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Energieeffizienz - das große Ganze

(For our english speaking viewers: There is a youtube-video now available of this presentation: Energy in Economy and in Physics.)

Energie steht seit einiger Zeit im Mittelpunkt der wirtschaftspolitischen Diskussionen. Und tatsächlich ist der Wohlstand unserer modernen Industriegesellschaften erst durch die Verfügbarkeit großer Mengen an billiger Energie möglich geworden: Große Reisen, warme Wohnungen, vielfältige Güter, schnelle Kommunikation - vieles ist ohne die funktionierende Energieversorgung so nicht denkbar. Aber auch die großen Krisen unserer Zeit drehen sich oft um Energie - genauer um Energieträger und den Zugang zu diesen.

Das ist aber nur ein Aspekt des vielfältigen Begriffs Energie; der, welcher heute oft sehr stark im Mittelpunkt steht. Wir vergessen darüber leicht, dass Energie ursprünglich eine aus den Naturwissenschaften1) erarbeitete Größe ist, deren Bedeutungskern ziemlich weit an der heute überwiegend wahrgenommenen „Ware Energie“ vorbeigeht. Der Zusammenhang zwischen Beidem wird der Inhalt dieses Vortrags sein. Und, die dabei gewonnenen Erkenntnisse werden es uns erlauben, die Zyklen der fortdauernden Energiekrisen künftig zu vermeiden.

Physiker-KollegInnen können Folie 4 bis 14 'überfliegen', das ist alles physikalisches Gemeingut. Die Folien 15 bis 25 enthalten die entscheidende Erweiterung. Natürlich ist auch das nicht „neu“, das Literaturverzeichnis geht insbesondere auf historisch bedeutende Beiträge ein. Etwas überraschend ist vielleicht, dass diese Ansätze in den letzten 30 Jahren sehr erfolgreich geholfen haben, den Verbrauch nicht nur zu stabilisieren, sondern sogar zu senken; obwohl der Nachdruck gar nicht auf der Erschließung der Effizienzpotentiale lag (Folie 37). Sie können die Folien auch unter dem Link "Vortrag Energie" herunterladen und in eigenen Präsentationen verwenden. Ein Hinweis auf die Quelle freut uns natürlich immer.

In der Physik spielt „Energie“ eine noch bedeutendere Schlüsselrolle; es könnte sogar gesagt werden, dass die Physik geradezu die „Lehre von der Energie“ ist. Lassen wir uns ein auf einen kleinen Ausflug, wie die Energiebegriffe aus Physik und Wirtschaft zusammenhängen: Es wird uns einen interessanten und veränderten Zugang ermöglichen.


Abb. 1 Energie sieht aus Sicht der Physik ganz anders aus als aus der Perspektive der Wirtschaft.
Dieser Vortrag wird tiefer in das Verständnis eintauchen und das wird uns wichtige Hinweise dazu geben, wie die verbundenen Probleme gelöst werden können.

Kaffee - aber bitte schön heiß

Wer mag nicht heißen Kaffee? Nur, dass der, in einer normalen Kanne abgefüllt, nicht lang heiß bleibt, denn er verliert Wärme über die Oberflächen an die kältere Umgebung. Clevere Ingenieure haben den „Wärmebedarf“ berechnet und lassen die verlorene Energie einfach über eine elektrische Heizplatte nachliefern; das ist die aktive Methode. Es geht aber auch ohne viel Energie: Füllen wir den Kaffee in ein sehr gut dämmendes Gefäß (eine Thermoskanne) ein, dann ist der Verlust so gering, dass der Kaffee auch über Stunden heiß genossen werden kann. Überraschend für viele dürfte sein, dass fast unser gesamtes heutiges Energiesystem nur dazu dient, Verluste auszugleichen. Das genau wird in diesem Bilderbuch behandelt.


Abb. 2

In der heutigen Industriegesellschaft spielt „Energie“ eine Schlüsselrolle für die gesamte Funktion der Wirtschaft. Maßgebliche Ökonomen haben „Energie“ als den Schmierstoff der Volkswirtschaft bezeichnet - und sehen „billige Energie“ als die Grundvoraussetzung für Wohlstand und Wachstum an. Fast die gesamte Gesellschaft hat ein ähnliches Bild - inkl. der schärfsten „Wachstumskritiker“. Diese Wahrnehmung wird stark geprägt von der täglichen Erfahrung: Energie kommt vor allem als Energieträger (z.B. Heizöl, Benzin, Strom) ins Spiel und muss als solcher bezahlt werden. Es gibt einen Energiesektor, der dafür zu sorgen hat, dass immer ausreichend2) Energie verfügbar ist. Die Endverbraucher konsumieren die Energieträger, von denen ist am Schluss nichts mehr da. Dabei entsteht der Wohlstand.


Abb. 3 Der „Energie-Träger“ ist das zentrale Konzept im Energiesektor im der Industriegesellschaft. Der gesamte Wohlstand basiert auf der Versorgung mit ausreichend vielen und billigen Energieträgern.

Die Physik kann als die „Wissenschaft von der Energie“ angesehen werden3). Das Konzept Energie wurde in voller Klarheit in der Physik erst im 19. Jahrhundert herausgearbeitet. Wir werden die Grundzüge des Konzepts hier in seiner einfachsten Form beschreiben. Dabei stellt sich heraus, dass die zentrale Charakterisierung energetischer Prozesse im Alltag deren „Effizienz“ ist. Interessanterweise ein Begriff, der von Ökonomen gern auf den Einsatz der menschlichen Tätigkeit angewendet wird, aber in Bezug auf Energie gern verdrängt wird4). Verstehen wir diesen Zusammenhang erst einmal, dann sind wir gerüstet für eine neue Herangehensweise: Energie als Werkzeug in einer wissensbasierten Gesellschaft; das trifft die Sachlage recht gut - denn wie Werkzeuge im Grunde nur „wenig und ganz langsam“ verbraucht werden, so ist dann auch der Energieverbrauch gering.


Abb. 4 In der Physik ist Energie„ ein Basisattribut jedes Systems. Es gibt zwei fundamentale Gesetze: den Energieerhaltungssatz (1. Hauptsatz) und das Gesetz der Entropiezunahme (2. Hauptsatz). alle Prozesse sind mit Energieumwandlungen verbunden - und die Verbindung zum täglichen Leben erbringt die Betrachtung der Effizienz.

Wollten wir den physikalischen Begriff „Energie“ umgangssprachlich möglichst anschaulich fassen, so ist wohl „die Fähigkeit zur Umsetzung von Veränderungen“ die zutreffendste Beschreibung. Regelmäßig sind mit Energieflüssen (das ist die Übertragung der Energie von einem System zu einem anderen oder die Umwandlung der Form der Energie in eine andere) sichtbare, spürbare, generell wahrnehmbare Veränderungen in den Systemen verbunden. Für viele schwer begreifbar5) ist dabei, dass bei solchen Umwandlungen und Übertragungen6)Energie gar nicht „verbraucht“ wird, sondern eben „nur“ in anderer Form oder an anderem Ort vorliegt.


Abb. 5 Energie kann als die Entität verstanden werden, welche die Veränderungen in der Welt antreibt.

Im Extremfall können solche Veränderungen dramatisch sein. Setzen wir extrem viel Energie in sehr kurzer Zeit um, dann nennen wir das eine Explosion. Die verändert in ihrer Umgebung vieles sehr grundsätzlich - und das ist der Kerngrund dafür, weshalb sich das Militär sehr für Energie und insbesondere für Systeme mit hoher Energiedichte interessiert. Viele Physiker und Ingenieure fasziniert dieser Aspekt. Und wirtschaftlich lässt sich davon auch gut leben. Allerdings: Außer an Neujahr spielen diese Dinge in unserem Alltagsleben kaum eine Rolle - und wenn doch, ist das meist sehr unangenehm.


Abb. 6 Sehr viel Energie in ganz kurzer Zeit umgewandelt - das führt zu raschen und umfassenden Veränderungen.

Klavier in den 2.Stock

Fangen wir mit der elementarsten Erfahrung an: Wir stehen vor der Aufgabe, einen Flügel in den zweiten Stock zu transportieren. Dessen Gewicht müssen wir dazu aufnehmen (das erfordert die Anwendung von Kraft durch uns), und unter Beibehaltung der Kraftanwendung müssen wir das Teil nun, ausgerechnet in Richtung der aufgewendeten Kraft7) durch das Treppenhaus heben. „Kraft mal Weg“, das ist die Arbeit, die wir dabei verrichten. Mehr, wenn das Teil eine größere Masse hat, und ebenfalls mehr, wenn es höher hinaufgeht. Das wird in nebenstehendem Bild vorgerechnet. Und, eigentlich haben wir mit diesem Prozess bereits das gesamte Energiekonzept verstanden: Die geleistete Arbeit ist in diesem Fall nämlich nicht verloren, sondern in der Lageenergie (potentiellen Energie) des Flügels „gespeichert“. Wer das nicht glaubt, braucht das Teil ja nur durch das Treppenhaus runterrauschen zu lassen; das hat auch nach vielen Jahrzehnten immer die gleiche Auswirkung.

Abb. 7 Das Grundprinzip der potentiellen Energie: sie wird im Klavier gespeichert (präziser: in der veränderten Position des Klaviers im Schwerefeld der Erde), nachdem die Arbeit des Hochhebens in den zweiten Stock geleistet wurde. Die kann ganz einfach berechnet werden. Ist das nun „nur ein kleines Bisschen“ oder ist es 'viel' Energie? 8))

Für einem ganz anderen Vergleich zeigen wir hier eine typische moderne Energienutzung: Wir heizen ein Gebäude. Für ein durchschnittliches Haus im Bestand in Deutschland werden dafür auch heute immer noch in etwa 3000 Liter Heizöl gebraucht. Wieviel Energie steckt in diesem Brennstoff? Gut merken lässt sich der Heizwert von 'Heizöl EL' mit ziemlich genau 10 kWh/Liter. Das führt die gebräuchlichste Energieeinheit für den Alltag ein: die „kilo-Watt-Stunde“ kWh. In ihr wird Öl, Erdgas, Strom, Fernwärme, … abgerechnet. Viele haben daher ein Gefühl für die Größenordnung von 1 kWh. Wir können diese Einheit in die SI-Basiseinheit „Joule“ J umrechnen (dritte Zeile der Folie)9). Der Jahres-Heizöl-Verbrauch zur Heizung dieses Hauses ist das 3000fache dieser 10 kWh oder, in SI-Basiseinheiten, 108 Milliarden(!!) Joule. Das ist das 26,2-Millionenfache unserer Aktion „Klavier in den zweiten Stock“. Was daraus insbesondere klar wird: Das Ausmaß der uns heute gewohnten Energieumsätze ist gigantisch10), viel höher als die uns natürlicherweise möglichen Körperleistungen.


