wie der gefürchtete BLACK OUT. Der Stromausfall. Im schlimmsten Fall großflächig und langandauernd. Aber muss man davor wirklich Angst haben? Gibt es eine reale Gefahr, dass er eintritt, und wäre das tatsächlich so schlimm?

7.4.1 Netzstabilität Beginnen wir mit der Frage, ob das Stromnetz wirklich so fragil und somit anfällig für den Blackout ist, wie oft behauptet wird. Um zu verstehen, wo das Problem liegt, müssen wir, wie weiter oben schon einmal angedeutet,mit einem unzutreffenden Bild des Stromnetzes aufräumen. Dem Stromsee. Wahrscheinlich kennen Sie dieses Bild auch: Das

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Netz ist ein großer Stromsee, in den an vielen Stellen die Kraftwerksbetreiber Strom hineinleiten und aus dem an noch viel mehr Stellen von den vielen Verbrauchern Strom abgezapft wird. Dieses Bild ist in einer Hinsicht korrekt: Wenn ich mich für einen Ökostromanbieter entscheide, dann bekomme ich nicht von diesem konkreten Anbieter meinen grünen Strom nach Hause geliefert, sondern bekomme nur zugesichert, dass er irgendwo genau so viel grünen Strom in den Stromsee hineinkippt, wie ich bei mir entnehme. Das ist ähnlich wie bei einem Blumenversandservice, bei dem ich in ein Blumengeschäft bei mir in Braunschweig gehen und dort am Muttertag Blumen nach Bochum liefern lassen kann. Da werden auch nicht die Blumen aus meinem Geschäft 350 km weit zu meinen Eltern gefahren, sondern Blumen, die sich bereits in deren Nähe befinden, bei ihnen ausgeliefert. In einer anderen Hinsicht vermittelt das Bild eines Sees aber eine völlig falsche Vorstellung: Wenn in einen See mehr Wasser hineingeleitet als entnommen wird, passiert? Genau. Gar nichts! Zumindest nichts Dramatisches. Der Spiegel des Sees steigt lediglich um wenige Millimeter. Und umgekehrt ist es bei einem See auch kein Problem, wenn ein paar Wochen – z. B. während eines trockenen Sommers – mehr Wasser entnommen wird als nachfließt. Dann sinkt der Spiegel halt wieder ein bisschen. Warum passiert nichts Dramatisches? Weil der See selber nicht nur die Wasserzufuhr-Stellen mit den Wasserentnahme-Stellen verbindet, sondern weil er gleichzeitig einen Speicher für Wasser darstellt. Und hier endet die Parallele zwischen dem Stromnetz und einem See. Das Stromnetz selber hat nämlich fast keine Speicherfähigkeit. Wenn ein Kraftwerk ausfällt, haben wir natürlich nicht ein paar Tage, aber auch nicht

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ein paar Stunden oder viele Minuten, sondern nur 10 bis 20 s Zeit, bis eine Reserve einspringen muss. Was aber passiert denn genau, wenn plötzlich weniger Strom zugeführt als entnommen wird? Eine Ungleichheit von Zufuhr und Bedarf führt nicht dazu, dass schlagartig das Netz zusammenbricht. deshalb haben Sie ja auch einige Sekunden Zeit, bis die ersten Reserven aktiv werden müssen: Zunächst einmal gibt es viele schwere, sich drehende Teile, wie z. B. die riesigen Turbinen in den Kraftwerken, die sich aufgrund von Trägheit einige Zeit weiterdrehen. Das ist wie im Auto: Wenn Sie den Fuß vom Gas nehmen, bleibt das Auto ja auch nicht schlagartig stehen, sondern rollt aus. Aber natürlich rollt es aus. D. h. es wird langsamer. Das analoge Verhalten im Stromnetz ist, dass die Netzfrequenz sinkt, also die Häufigkeit, mit der bei Wechselstrom die Spannung zwischen Plus und Minus hin und her wechselt. Deshalb drehen sich z. B. ans Stromnetz angeschlossene Elektromotoren langsamer und auch manche billige Uhren. Das ist erstmal gut, weil ein langsamer Elektromotor weniger Leistung konsumiert und damit das Netz entlastet – das ist quasi ein Selbstheilungseffekt, der dafür sorgt, das sich das Netz selbst stabilisiert – und auch langsamer laufende Uhren kommen dem Wunsch von immer mehr Menschen nach einem „entschleunigten“ Leben entgegen. Aber das ist technisch natürlich nicht gewollt: Um die korrekte Netzfrequenz von 50 Hz wieder herzustellen, müssen Reserven aktiviert werden. Die Koordination dieser Reserven übernehmen nicht die normalen Marktteilnehmer untereinander, sondern die Netzbetreiber, die wiederum mit Kraftwerksbetreibern Vereinbarungen treffen, dass diese auf Zuruf schnell und zu jedem Zeitpunkt verbindlich (!) die Leistung Ihrer Kraftwerke ein bisschen

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erhöhen oder absenken können. Aber was passiert, wenn diese „Regelleistung“ – so heißen die Reserven – nicht ausreicht? Weil gerade der Wind nachlässt, ein konventionelles Kraftwerk unfallbedingt ausfällt und völlig unerwartet eine Sonnenfinsternis Deutschland heimsucht? Dann wird dauerhaft deutlich mehr Strom entnommen als zugeführt. Und dann sinkt die Netzfrequenz eben weiter. Unter 49,8 Hz. Das ist das untere Ende dessen, was als „normaler“ Betrieb bezeichnet wird. Und sinkt die Netzfrequenz zu weit, geraten fein abgestimmte Prozesse in der Industrie aus dem Takt (Abb. 7.8). Als nächstes werden von den Netzbetreibern daher zur Stabilisierung „Lasten abgeworfen“, es werden also einzelne Verbraucher sofort oder mit minimaler Vorwarnung vom Netz abgeklemmt. Sinkt die Frequenz dann immer noch weiter ab, gehen die ersten Maschinen kaputt und schließlich bricht das Netz völlig zusammen, da sich bei einer Netzfrequenz von unter 47,5 Hz Kraftwerke vom Netz abkoppeln, um nicht selbst beschädigt zu werden. Spätestens dann erkennen auch die Menschen, die sich gerne dem Stress der Moderne entziehen wollen und das gerade schon erwähnte entschleunigte Leben wünschen, dass sie jetzt wohl nicht nur die Moderne verlassen, sondern direkt auf dem Weg in die Steinzeit sind. Und damit sind wie beim zweiten Teil meiner Eingangsfrage:

Abb. 7.8  Was passiert im Stromnetz, wenn zu wenig elektrischer Strom eingespeist wird?

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7.4.2 Ist denn ein Blackout wirklich so schlimm? Was würden Sie machen, wenn Sie gerade mit dem Auto unterwegs sind und plötzlich alle Lichter ausgehen? Vielleicht rufen Sie erstmal zu Hause an – der Akku Ihres Handys ist schließlich voll – und erzählen, was Sie gerade erlebt haben. Dann fahren Sie nach Hause. Die Tankstellen werden doch wohl genug Sprit in ihren großen unterirdischen Tanks haben, so dass Sie noch einmal schnell tanken können. Und zu Hause machen Sie es sich im Dunkeln mit Ihrem Partner gemütlich. So ein Blackout ist doch auch irgendwie romantisch und glücklicherweise haben Sie ja noch eine Ölheizung und einen vollen Tank, so dass Sie es schön warm haben werden. Soweit die Planung. Schon beim Anruf werden Sie merken, dass Ihr Handy-Akku zwar noch voll ist; dass der nächste Mobilfunksendemast aber am Stromnetz hängt und aufgrund des Stromausfalls nicht mehr funktioniert. Ok … also kein Anruf. Also geht’s direkt nach Hause. Beziehungsweise erstmal zur Tankstelle. Wer weiß, ob es morgen noch Treibstoff gibt. An der Tankstelle merken Sie, dass noch ein paar Leute auf die gleiche Idee gekommen sind. Vor allem aber merken Sie, dass es gar nicht weitergeht: Die unterirdischen Tanks sind zwar voll. Aber die Pumpen in den Zapfsäulen funktionieren ohne Strom nicht. Ebenso wenig wie die elektronische Kasse der Tankstelle. Und da am ersten Abend noch nicht geplündert wird, drehen erstmal alle brav um, wenn der Tankstellenbesitzer den Laden zumacht. Aber Sie haben Glück! Ihr Autotank ist voll genug und reicht so gerade eben noch bis nach Hause. Licht ist aus.

