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Montag, 13. Februar 2012

Das Märchen vom Smart Grid

Wenn wir heute kochen, waschen, bügeln, computern, telefonieren, Licht anschalten, dann achten wir nicht auf den aktuellen Strompreis. Es gibt aber die Überlegung, dass man die Verbraucher davon Überzeugt, bestimmte elektrische Geräte nur dann einzuschalten, wenn gerade genügend Strom auf dem Markt ist. Etwa, wenn gerade die Sonne scheint oder der Wind kräftig weht.
Da es nun reichlich unpraktisch ist, den Strompreis ständig im Blick zu haben, hat man etwas neues erfunden das "Smart Grid"
Smart Grid 
Mit einem Computer am Stromzähler wird der aktuelle Strompreis ermittelt und im Haus werden alle Geräte, die smart sind, ein oder ausgeschaltet, je nach Situation. Es ist natürlich klar, dass man schlecht einfach das Licht ausschalten kann, wenn jemand gerade die Treppe herunter läuft. Daher werden nur einige bestimmte Geräte smart. Das ist zunächst mal der Kühlschrank, der hatte ja schon bisher ein Eigenleben. Immer wenn es gerade still ist, schaltet er ein. In Zukunft eben, wenn gerade Strom da ist.
Ein weiteres Gerät ist die Waschmaschine und die Spülmaschine. Die laufen erst los, wenn der Strom günstig ist, etwa tief in der Nacht, wenn der Wind weht und niemand arbeitet. Allerdings ist unklar, ob in einer Mietwohnung alle Nachbarn das so gut finden.
Einige weitere Geräte wie die aufzustellende Wärmepumpe oder das e-Auto könnten zukünftig auch aktive Teilnehmer am Strommarkt werden.
Das Märchen
Es war einmal vor langer Zeit, da haben Kühlschränke viel Energie verbraucht. Da wäre es sicher schlau gewesen, diese entsprechend optimiert zu steuern. Weiterhin lohnt es, einen Blick auf die Stromrechnung zu werfen. Hat ein Haushalt 1000 Euro im Jahr für den Strom bezahlt, dann waren davon Steuern, Abgaben, Grundgebühr und so weiter, etwa 700 Euro. Verbleiben 300 Euro, die man optimieren könnte. laut einer optimistischen Studie [1] kann man mit einem Smart Grid etwa 18 Euro im Jahr einsparen. Das ist schön, allerdings hat diese Einsparung, wie viele ähnliche Einsparungen einen Haken, man muss erstmal investieren. Und pro Haushalt rechnet man mit etwa 1000 Euro, es muss ja ein entsprechender Computer in den Schaltkasten, eine Internetverbindung für die aktuellen Strompreise muss eingerichtet werden, die Geräte wie Waschmaschine benötigen einen entsprechenden Zusatz. Und das alles vom Elektromeister mit seinem noblen Stundenlohn eingerichtet kostet eben.
Kleinvieh macht auch Mist
Jetzt werden viele sagen, ja aber sehr viele Haushalte zusammen ergeben einen richtig großen Effekt! Bei 30 Millionen Haushalten liegt die Einsparung bei der Maximalleistung bei etwa 5 GW [2]. Achtung, hier wird nicht Strom eingespart, sondern nur zu einer anderen Zeit verbraucht. Fünf Gigawatt sind weniger als 10% des Strombedarfs. Hier stellt sich sofort die Frage, ob es nicht günstiger wäre, einige weitere Windkraftwerke aufzubauen, oder noch besser, Strom-Speicher einzusetzen.
Fazit
Soweit ich die Effekte von Smart Grid verstehe, sind sie eher gering, Das Smart Grid mit seinen vielen Systemkomponenten ist aber eine interessante Möglichkeit, den Endverbraucher Geräte zu verkaufen, die möglicherweise vom Staat subventioniert werden. man sollte also vorsichtig sein, wenn man hofft, das Smart Grid könnte ein grundlegendes Problem der erneuerbaren Energien lösen.