Abb. 8 Gebäudeheizung

Energieerhaltungssatz

Wir haben bisher drei Formen von Energie hier ausdrücklich kennengelernt: Mechanische potentielle Energie11), chemische Energie12) und Wärme13). Die Tabelle rechts zeigt einen Übersicht der heute in der Physik behandelten Energieformen. Das Geniale am Energiekonzept ist, dass alle diese Energieformen ineinander umwandelbar sind. Als Übung kann eine Matrix erstellt werden, welche Art Prozess (oder 'Maschine') für die Umwandlung von einer dieser Energieformen in die jeweils andere oft genutzt wird. Beispiel: Um elektrische Energie in elektromagnetische Energie (z.B. Licht) umzuwandeln, benutzen wir eine Glühbirne. In der zweiten Spalte der Tabelle ist die kennzeichnende Formel für die betreffende Energieform angegeben. Zeile 1 und Zeile 10 kennen wir schon. An den anderen braucht ein Leser sich vorerst nicht zu stören - wen es interessiert, eine ganze Menge davon werden z.B. in unserem "Bauphysik-Kurs" erklärt.


Abb. 9 Energieformen

Die Umwandlung mechanisch-potentieller Energie (Lageenergie) beim Fall eines Objekts aus der Höhe in Bewegungsenergie ist aus dem Alltag vertraut. Die stattfindende Verwandlung kleiner Höhendifferenzen in betragsmäßig gleiche 'kinetische Differenzen' ist leicht nachvollziehbar - wir erklären das genauer hier: Energiesatz der Mechanik. In dieser Übersicht geben wir nur das14) Ergebnis an: Die „Formel“ für die klassische 'kinetische Energie'

$ E_{kin}=\frac{1}{2} m v^2$.

Abb. 10 Lageenergie kann in kinetische Energie umgewandelt werden - und umgekehrt.

„Energie geht nicht verloren“ - jedenfalls nicht in einem geschlossenen System. Das ist ein System, aus welchem die Systemumgrenzung durch NICHTS (Keine Materie, aber auch keinerlei Wirkung) überschritten werden kann. In so einem geschlossenen System bleibt die Energie dann erhalten15) Manchmal ist die Aussage zu hören, wegen des Energiesatzes „gäbe es keine Energieverluste“. Das ist Unsinn: Dies würde nur gelten, wenn alle Systeme streng geschlossene Systeme wären - Energieströme, welche ansonsten die Grenzen eines Systems nach außen hin überschreiten, können mit Fug und Recht als „Energieverluste“ bezeichnet werden: Verloren für das System.


Abb. 11 Der Energieerhaltungssatz gilt für jedes abgeschlossene System

Offene Systeme sind die Regel: Auch hier muss das System aber eindeutig charakterisiert werden durch eine räumlich abgrenzendend Systemhülle. Nur dass diese jetzt von Energie- und Stoffströmen überschritten werden kann. Der Vorteil des Energiebegriffs zeigt sich aber auch hier, denn es reicht jetzt offenbar, die „grenzüberschreitenden“ Energieströme durch diese Hülle zu bilanzieren. Ist ein solcher Energiestrom negativ (vom System aus gesehen), so handelt es sich per Definition um einen Verlust, ist er positiv, handelt es sich um von außen zugeführte Energie. Nun ist die Energiebilanz offensichtlich16): Die Änderung der Energieinhalts (der „Inneren Energie“) ist gleich der Summe aller die Hülle durchtretenden Energieströme; oder, m.a.W.: Die Differenz von Energiegewinnen minus der Energieverluste.

Abb. 12 Bei offenen Systemen kann es (…wird es) Energieverluste geben; das sind die Energieströme, die das System verlassen

Eine in der Technik beliebte Darstellung ist das Energiefluss-Diagramm. Hier liegt der Nachdruck auf den das System durchströmenden Energieströmen: In der Regel kommen von links „zuströmende Energieflüsse“ und gehen nach rechts die das System wieder verlassenden Energieströme. Oft werden „Verlustströme“ und „nutzbare Energieströme“ unterschieden, wobei die Verlustströme dann gern als 'ins Nirvana' führender Pfeil nach oben dargestellt werden. Weil die meisten technischen Systeme sich in einem Fließgleichgewicht befinden17) ist in der Regel die im System liegende Energie konstant, d.h. die Änderung der inneren Energie Null. Dann ist die Energiebilanz ganz einfach: Die Summe aller Gewinne ist gleich der Summe aller Beträge der Verluste. Hier kann nun der Wirkungsgrad eines Systems definiert werden: Das ist genau der Anteil der zugeführten Energieströme $E_{in}$ , der als nutzbarer Energiestrom $E_{out}$ das System wieder verlässt:

${\displaystyle \eta = \frac{E_{out}}{E_{in}}}$


Abb. 13: Das Energieflussdiagramm, eine hochanschauliche Darstellung der Prozesse

Häufig gibt es ganze Ketten aufeinderfolgender Energiesysteme, von denen das jeweils nachfolgende System den nutzbaren Output des vorausgehenden weiter verarbeitet. In jedem Glied der Kette gibt es zugehörige Verluste und für jedes Einzelsystem lässt sich ein individueller Wirkungsgrad angeben. Für die gesamte Kette ergibt sich ein „Gesamtwirkungsgrad“ gerade als Produkt der Einzelwirkungsgrade. Es gibt auch komplexere Flussbilder mit mehreren Output-Strömen (oft „Koppelprodukte“ genannt) und „Schleifen“, die entstehen, wenn Ströme aus einem späteren Prozess in eine vorausgehendes System18) zurückgespeist werden19). Das sog. Sankey-Diagramm ist ein mächtiges und zugleich hoch anschauliches Tool zur Bilanzierung komplexer Energiesysteme auf einer systemanalytisch pauschalisierten Ebene. Ingenieure und Energieversorger lassen diese Energieflussbilder meist nach der als „Endsystem“ bezeichneten ersten Maschine des Energienutzers („End“-Nutzer oder Endverbraucher oder Kunde) enden20). Was aus diesem System noch herauskommt wird gern als „Nutzenergie“ bezeichnet. Weil diese Energie aber auch beim Endnutzer in aller Regel nicht gespeichert wird, sondern der Energiestrom auch dort nicht endet, ist die Bezeichnung „Nutz“-Energie genau genommen eine Irreführung. Als Physiker und Ingenieure verfolgen wir die Energieströme noch ein paar Schritte weiter; nämlich so lange, bis sie das letzte System mit menschlicher Nutzung tatsächlich verlassen haben21) ODER „endgültig“ in einem System verweilen22).


Abb. 14: Energie-„Versorgungs“-Kette; oft viele hintereinandergeschaltete Systeme
Wobei das letzte Glied regelmäßig gar nicht dargestellt wird; das ist nämlich in der Hand des „Endverbrauchers“. Und sollte der etwa auf die Idee kommen, wirklich energieeffizient mit der eingekauften Energie umzugehen, dann würden die Energieversorger ja weniger umsetzen. Darüber zu klagen, dass das aus Sicht der Energieverkäufer so ist, wäre ebenso naiv wie unehrlich. Solange aber ausschließlich die Energieverkäufer als die 'Experten für Energie' gelten, lässt sich die Gesellschaft hier täuschen. Energieeffizienz beim 'Endverbraucher' ist eine bedeutende Alternative zur Beschaffung von immer mehr Energie; das muss aber von den Menschen erst erkannt werden.

Das letzte in der Nutzung befindliche System ist hier allein dargestellt, für den Fall, dass der erzeugte Nutzen selbst nicht in Energieeinheiten gemessen werden kann23). Dies ist das eigentlich wichtigste Teilsystem der Kette überhaupt: Hier wird nämlich das erzeugt, wofür die gesamte Kette letztlich dient: Wir nennen das die Energiedienstleistung24), der eigentliche Nutzen des Energieeinsatzes25). Als Output gibt es auch hier26) einen Energiestrom. Dabei handelt es sich allerdings ausschließlich um einen Verlust: Denn nach der Nutzung ist die Energie aus unserer Sicht „endgültig verbraucht“, sie verlässt das letzte beachtete durchströmte System in die27) Umwelt.


Abb. 15: Hier ist es nun, das letzte und eigentlich entscheidende Glied der Energieversorgungskette: Es ist das System, welches den eigekauften Energiestrom für die tatsächlich benötigte Dienstleistung einsetzt, im Fall der Heizung ist das das Gebäude selbst. Durch die Hülle entsteht aus dem Wärmestrom eine Temperaturdifferenz. Wie groß diese ist, hängt entscheidend von der Qualität dieser Hülle ab. Der Wärmstrom selbst endet vollständig in der Umwelt - es handelt sich letztendlich ausschließlich um Wärmeverluste.

Warnung: Hier könnte der Eindruck entstehen, dass die gesamte Energieanwendung überhaupt nur ein „sinnloser Wegwerfprozess“ ist, auf den wir auch komplett verzichten könnten. Das ist aber nicht so: Um den Service zu erbringen, wird die betreffende Energiemenge in der konkreten Situation auf Grund von spezifischen Randbedingungen wirklich gebraucht28). Illustrieren wir es an einem historischen Beispiel einer Dampfmaschine: Die hatte zwar um 1890 nur einen Wirkungsgrad von um 10%, 90% der verbrannten Kohle waren reiner „Verlust“[LEIFIphysics]]. Aber ohne diese Kohle würde die konkrete Maschine überhaupt nicht laufen, die Dienstleistung wäre Null. Die Art der vorhandenen Maschine legt uns somit auf den „Bedarf an Kohle“ fest. Aber: Sehr oft lassen sich die Randbedingungen so verändern, dass das Gesamtausmaß der für die Dienstleistung benötigten Energieströme sehr viel geringer wird, als mit heutiger Technik üblich. Das ist z.B. der Fall, wenn der Antrieb statt mit der Dampfmaschine elektrisch gemacht wird (Wirkungsgrad um 90%) und der Strom dafür aus einem Windgenerator stammt. Genau das werden wir im Folgenden anhand der wichtigsten Beispiele behandeln.

Energiedienstleistung Raumheizung

Komfortabel haben wollen wir es schon in unseren Aufenthaltsräumen - was von der natürlichen Umgebung nicht immer unbedingt behauptet werden kann. Dort herrschen z.B. in Mitteleuropa zwischen Oktober und Anfang März Temperaturen, die spürbar unter der Komfortgrenze liegen. Also stellen wir im inneren unserer Gebäude komfortable Bedingungen her; üblicherweise machen wir das mit einem System, das sich „Heizung“ nennt. Daher wollen wir diese Dienstleistung hier auch „Raumheizung“ nennen. Sie besteht darin, dass der Aufenthaltsbereich auf behaglichen Temperaturen (zwischen 20 und 24°C) gehalten wird, auch und gerade dann, wenn es außen kälter ist. Um welchen Betrag kälter, das spielt für den Aufwand durchaus eine Rolle, weshalb es letztlich die Temperaturdifferenz nach außen ist, welche das Ausmaß der Dienstleistung kennzeichnet.


Abb. 16: Die Energiedienstleistung der Raumheizung ist der Komfort im Gebäude. Es versteht sich leicht, dass diese Dienstleistung mit der Größe der beheizten Fläche und der Zeitdauer dieses Service ansteigt. Die Temperaturdifferenz nach außen, die aufrecht erhalten werden muss, ist ein weiterer Faktor. Das Produkt dieser drei Größen ist KEINE Energie, es ist vielmehr eine Zustandsbeschreibung für einen aufrecht erhaltenen Nichtgleichgewichts-Zustand. Wieviel Energie dafür tatsächlich gebaucht wird, hängt ganz entscheidend von der Qualität des Gebäudes ab.