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Fernseher geht nicht. Aber wie war das noch damals beim Stromausfall in New York? Gab es da nicht 9 Monate später so viele Babys? Also Zeit zum Kuscheln. Wenn es nur nicht so verdammt kalt wäre. Warum zum Henker läuft die Heizung nicht? Nun … Sie haben zwar noch genug Öl im Tank. Aber die Umwälzpumpe, die das warme Wasser im Haus verteilt, ist auf elektrischen Strom angewiesen. Es bleibt also kalt. So. Langsam sind Sie richtig genervt und wollen sich informieren, wie lange das Problem noch andauern soll. Aber wie? Früher hatten viele Menschen kleine batteriebetriebene Radios und auch das Telefon funktionierte noch mitunter bei Stromausfall. Heute ist das anders. Statt mehrerer Netze konzentrieren wir uns immer mehr auf das Internet. Telefonie ist heute „Voice over IP“ und ohne Stromnetz läuft der Router nicht. Wir hören Webradio und nutzen das Handy, um uns über Nachrichten zu informieren. Das ist oft schön effizient. Aber „Effizienz“ ist auch nur ein anderes Wort für „Abwesenheit von Redundanz“. Fällt das Stromnetz aus, kommen wir nicht mehr ins Internet, weil DSL-Router und Funkmasten ausfallen und weil DAS Internet regional vielleicht auch zusammenbricht. Somit sind wir völlig abgeschnitten. (Ach ja: Analoge UKW-Radio-Übertragung soll auch bald abgeschafft werden. Das merken Sie dann, wenn Sie doch noch ein altes Batterieradio finden und in Betrieb zu nehmen versuchen). Sie merken schon. Ein Stromausfall von mehreren Stunden ist bereits ziemlich unerfreulich. Und dabei habe ich nur die Auswirkungen auf unser Privatleben am ersten Tag geschildert. Ich habe nicht über schlecht gewartete und eventuell funktionsunfähige Notstromaggregate in Krankenhäusern gesprochen, über Operationen, in deren

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Verlauf plötzlich das Licht ausgeht – und die Beatmungsmaschine. Ich habe nichts über Zehntausende Kühe geschrieben, die nach zwei Tagen einen qualvollen Tod gestorben sein werden, weil die automatischen Melkmaschinen nicht mehr funktionieren und die Bauern es nicht auch nur ansatzweise schaffen, die Kühe von Hand zu melken. Und auch die hygienischen Verhältnisse und den Durst, der sich nach ein paar Tagen ohne Strom und somit oft auch ohne fließendes Wasser breit macht, habe ich unerwähnt gelassen. Je mehr wir uns vom Funktionieren elektrischer Maschinen und deren Steuerung über das Internet abhängig machen, desto wichtiger wird die Netzsicherheit. Eine sichere Stromversorgung stellt wie kein anderer Markt die Achillesferse einer modernen Wirtschaft und Gesellschaft dar. Das gesellschaftliche Leben und die Wirtschaften können nahezu alle Produkte eine Zeit lang entbehren bzw. ersetzen. Fehlt jedoch Strom, setzt sofort flächendeckender Stillstand ein. Ich kenne Leute, die davon ausgehen, dass ein großflächiger Stromausfall von mehr als einer Woche in einer modernen Industriegesellschaft zu bürgerkriegsähnlichen Zuständen führt. Ohne Strom droht Staat und Gesellschaft ein multiples Systemversagen. Uh… Bürgerkrieg. Jetzt habe ich es geschafft, oder? Ein leichter Schauer wandert unseren Rücken hinunter. Falls Sie übrigens Lust auf etwas mehr Grusellektüre zu dem Thema haben, möchte ich Ihnen entweder den fiktiven, aber toll recherchierten Roman „Blackout“ ans Herz legen oder aber das etwas technischere Buch „Was bei einem Blackout geschieht – Folgen eines langandauernden und großflächigen Stromausfalls“ vom Büro für Technikfolge-Abschätzungen des Bundestages. Das eine bekommen Sie im Buchhandel; das andere finden Sie kostenlos im Internet [10].

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7.4.3 Risiko durch Blackout minimieren Nachdem wir gesehen haben, wie dramatisch die Folgen eines Blackouts sein können, stellt sich jetzt natürlich die Frage, was wir vorbeugend tun können. Im Jahr 2016 haben sich viele darüber lustig gemacht, dass die Bundesregierung dazu aufgerufen hat, ein paar Vorräte für einen solchen Fall anzulegen (siehe Empfehlungen in Tab. 7.4). Ich finde das gar nicht so unsinnig. Zumindest für ein paar Tage sollte man Wasser – das ist das Wichtigste – und ein paar Lebensmittel im Haus haben. Und eine Möglichkeit diese zuzubereiten. Was nützen Ihnen Spagetti, wenn Sie kein Wasser erwärmen können, um Ihre Nudeln zu kochen? Und auch der Staat bereitet sich mit den diversen Hilfsdiensten wie dem THW auf solche Szenarien vor. Aber lügen wir uns nicht in die Tasche – und das macht auch der Staat nicht: Das alles funktioniert nur dann, wenn der Blackout nicht zu lange dauert und wenn er regional begrenzt ist. Auf einen paneuropäischen Ausfall über mehrere Wochen ist niemand vorbereitet. Wir müssen also auf technischer Seite daran arbeiten, dass das nie passiert. So dass wir es schaffen, am besten auch regionale Blackouts über mehrere Tage völlig zu vermeiden. Bisher klappt das gut. Und damit komme ich endlich mal zu einer erfreulichen Nachricht. Nämlich dazu, für nur wie kurze Zeiten der Strom in Deutschland durchschnittlich pro Haushalt ausfällt: Im Jahr 2017 waren es nur gute 15 min nach knapp 13 min im Jahr davor. Diesen leichten Anstieg kommentiert Peter Franke, Vizepräsident der Bundesnetzagentur, wie folgt: „Auch wenn der Wert angestiegen ist, liegt die Stromversorgungsqualität in Deutschland weiter auf sehr hohem Niveau.

7  Die Energiewende     229 Tab. 7.4 Empfehlungen orientieren sich an Angaben des Bundesamtes für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe Art, Menge

Anmerkung

20 L Wasser

Wasser in Glasflaschen nimmt auch bei langer Lagerung keinen Kunststoffgeschmack an und evtl. vorhandene Kohlensäure bleibt länger erhalten 3,5 kg Brot, Kartoffeln, Nudeln, Es gibt Brot in Dosen. Nudeln Reis und Reis sind nur sinnvoll, wenn ein Gaskocher o. ä. zur Zubereiten vorhanden ist 4 kg Gemüse und HülsenGemüse und Hülsenfrüchte früchte im Glas oder in Dosen sind bereits gekocht. Für getrocknete Produkte wird zusätzlich Wasser benötigt 2,5 kg Obst und Nüsse Obst in Gläsern und Dosen 1,5 kg Fleisch, Eier Fleisch gibt’s auch in Dosen. Volleipulver ist mehrere Jahre haltbar Fertiggerichte (Ravioli), SchoMenge nach Belieben kolade, Kekse, Marmelade Taschenlampe, Kerzen, FeuerAlle weiteren Punkte gelten zeug, Campingkocher mit Gas natürlich nicht mehr „pro Person“ Batteriebetriebenes Radio, Falls Ihnen die Sache mit dem Batterien Radio erst einfällt, wenn die Lichter schon aus sind: In Ihrem Auto befindet sich auch noch eins. Ebenfalls mit Batterie Desinfektionsmittel, FeuchtHygiene ohne fließendes Wastücher, Müllbeutel ser ist eine Herausforderung Mengenangaben pro Person für 10 Tage

Ursache für den Anstieg der Versorgungsunterbrechung in Mittel- und Niederspannungsebene sind vor allem die Zunahme extremer Wettereignisse. Die Energiewende und der steigende Anteil dezentraler Erzeugungsleistung haben

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weiterhin keine negativen Auswirkungen auf die Versorgungsqualität.“ Das klingt gut. Und ist es im Vergleich zu unseren europäischen Nachbarn auch: In Slowenien – nur mal als Vergleich – waren es 2015 über 900 min ohne Strom. Und auch in Frankreich sind es etwa 50 min. Dort übrigens oft nicht trotz verlässlicher Kernenergie, sondern wegen der Atomkraftwerke, die gerade im Sommer oft abgeschaltet werden müssen, weil das Kühlwasser in den Flüssen knapp wird. Genau dann, wenn alle in Südfrankreich die Klimaanlage anmachen. Sie sehen, jedes Land hat seine spezifischen Probleme. Wenn wir uns jetzt noch die USA mit 114 min und Kanada mit 306 min (beide im Jahr 2014) ansehen, könnten wir uns eigentlich zurücklehnen und beschließen, das Problem zu ignorieren. Offensichtlich sind in Deutschland die Blackout-Zeiten trotz ansteigendem Anteil an erneuerbaren Energien und trotz Beginn des Ausstiegs aus der Kernenergie nicht gestiegen, sondern sogar leicht gesunken (2006 waren es noch 21 min). Zu gemütlich sollten wir es uns aber nicht machen. Das Ganze ist nämlich kein Selbstläufer, sondern fordert einen immer größeren Aufwand z. B. bei Redispatch-Maßnahmen: Im Jahr 2013 betrug der Umfang dieser im folgenden Abschnitt erläuterten Maßnahmen 4,6 TWh, im Jahr 2015 schon 15,4 TWh und im Jahr 2017 schließlich 20,4 TWh. Das bedeutet, dass die Netzbetreiber immer öfter Anweisungen an die Kraftwerksbetreiber geben, wer an welcher Stelle mehr und wer weniger einspeisen muss. Droht eine Leitung überlastet zu werden, müssen Kraftwerke vor der Engstelle heruntergeregelt werden, während Kraftwerke hinter der Engstelle aufgefordert werden, zur Kompensation mehr einzuspeisen.

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Die Kraftwerksbetreiber müssen dem zwar nachkommen; aber erstens lassen sie sich das gut bezahlen und zweitens geht das natürlich nur, solange es Kraftwerke gibt, die auf Kommando ein bisschen hoch- oder ein bisschen runtergefahren werden können. Daraus lassen sich zwei Erkenntnisse ziehen. Die Netze müssen erstens ausgebaut werden, so dass es seltener zu Engstellen kommt. Und zweitens werden wir immer Reserven benötigen, die regelbar sind. Wobei ich das nicht als Werbung für fossile Brennstoffe verstanden wissen möchte. Man kann zum Beispiel auch ein Gaskraftwerk mit Biogas in Reserve halten und dann bei Bedarf schnell hochfahren. Und vielleicht lohnt es sich ja auch, ein paar in Misskredit geratene Kohlekraftwerke nicht abzubauen, sondern für immer und auf Kosten aller Stromzahler in Reserve zu halten, so dass sie im Notfall – wenn auch erst nach dem Hochfahren – zur Verfügung stehen. Beispiele dafür sind das Kohlekraftwerk Buschhaus bei Helmstedt seit Oktober 2016 sowie zwei Blöcke des Kraftwerks Frimmersdorf in Grevenbroich seit Oktober 2017, die sich in sogenannter Sicherheitsbereitschaft befinden und damit vorläufig stillgelegt sind. Im Notfall müssen die Kraftwerke innerhalb von zehn Tagen wieder einsatzbereit sein. Das bedeutet, dass sie nicht geeignet sind, um bei kurzfristigen Problemen zu helfen. Sie könnten aber die eiserne Reserve für die gefürchtete Dunkelflaute sein. Also für Phasen im Winter, in denen über mehrere Wochen wenig Sonne scheint und fast kein Wind weht. Und zu guter Letzt, neben Reservekraftwerken und einer besseren Vernetzung, wären ein paar Energiespeicher gut, die wir in dunklen, windarmen Zeiten anzapfen können. Dazu habe ich ja aber schon mehr in Abschn. 7.3.2 geschrieben. Bleibt also nur noch eine Sache zu klären.

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7.4.4 Wie fährt man das Stromnetz wieder hoch? Wenn umgangssprachlich „der Ofen aus ist“, bedeutet das, dass alles zu spät ist. Solange der Ofen noch brennt, kann man problemlos neue Holzscheite nachlegen. Aber wehe er ist ausgegangen. Dann wird es mühevoll, ihn wieder anzufeuern. Ebenfalls mühevoll ist es, ein Stromnetz ohne Hilfe von außen wieder hochzufahren. Der Ausgangspunkt dafür sind schwarzstartfähige Kraftwerke. „Schwarz“ wie „black“-out. Das sind Kraftwerke, die keine Energiezufuhr von außen benötigen, um wieder auf die Beine zu kommen, da sie zum Anfahren keine oder fast keine Energie benötigen. Wenn diese stabil laufen, baut man damit zunächst kleine Versorgungsinseln auf, in denen es wieder Strom gibt, und versucht dann, innerhalb dieser Inseln andere nicht-schwarzstartfähige Kraftwerke, also z.  B. Kohle- oder Kernkraftwerke, zu starten. Später werden dann diese Inseln miteinander synchronisiert, so dass bei allen die Wechselspannung wieder gleichmäßig auf-und-ab geht. Und dann verbindet man sie schließlich wieder zu einem großen Stromnetz. Und damit zum Abschluss eine gute Nachricht: Gerade die erneuerbaren Kraftwerke sind gute Schwarzstarter. Wasserkraft ist hier die unangefochtene Nr. 1 und funktioniert ganz hervorragend für solche Zwecke. Photovoltaik und Windkraftanlagen können zwar auch ohne Energiezufuhr von außen starten. Aber es gibt halt nicht immer Sonne und Wind. Eventuell war das im Katastrophenfall ja sogar der Auslöser des Blackouts. Und dazu kommt, dass Photovoltaikanlagen oft nur kleine Leistungen haben und Windkraftanlagen meist aus der Ferne gesteuert werden, was natürlich nicht mehr geht, wenn das Stromnetz

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zusammengebrochen ist. Da müsste dann wahrscheinlich jemand hinfahren und vor Ort das Hochfahren, das Ausrichten in den Wind und die Einspeisung koordinieren. Aber an diesem Vorgehen wird geforscht. Und die Photovoltaikanlagen werden zumindest dafür sorgen, dass hier und da einzelne Häuser noch Strom haben werden. Sie sollten es sich also mit Ihren Nachbarn mit Solaranlage und Stromspeicher nicht verscherzen. Und stellen Sie sich zwei Kästen Wasser in Glasflaschen in den Keller. Die sind lange lagerfähig und der Nachbar mit der Solaranlage wird Sie sicher noch herzlicher willkommen heißen, wenn Sie etwas zu trinken mitbringen.

Literatur 1. BMU (2004) Erneuerbare-Energien-Gesetz tritt in Kraft. http://www.bmub.bund.de/presse/pressemitteilungen/ pm/artikel/erneuerbare-energien-gesetz-tritt-in-kraft/. Zugegriffen: 27. Aug. 2015 2. Entsoe (2015) Scenario Outlook And Adequacy Forecast 2014–2030, European Network of Transmission System Operators for Electricity. https://www.entsoe.eu/Documents/SDC%20documents/SOAF/141031_SOAF%20 2014-2030_.pdf. Zugegriffen: 27. Aug. 2015 3. Henning H-M, Palzer A (2013) Energiesystem Deutschland 2050, Fraunhofer-ISE. https://www.ise.fraunhofer.de/ de/veroeffentlichungen/veroeffentlichungen-pdf-dateien/ studien-und-konzeptpapiere/studie-energiesystem-deutschland-2050.pdf. Zugegriffen: 27. Aug. 2015 4. Kafsack H (2013) Günther Oettinger im Gespräch (Interview). FAZ. http://www.faz.net/aktuell/politik/energiepolitik/guenther-oettinger-im-gespraech-deutschland-setzt-seine-wettbewerbsfaehigkeit-aufs-spiel-12133773.html. Zugegriffen: 27. Aug. 2015

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5. Markandya A, Wilkinson P (2007) Electricity generation and health. Lancet 370:979–990. https://doi.org/10.1016/s01406736(07)61253-7. http://www.bigthunderwindpower.ca/files/ resources/Electricity_generation_and_health_%28The_Lancet_2007%29.pdf. Zugegriffen: 27. Aug. 2015 6. Sterner et al (2011) Energiewirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Windgas-Angebotes. http://www.greenpeace-energy.de/fileadmin/docs/sonstiges/Greenpeace_ Energy_Gutachten_Windgas_Fraunhofer_Sterner.pdf. Zugegriffen: 30. Sept. 2015 7. Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. www. energy-charts.de/. Zugegriffen: 11. Okt. 2018 8. Karlsruher Institut für Technologie. www.kit.edu/kit/ pi_2018_009_power-to-gas-mit-hohem-wirkungsgrad.php. Zugegriffen: 21. Sept. 2018 9. Bundesverband Windenergie. https://www.wind-energie.de/ themen/zahlen-und-fakten/. Zugegriffen: 11. Okt. 2018 10. Petermann T et al (2011) Was bei einem Blackout geschieht. http://www.tab-beim-bundestag.de/de/pdf/publikationen/ buecher/petermann-etal-2011-141.pdf. Zugegriffen: 12. Dez. 2018

8 Energie „sparen“ im Alltag

Vor ein paar Tagen habe ich nach dem Kauf einer neuen Hose (es war keine Öko-Marke) darin einen Aufnäher entdeckt. Dort stand „Care for our planet: wash less, wash cold, line dry, donate or recycle“. Ich war erstaunt, wie sehr Energiesparen offensichtlich inzwischen im Mainstream angekommen ist, und habe mich gefragt, was die Motivation dafür ist. Klar, der erste Grund steht ja schon auf dem Aufnäher: „Care for our planet“ – eben kurz die Welt retten. Daneben gibt es aber noch einen zweiten wichtigen Grund: Viele Menschen wollen nicht nur Energie, sondern vor allem Geld sparen. Oft sind beide Ziele gut vereinbar, da aus einem geringeren Energieverbrauch (eigentlich ja Exergieverbrauch) meist auch geringe Kosten folgen. Ein Zielkonflikt tritt nur dort auf, wo verschiedene Energieträger mit unterschiedlichen Abgaben belastet sind: Ein Flug von Hannover nach Frankfurt mag manchmal kostengünstiger sein © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2019 M. Buchholz, Energie – Wie verschwendet man etwas, das nicht weniger werden kann?, https://doi.org/10.1007/978-3-662-56772-2_8

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als eine Bahnfahrt. Das liegt dann aber nicht daran, dass auf dem Flug weniger Energie gebraucht wird, sondern ergibt sich aus der Tatsache, dass Kerosin für Flugzeuge mit geringeren Abgaben belastet wird als der Strom für die Bahn. Aber wie schon geschrieben: In den meisten Fällen muss man sich gar nicht zwischen Geld sparen und Welt retten entscheiden, sondern kann beides gleichzeitig machen. Ob die in diesem Kapitel genannten Vorschläge für Sie jeweils infrage kommen, hängt dabei im Wesentlichen von zwei Faktoren ab: 1. Spielt die genannte Art des Energieverbrauchs für Sie überhaupt eine Rolle? Nichtraucher können Ihr Leben nicht verlängern, indem Sie aufhören zu rauchen. Und wenn Sie gar keinen Fernseher haben, können Sie natürlich auch keine Energie sparen, indem Sie sich einen kaufen, nur um ihn auf Aus statt auf Stand-By zu stellen. 2. Müssen Sie Ihr Leben stark verändern, um einen bestimmten Vorschlag umzusetzen? Je geringer der (subjektive) Aufwand für Sie, umso größer die Chance, dass Sie eine Veränderung auch wirklich umsetzen. Die Entscheidung, alle Ihre Wäsche ab jetzt von Hand zu waschen, mag zwar Ihren Energieverbrauch reduzieren. Praktikabel ist sie aber vermutlich nicht. Bei einer Reduktion der Waschtemperatur mag das schon anders aussehen. Also picken Sie sich einfach die Vorschläge heraus, die eine Relevanz für Sie haben und deren Umsetzung Sie sich gut vorstellen können. Um es etwas übersichtlicher zu machen, gehe ich verschiedene Bereiche im Haushalt nacheinander durch und habe zusätzlich alle Vorschläge in drei Kategorien eingeteilt:

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A) Geld für neue Geräte ausgeben, B) Vorhandene Geräte einmalig anders aufstellen oder einrichten, C) Nutzungsgewohnheiten ändern. Das A, B oder C finden Sie im Folgenden hinter den jeweiligen Tipps in eckigen Klammern. Als ich begonnen habe, dieses Kapitel zu schreiben, habe ich als Erstes die folgende Webseite der Energieagentur NRW besucht: www.energieagentur.nrw.de/tools/ energiecheck/default.asp?site=ea. Mithilfe dieser Webseite habe ich mir eine Übersicht verschafft, wofür ich Strom in meiner eigenen Wohnung eigentlich verwende. Der Wärmeverbrauch geht hier nicht ein, obwohl der in meinem Fall auch nicht zu vernachlässigen ist. Aber schauen wir uns erstmal den Stromverbrauch an. Den Gasverbrauch diskutiere ich am Ende des Kapitels dann separat. Anhand von Abb. 8.1 sieht man deutlich, wo der Strom in meinem (und wahrscheinlich auch in Ihrem) Haushalt bleibt. Ich beginne mal oben im Diagramm und gehe die einzelnen Bereiche dann im Uhrzeigersinn durch.

8.1 Konkrete Maßnahmen zur Senkung des Stromverbrauchs Spülen Spülen per Maschine braucht einen relevanten Teil des Stroms im Haushalt. Deshalb lohnt es sich, auf Folgendes zu achten: • Kaufen Sie eine große Spülmaschine (und nicht eine „Single-Spülmaschine“ – es sei denn, Sie sind Single und werden es auch noch lange bleiben), die eine gute

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Abb. 8.1  Anteile der verschiedenen Stromverbraucher in meinem Haushalt

Effizienzklasse hat. A++ sollte es sein. Oft ist Effizienzklasse A das schlechteste, was noch verkauft wird. [A] • Machen Sie die Spülmaschine immer voll und wählen Sie eine niedrige Temperatur, bei der das Geschirr noch sauber wird. Waschen Sie nicht per Hand vor. Es ist effizient, Essenreste abzukratzen, nicht aber sie (warm) abzuwaschen. Falls das Ergebnis unbefriedigend ist, nehmen Sie ein intensiveres Spülprogramm. [C]

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• Wird Ihr Wasser über eine Solaranlage oder eine effiziente Zentralheizung erwärmt, lohnt es sich meist, die Spülmaschine direkt an den Warmwasseranschluss anzuschließen. Dann muss das Wasser nicht elektrisch in der Maschine erwärmt werden. [B] Bleibt die Frage, ob Spülen von Hand nicht der Weg der Wahl für Ökofreunde ist. Leider lässt sich diese Frage nicht pauschal beantworten. Selbst wenn man die Zeit fürs Spülen hat, kann das Handspülen mit viel Reinigungsmittel, häufigem Wasserwechsel, hohem Füllstand im Spülbecken und zusätzlichem Vorspülen zu einem höheren Wasser- und Energieverbrauch führen als das Spülen per Maschine. Das gilt insbesondere dann, wenn das Wasser fürs Spülbecken in einem elektrischen Heizer („Boiler“) erwärmt wird. • Wer allerdings sein warmes Wasser von einer Gastherme oder Wärmepumpe oder gar aus einem Solarkollektor bekommt und es dann auch noch sparsam einsetzt, kann per Hand in der Tat gegenüber der Maschine neue Bestmarken aufstellen. Das gilt insbesondere dann, wenn Sie alternativ Ihren großen Fernseher einschalten würden, um die durch die Spülmaschine eingesparte Zeit rumzukriegen. [C] Umwälzpumpe (Heizung) Ja, auch Öl- und Gasheizungen benötigen Strom. Deshalb sollten sich Besitzer von Ölheizungen mit großem Tank auch nicht allzu sicher fühlen, dass ein langer Blackout im Winter sie nicht doch kalt erwischen könnte. Das heiße Wasser im Heizkreislauf muss ja von der Heizung irgendwie zu den einzelnen Heizköpern kommen. Das macht eine Umwälzpumpe, die das Heizwasser immer im Kreis pumpt. Und auch wenn sich „Umwälz“ fast wie

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„Umwelt“ anhört, können alte Pumpen, die dann eventuell auch noch ungesteuert permanent laufen, große Stromfresser sein. • Wenn Sie also eine alte Pumpe haben, sprechen Sie mal mit Ihrem Installateur, der Ihnen sicherlich mit großer Freude eine neue Pumpe und hoffentlich auch eine intelligente Steuerung für diese verkauft. [A] Waschen Na klar. Sie wissen schon, was jetzt kommt. Haben wir ja beim Geschirrspüler schon diskutiert: • Effiziente Maschinen der Klasse A+++ kaufen (A ist faktisch das schlechteste, was aktuell verkauft wird). [A] • Maschine vollmachen, aber nicht überladen. [C] • Mit niedrigen Temperaturen (30 °C) waschen. Vielleicht sagt Ihnen an dieser Stelle Ihre Mutter, Wäsche würde nur bei 60 °C sauber und insbesondere Unterwäsche müsse man kochen, das sei schon immer so gewesen. Dann können Sie ihr antworten, dass die ganzen Ingenieure bei den Maschinenherstellern und die Chemiker bei den Waschmittelherstellern die letzten 30 Jahre nicht nur Däumchen gedreht haben. Die Mechanik in den Waschmaschinen wäscht besser und die waschaktiven Substanzen sind heute schon bei geringeren Temperaturen wirksam. Also nur Mut. Hohe Temperaturen mögen ab und zu für besondere Problemwäsche oder zum Reinigen der Maschine sinnvoll sein. Im Alltag reichen 30 °C. In Japan wird sogar traditionell kalt gewaschen; und dort grassieren auch nicht regelmäßig Pest und Cholera. [C]

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Trocknen • Im Gegensatz zum Geschirrspülen ist die Sache hier klar. Echte Energiesparer nutzen keinen Trockner, sondern hängen ihre Wäsche im Garten oder auf dem Dachboden auf. Das kann man selbst dann machen, wenn man aus Versehen schon einen Trockner gekauft hat. [C] Und warum mache ich persönlich das dann trotzdem nicht? Aus denselben Gründen, aus denen viele Menschen einen Trockner haben: Der Dachboden ist weit oben, der Keller nicht ganz trocken und in Norddeutschland ist meistens kein Sommer. Außerdem habe ich Kinder. Es ist einfach praktisch, vollgekotzte Bettwäsche nach drei Stunden wieder sauber und trocken zu haben. Insbesondere, wenn sich das Kind mitten in der Nacht immer wieder übergeben sollte. Und auch gesunde Kinder sind dreckig (oder andersrum?). Wer viel waschen muss und wenig Zeit hat, liebt seinen Trockner. Was kann man dann also machen, um nicht sofort in der Energieverschwenderhölle zu landen? • Kaufe einen Wärmepumpentrockner! Die gibt es seit ein paar Jahren und inzwischen funktioniert die Technik auch zuverlässig. Und während eine neue Technologie gewöhnlich Energiespareffekte von einigen Prozent bringt, sparen die Wärmepumpentrockner etwa 50–70 % der Energie, die ein normaler Trockner benötigt. Statt etwa 3,5 kWh pro Trocknungsvorgang verbrauchen sie teilweise unter 1,5 kWh. Bei vier Trocknungsvorgängen in der Woche spart man also über 400 kWh (= 100 €) im Jahr. [A] • Schleudern Sie Ihre Wäsche gut vorm Trocknen und stellen Sie den Trockner nicht auf „extra trocken“. Mitunter kommen die Klamotten dann nämlich so trocken

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aus dem Trockner, dass sie danach Luftfeuchte aus dem Raum aufnehmen und im Schrank wieder feuchter werden. [C] Was ist ein Wärmepumpentrockner? Betrachten wir zunächst, was in einem Kondensationstrockner überhaupt passiert:

normalen

1. In einem Trockner wird die Luft zunächst erwärmt, dadurch sinkt die relative Luftfeuchte. (Den Effekt kennen Sie aus dem Winter: Die aufgeheizte Luft in Innenräumen ist dann auch sehr trocken.) 2. Die warme, trockene Luft wird durch die herumwirbelnde Wäsche geblasen und nimmt aus dieser Feuchtigkeit auf. Die Wäsche gibt also Wasser an die Luft ab und wird selbst trockener. 3. Die feuchte Luft wird anschließend außerhalb der Wäschetrommel abgekühlt, wobei Wasser auskondensiert. Das Wasser wird also von der Luft abgegeben und läuft in einen Sammelbehälter. (Den Effekt des Auskondensierens kennen Sie von kalten Fensterscheiben, an denen sich manchmal im Winter Kondenswasser bildet.) Sie sehen also, dass die Luft einmal erwärmt und einmal abgekühlt wird. Bei konventionellen Wäschetrocknern sind das zwei getrennte Prozesse. Bei einem Wärmepumpentrockner jedoch wird eine Wärmepumpe (siehe Kap. 5) zwischen die kalte und die warme Seite geschaltet und die Wärme, die beim Abkühlen der Luft entzogen wird, ihr beim Erwärmen wieder zugeführt. Dadurch sinkt der Energiehunger des Trockners beachtlich.

Beleuchtung Das ist ein Thema, über das immer alle reden („Junge, macht das Licht aus und verschwende keine Energie!“). Und das, obwohl Beleuchtung in den meisten Haushalten ebenso wie das Waschen nur 5–10 % des Strombedarfs ausmacht. Aber dafür lässt sich bei der Beleuchtung viel

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billiger und einfacher etwas ändern als bei den großen Haushaltsgeräten. Zumindest sofern Sie noch alte Glühbirnen verwenden. • Ersetzen Sie einfach alle Glühbirnen durch LED-Lampen. So können Sie Ihren Stromverbrauch für Beleuchtung auf einen Schlag auf etwa 1/7 reduzieren. Sie sparen also etwa 85 % des Stroms ohne Komforteinbußen. Und weil die Ersparnis so deutlich und der Preis für LED-Lampen gleichzeitig so moderat geworden ist, lohnt es sich in regelmäßig verwendeten Leuchten, sofort zu wechseln und nicht erst das Ende der Lebensdauer der Glühbirne abzuwarten. [A] • Anders sieht das bei Leuchtstoffröhren oder Energiesparlampen aus. Hier lohnt sich ein Wechsel zu LED zwar auch. Aber erst nachdem der Vorgänger das Zeitliche gesegnet hat. [A] Unterhaltungselektronik Fernseher, Stereoanlagen und Spielekonsolen sind in vielen Haushalten für etwa 10 % des Energieverbrauchs verantwortlich. • Um das zu reduzieren, kann man zum einen bei der Wahl der Geräte darauf achten, dass sie nicht allzu viel Strom brauchen. Das ist recht einfach. Große Bildschirme benötigen mehr Strom als kleine; und Plasmafernseher mehr als LCD- bzw. LED-Fernseher. [A] • Zum anderen – und dieser Ratschlag ist so ein Allgemeinplatz, dass ich ihn schon fast nicht mehr nennen möchte – lohnt es sich, die Geräte nicht im Stand-byModus zu belassen, sondern echt auszuschalten. Das geht oft besonders einfach mit schaltbaren Steckdosenleisten, die es erlauben, gleich mehrere Geräte vom Stromnetz zu trennen. Als Faustformel kann man sich

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merken: 1 W permanenter Standby-Leistung entspricht knapp 10 kWh pro Jahr. [C] Wobei: Auch wenn alle immer über das böse Stand-By reden; noch viel wichtiger ist es, überhaupt auszuschalten! Mein zehn Jahre alter Verstärker braucht 80 W. Selbst wenn die Lautstärke auf 0 gedreht ist bzw. überhaupt keine Tonquelle ausgewählt ist. Angeblich ist das für den Klang gut. Sicher ist: Wer nach der Party für den Rest der Nacht den Verstärker angeschaltet stehen lässt, verbraucht dabei genauso viel Strom wie jemand, der seinen Verstärker einen halben Monat lang im Stand-By lässt. [C] • Letzter Vorschlag: Mal überprüfen, ob man die Helligkeit seines großen Fernsehers nicht auch etwas reduzieren kann, ohne dass das Bild schlechter wird. Denn was für die Beleuchtung gilt, gilt auch für den Monitor: Je heller, desto energieintensiver. [B] Computer, Drucker & Co Wer regelmäßig zu Hause arbeitet, verbraucht mit seinem Rechner oft eine ganz ordentliche Menge Strom. In meiner Wohnung ist das fast 1/5 unseres gesamten Stromverbrauchs. • Generell sind Laptops stromsparender als klassische Desktopcomputer, da ihre Komponenten mit Blick auf die begrenzte Akkukapazität stromsparend ausgewählt wurden. [A] • Aber auch beim Desktopcomputer kann man schon beim Kauf kritisch fragen, ob man für ein bisschen Textverarbeitung wirklich einen Vier-Kern-Prozessor und eine Monstergrafikkarte benötigt. Diese und andere Komponenten brauchen eine hohe Leistung, auch wenn sie gar nicht richtig genutzt werden. [A]

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• Und zu guter Letzt sollte man natürlich seinen Computer mitsamt Drucker, Scanner und anderem Zubehör abschalten, wenn man es nicht braucht. [C] • Eventuell lohnt es sich auch, sich einmalig mit dem Powermanagement seines Computers zu beschäftigen und zu entscheiden, nach welchen Zeiten welche Komponenten (Bildschirm, Festplatte, …) des Rechners automatisch ausgeschaltet werden. [B] Kühlen Hier gibt es wenig zu sagen. Niemand will wohl heute noch ernsthaft auf die Segnungen eines Kühlschranks verzichten. Auf der anderen Seite sollte sich jeder Single, der einen zwei Meter hohen Doppeltürkühlschrank nach amerikanischer Bauart mit integriertem Eiswürfelspender besitzt, fragen, ob die Größe des Kühlschranks zu seinem Bedarf passt. • Ein weiteres Problem ist oft, dass sich Leute mit Blick auf die höhere Effizienz (inzwischen bis A+++) einen neuen Kühlschrank kaufen, den alten dann aber weiter im Keller als Reservekühlschrank betreiben, um permanent ein bis zwei Kisten Bier kalt zu halten. Merke: Ein moderner Kühlschrank senkt den Stromverbrauch nur, wenn er als Ersatz und nicht als Ergänzung zum alten Kühlschrank angeschafft wird! Ein kleiner Salat zum fettigen Braten hilft ja auch nicht beim Abnehmen. [A] Was kann man noch machen? • Den richtigen Standort wählen: Der Kühlschrank muss Wärme aus seinem Innenraum auf ein höheres Temperaturniveau anheben und dann an die Küche abgeben. Und je wärmer es in der Küche bzw. in der Nähe des Kühlschranks ist, umso schwerer fällt ihm das. Daher lohnt es sich, den Kühlschrank nicht neben

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den Herd oder ins direkte Sonnenlicht zu stellen. Auch eingebaute Kühlschränke sind nicht optimal, weil die Wärme hier auch oft nur schlecht von der Rückseite des Kühlschranks abtransportiert werden kann. [B] • Stauben Sie die Rückseite Ihres Kühlschranks alle ein bis zwei Jahre ab. Dicke Staub-/Dreckschichten auf dem Wärmeüberträger – also dem schwarzen Rohr, das mäanderförmig über die Rückseite Ihres Kühlschranks verläuft – erschweren die notwendige Wärmeabgabe und erhöhen den Stromverbrauch um ein paar Prozent. [C] Ansonsten gelten noch ein paar altbekannte Verhaltensregeln: • Tiefkühlfach spätestens dann abtauen, wenn sich eine ca. 1 cm dicke Eisschicht gebildet hat. Das Eis wirkt wie eine Isolationsschicht zwischen der kalten Kühlschrankwand und dem Innenraum. Je dicker es ist, umso schwieriger wird es für den Kühlschrank, Kälte an das Gefriergut abzugeben (bzw. Wärme von ihm aufzunehmen). [C] • Türe nicht offen stehen lassen. Je länger und je öfter die Tür geöffnet wird, umso mehr Wärme gelangt in den Innenraum des Kühlschranks und muss wieder hinausgeschafft werden. Das ist arbeitsaufwendig und kostet Strom. [C] • Wählen Sie sinnvolle Temperaturen! Im Kühlschrank reichen meist +7 °C und im Tiefkühlschrank −18 °C. [C] Kochen Wer mit Gas kocht, hat eigentlich schon alles richtig gemacht. Egal wie effizient Induktionsfelder sind. Gasherde schlagen das Kochen mit Strom locker, da man in einem Kraftwerk knapp dreimal so viel Gas oder Kohle

Berechnung (pro Tag oder pro Jahr)

kWh/Jahr

aAusgehend

von einem Strompreis von 26 Cent und einem Gaspreis von 6 Cent jeweils pro kWh

Jeden Tag 1 L Wasser zu viel im Wasserkocher erhitzen (von 20 auf 1 kg · 4,18 kJ/(K · kg) · 8 34 100 °C) 0 K = 334,4 J = 0,093 k Wh/Tag Kühl-/Gefrierkombination von vor 20 Jahren statt eines neuen 450 A+++-Geräts Jeden Tag 8 h Licht (60 W) anlassen 8 h · 0,06 kW = 0,48 kWh 175 5 Geräte permanent auf Standby (je 2 W) 5 · 2 W · 24 h = 0,24 kWh 88 Wohnraumtemperatur in einer 100-m2-Altbauwohnung 1 Grad zu 800 hoch Eine ganze Wohnung voller Glühbirnen statt LED-Lampen 300 Wasserbett (immer beheizt!) statt normalem Bett 1000 Normaler Trockner statt Wärmepumpentrockner (4 Wäschen pro 52 · 4 · 2 kWh 416 Woche) Normaler Trockner statt Wäscheleine (4 Wäschen pro Woche) 52 · 4 · 3,5 kWh 728 4-mal pro Woche mit 40 °C statt 30 °C waschen 52 · 4 · 0,2  kWh 42 Kochen mit Strom statt mit Gas in einem 3-Personen-Haushalt 365 · 1,3 kWh = 475 kWh 0

Art der Verschwendung

Tab. 8.1  Energieverschwendung in Zahlen

189 11 95

78 260 108

46 23 48

117

9

€/Jahra

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braucht, wie dann am Ende Strom aus der Leitung bei Ihnen ankommt. Das Gas hingegen wird direkt unter Ihrem Topf verbrannt und 1:1 in Wärme umgewandelt. Und selbst wenn man berücksichtigt, dass von dieser Wärme nur etwa 60 % dem Topf zugeführt werden, ist ein Gasherd der klare Sieger. Das gilt zumindest so lange, wie wir sowieso noch Erdgas verbrauchen und unser Strom noch nicht zum Großteil mit Wind und Sonne hergestellt wird. In der Zukunft – wenn Strom nicht mehr aus Gas, sondern Gas aus Strom (Power2Gas) gemacht wird – wird sich das umkehren. Insbesondere zu Zeiten, wenn gerade der Wind weht und die Sonne scheint. Abgesehen von der Strom-oder-Gas-Frage gelten immer die folgenden Verhaltensregeln: • Töpfe und Wasserkocher nur so hoch füllen wie nötig. Kartoffeln werden nicht schneller gar, wenn sie 10 cm unter der Wasseroberfläche liegen. Im Gegenteil: Da das zusätzliche Wasser auch erst aufgewärmt werden muss, dauert es sogar länger. [C] • Deckel verwenden! Ohne Deckel verdampft mehr Wasser und die Umwandlung von flüssigem in dampfförmiges Wasser kostet viel Energie. Und wenn das Wasser mit Deckel überkocht, dann sollten Sie lieber den Herd runterdrehen und nicht den Deckel abnehmen. [C] • Wenn das Wasser schon kocht, lohnt es sich nicht mehr, volle Lotte weiter zu heizen. Insbesondere bei einem Gasherd kann man dann die Flamme ruhig kleiner stellen, da weitere Wärmezufuhr nicht dazu führt, dass das Wasser wärmer wird (Wasser kocht bei 100 °C – wärmer wird es bei gleichem Luftdruck nicht), sondern nur dazu, dass mehr Wasser verdampft. [C]

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• Wenn Sie kleine Mengen Wasser erwärmen wollen, verwenden Sie einen Wasserkocher und nicht Ihren Elektroherd, da Sie bei einem Topf mit Wasser, den Sie auf Ihren Herd stellen, ja nicht nur das Wasser, sondern auch noch die Herdplatte und den Topf erwärmen müssen. Bei Wasserkochern ist die Masse, die sie unnötigerweise zusätzlich zum Wasser erwärmen, deutlich geringer. Beim Gasherd ist es hingegen ok, Wasser auf dem Herd warmzumachen, statt den (elektrischen) Wasserkocher zu verwenden, da aktuell Gas ja effizienter als Strom ist (siehe oben). [C] • Vielleicht kaufen Sie sich auch einen Schnellkochtopf („Dampfkochtopf“). Aufgrund der kürzeren Kochzeit sparen Sie nicht nur Energie, sondern auch noch Zeit. [A] Schnellkochtopf? Brauche ich nicht lieber einen besseren Herd? Vielleicht haben Sie sich schon einmal gefragt, warum Kartoffeln immer gute 20 min gekocht werden müssen. Selbst wenn man einen sehr leistungsfähigen Herd hat und die Platte ganz heiß macht bzw. das Gas voll aufdreht. Müsste das Garen nicht schneller gehen, wenn es heißer ist? In der Tat werden die Kartoffeln schneller gar, wenn die Temperatur höher ist. Blöderweise kocht Wasser aber immer bei 100 °C. Wenn Sie mehr Wärme zuführen, verdampft zwar mehr Wasser pro Zeit. Die Temperatur ändert sich aber nicht mehr, sobald das Wasser einmal zu kochen begonnen hat. Und kann man daran gar nichts ändern – an diesen 100 °C? Doch! Aber nicht, indem man mehr Wärme zuführt, sondern indem man den Druck erhöht. Bei höheren Drücken kocht Wasser erst bei einer höheren Temperatur. Schließt man nämlich den Deckel des Schnellkochtopfs ganz dicht, so kann der Druck im Topf auf bis zu ca. 2 bar – also das Doppelte des normalen Drucks – ansteigen, während man Wärme zuführt. Erst dann öffnet sich ein Ventil und sorgt

250     M. Buchholz dafür, dass der Druck nicht noch weiter steigt, damit der Topf nicht platzen kann. Tja und bei einem Druck von 2 bar liegt die Siedetemperatur von Wasser bereits bei 120 °C und die Kartoffeln oder der Braten werden schneller gar. Möchte man etwas niedrigere Temperaturen als 120 °C, so muss man das Ventil so einstellen, dass es sich z. B. bereits bei 1,5 bar (= 111 °C Siedetemperatur) öffnet.

8.2 Alles neu kaufen? Ganz allgemein gilt beim Neukauf von Geräten: Wenn Sie sowieso ein neues Gerät kaufen, investieren Sie lieber etwas mehr und kaufen Sie ein effizientes Gerät. Bei den niedrigen Zinsen ist der höhere Kaufpreis in der Regel gut angelegt. Eine Ersparnis von 100 kWh Strom im Jahr entspricht zurzeit etwa einer jährlichen Ersparnis von 26 €. Mehrkosten von beispielsweise 100 € beim Kauf hätten sich also schon nach vier Jahren bezahlt gemacht. Wenn Sie aber bereits ein Gerät besitzen, sollten Sie es nur austauschen, wenn es kaputt oder aber wirklich richtig alt und inneffizient ist. Ein Wechsel von einem funktionierenden Gerät, das erst ein paar Jahre alt ist, auf ein Gerät der neusten Effizienzklasse lohnt sich meist nicht. Weder spielt die Ersparnis den Kaufpreis ein, noch lohnt es sich energetisch, da zur Herstellung einer Waschmaschine beispielsweise ca. 1000 kWh Energie gebraucht werden (siehe auch Abschn. 8.4). Eine Abkehr von der „Ich brauche immer das Neuste“-Mentalität kann also auch ein Beitrag zum Energiesparen sein. Selbst wenn man dann eventuell noch ein paar Jahre einen Kühlschrank der Klasse A+ betreibt, obwohl es doch längst A+++ gibt.

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8.3 Effizienter heizen Natürlich können Sie Ihren Energieverbrauch auch jenseits vom Strom reduzieren. Zum Beispiel, indem Sie entweder bauliche Maßnahmen ergreifen oder beim Heizen ein paar Dinge beachten: • Heizen Sie mit einer modernen Heizungsanlage! 20 oder gar 30 Jahre alte Heizungsanlagen hatten schon damals meist keine brillanten Wirkungsgrade und sind wie alle Maschinen im Laufe ihres Lebens eher schlechter als besser geworden. [A] • Überprüfen Sie auch Ihr restliches Heizungssystem: Heizkörper, Thermostate, Rohre. Hier sind die Sachverhalte leider oft etwas komplizierter und Sie sollten mit einem fähigen Installateur oder Energieberater darüber reden, ob sich ein Umbau des Systems lohnt. [A] • Isolieren Sie – sofern es bei Ihrer Immobilie sinnvoll ist und der Denkmalschutz es erlaubt – Ihr Haus und/ oder bauen Sie neue Fenster ein. (Achtung: Auch hier gibt es einiges zu beachten. Zu „gute“ Fenster können Ihnen z. B. auch Probleme bereiten, weil sich dann unter Umständen Kondenswasser morgens nicht mehr an Ihrer Scheibe, sondern an Ihren Wänden niederschlägt). [A] Auf http://www.co2online.de finden sich gute Erklärungen und Adressdatenbanken für Handwerker und Berater. Aber natürlich kann man auch sein Verhalten etwas anpassen: • Stichwort „Stoßlüften“: Im Winter sollten die Fenster nicht stundenlang auf Kipp stehen, sondern lieber ganz – aber dafür nur kurz – geöffnet werden. Schließlich haben Sie ja ein Interesse an frischer Luft und nicht

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am Auskühlen der Wände Ihrer Wohnung. Falls Sie sich an dieser Stelle fragen, warum denn die Wände so wichtig sind, obwohl Ihre Wohnung doch im Wesentlichen aus Luft und nur zu einem geringen Teil aus Wänden besteht, sei auf folgendes hingewiesen: Ich hoffe natürlich auch, dass der deutlich größere Anteil des Raums Ihrer Wohnung frei ist und Ihnen und der Umgebungsluft Platz bietet. Aber selbst wenn Ihre Wohnung nur zu 5 % aus Mauern und zu 95 % auf freiem Raum besteht, befinden sich immer noch deutlich mehr Kilogramm Mauer als Luft in Ihrer Wohnung. Denn Backsteine haben eine etwa 1500-mal so große Dichte wie Luft; ein Liter Backsteine wiegt also das 1500-Fache von einem Liter Luft. Daher besteht ein Backsteinbau mit nur 5 % Mauern trotzdem zu fast 99 % seiner Masse aus Backsteinen und nur zu gut einem Massenprozent aus Luft. Es ist daher für die Heizung eine ganz andere Herausforderung, nach einer Stoßlüftung nur die Raumluft von z. B. 10 °C wieder auf 20 °C aufzuwärmen, als nach stundenlangem Dauerlüften auch noch die Mauern und damit fast 99 % der Gesamtmasse. [C] • Übrigens: Je größer die Temperaturdifferenz zwischen Raumluft und Außenluft ist, desto schneller läuft der Luftaustausch ab und desto früher können Sie das Fenster wieder schließen. Deshalb reicht es im Winter oft, für ein paar Minuten zu lüften, während man im Sommer lange braucht, bis die Luft im Wohnraum wieder frisch ist. • Finden Sie nach Rücksprache mit allen Familienmitgliedern die niedrigste Temperatur, bei der Sie sich noch wohlfühlen. Niedrige Temperaturen schonen Ihren Geldbeutel. Zu niedrige Temperaturen gefährden aber unter Umständen Ihre Ehe. [C]

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• Verwenden Sie Thermostate sinnvoll. Wenn Sie in einen zu kalten Raum kommen, sollten Sie das Thermostat nicht reflexhaft auf 5 stellen. Denn „5“ bedeutet nicht, dass schneller oder intensiver geheizt wird, sondern dass eine höhere Zieltemperatur angestrebt wird. Stufe 3 entspricht meist ca. 20 °C und mit jeder Stufe geht es dann rund 3–4 Grad nach oben oder unten. Sind in den Raum z. B. nur 17 °C, dann drehen Sie die Heizung einfach eine halbe oder eine ganze Stufe höher. Die Heizung gibt dann so lange Wärme an den Raum ab, bis die gewünschten 19 bzw. 21 °C erreicht sind. Stellen Sie die Heizung hingegen auf 5, dann heizt die Heizung so lange, bis Sie tropische 28 °C im Wohnzimmer haben. Das ist aber wahrscheinlich nicht das, was Sie wollten, oder? [C] Lohnen sich neue Fenster? Neue Fenster kosten Geld. Auf der andern Seite isolieren sie besser und man muss weniger heizen. Aber wie viel Heizenergie lässt sich denn damit eigentlich sparen? Machen wir eine kurze Abschätzung, wobei wir davon ausgehen, dass in unserer Wohnung eine Temperatur von 20 °C herrscht, es draußen durchschnittlich 9 °C kalt ist und unsere Wohnung acht Fenster mit einer Fläche von jeweils 2 m2 hat. Weiterhin gehe ich davon aus, dass die alten Fenster einen sogenannten U-Wert von 3 haben und neue Fenster mit einem U-Wert von 1 eingebaut werden. Dieser U-Wert (manchmal auch k-Wert) ist ein Maß für den Wärmedurchgang von einem Fluid (Raumluft) durch einen festen Körper (hier: Fensterscheibe und Rahmen) in ein zweites Fluid (Außenluft) aufgrund eines Temperaturunterschiedes zwischen den Fluiden. Er gibt an, wie viel Watt Wärme pro Fläche A übertragen werden, wenn die Temperaturdifferenz ∆T zwischen innen und außen 1 °C beträgt. Die durch die Fenster entweichende Wärme pro Zeit beträgt also bei den alten Fenstern

254     M. Buchholz     ˙ = T · A · Ualt = 20 ◦ C − 9 ◦ C · 8 · 2 m2 · 3 W Q m2 · K W 2 = 528 W. = 11 K · 16 m · 3 2 m ·K

Für die neuen Fenster ergibt sich     ˙ = T · A · Uneu = 20 ◦ C − 9 ◦ C · 8 · 2 m2 · 1 W Q m2 · K W = 176 W. = 11 K · 16 m2 · 1 2 m ·K

Der Wärmestrom durch die neuen Fenster ist also – genau wie der U-Wert – ein Drittel von dem der alten Fenster. Die Differenz und damit die Ersparnis betragen ˙ Erspar = 528 W − 167 W = 352 W. Q

Da wir eine über das ganze Jahr gemittelte Außentemperatur verwendet haben, sparen wir diesen Wärmestrom formal auch das ganze Jahr über 24 h am Tag. Die Ersparnis eines Jahres liegt somit bei QErspar = 0, 352 kW · 24 h · 365 = 3084 kWh.

Das entspricht bei einer Gasheizung und einem Gaspreis von 6,5 Cent pro kWh einem Betrag von Kostensenkung pro Jahr = 3084 · 0, 065 C = 200 C.

Ob sich das finanziell tatsächlich lohnt, hängt natürlich von den Kosten des Fensteraustauschs ab.

8.4 Indirekter Energieverbrauch Ich kann den von mir benötigten Energieeinsatz auch an Stellen reduzieren, an denen ich gar keinen Strom, keinen Treibstoff und kein Gas verwende. Zur Herstellung und zum Transport aller Produkte unseres täglichen Lebens wird Energie aufgewendet. Diese sogenannte „graue“ Energie steckt dann quasi in

8  Energie „sparen“ im Alltag     255

den Produkten:Eine 100 g Tafel Schokolade schlägt mit 0,25 kWh zu Buche. In zwei (leeren) Aluminiumdosen steckt bereits der Tagesstrombedarf eines Vierpersonenhaushalts (ca. 10 kWh). In 500 Blatt Kopierpapier stecken sogar fast 30 kWh und in einem Mittelklasseauto meist über 25.000 kWh. Daraus ergibt sich zunächst einmal die sehr allgemeine Leitlinie: Kaufe ich weniger neue Produkte, brauche ich weniger Energie. Aber manchmal kann es auch helfen, statt weniger einfach anders zu konsumieren. Die Aufzucht von Tieren ist beispielsweise deutlich energieaufwendiger als das Anbauen von Pflanzen. Gemüse statt Fleisch und pflanzliches Fett statt Butter sind also, ganz abgesehen von Fragen des Tierschutzes oder der Gesundheit, auch eine Frage des Energiekonsums. Oder man verwendet andere Materialien: Aluminium beispielsweise benötigt bei der Herstellung sehr viel Energie. Daher ist Alufolie zum Verpacken des täglichen Butterbrots viel zu wertvoll. Mitunter ist das Abschätzen der in Produkten verborgenen grauen Energie aber schwierig: Kaufe ich im Mai lieber Äpfel aus Deutschland, die seit der Ernte im Herbst im Kühlhaus mit hohem Energieaufwand frisch gehalten worden sind? Oder kaufe ich lieber gerade eben erst geerntete Äpfel aus Argentinien oder Südafrika, die über eine sehr weite Strecke eventuell mit dem Flugzeug transportiert werden(Abb. 8.2)? Pauschal lässt sich diese Frage nicht beantworten. Wahrscheinlich ist für meinen energetischen Fußabdruck also weniger die Herkunft des Apfels relevant als die Frage, ob ich mich zu Fuß oder mit dem Auto zum Supermarkt bewege, um den Apfel zu kaufen. Und falls doch mit dem Auto, sollte es dann zumindest ein Elektrofahrzeug sein? Auch schwierig: Im Vergleich zu Modellen mit Verbrennungsmotor wird bei der Produktion

256     M. Buchholz

Abb. 8.2  Saisonal, aber nicht regional: Obst aus Südamerika muss einen weiten Weg bis zu uns zurücklegen. Aber dafür ist dort vielleicht gerade Erntezeit, während Obst aus Europa monatelang im Kühlhaus gelegen hat

von E-Modellen aufgrund der aufwendigen Batterieherstellung deutlich mehr Energie benötigt. Man muss also erstmal ganz schön weit mit Ökostrom (!) fahren, bis das ausgeglichen ist. Wobei im Jahr 2018 der deutsche Strommix bereits so relativ CO2-arm war, dass selbst ein mit „normalem“ Strom geladenes Auto weniger CO2 pro gefahrenen Kilometer (indirekt) emittiert als ein Diesel oder gar Benziner. Wie Sie sehen, gibt es mitunter viel zu bedenken und man kann sicherlich nie alles richtig machen. Lassen Sie sich davon nicht entmutigen und machen Sie einfach das richtig, was Sie verstehen und was im Rahmen Ihrer Möglichkeiten liegt: Jetzt, da Sie dieses Buch bis zum Ende gelesen haben, könnten Sie es z. B. verleihen oder verschenken, so dass jemand anderes es lesen kann, ohne dass es dafür nochmal hergestellt werden muss.

Stichwortverzeichnis

A

C

Akku 19 Amperestunde 19 Anergie 35, 85 Arbeit 7, 9, 78

Carnot-Faktor 51, 79, 113 Celsius 23 CO2-Zertifikat 174 Computer 244

B

D

Batterie 19 Beleuchtung 242 Biomasse 189 Blackout 221 Braunkohle 174 Brennstoffzelle 86, 211 PEM 88 SOFC 88 Brennwert 20 Brennwertheizung 22

Drossel 104, 106 Druckluftspeicher 197 Druckluftspeicherkraftwerk 198 E

EEG 168 Umlage 170 Einheit 6

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2019 M. Buchholz, Energie – Wie verschwendet man etwas, das nicht weniger werden kann?, https://doi.org/10.1007/978-3-662-56772-2

257

258     Stichwortverzeichnis

Elektrolyse 87, 108, 209 Elektromobilität 211 Elektromotor 89 Energie chemisch gebundene 76, 90 innere 30 kinetische 29 potenzielle 29 Energiebedarf 177 Energiedifferenz 76 Energiesparen 235 Energiesparlampe 114 Energiespeicherung 87 Energietransport 89 Energieverbrauch 235 indirekter 254 Energieverschwendung 247 Energiewandlung 73 Energiewende 155 Entropie 39, 43, 63, 85, 92, 94 Entropieproduktion 44 Erderwärmung 156 Erdgasmoleküle 86 Erdgasnetz 209 Erhaltungsgröße 36, 127 Erkrankung 173 Evolutionstheorie 67 Exergie 35, 85, 97 F

Fahrradfahren 189 Fenster 253 Feynman-Rad 150 Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoff (FCKW) 105

G

Gasherd 246 Gezeitenkraftwerk 153 Gleichstrom 207 Global Warming Potential (GWP) 105 Gravitationsspeicher 199 H

Hauptsatz erster 41 zweiter 43 Heizkreislauf 239 Heizung, effiziente 251 Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) 207 I

Idealgasgleichung 151 Irreversibel 57 J

Joule 12 K

Kalorie 12 Kältemaschine 100 Kältemittel 105 Kälteprozess 99 Kelvin 24 Kilokalorie 12 Kilowattstunde 16 Kompressor 104

Stichwortverzeichnis     259

Kosten 164 Kraftwerk 41 Kraftwerksprozesse 80 Kreationist 67 Kühlschrank 103, 245

Photovoltaik (PV) 110 Power2Gas 109, 208, 215 Prozess 9 Pumpspeicherwerk 193, 195 R

L

Lageenergie 29 Lastprofil 205 LED-Lampen 243 Leistung 7 Luftpumpe 80 M

Makrozustand 63 Mikrozustand 63 N

Nennleistung 183 Netzstabilität 221 O

Öl 160 Ölpreis 161 Otto-Motor 83 P

Peakleistung 183 Perpetuum mobile 117, 140 der 2. Art 137 der 3. Art 137 Photon 111

Redoxreaktion 86 S

Siedetemperatur 144 Solarthermie 110 Solarzelle 110 Speicher 184 Speicherfähigkeit 179 Speicherung 192 Stirling-Motor 141, 146 Stoffkraftmaschine 143 Strombedarf 177, 195 Stromleitung 205 Stromnetz 179 Stromproduktion 177 Stromverbrauch 237 Stromverbundgrad 204 Stromzähler, intelligenter 218 T

Temperatur 23 Thermodynamik, statistische 63 Treibhauseffekt 157 U

Überkapazität 182

260     Stichwortverzeichnis

Umwälzpumpe 239 Umwandlung von Arbeit zu chemisch gebundener Energie 108 von Arbeit zu „Kälte“ 99 von Arbeit zu Wärme 91 von chemisch gebundener Energie in Wärme 90 von chemisch gebundener Energie zu Arbeit 85 von Licht zu Arbeit 110 von Wärme zu Arbeit 78 Umwandlungsprozesse 74 Unterhaltungselektronik 243 Urknall 70

Verschwörungstheorie 121 Volllaststunde 184

V

Z

Verbrennung 85 Verbrennungswärme 76 Verdichter 104 Vernetzung 202

Zeit 56 Zustand 9

W

Wärme 9, 46, 78 Wärme-Kälte-Kopplung 191 Wärmekraftmaschine 79, 83 Wärmepumpe 93 Wärmepumpentrockner 241 Wärmetod 71 Wäschetrockner 241 Waschmaschine 240 Wasserstoff 86, 209, 212 Watt 16 Wippvogel 141, 143