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Quellen: 
[1] Droste-Franke, Bert, Balancing Renewable Electricity: Energy Storage, Demand Side Management, and Network Extension from an Interdisciplinary Perspective (Ethics of Science and Technology Assessment), Seite 107, Verlag: Springer 2012, ISBN: 3642251560
[2] Droste-Franke, Bert, aaO. Seite 105

Dienstag, 7. Februar 2012

Gibt es einen Klimawandel?


In der Diskussion um den Wechsel zu erneuerbaren Energien spielt die Frage des Klimawandels eine entscheidende Rolle. Doch gibt es überhaupt einen Klimawandel?

Hier will ich als Physiker einige Aspekte der Argumentation aufgreifen, das Urteil überlasse ich den Leser.

Was ist Klima?
Klima ist die langfristige Änderung etwa der Temperaturen, unter langfristig versteht man mindestens Jahrzehnte, oft auch Jahrhunderte. Die Tatsache, dass gerade Sibirische Kaltluft nach Deutschland eingeflossen ist hat also überhaupt nichts mit Klima sondern mit Wetter zu tun. In der Presse, die jeden Tag (und nicht jedes Jahrzehnt) eine neue Wettermeldung braucht, wird das gerne vermischt.
Historisch, in den letzten tausend Jahren, hat sich das Klima immer gewandelt, allerdings muss der Unterschied nicht all zu groß gewesen sein, in Deutschland gab es immer Frost aber es reichte zum Weinbau in einigen Gegenden. Aus den Ringen der alten Bäume kann man auch sehen, dass diese im Wesentlichen gleichmäßig gewachsen sind.
Temperatur im Kohlezeitalter
Das Kohlezeitalter    
Vor gut hundert Jahren haben wir begonnen, Kohle zu verbrennen, aber in wirklich großen Mengen geschieht das erst seit wenigen Jahrzehnten. Der Zeitraum von 1960-1990 gilt in der Klimatologie immer noch als ein „normaler“ Zeitraum, obwohl die CO2 Konzentration schon ein wenig gestiegen ist. In den letzten 20 Jahren scheint aber die Temperatur etwas anzusteigen, vielleicht um 0,5°C.
Das ist nicht besorgniserregend, da eine derartige Temperaturveränderung historisch vermutlich auch aufgetreten ist. Wenn auch sehr selten.

Jetzt wird es unübersichtlich, da viele damit argumentieren, dass dieser Anstieg völlig eindeutig durch das CO2 kommt. Wie kann man dies belegen? Ein eindeutiger Beleg wäre, die Situation zu wiederholen. Zurück nach 1950, keine Kohle und Öl verbrennen und nach 60 Jahren die Veränderung überprüfen. Genau das ist aber nicht möglich. Damit haben die Wissenschaftler zunächst ein Beweisproblem.

Beweisführung
Wie kann man den Beweis noch führen? Eine Ursachenanalyse ist hilfreich. Was kann die Temperatur erhöhen? Seit 1890 ist bekannt, dass CO2 ein Treibhausgas ist, oder besser gesagt, ein Gas, das mit der Infrarotstrahlung wechselwirkt. Das macht auch Wasserdampf und einige andere Gase wie Methan, jedoch nicht Stickstoff und Sauerstoff, die Hauptbestandeile der Luft.

Eine relativ einfache Rechnung zeigt, dass damit die Temperatur eines Planeten erhöht wird, und das geht so: Sonnenstrahlung fällt auf den Boden und wird in Wärme umgewandelt. Wo geht diese Wärme hin? Diese wird als Infrarotstrahlung in das Weltall abgestrahlt. Wäre das nicht so, hätten wir bald 6000°C auf der Erde! CO2 Behindert diese Abstrahlung etwas, die Oberfläche des Planeten wird etwas Wärmer. Bei der Venus, die sehr viel CO2 in der Atmosphäre hat, führt das zu einer Bodentemperatur, die Blei schmelzen lässt.

Führt man die Rechnung zu Ende, erhält man einen Temperaturanstieg, der gut mit der gemessenen Veränderung übereinstimmt. Für die Zukunft gibt es zwei Probleme, wie wird sich der CO2 Anstieg weiter entwickeln und gibt es Rückkopplungen.