Einfach einzusehen ist, dass die Dienstleistung mit der beheizten Fläche zunimmt und auch mit der Länge des Zeitintervalls, in der sie erbracht wird. So ergibt sich die quantifizierte Größe Energiedienstleistung Raumheizung zu Temperaturdifferenz (in Kelvin) mal Nutzfläche (in m²) mal Zeitperiode (in Stunden h), das führt zur Einheit Khm².
Und obwohl dieses Dienstleistung nun fast so aussieht, als „wäre es eine Energieform“, so ist es doch keine; es handelt sich vielmehr um eine Zustandskennzeichnung29), die Charakterisierung eines Nichtgleichgewichts-Zustandes, den wir durch passive und aktive Systeme zu einem Fließgleichgewicht machen. Wieviel Energie für die Aufrechterhaltung des Fließgleichgewichts erforderlich ist, hängt vor allem davon ab, wieviel der Wärme wir es erlauben, das Endnutzungssystem Gebäude wieder zu verlassen30). Der aktive Teil der Heizung besteht nämlich allein drin, diese Verluste wieder zu ersetzen. Das wird mit dem Energieflussbild in der folgenden Folie noch anschaulicher.
Eine Bemerkung zur Bedeutung ist hier angebracht: etwa 27% aller in Deutschland verbrauchten Endenergie wird zum Raum-Heizen verwendet. Nach dem Energieverbrauch für den Verkehr (ca. 30%) ist das der größte Brocken. Es lohnt sich daher wirklich, sich damit zu befassen.

Das ist schematisch das eigentlich entscheidende Dienstleistungssystem der „Raumheizung“: Es ist das Gebäude selbst, in dessen Innerem (orange) die Dienstleistung gewährleistet wird: Vereinfacht hier mit einer konstanten Innentemperatur gekennzeichnet. Der Physiker weiß sofort: Bei konstanter Innentemperatur ändert sich die Innere Energie dieses Systems nicht; das täte sie aber, wenn wir das System in einer kälteren Umgebung einfach so sich selbst überlassen würden: Da fließt dann nämlich Wärme ab, nach außen, in die Umgebung. Diese Wärme verlässt unsere Nutzungskette endgültig und sie lässt sich aus der Umgebung auch nur noch mit Aufwand zurückholen31). Hier handelt es sich somit um Energie-Verluste; und zwar ausschließlich Energieverluste, keine einzige kWh der im letzten Winter verbrauchten Heizenergie ist jetzt im Gebäude noch irgendwo „anwesend“. Die Höhe der Energieverluste entscheiden sich nach dem Aufbau der Hüllflächenkomponenten des Gebäudes: Lassen die einen zügigen Wärmetransport zu (z.B. ein Einfachglas), so sind die Verluste hoch; ist es eine Vakuumverglasung, so sind sie vernachlässigbar klein.


Abb. 17: Schema des Energieflusses in Gebäuden; das ist eine einfache Energiebilanz, weil es sich um ein offenes System mit identischem AEnd- wie Anfangszustand handelt. Die Summe der eintretenden Energieströme muss daher gleich er Summe der Verluste sein.

Das Ausmaß der Verluste lässt sich nach den Gesetzen des Wärmetransports sogar leicht ausrechnen: Materialien wie Beton leiten Wärme sehr gut von Bereichen höherer in Gebiete niedrigerer Temperatur weiter. Besteht eine Gebäudehülle im Wesentlichen nur aus Beton, so sind die Wärmeverluste sehr hoch und entsprechend viel muss nachgeheizt werden. Viele unseren bestehenden Gebäude sind so gebaut, als ob es ganz gleichgültig wäre, dass auf diesem Weg riesige Energiemengen 'einfach so' in die Umgebung abfließen können.

Was wir hier sehen: Es ist vor allem die Qualität des Dienstleistungssystems, in unserem Fall charakterisiert von der Wärmedämmwirkung (dem „Wärmedurchgangswiderstand“) der Gebäudehülle, wodurch der 'Bedarf' an nachzuliefernder Energie bestimmt wird.
(Elektro- und Elektronikingenieure und Facharbeiter können das an Hand des elektrischen Analogmodells32) sehr einfach verstehen).


Abb. 18 Baustelle eines Hochhauses: Die Hülle besteht vor allem aus hochwärmeleitendem Beton.

Hier ist nun die quantitative Fassung der Energieverluste für ein konkretes Gebäude, wie wir es beispielsweise in den 1980er Jahren üblicherweise gebaut haben33). Auf der linken Seite sind leicht ermittelbaren Verluste aufgestapelt: Es treten die Lüftung, die Außenwand und die Fenster hervor. Ein Teil der Verluste wird quasi kostenlos von solaren Beiträgen durch die Fenster und von Personen und Geräten geliefert. Weil aber die Verluste vollständig kompensiert werden müssen34), ist der bedeutende Energiestrom auf der Zufuhrseite die Heizwärme (rot dargestellt). Das sind in diesem Fall um 96 kWh/(m²a)35). Nicht mehr ganz so viel wie in den meisten Altbauten, aber immer noch eine gigantische Energiemenge, die, aus Öl nachgeliefert, so etwa 1500 Liter Heizöl jährlich verschlingt.

Abb. 19 Die Energiebilanz in einem konkreten Fall für einen heute in Europa „üblichen“ Neubau. Noch immer lassen wir da hohe Verlustwärmeströme zu.

Durch technische Verbesserungen am Nutzungssystem lassen sich die Verluste umfassend verringern. „Technisch“ heißt in diesem Fall bautechnisch; z.B. bessere Fenster (dreifachverglast), bessere Wärmeschutz im Dach (z.B. Dämmstoff in die Geschossdecke eingelegt), eine Verkleidung der Fassade. Diese Verbesserungen können mit dem heutigen Stand der Bautechnik die Verluste nicht nur „so ein bisschen“ reduzieren, sondern in sehr großem Umfang; im nebenstehenden Beispiel wurde dieser Neubau mit einer Gebäudehülle gebaut, die nur noch etwa ein Viertel der üblichen Verluste bewirkt. Weil die kostenlos nachgelieferte „freie Wärme“ aber in etwa gleich groß bleibt, schlagen die verringerten Verluste fast vollständig auf die Heizwärme durch, die sogar nur noch etwa ein Siebtel, nämlich ca. 14 kWh/(m²a), beträgt. Das ist i.Ü. so wenig Heizenergie, dass wir dafür gar keine Öl- oder Gasheizung mehr brauchen. So kleine Energiemengen können ganz problemlos aus Erneuerbaren Quellen kommen - und sie können ebenfalls ohne Problem über das bestehende Stromnetz geliefert werden36).


Abb. 20: Das architektonisch vollständig gleiche Gebäude wie in Abb. 19, nur, dass in diesem Fall ein guter Dämmstoff eingesetzt,, Dreischeibenverglaste Fenster verwendet und eine Wärmerückgewinnung betrieben wird. Diese Häuser sind tatsächlich so gebaut worden [Feist/Peper 2002].

So sieht das dann in der Praxis aus: Die hier gerade angebrachte Wärmedämmung aus „verpackter Luft“ hat eine Wärmeleitfähigkeit, die nur etwa einem Achtzigstel des Betons entspricht. Die Dämmschicht ist etwa gleich dick wie die tragende Betonwand: Der Wärmeverlust nach der Dämmung dadurch auf einen extrem geringen Wert reduziert. Ebenfalls sehr gut ist die Dämmwirkung der hier verwendeten Fenster37). Die Fenster „sitzen“ auch korrekt in der Dämmebene, sodass zugleich auch Wärmebrücken vermieden werden. Solche Gebäude verlieren nur noch sehr wenig Wärme und brauchen daher auch nur ganz wenig aktive Heizwärmezufuhr; Heizung und Kühlung können in diesem Fall durch die Wohnungslüftung gleich „mit-erledigt“ werden. Die Energiedienstleistung wird in diesem Objekt überwiegend durch Effizienz-Techniken, also 'passiv' erbracht38).


Abb. 21 Hier wird gerade die Wärmedämmung angebracht.

Kommen wir vom konkreten Beispiel auf die grundsätzlichen Überlegungen zurück: Wir wollen ein Maß für die Effizienz des Nutzungssystems auch dann bestimmen, wenn die maßgeblich Output-Größe nicht die Dimension einer Energie hat. Da der Nutzen (die Dienstleistung) immer größer Null, der Aufwand aber auch Null sein kann39), ist der herkömmliche „Wirkungsgradansatz“ hier nicht zielführend. Wir verwenden vielmehr den Kehrwert, die „Aufwandszahl“, oder, in unserem Fall den „spezifischen Energieaufwand“ in kWh je Einheit der Dienstleistung: Nutzwärmeaufwand geteilt durch Dienstleistung. In der Folie wird vorgerechnet, dass das auf die Dimension $\frac{\mathsf{W}}{\mathsf{m^2K}}$ für den spezifischen Energiebedarf führt. Eine altbekannte Größe, das ist eine Art zusammengefasster Gesamtenergieverlust je m² Wohnfläche und Kelvin Temperaturdifferenz.


Abb. 22: Das Effizienzmaß für ein Gebäude ist ein äquivalenter Wärmedurchgangskoeffizient. Er bezieht sich auf den m² Nutzfläche und bezieht alle Energieströme, auch die passiv solaren, mit ein. Alle „gewöhnlichen“ U-Werte addieren hierzu im Verhältnis von deren Flächenanteil zur Wohnfläche, der Lüftungsverlust wird durch Luftwechsel, Raumhöhe und Wärmerückgewinnung determiniert und die passiv solaren Gewinne wirken sich verbrauchsmindernd aus.

Was sind die essentiellen technischen Maßnahmen um die Wärmeverluste von Gebäuden niedrig zu halten? Es sind dies die drei hier nochmal illustrierten Maßnahmen:

  1. Wärmedämmung (natürlich lückenlos, d.h., unter Vermeidung von Wärmebrücken)
  2. verbesserte Fenster (im Wesentlichen drei statt nur zwei Scheiben)
  3. Wärmerückgewinnung aus dem Abluftstrom (denn frische Luft wird gebraucht, die ist aber kalt. Also erwärmen wir sie mit dem Wärmestrom der verbrauchten Luft vor)

Wir wissen heute durch Millionen gebauter Projekte, dass alle diese Techniken so funktionieren wie intendiert und dass zugleich eine Vielzahl anderer Problem durch deren Einsatz mitgelöst wird.


Abb. 23: Es ist eine Frage der Qualität der in der Praxis verwendeten Komponenten.
Was wir da heute können, liegt im Ergebnis bei etwa einem Faktor 10 niedrigeren Verlusten. Das konsequent umgesetzt ist in der Lage, auch die Energieanwendung Heizung auf Werte zu begrenzen, die in der Größenordnung anderer Anwendungen (wie Kühltruhen oder Waschtrockner) liegen. Damit ist die Dienstleistung „Raumwärme“ dauerhaft und nachhaltig aus regional gewinnbarer erneuerbarer Energie zu decken.


Und das funktioniert sogar nachträglich bei bestehenden Gebäuden. Das Bild zeigt links einen Altbau, der ohnehin zur Modernisierung anstand. Der wurde (rechtes Bild) mit einer verbesserten Dämmung von Kopf bis Fuß, neue, vergrößerten Fenster, Balkone und sogar einer Wärmerückgewinnung ausgestattet. Der Effekt: 85% der zuvor benötigten Raumheizenergie wurde eingespart, die Wohnungen sind heller und komfortabler geworden, die Substanz über weitere Jahrzehnte gesichert. Wir nennen diesen Ansatz heute "EnerPHit" und er hat sich inzwischen tausendfach bei den unterschiedlichsten Gebäuden und überall auf der Welt bewährt.

Die Alternativen sind nicht „Kohle“ oder „Erdöl“ oder „Erdgas“ oder „Uran“.

Die Alternative ist: „Effizienz und Erneuerbare“ oder „Abhängig von fossiler Energie und ihren Lieferanten“

Abb. 24 Bessere Lebensqualität, besserer Komfort, höhere Versorgungssicherheit, weniger Klimagase. Geringere Gesamtkosten.
Das sind keine Widersprüche - das geht alles zusammen.

Sehen wir uns das Gebäude wieder mit unserer Wärmebildkamera an40), so wird die Wirkung dieser Maßnahmen auch äußerlich erkennbar: Die Fassade ist kaum noch wärmer als der im freien stehende Baum und selbst die Fenster strahlen kaum noch Wärme ab. Im starken Kontrast zur Abstrahlung des noch ungedämmten Gebäudes im Hintergrund. Dieses Gebäude wird übrigens in EnerPHit-Beispiel genau beschrieben.


Abb. 25: Das Wärmebild zeigt es überdeutlich; rechts das modernisierte Gebäude, im Hintergrund ein ungedämmter vergleichbarer Altbau.

Wie relevant ist dieser Bereich der Raumheizung eigentlich? Das nebenstehende Kuchendiagramm zeigt, dass die beiden Dienstleistungen „Verkehr“ und „Raumwärme“ jeweils etwa um 30% des Gesamtverbrauchs an Endenergie ausmachen. Es sind damit tatsächlich die bedeutendsten Einzelanwendungen. Daraus, wie wir bei diesen Anwendungen die Effizienz verbessern, können wir auch für die übrigen Dienstleistungen lernen und werden das auch mit den folgenden Folien zeigen. Der dritte große Brocken, die „Prozesswärme“, ist in Wahrheit ein Sammelsurium ganz unterschiedlicher Anwendungen von der Erzschmelze bis zum Gießen von Wachs in Kerzenformen; bei allen diesen Prozessen müssen Experten der Verfahrenstechnik jeweils Konzepte für die Effizienzverbesserung entwickeln - was tatsächlich in vielen Fällen auch bereits gelungen ist.


Abb. 26 Endenergieverbrauch in Deutschland - wofür? Quelle: [Energiedaten BMWi]

Energiedienstleistung Verkehr

Der Verkehr ist der andere dicke Brocken der Endenergie-Nachfrage. Und überwiegend ist es motorisierter Individualverkehr, der diesen Energieverbrauch erzeugt: Also PKWs und Krafträder. Ein Maß für die Energiedienstleistung ist hier in Europa seit Jahrzehnten eingeführt: Es ist die Fahrzeug-Jahres-km-Leistung; 2010 waren es 905 Mrd PKW-km $(=s_{EDL})$ (Energiedienstleistung), die in Deutschland insgesamt zurückgelegt wurden. Und dafür wurden als „Input“ 718 Mrd kWh Sprit verbraucht. Auf 100 km Fahrstrecke haben diese Fahrzeuge somit

$ e_{spez} = \frac {E_{sprit}}{s_{EDL}} = 80 \frac {kWh}{100 km} $

an spezifischem Energieverbrauch gehabt (das entspricht übrigens ziemlich genau 8 Liter je 100 km; dieser Wert hat sich über Jahrzehnte letztlich kaum verändert41). Wir setzen diesen Wert hier als Referenzwert für die weitere Analyse.

Abb. 27

Dass diese Dienstleistung (Person von A nach B) durchaus auch mit herkömmlichen PKW mit deutlich höherer Effizienz erzeugt werden kann, zeigt das in dieser Folie dargestellte Fahrzeug. Mit 1400 kg Masse ist alles enthalten, was ein guter PKW braucht - schnell genug ist der PKW auch und mit um 45 kWh auf 100 km beträgt der spezifische Verbrauch nur 56% des gesamten Flottendurchschnitts. Auch beim PKW-Verkehr sind somit erhebliche Effizienzsteigerungen möglich und sogar bei konventionellen Fahrzeugen am Markt verfügbar.


Abb. 28 Auch verbrennungsmotorangetriebene Fahrzeuge können durchaus effizienter sein.

Der Durchbruch an Effizienz kommt mit der Verwendung von elektrischen Antrieben - da moderne Elektromotoren dieser Leistungsklasse Wirkungsgrade von mehr als 95% haben, weit höher als jeder Verbrennungsmotor42). Dazu kommt, dass der E-Motor reversibel arbeiten kann: Ich kann mit dem Motor „bremsen“ und der arbeitet dann als Stromerzeuger und gewinnt mir kinetische Energie zurück, die sonst üblicherweise einfach in nutzlose Wärme in der Bremsscheibe verwandelt wird.43)


Abb. 29 Elektrische Antriebe haben erheblich bessere Wirkungsgrade und können sogar reversibel arbeiten.
Allerdings: Das Gewicht der Batterie kommt dazu; hier sind aber noch Fortschritte möglich.

Selbst für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor sind die Grenzen verbesserter Effizienz damit aber noch lange nicht erreicht: Ein großer Fahrzeugkonzern hatte bereits einen Prototyp für einen „1-Liter-PKW“ realisiert - es waren vor allem die Ingenieure, die hier gezeigt haben, was sie eigentlich können. Ein Fahrzeug dieser Qualität kam dann allerdings nie auf den Markt44)

Abb. 30 Das 1-Liter-Auto: Durchaus machbar, dieser Prototyp hatte sich bewährt, wurde aber nicht in Serie aufgelegt.

Die Effizienz von Fahrzeugen, das zeigt die Praxis, ist offenbar in hohem Maß verbesserbar. Gibt es dafür eine physikalische oder technische Grenze? Einen ersten Hinweis zur Beantwortung dieser Frage gibt die Fahrrad-Technologie: Rechnen wir die von der radelnden Person aufgenommene Nahrung (vollständig!) als Energieaufwand (Input) des Systems, so ergeben sich 2,4 kWh je 100 km. Gerade einmal etwa 3% des Referenzverbrauchs. Das Fahrrad ist ein Fahrzeug mit extrem hoher technischer Effizienz. Dies gilt auch dann noch, wenn wir das Gefährt mit einem zusätzlichen elektrischen Nabenmotor ausstatten - und wir werden dann im Schnitt auch etwas schneller.

Natürlich ist die Dienstleistung hier nicht 1:1 mit der eines PKW vergleichbar: Ich bin langsamer, ich habe kein Dach über dem Kopf, ich kann nicht so viel transportieren. Aber: Diese Technik lässt sich in diese Richtung ohne weiteres ausbauen. Siehe Folie 31.

Abb. 31 Effizienz-Spitzenklasse: Fahrrad-Technologie.

Hier passt jetzt sehr schön das folgende Video, das verdeutlicht, welche Leistungen ein wohl trainierter Athlet so in die Pedale treten kann: Etwas mehr als eine Minute hält er mit 700 Watt mechanischer Leistung durch. „Crazy how much work it is to toast it!“45). 65 Sekunden für einen Profi-Rennfahrer. Und das sind gerade mal ungefähr 700 W·65s = 45500 Ws = 12,6 Wh = 0,0126 kWh(!). Ja, das ist durchaus deutlich mehr (das fast Zehnfache!) unseres Eingangsbeispiels „Klavier in den zweiten Stock“(Folie 7). Was man daran erkennen kann: Wärmedienstleistungen brauchen deutlich mehr Energie, als wir intuitiv wahrhaben wollen. Aber, 0,0126 kWh, das ist immer noch ein winziger Betrag an Energie im Vergleich zu den uns heute gewohnten. Ja, es ist total verrückt, welche gigantischen Energiemengen unser modernes Versorgungssystem ständig anliefert. Ein typischer 12 kW Gas- oder Öl-Brenner in einem Einfamilienhaus verfeuert leicht 288 kWh an einem einzigen Wintertag! Das ist etwa das 23tausend-fache der Energie, die hier im Video umgesetzt wird:

Olympic Cyclist Vs Toaster: Can he power it?


Mit normalerweise auf längere Zeit durchschnittlich eher 350 W schaffen es die Rennprofis, im Schnitt so um die 40 km/h schnell zu sein. Das sind mechanisch um die 0,9 kWh/(100 km) und es passt zu den Werten der Energieeffizienz von Fahrrädern46).

Und es geht doch noch effizienter als beim Fahrrad… wie dieses Fahrzeug zur Teilnahme am Solar-Wettbewerb der Hochschule Bochum zeigt: Ein Dreisitzer, durchaus 100 km/h schnell, basiert auf Fahrradtechnik und ist sogar noch effizienter47). Solche Fahrzeuge verbrauchen letztlich nur noch ein Zehntel heutiger durchschnittlicher Elektrofahrzeuge. Die Praxis bereits realisierter Prototypen zeigt: es scheint keine Untergrenze (>0) für die Reduktion der Energieverluste im Verkehr zu geben. Zeit, das einmal aus Sicht grundsätzlicher Physik zu betrachten.


Abb. 32 Solarfahrzeuge - sind eigentlich vor allem Höchsteffizienz-Fahrzeuge.

Was sagt die Physik hierzu? Wir haben die Definition der Energiedienstleistung im Verkehr (Personen-km bzw. Fracht-km) bereits kennengelernt.

Für die weitere Betrachtung müssen wir uns als erstes darüber im klaren sein, dass wir Menschen weit überwiegend geschlossene Pfade zurücklegen: Am Abend bin ich meist wieder im gleichen Bett wie am Vortag. Gut, zumindest nach ein paar Tagen gilt das fast immer48). Dem Mathematiker sind solche geschlossenen Pfade wohlbekannt: Sie dienen der Charakterisierung von Kraftfeldern - und in der Physik zeigt sich, dass das maßgebliche Kraftfeld unserer Lebensumgebung das irdische Gravitationsfeld ist. Das hat nun die Eigenschaft, ein „konservatives Kraftfeld“ zu sein; das ist gerade dadurch gekennzeichnet, dass die Summe von Kraft mal Weg (das ist die Arbeit!) entlang jedes geschlossenen Weges NULL =0 ist. Zur Ortsänderung inkl. Rückkehr (auch auf einem anderen Weg) wird also im Netto gar keine Energie im Gravitationsfeld „verbraucht“. Dass das wirklich „stimmt“ 49) zeigt die Tatsache, dass unser Planet Erde jetzt bereits seit 4 Mrd. Jahren im Wesentlichen stabil und mit nahezu Netto-Null-Energieverbrauch (Jahr über Jahr) seine Ellipsenbahn um die Sonne dreht50).

Wieso sagt uns dann unser „Alltagsgefühl“, dass das Zurücklegen von Wegen auf Erden eine anstrengende Angelegenheit ist? Das liegt letztlich wieder nur an der Ineffizienz der Systeme, mit denen wir die Verkehrsdienstleistung erbringen. Ja, der Planet macht es uns diesbezüglich nicht gerade leicht: Reibung stiehlt uns allüberall Bewegungsenergie; sei es Reibung der Räder auf der Straße oder Luftreibung des Fahrtwindes; aber auch die Tatsache, dass wir bisher regelmäßig gewonnene kinetische Energie nicht „rückgewinnen“ beim Bremsen, trägt zur Ineffizienz bei. Im Grundsatz lassen sich alle diese Verlustpfade nahezu beliebig reduzieren (z.B. durch Magnetlagerung und durch Reduzierung des atmosphärischen Drucks in der Umgebung des Fahrzeuges; das wurde auch alles bereits erfolgreich demonstriert.) 51) Besonders eindrücklich wird der Sachverhalt klar, wenn wir eine Fragestellung verfolgen, die schon Galilei beschäftigt hat: Er hat experimentell daran gearbeitet und fand Näherungslösungen dafür: Gegeben zwei Punkte A und B irgendwo in der Stadt. Außer der Gravitation wirken keine Kräfte52); A liege nicht tiefer als B. Welches ist nun der „schnellste Weg von A nach B“ wenn die Masse m einfach im Gravitationsfeld entlang des Weges losgelassen wird? (das Problem der Kurve kürzester Ankunftszeit, 'Brachistochrone' genannt). Jeder Student der Physik kennt diese Aufgabe, sie wird nämlich als Standard-Einführungsbeispiel für die Variationsrechnung eingesetzt. Und alle erinnern sich, dass der intuitiv geratene Weg „die Gerade durch A und B“ eben gerade nicht am schnellsten ist, sondern völlig überraschend ein Pfad, der länger ist, tiefer das Gravitationsfeld hinunter und dann wieder zu B hinauf geht. Die Studenten (und meist auch der Hochschullehrer) sehen das Ergebnis als eine amüsante Sonderlichkeit an und halten sich nicht lang dabei auf, dies tiefer zu ergründen oder gar nach den praktischen Konsequenzen zu fragen.

Wir machen das hier zumindest für einen Spezialfall: für den Radweg von A nach B (hier auf gleicher Höhe) (Folie 32). Beide Radfahrer starten mit der gleichen Anfangsgeschwindigkeit $v_{x0}$ in x-Richtung. Tom hat es eilig und folgt der waagerecht auf einem Damm verlaufenden Schnellstraße; während Anna pflichtgemäß der Tal-und Bergbahn des zum Radweg ausgezeichneten Wirtschaftsweges folgt (auch der ist fein asphaltiert). Die Reibung auf diesem kurzen Stück ist für beide Wege vernachlässigbar und keine der Personen tritt oder bremst. Wer ist vorher da? Zu aller Überraschung ist es Anna, trotz des Umweges, und das ist sogar leicht einzusehen.


Abb. 33 Wer ist schneller? Tom auf der Ebene oder Anna auf dem Muldenweg?

Wir betrachten das Fahrrad auf der Muldenbahn. Seine Geschwindigkeit setzt sich aus einer vertikalen Komponente (nach unten) und einer horizontalen zusammen. Befindet sich der Körper um die Höhe $h$ unterhalb der Bezugsebene, so hat seine Lageenergie um $mgh$ abgenommen. Um genau diesen Betrag hat seine kinetische Energie zugenommen, mithin ist seine Geschwindigkeit gestiegen. Die vertikale Geschwindigkeitskomponente spielt in Bezug auf die Reisezeit i.A. keine Rolle53). Aber auch die horizontale Komponente hat auf der dargestellten Strecke überall zugenommen (im tiefsten Punkt ist die ganze Lageenergie in kinetische Energie der hier ausschließlich horizontalen Geschwindigkeit umgewandelt). Damit ist der Körper an jeder Stelle schneller als der Konkurrent in der Ebene.


Abb. 34 Das glaubt einem erstmal niemand: Der Weg durch die Mulde ist schneller. Deutlich schneller. Im Internet gibt es eine ganze Reihe von Video-Demonstrationen dieser faszinierenden Brachistochronen-Bahnen.

Gehen wir auf die energietechnische Essenz der Brachistochronen-Bahn ein, so erkennen wir, dass es sich keinesfalls um eine sonderbare Ausnahmeerscheinung handelt, sondern um das fundamentale Prinzip, nach dem die meisten Vorgänge in der Natur54) ablaufen: Ja, Veränderungen (hier: Ortswechsel) sind mit Energieströmen verbunden. Jedoch: Wer klug ist, leiht sich die zugehörige Energie nur irgendwo aus und gibt sie nach getaner Dienstleistung wieder zurück. Die eigentliche Dienstleistung (Fahrrad von A nach B) braucht nämlich 55)gar keine Energie; jedenfalls 'verbraucht' sie keine. Radfahrerin Anna leiht sich zur Beschleunigung Energie aus dem Gravitationsfeld aus und wandelt diese in kinetische Energie um. In B angekommen, hat die Energie ihre Funktion erfüllt, sie wird nicht mehr gebraucht und ist vollständig an das Gravitationsfeld zurückgegeben.

Können wir diesen Trick praktisch nutzen? Durchaus, jedes Fahrzeug mit einem elektrischen Motor-Generator macht nichts anderes: Es 'leiht' die Energie zum Beschleunigen am Anfang der Fahrt aus der Batterie aus und speist sie am Schluss mittels Motor/Generatorbremse wieder ein.

Energiedienstleistung: Licht

Der heutige Endenergieeinsatz für 'künstliche Beleuchtung'56) macht nur etwa 2,8% des Gesamtverbrauchs aus. „Licht“ gehört zu den vielen bedeutenden Dienstleistungen, die heute durch Energieeinsatz erbracht werden, deren einzelner Energiebedarf aber nicht sonderlich auffällt. Trotzdem ist gerade Licht geradezu ein Symbol für den Fortschritt, den uns eine zuverlässige Energieversorgung gebracht hat: Lange Zeit war „Licht“ umgangssprachlich ein Synonym für die gesamte Elektrizitätsanwendung. Wir schauen uns daher hier auch dieses Anwendungsfeld an - und entdecken, dass es ebenfalls ein gutes Beispiel für die Bedeutung der Effizienz im Bereich der Energieanwendung ist. Nicht immer und überall reicht das „natürliche Licht“ der Sonne für eine ausreichende Beleuchtung aus. Um einen Bezugspunkt zu haben, gehen wir von der für normale Arbeitsstätten geforderten Beleuchtung von 500 lux aus; wenn der Arbeitsbereich 1,4 m² umfasst, ist das ein Lichtstrom entsprechend 700 lm (Lumen). Der Lichtstrom kann als gute kennzeichnende Größe für die Energiedienstleistung herangezogen werden. Eine Besonderheit ist hier, dass das Lumen tatsächlich direkt mit einem Nutzenergiestrom identifiziert werden kann57).

Die Kerze - wohl mit bei den ersten künstlichen Lichtquellen; liefert gerade mal 0.1 lm/W, der Rest der Energie wird direkt in Wärme umgewandelt. Eine vernünftige Beleuchtung des Schreibtisches ist damit gar nicht möglich. Die mit Petroleum betriebene Starklichtlampe war mit 5 lm/W immerhin 50mal so effizient - und konnte bei einer umgesetzten Leistung von 140 Watt den Schreibtisch durchaus erhellen (Wirkungsgrad um 2%). Die Glühlampe war der nächste Fortschritt in der Effizienz - erstmals war ausreichend Licht auch in der Nacht ohne Gestank und Brandgefahr möglich; 12 lm/W entsprechen aber immer noch einem Wirkungsgrad von unter 5%; die Glühlampe wird immer noch so heiß, dass der Nutzer sich leicht daran die Finger verbrennt. Elektrische Energie lässt sich durch Anregung gezielter Quantenübergänge direkt in Licht verwandeln; die Fluoreszenz-Lampe war die dafür schon bald verfügbare Technik, die immerhin bereits Wirkungsgrade um 20% erzielte. Je mehr Umwandlungsschritte sich die Technik erspart, je effizienter wird die Lampe: Halbleiter-Rekombinations-Licht („light emitting diodes LED“) sind zwar im Prinzip schon lange bekannt, wurden aber erst in den letzten Jahrzehnten zu einer breit einsetzbaren Lichtquelle entwickelt. Wirkungsgrade marktgängiger Leuchtmittel liegen inzwischen bei 75% bis 80% und die besten Systeme kommen schon nahe an 100% heran. Damit ist die für gutes Licht erforderliche elektrische Leistung von über 60 W inzwischen auf gerade noch 3,5 W gesunken. Das ist kein Problem mehr für eine komplett erneuerbare Energieversorgung überall auf der Welt.


Abb. 35 (Folie von Dr. B. Krick/Passivhausinstitut)

Die Effizienz-Verbesserung war auch bei der Beleuchtung der wichtigste Parameter, um den heute gewohnten Komfort überhaupt erreichen zu können. Immer noch lohnen sich Ansätze, das Licht gezielter dort einzusetzen, wo es wirklich gebraucht wird - und dort abzuschalten, wo es keinen Nutzen abwirft. Mit der heute verfügbaren Effizienz ist aber die Bereitstellung von ausreichend Licht jederzeit vollständig auf Basis erneuerbarer Energiequellen möglich, die erforderlichen Stromspeicher für ein paar Stunden sind bei derart geringem Verbrauch ebenfalls leicht verfügbar.

Rebound-Effekt?

Am Beispiel lässt sich auch die Frage diskutieren, welche Rolle der sogenannte „Rebound-Effekt“ spielen kann. Um die durch das verbesserte Leuchtmittel möglichen Einsparungen zu „verbrauchen“, müssten wir den Lichtstrom um etwa einen Faktor 17 erhöhen. Das geht natürlich – wird aber in der Praxis nicht gemacht, nicht beim heute schon vorliegenden Komfortniveau. Ja, die Beleuchtung hat sich auch in den vergangenen Jahren etwas verbessert, vielleicht sogar um maximal einen Faktor 3. Das würde uns dann Netto-Energieeinsparungen von 83 % statt der möglichen 94 % bescheren. Offensichtlich spielt das keine große Rolle – beide Einsparungen sind extrem hoch und beide sind in jedem Fall hoch genug, um die dann noch benötigte Energie ausschließlich durch erneuerbare Erzeugung bereitstellen zu können. Um Rebound-Effekte zu „bekämpfen“, muss die Effizienzsteigerung eben wirklich so hoch sein, dass die verbleibende „Nachfrage“ ohnehin vernachlässigbar gering ist.

Dieser Beitrag zeigt in vielen Details, dass das möglich ist: Passivhäuser brauchen so wenig Heizwärme, dass der Rest niemandem mehr wehtut, auf Fahrradtechnik basierende Elektro-Leichtfahrzeuge können mit Solarpaneelen auf dem bewohnten Haus versorgt werden und LED-Licht erzeugt nur noch einen extrem geringen Strombedarf.

Nichts spricht übrigens darüber hinaus gegen ein Nachdenken auch über Sinn und Zweck evtl. weiterer Steigerungen der Inanspruchnahme von Energiedienstleistungen. Ist die Qualität unseres Lebens dadurch, dass wir heute 3 statt einmal pro Jahr in den Urlaub fliegen, und das auch in immer weiter entlegene Regionen, wirklich stark gestiegen? Sind 23°C implizit durch leichte Kleidung vereinbarte Temperatur im Winter wirklich ein Gewinn für unser Leben58)? Muss es wirklich alle 8 Jahre eine neue Wohnzimmer-Garnitur sein? Ist das Lebensgefühl bei Tempo 180 wirklich so viel besser wie bei Tempo 130? Ich weiß aus der Erfahrung zahlreicher Diskussionen, dass diese Fragen in der Lage sind, enorme Emotionen auszulösen. Übrigens auf beiden Seiten der Fraktionen, die dabei jeweils eine dezidierte Antwort vertreten. Ich halte es vor allem für wichtig, darüber nach zu denken; angesichts der drängenden Gefahren durch die Klimakrise und der Zeit, die wie für eine Lösung jetzt noch haben, gibt es durchaus wichtige Argumente, dies zu reflektieren.

Bei den Effizienz-Potentialen ist die Lage eine andere: Diese lassen sich nämlich ohne Verzichtsdebatte umsetzen; vielfach darf sogar ein gewisser Zuwachs an Energiedienstleistung stattfinden und die Einsparungen bleiben trotzdem hoch. Davon, diese Effizienz-Potentiale umzusetzen, können alle profitieren, gleichgültig, wie sie zu diesen Fragen stehen.

Als Amateurastronom will ich hier ein damit zusammenhängendes Thema ansprechen: Die weltweit stark zunehmende Lichtverschmutzung. Wir haben uns so an die Verfügbarkeit von billigem Licht rund um den Tag gewöhnt, dass mancherorts auch die ganze Nacht hindurch alles hell erstrahlt. Folge: Wir können oft schon die Sterne am Himmel nicht mehr sehen, das feine Band der Milchstraße ohnehin kaum noch - ein wirkliches kulturelles Defizit, dass uns der Verbindung zu unserer kosmischen Heimat raubt. Für die Astronomie wird die Beobachtung zunehmend erschwert.

Mit steigendem materiellen Wohlstand können sich immer mehr Menschen immer mehr Konsum an vielen früher knappen Gütern leisten. Das ist aus meiner Sicht ein unbezweifelbarer Fortschritt bei der Überwindung von Hunger, Krankheit, Obdachlosigkeit und unwürdiger Ausbeutung - das muss im Blick haben, wer die Lösung ausschließlich im Verzicht sucht. Wenn ich aber bereits 500 lux auf meinem Schreibtisch verfügbar habe, dann sind die nächsten 500 bei weitem keine so enorme Steigerung der Lebensqualität mehr. Dass ich dann zumindest verlange, dass solches Licht nicht durch die Fenster in den Nachthimmel abstrahlt, ist ein legitimer Anspruch der Lebensqualität der anderen Mitmenschen, insbesondere der Astronomen.

Fazit: auch wenn gutes Licht sehr billig ist, sollte auf wenig Lichtlecks in die Umgebung geachtet werden.


Das prächtige Doppelband der Milchstraße beobachtet aus dem Pfälzerwald. Das ist unsere Heimatgalaxie - jedes der Bänder besteht aus mehreren Hundertmillionen Sternen.
Foto: @SvenOKrumke, herzlichen Dank für die Erlaubnis das Bild hier zu verwenden.

Energiedienstleistung: Kommunikation, Information

Ein bedeutender Teil des Energieverbrauchs bei Informations-Technologien kommt von den visuellen Endgeräten. Während die noch vor einem Jahrzehnt überwiegend verwendeten Röhrenbildschirme (typischer Verbrauch: 76 Watt) heiß wurden, Röntgenstrahlen emittierten, schwer waren und viel Platz brauchten, sind bereits LCD-Bildschirme platzsparend und haben eine erheblich verbesserte Effizienz: 10-20 Watt sind bei guten Geräten typisch. Ist das nun „gut genug“ oder gar die Grenze der physikalischen Möglichkeiten? Keinesfalls: Herkömmlich gedruckte Bücher führen uns vor Augen, dass zur Anzeige einer Information eigentlich gar keine Energie gebraucht wird (aus der Beleuchtung, und da reichen wenige Watt). Und tatsächlich zeigt die nächste Folie, dass es die Technologie mit höchster Effizienz tatsächlich bereits gibt: Reflexionsbildschirme mit durch elektrische Felder verstellbaren Pigmentpartikeln, sog. „elektronische Tinte“ ist in manchen Endgeräten sogar bereits im Einsatz.


Abb. 36 Bildschirme

Außer für das Licht und minimale Feldänderungen beim Bildwechsel braucht das elektronische Papier keine Energie für die Anzeige; das Bild kann sogar dauerhaft stehen bleiben, wenn das Gerät abgeschaltet ist. Bisher ist diese Technik noch relativ teuer, das kann sich aber schnell ändern.

Was ist denn nun mit den ganzen anderen Stromverbräuchen für den Computer am Arbeitsplatz, die Server und den Informationsfluss im Internet? Da gab es noch vor kurzem die schockierende Nachricht das „Video-Streaming“ extrem viel Energie verbrauchen würde (um 1 kW!). Der Kollege Rüdiger Paschotta ist dem einmal gründlich auf den Zahn gegangen: Video-Streaming. Und dem ist kaum etwas hinzuzufügen, ganz kurz zusammengefasst: „Allerdings zeigt eine neue Studie, dass dieser Effekt in einer früheren Studie massiv überschätzt wurde: Streaming ist keineswegs das neue Fliegen.“

Und nun doch noch eine Kleinigkeit ergänzt: Die Ausnahmefälle, in denen durch exzessive Fehlnutzung von Video-Übertragung (4-K-video per Mobilfunknetz (!) aufs Handy) ein extremer Stromverbrauch entstehen würde, lassen sich leicht abstellen und sind ohnehin völlig sinnlos.

Auch der verbleibende Verbrauch bei derzeitiger Technik ist zwar nicht spielentscheidend, aber doch immer noch überflüssig hoch. Hier sind, wie die Glasfasernetze zeigen, entscheidende Effizienzverbesserungen drin. Und jeder Internet-Teilnehmer sollte sich ab und an fragen, ob jetzt wirklich eine 4K-Übertragung notwendig ist oder den Video-Genuss entscheidend erhöht. Letzteres freilich gehört in den Bereich der „Suffizienz“; ist aber wohl keine existenzbedrohliche „Einschränkung“.


Abb. 37 Elektronisches Papier

Wie relevant ist das für die Praxis?

Können die hier aufgezeigten Potentiale ökonomisch tatsächlich für eine gesamte Volkswirtschaft erschlossen werden? Das lässt sich inzwischen ziemlich gut beantworten, denn die praktische Umsetzung zumindest eines Teils der Potentiale ist jetzt seit einigen Jahrzehnten zumindest in einigen Ländern im Gang. Ich greife hier als Beispiel die Entwicklung in Deutschland heraus - nicht, weil diese besonders 'vorbildlich' wäre59), sondern weil die zugehörigen Daten gut dokumentiert und schon viele Jahre eingehend ausgewertet sind. Zur Einordung der Ergebnisse sollte hier ergänzt werden, dass das Erschließen von Effizienz-Potentialen seit mehr als einem Jahrzehnt so gut wie keine Rolle in der öffentlichen Kommunikation spielte. Die, wie wir sehen werden, trotzdem vorliegenden beachtlichen Erfolge stellen sich vor allem wegen der kleinen Verbesserungsschritte bei den hergestellten Produkten im Zuge der ohnehin stattfindenden Erneuerungsprozesse ein60).

Zwischen 1990 und 2016 ist die Wirtschaftsleistung (gemessen durch das reale Brutto-Inlandsprodukt BIP) Deutschlands insgesamt um ca. 51% gestiegen. Wir wollen hier davon ausgehen, dass dazu auch eine Steigerung der Energiedienstleistungen in etwa gleichem Umfang korrespondiert 61). Bei gleichbleibender Energie-Intensität (insb. -Effizienz) war vor diesem Hintergrund erwartet worden, dass der Primärenergieverbrauch PEV in Deutschland im gleichen Maß, eben von 14913 PJ/a auf rund 22500 PJ/a zunimmt. Tatsächlich ist der PEV aber in diesem Zeitraum sogar gesunken, nämlich auf 13383 PJ/a (das sind -10%). Verbesserte „Effizienz-Energie“ deckt somit in DE bereits über 40% des Bedarfs und stellt daher schon heute den größten Einzelanteil aller „Energieträger“62). Die jährliche durchschnittliche Effizienzverbesserung liegt mit 2,3%/a sogar deutlich über dem Energiedienstleistungswachstum (1,9%/a).

Figure 38

Das ist ein großer Erfolg der Effizienz-Entwicklung, insbesondere vor dem Hintergrund, dass Politik und Wirtschaft keinesfalls besonderes Gewicht auf diese Verbesserungen gelegt hatten63). An anderer Stelle haben wir ausgeführt, wie sich dieser Erfolg erheblich steigern ließe: 3,3% Effizienz-Steigerung je Jahr wäre mit etwas Engagement erreichbar und dies würde es erlauben, die Klimaziele relativ schnell zu erreichen64).

Wie lässt sich konkret die Steigerung des Effizienz-Einsatzes erreichen? Das ist im Grunde verblüffend einfach: Z.B. werden jährlich etwa 3% aller Fenster in den Bestandsgebäuden erneuert. Bisher sind die neuen Fenster üblicherweise um etwa einen Faktor 2 besser als die alten. Insgesamt führt das so auf eine Verlustreduktion von ca. 1,5%/a. Bleiben wir bei der gleichen Austauschrate, gehen aber auf Fenster nach dem Stand der Technik über, so nimmt die Einsparung auf über 82% zu und das sind 2,6%/a in diesem Segment. Dies, obwohl noch nicht einmal eine erhöhte Austauschrate angesetzt wurde65). Der Ansatz ist hier also: Es werden die ohnehin ablaufenden Neu- oder Ersatzinvestitionen durchgeführt - allerdings nicht mit einem „mittelmäßigen Durchschnittsprodukt“, sondern mit um Faktoren verbesserten Komponenten66). Wir wir zu noch mehr solchen verbesserten Bauteilen kommen, zeigt die folgende Folie.

So funktioniert die bereits seit Jahrzehnten bewährte Vorgehensweise zur Initiierung der benötigten Effizienz-Verbesserung. Ein Hersteller eines Produktes, das bei seinem Einsatz Energieströme verursacht, kann hierzu beitragen67). Der Hersteller überlegt sich einen Vorschlag für ein verbessertes Produkt und kontaktiert einen Energie-Effizienz-Zertifizierer68). Der hat die Kompetenz, die verbesserte Komponente auf den tatsächlich erreichten Effizienzgrad zu prüfen69). Werden die Kriterien erfüllt, kann das Effizienz-Zertifikat vergeben werden. Ist das noch nicht der Fall, so ist ein Ingenieur am PHI in der Lage, Hinweise auf noch bestehende Schwachstellen zu geben und Tipps dazu, wie sich diese weiter verbessern lassen. Nach einer endlichen Zahl von Schleifen gelingt hier regelmäßig eine Verbesserung um Faktoren. So sind bereits Tausende von erheblich Effizienz-verbesserten Komponenten auf den Markt gekommen.70)


Abb. 39

Ein weiterer, komplementärer Ansatz besteht in der ganzheitlichen Planung und Qualitätssicherung z.B. bei Bauprozessen71): Fortschrittliche Planungswerkzeuge wie z.B. das Passivhaus-Projektierungs-Paket erlauben es dem Architekten und den Fachplanern solche Entwürfe von Anfang an auch energetisch zu optimieren. Die Erfahrung zeigt, dass dies, früh genug eingesetzt, den späteren Verbrauch der Gebäude um Faktoren gegenüber dem „Business as Usual 'BAU'“ reduzieren kann - und die erneuerbare Stromerzeugung auf Dach oder Fassade kann auch gleich integriert werden. Die Folie zeigt eine bunte Vielzahl von Neubauten und modernisierten Gebäuden mit nachgewiesenem Passivhausstandard - d.h., Energieverbrauchswerten, die gut einen Faktor 5 unter denen bei 'üblicher Vorgehensweise' liegen. Weil das ohnehin-Neubauten oder -Modernisierungen betrifft, ist der Aufwand dafür im Vergleich zum „ohnehin-Fall“ meist nicht sonderlich hoch72).


Abb. 40 Einige Beispiele realisierter Projekte

Hier noch ein paar Informationen und Links zum weiteren Studium: Eine kostengünstige Möglichkeit, Gebäude mit erneuerbarer Energie zu heizen, bieten die einfachen Raumklimageräte (auch Split-Gräte genannt). Die sind inzwischen erheblich effizienter, leiser und kostengünstiger geworden - und können neben Kühlung eben auch mit vernünftigen Arbeitszahlen heizen. Im Bericht "Heizen mit dem Klima-Split-Gerät" werden Messergebnisse aus zwei Jahren Erprobung eines solchen Raumgerätes dokumentiert und diskutiert. Hinweise und praktische Tipps für Maßnahmen zur Energieeinsparung stellt die Aktion „JETZT“ des Passivhaus Instituts zusammen. Erreichbar sind diese Informationen über das Internet mit der Adresse http://www.passipedia.de.


Abb. 41

Die Verbesserung der Energieeffizienz erweist sich als der Schlüssel für eine nachhaltige Lösung der mit der Energieversorgung verbundenen Probleme. Die sorgfältige Analyse der heutigen Energienutzung, insbesondere jener Systeme, die am Ende der Nutzungsketten stehen, führte uns zur Quantifizierung der Energiedienstleistungen. In den überwiegenden Fällen lassen sich diese Dienstleistungen mit Energieaufwendungen nahe Null erbringen, in dem statt einer aktiven eine (evtl. geregelt) passive Techniklösung gewählt wird. Dann sinken die Verbrauchswerte typischerweise auf ein Viertel bis ein Zwanzigstel des sonst heute üblichen. „Von selbst“ erfolgt die Umstellung freilich nicht - allerdings lassen sich die erforderlichen Investitionen dann leicht schultern, wenn die Verbesserung im üblichen Erneuerungs-Zyklus ausgeführt wird. Inzwischen gibt es dazu Praxiserfahrungen, die eine auch ökonomisch attraktive Umstellung innerhalb weniger Jahrzehnte möglich erscheinen lassen. Mit diesem Pfad wird eine vollständig erneuerbare Energieversorgung ohne gigantische Infrastrukturkosten möglich. Maßgebliche Volkswirtschaften sind bereits vielversprechend auf dem Weg; weil die Zeit wg. der Klimakrise kritisch ist, lohnt sich ein verstärktes Engagement.


Abb. 42

Die künftige Energieversorgung wird weit überwiegend auf nachhaltigen Quellen beruhen müssen: Am Ausbau von Wind- und Sonnenenergie führt kein Weg vorbei. Die Umstellung geht umso schneller und leichter, je konsequenter auf dem Weg zugleich die Energieeffizienz erhöht wird. Erfolgt das so, wie hier vorgeschlagen, so kann mit der heute bestehenden Verteil-Infrastruktur (vor allem der Stromnetze) bereits ein bedeutender Teil des Bedarfs abgedeckt werden.

Hier auf Passipedia finden Sie übrigens auch konkrete Hinweise, wie Sie im eigenen Umfeld die Energie-Effizienz verbessern können: Energieeffizienz JETZT.

Literatur

[Energiedaten BMWi] Tabellenkalulationsmappe des Bundesministeriums für Wirtschaft: Energiedaten; Daten aus Tabelle 7 der Arbeitsmappe für 2019; die dortige Kategorie „mechanische Energie“ vom Autor noch aufgeteilt in „Verkehr“ und „sonstige mechanische Energie“

dargestellt im Diagramm sind die Originaldaten aus Zeile 30 (EEV(Raumwärme) temperaturbereinigt je qm bewohnte Wohnfläche) aus dem Tabellenblatt 8b (Kennziffern des Energieverbrauchs)

[Bossel 1980] Hartmut Bossel et.al.: Energiewende, 1980, Taschenbuch ISBN: 3100077059

[LEIFIphysik] Entwicklung des Wirkungsgrades von Wärmkraftmaschinen, speziell des Dampfprozesses https://www.leifiphysik.de/waermelehre/waermekraftmaschinen/ausblick/dampfturbine

[Lovins 1977] Amory and Hunter Lovins: Soft Energy Paths, 1977, ISBN-10: 0060906537

[Meyer-Abich 1979], Klaus Michael Meyer-Abich: Energieeinsparung als neue Energiequelle - Wirtschaftspolitische Möglichkeiten und alternative Technologien, 1979 ISBN: 3446127348

[Nørgård 1979] Jørgen Stig Nørgård: Improved efficiency in domestic electricity use, Technical University of Denmark | DTU · Department of Civil Engineering, 1979

[Peper/Feist 2002] Peper, Sören; Feist, Wolfgang: Klimaneutrale Passivhaussiedlung Hannover-Kronsberg Analyse im dritten Betriebsjahr; 1. Auflage, Proklima, Hannover 2002; dieser Bericht kann kostenlos beim Passivhaus Institut bezogen werden.

[Rosenfeld 2001] Arthur H. Rosenfeld, T. M. Kaarsberg, J. J. Romm, Efficiency of Energy Use, in The Macmillan Encyclopedia of Energy, John Zumerchik, editor in chief, Macmillan Reference USA, 2001. See also https://www.mercurynews.com/2009/12/23/art-rosenfeld-the-godfather-of-energy-efficiency/ and

[Shurcliff 1981] William Shurcliff: Super Insulated Houses and Double Envelope Houses, Brick House, Andover, 1st edition 1981

1)
zunächst mühsam
2)
und nicht zu teure
3)
Wir werden auf die zentrale Bedeutung des Energiebegriffs in der Physik an anderem Ort eingehen: Die meisten Physiker würden zustimmen, wenn wir hier behaupten, nach der Physik gibt es eigentlich nur zwei Grundbausteine: Energie und Information
4)
oder auch gar nicht erst verstanden ist
5)
weil sie darauf nie hingewiesen wurden und wohl auch nicht darüber nachgedacht haben
6)
eben gerade wegen des 1. Hauptsatzes, des Energie-Erhaltungssatzes
7)
nämlich nach oben
8)
If you've had a bit of math in school you would know, that such a question depends on the reference. If my capability to deliver work is the reference, that 4120 Joule is quite a lot of energy. But, you might have a different reference… The calculation also introduces the SI-unit of energy, namely the „J“ (Joule). It's just the energy of the work done lifting one kg against 1 m/s² up one meter: 1 J = 1 kg m²/s² = 1 Nm
9)
Die kWh ist eine „abgeleitete gesetzliche Einheit“ und deswegen auch zulässig; und eine recht praktische Einheit
10)
im wahrsten Sinne „Giga“
11)
genauer eigentlich Gravitationsenergie
12)
des Heizöls
13)
…zum Warmhalten des Hauses
14)
weitgehend bekannte
15)
Verwirrt es zu sehr, wenn wir jetzt nach sehr sorgfältiger Analyse feststellen müssen, das es 'geschlossene Systeme' in der Praxis immer nur näherungsweise gibt? Ja, wir können 'Grenzüberschreitungen' mit raffinierter Technik sehr, sehr klein halten. Aber Null? Jedenfalls nicht streng in einer Umgebung, in der sich auch Menschen aufhalten können. Das „geschlossene System“ ist also eine Idealvorstellung. Und vielleicht beruhigt das sogar: Im Gegensatz zu dem, was viele glauben, ist auch ein Passivhaus ein offenes System. Die Verlustströme sind nur so klein, dass sie niemanden mehr jucken. Und dass wir, für die Energiebilanzen, in ausreichend guter Näherung mit dem „geschlossenen-System-Modell“ arbeiten können. Wenngleich z.B. beachtliche klassische Stoffströme, wie z.B. Frischluft und Trinkwasser, die Systemgrenzen ständig durchströmen.
16)
in Analogie zu einer Stoffbilanz
17)
so lässt sich eine Maschine wirtschaftlich optimal im Dauerbetrieb einsetzen
18)
oder das gleiche
19)
Energierückgewinnung
20)
weinrote strichpunktierte vertikale Linie
21)
das gilt für den überwiegenden Teil aller Energieströme
22)
Das gibt es manchmal: Z.B. wenn das Klavier in der angehobenen Lage im 2. Stock verbleibt oder wenn ein hergestellter Rohstoff (z.B. Aluminium) als Produkt stabil eingesetzt wird
23)
was in ca. 95% aller Anwendungen der Fall ist, wie wir noch sehen werden
24)
engl. Energy-Service
25)
Das System selbst nennen wir das „Dienstleistungssystem“ und die Energie, die dort als Input eingespeist wird, die „Nutzenergie“.
26)
wg. des Energiesatzes für das offene System
27)
regelmäßig nicht mehr beachtete
28)
ohne Wärmezufuhr an die Kanne in Figur 2 wird der Kaffee nämlich wirklich kalt und die Dienstleistung fehlt
29)
Temperatur °C auf einer Fläche im Zeitraum
30)
also: der Verlustwärmestrom
31)
dazu unternehmen wir aber normalerweise keinerlei Anstrengung
32)
Der Wärmestrom verhält sich im Analogmodell wie ein elektrischer Strom; die Spannung entspricht dabei der Temperaturdifferenz, der Wärmedurchgangswiderstand dem elektrischen Widerstand $R$. Nach dem Ohm'schen Gesetz muss dann der Strom durch $R$ den Wert $ \frac {\Delta \phi}{R}$ annehmen, um die Potentialdifferenz $\Delta \phi$ (entspricht der Temperaturdifferenz $\Delta T$) aufzubauen. „Hochohmig“ bedeutet kleinen Strom; niederohmig (=schlecht gedämmt) hohem Strom. $R$ ist der Kehrwert des Leitwertes (entspricht dem Wärmedurchgangskoeffizienten). Auch die Wärmekapazität entspricht übrigens in diesem Analogmodell der thermischen Kapazität. Alles, was man über die Berechnung elektrischer Netzwerke weiß, lässt sich so 1:1 in die thermischen Vorgänge übersetzen. Historisches Schmankerln: Vor der Zeit der Digitalrechner haben Bauphysiker tatsächlich eine Zeitlang elektrische Analog-Schaltungen zusammengelötet, um Fragen des thermischen Verhaltens von Komponenten im sehr viel schnelleren elektrischen Modell zu studieren. Das Stichwort ist hierzu „Beuken-Modelle“. Die Nerds der Gebäudesimulation kommunizieren noch heute gern ihre jeweiligen Ansätze gern mit einer elektrischen Analogschaltung, z.B. „Einkapazitätenmodell“ oder „$\pi$-Glied“ bzw. „Tiefpass“. Übrigens wird, diese Analogie im Kopf, auch sehr leicht klar, dass hohe Kapazitäten allenfalls glättende, aber bei periodischen Vorgängen nie stromsparende Wirkung haben (Tiefpassverhalten); es sei denn, sie sind so groß, dass sie saisonal Energie speichern; Die Zeitkonstanten von Gebäuden liegen aber im Bereich von Stunden bis wenigen Tagen.
33)
Berechnen lässt sich das in jedem konkreten Fall mit dem Programm PHPP.
34)
Das ist wie bei einer Waage
35)
Bezogen auf die Wohnfläche
36)
das zugehörige Windrad kann also auch ganz woanders stehen. Entscheidend ist dafür tatsächlich, dass die erforderlich Leistung auch in der Summe über alle Verbraucher die der heute maximal auftretenden Spitzenlasten nicht erheblich überschreitet. Wollten wir alle heutigen Gebäude elektrisch direkt beheizen, dann würde das eine zusätzliche Spitzenlast von 220 GW verursachen. Das sind 180 Großkraftwerke und ist etwa noch einmal so viel die insgesamt heute in Deutschland maximal verfügbare elektrische Leistung.
37)
nämlich Dreischeiben-Low-E-Verglasung
38)
Nicht zu 100%; das ist auch nicht nötig, denn es stehen nachhaltige Energieströme zur Verfügung. Das genau ist der Punkt: Wenn, wie bei diesem Beispielgebäude, der verbleibende Stromverbrauch für die Wärmepumpen der Heizung bei weniger als einem Zehntel der sonst üblichen Werte bleibt, dann ist es weder ein Problem, diese kleinen zusätzlichen Strommengen über das Netzt zu liefern noch ein Problem, diese elektrische Energie z.B. aus Windkraft zu erzeugen. Gute Energieeffizienz erweist sich hier als entscheidende Erleichterung für die Umstellung auf ein nachhaltiges Energiesystem.
39)
beim Nullenergiehaus
40)
ähnlich wie schon die Kaffeemaschine
41)
Obwohl die technische Effizienz der Motoren in diesen Zeiträumen durchaus erheblich zugenommen hat. Die Industrie hat in diesem Bereich die Effizienzzunahme fast ausschließlich zur weitern Steigerung von Motorleistung, Fahrzeuggewicht und Endgeschwindigkeit genutzt. Oft wird dieser Effekt als „Rebound“ bezeichnet. Im vorliegenden Fall ist die Kernursache aber eine andere: Es war erklärtes Ziel der Industrie gewesen, am Markt für leistungsstärkere, schnellere, schwerere Autos zu werben. Wir wollen die Diskussion über den Sinn solcher Ziele nicht hier führen stimmen aber zu, dass diese Diskussion geführt werden muss.
42)
Natürlich muss ein wenig aufgepasst werden, wie der Strom dafür letztlich produziert wird - aber selbst fossil befeuerte moderne Gaskraftwerke haben Wirkungsgrade über 50% und das Gesamtsystem ist selbst mit solchem Strom immer noch weit besser als ein Verbrennungsmotor
43)
Durch die Einbettung in das gesamte Industriesystem ist die Situation insgesamt noch etwas „verwickelter“. So ist wirklich wichtig, woher die Stromerzeugung im Schwerpunkt kommt; allerdings ist da absehbar, dass wir weltweit für den Strom auf weitgehend erneuerbare Erzeugung umsteigen können. Dann wird der elektrische Antrieb in der Gesamtbewertung noch besser. Und wg. der hohen Effizienz der E-Motoren ist der Strombedarf für den Verkehr dann insgesamt gar nicht mehr so exorbitant hoch, so dass das erneuerbare Energiesystem dies durchaus bewältigen kann.
44)
Die „verkaufen müssen wir immer schneller, immer schwerer und immer größer“-Fraktion hat sich durchgesetzt. Bis hin zu Folgen, die der wenig später aufgedeckte Skandal offenlegte.
45)
'Total verrückt wieviel Arbeit es macht, nur eine solche Scheibe zu toasten.'
46)
Auch zu den oben angegebenen 2,4 kWh/(100 km). Bei den 0.9 handelt es sich nämlich allein um die mechanische Energie, die der Mensch mit seine Muskeln bei immerhin ca. 30% Wirkungsgrad 'erzeugen' kann. Damit liegt der „Brötchen-Input“ in unserem Fall bei 0,9 kWh/30% = 3 kWh, nur wenig höher als der Durchschnittwert bei Folie 20. Der Alltagsradler fährt ja auch „nur“ gemütliche 20 km/h. Übrigens: so um die 0,6 kWh müssen für den menschlichen Grundumsatz (ohnehin-Leistung) in beiden Fällen eigentlich noch abgezogen werden.
47)
weil windschnittiger und mit Bremsenergierückgewinnung.
48)
bis auf die erste und die letzte Reise, die aber beide nur einen vernachlässigbaren Anteil an den Wegen haben
49)
zumindest in sehr guter Näherung
50)
Dabei übrigens Energie umwandelt: höhere potentielle Energie im Gravitationsfeld der Sonne wird auf der Bahn in den Winter in höhere kinetische Energie des Planeten umgewandelt (ist aber dann natürlich immer noch 'erhalten') und die Erde wird dann nach der Sonnwende wieder langsamer und wendet die kinetische Energie auf, um im Sommer wieder den sonnenfernsten Punkt zu erreichen; das ging bereits mehr als 4 Milliarden mal gut, ohne dass dabei nennenswert Energie 'verbraucht' wurde. Spitzfindige Bemerkung: nach der allgemeinen Relativitätstheorie wird dabei tatsächlich in extrem geringem Ausmaß Gravitationsenergie abgestrahlt.
51)
Der wesentliche „Grund“, warum wir hier weniger Fortschritte erzielen als eigentlich möglich, ist eine mentale Blockade: Die Gesellschaft gefällt sich darin, für ihre Zwecke immer höhere Leistungen und einen immer größeren Aufwand zu betreiben. Auch dann, wenn diese Steigerungen letztlich kaum noch etwas „bringen“ und oft vor allem zerstörerisch sind. Hier ist eine Verbindung zum Suffizienz-Gedanken gegeben - in einem extremen Sinn, weil vermeidbare Ineffizienz die Lebensqualität ja keinesfalls verbessert. Sie dient dann nur noch der Aufrechterhaltung einer zerstörerischen Ideologie.
52)
das ist die einzige Randbedingung, also kein Antrieb und auch keine Reibung; mit „ganz wenig Reibung“ ist das Ergebnis aber kaum ein anderes
53)
außer, es geht zu tief hinunter; wir dabei das eigentliche Optimum aussieht, das ist genau die Aufgabe bei diesem Problem - die durch die mathematische Disziplin der Variationsrechnung gelöst wurde.
54)
zumindest bis zu einem gewissen Grad
55)
so gut wie
56)
Summe aller Sektoren
57)
Im Gegensatz zu den meisten anderen Energiedienstleistungen ist der Endenergiebedarf für eine künstliche Beleuchtung nur auf ein physikalisches Minimum >0 reduzierbar. Von dessen Erreichung sind wir aber noch entfernt - und die insgesamt dafür benötigte Energie ist ohnehin nur gering
58)
Nicht Frieren zu müssen ist das unbezweifelbar. Aber auch bei 20°C im Raum muss bei angemessener Kleidung niemand frieren
59)
sie ist einigermaßen typisch für die vergangenen Jahrzehnte für entwickelte Industrieländer
60)
z.B. der Ersatz von Fenstern oder von Lampen oder von veralteten Bildschirmen…
61)
In der Tat ist die gebaute Wohnfläche vergrößert worden und es gibt mehr Kraftfahrzeuge. Im Grundsatz wäre die gesamte EDL ermittelbar; das ist genau genommen nur eine Fleißarbeit, weil z.B. die Fahrzeug-km erhoben werden und veröffentlicht sind. Eine grobe Schätzung stützt die These, dass die Energie-Dienstleistungen tatsächlich in etwa mit dem BIP gestiegen sind
62)
Wenn wir hier dem Ansatz des Kollegen Meyer-Abich folgen, der angesichts der Möglichkeiten der Substitution von Energieträgern durch „eingesparte Energie“ von „Energiesparen als Energiequelle“ sprach. Diese (frühe) Publikation zeigt auch, dass die hier dargestellten Erkenntnisse keinesfalls 'neu' sind; [Lovins], [Bossel], [Nørgård], [Rosenfeld] und [Shurcliff] haben die Zusammenhänge auch schon in den 70er Jahren korrekt dargestellt.
63)
Ab 2010 sogar ganz im Gegenteil: dazu haben wir die offizielle Statistik im Zeitverlauf ausgewertet: Analyse: Brach liegende Potentiale.
64)
Zusammen mit einem etwa ebensolchen Ausbau der Erneuerbaren Energieerzeugung; beides ergänzt sich in ausgezeichneter Weise
65)
Eine solche ist vor dem Hintergrund der fossilen Versorgungskrise und der hohen Wirtschaftlichkeit durchaus anzustreben
66)
die es im Übrigen alle bereits am Markt zu vernünftigen Kosten gibt
67)
gezeigt am Bspl. eines Fensterrahmens. Es geht aber genauso z.B. für ein Steckernetzteil oder einen Auto-Dachträger oder einen Fahrstuhl oder…
68)
in diesem Fall geht es um das Zertifikat „Passivhaus-tauglich“
69)
beim Fenster geht es hier vor allem um die Wärmeverluste, die regelmäßig in der Nutzungsdauer erheblich höher sind als z.B. die Herstellungsenergie für einen solchen Rahmen
70)
Für die Regierungen wäre es i.Ü. relativ einfach, diese Prozesse verstärkt anzuschieben, indem für erfolgreiche Verbesserungen Anreize gegeben werden; die Kosten solcher Entwicklungen sind in den meisten Fällen nicht sonderlich hoch.
71)
Neubau oder Modernisierung. Auch bei anderen komplexen Systemen, wie z.B. einer Fahrzeug-Neuentwicklung, ist eine solches Vorgehen zielführend
72)
Bspl.: Wärmedämmung anbringen statt einfach nur neuen Verputz
energieeffizienz_jetzt/das_grosse_ganze.txt · Zuletzt geändert: 2022/08/06 16:15 von wfeist