Die billigste Energiequelle gewinnt 
Solange Kohle der billigste Brennstoff ist, um Strom zu erzeugen, wird Kohle verbrannt werden, da kaum ein Land bereit ist, günstige Energie nicht zu nutzen. Daher kann man vermuten, dass noch viel weiteres CO2 in die Atmosphäre kommt. (So billig kann Solarenergie werden!)

Das Rückkopplungsproblem
Wesentlich kritischer ist die Frage der Rückkopplung. Das Klima wird durch weitere Faktoren bestimmt, insbesondere Wasserdampf, der noch besser als CO2 die Infrarotstrahlung absorbiert. Wird es wärmer, verdampft mehr Wasser, wie jeder am Herd selbst feststellen kann. Damit kommt eine sogenannte Rückkopplung zustande, etwas wärmer, mehr Wasserdampf, noch wärmer usw. Dies wäre ein Teufelskreis, der uns in wenigen Jahren einen unbewohnbaren Planeten bescheren würde.

Wenn da nicht auch noch die Wolken wären. Wolken reflektieren das Sonnenlicht sehr gut, und daher ist es an einem bewölkten Tag auch kühler. Leider ist es sehr schwierig dies quantitativ zu untersuchen. Die Wissenschaftler versuchen daher das Klima in Wettermodellen zu analysieren. Aber Wetter ist schwierig zu analysieren und damit sind wir wieder am Anfang der Geschichte. Wer das Klima verstehen will muss auch das Wetter verstehen und das ist schwierig.

Interessanterweise führen aber praktisch alle Annahmen die man in die Modelle steckt immer zu einer deutlichen Erhöhung, oder genauer gesagt zu einem gewissen Rückkopplungseffekt, der höher ist, als der reine CO2 Effekt.

Ist ein warmes Klima ein Problem?
Ist warmes Klima ein Problem? Im Prinzip gab es auf der Erde schon sehr warme Zeiten, etwa als all die Kohle entstand, die wir jetzt verbrennen. Das Problem ist zum einem, dass der Wandel, wenn er sehr schnell kommt, und erdgeschichtlich sind tausend Jahre bereits sehr schnell, für die Natur Schwierigkeiten bereitet. Aber man kann sagen, das ist deren Problem. Die aktuelle menschliche Zivilisation ist, nebenbei bemerkt, für den Artenreichtum vermutlich ein viel größeres Problem.
(Offensichtlich nimmt die Begrünung der Erde aktuell zu,Nature Climat Change Letter)
Für uns Menschen dürfte die Änderung des Meeresspiegels, der in erster Linie durch die Erwärmung und damit Ausdehnung des Wassers verursacht wird, das größte Problem sein. Sehr viele Städte sind an den Küsten und auf geringer Meereshöhe gebaut. Ein weiteres akutes Problem könnte in der Landwirtschaft entstehen, wenn sich Wüsten ausdehnen. Aber bereits hier sind genaue Prognosen sehr schwierig. Hier gilt es also Kosten abzuwägen.

Billige Solarzellen sind wichtiger als CO2 Zertifikate
Letztendlich ist man auf der sicheren Seite, wenn man nicht zu sehr in die Zusammensetzung der Atmosphäre eingreift. Daher sollte der CO2 Ausstoß verringert werden. Dies wird aber nur gelingen, wenn die erneuerbaren Energien preiswerter sind als die Verbrennung von Kohl und Öl. Vermutlich sehen wir gerade diese Wende. An vielen günstigen Standorten ist Wind günstiger als Kohlekraftwerke, im Süden wird das bald flächendeckend für Solarenergie gelten. (Untere Preisgrenze für Solarenergie)

Nur mit Energiespeicher wird das Klima so erhalten
Bleibt noch das Speicherproblem, wenn dieses gelöst ist, ist auch das Klimaproblem gelöst. Daher ist die Erforschung günstiger Energiespeicher von globaler Bedeutung!

Weitere Betrachtung: