Feuer aus Eis

Feuer aus Eis - Aufbruch ins entropische Zeitalter ist der Arbeitstitel für ein Sachbuch über die naturwissenschaftlichen Grundlagen einer nachhaltigen Ökonomie. Auf dieser Seite werden die einzelnen Kapitel kurz vorgestellt und der Stand der Arbeit dokumentiert.

Zielpublikum und Struktur

Potentielle Leser dieses Sachbuches sind Entscheidungsträger aus Politik und Wirtschaft, aber auch Journalisten und Lehrpersonen. Entsprechend dieser Leserschaft werden mathematische Herleitungen soweit wie möglich vermieden, Berechnungsbeispiele aus dem Text ausgegliedert und quantitative Zusammenhänge meist in graphischer Form dargestellt. Dennoch werden die physikalischen Grundlagen soweit wie nötig erklärt und in ihren Wirkungen erläutert. Im Gegensatz zum Physikunterricht, der sich stark an der historischen Entwicklung orientiert, geht die hier zugrunde gelegte Systemphysik vom heutigen Wissenstand aus und strukturiert die Zusammenhänge gemäss einem einfachen Schema: die Bilanz einer mengenartigen Grösse liefert die Kernaussage oder das Skelett für die einzelnen Teilmodelle, die konstitutiven Gesetze bilden das Fleisch und die Energie dient als Klammer, mit der die verschiedenen Teilmodelle zu einem Gesamtmodell zusammen gefügt werden können. Einige Gesetze der Physik lassen sich mit Hilfe des Flüssigkeitsbildes, des Strombildes und des Wasserfallbildes so stark vereinfachen, dass ihre mathematische Darstellung durch eine intuitive, in jedem Menschen schon angelegte Vorstellung ersetzt wird.

Jedes Kapitel beginnt mit einem erläuternden Beispiel, welches die zentrale Fragestellung illustriert. Anhand dieses Beispiels werden dann die zentralen Ideen, die Begriffen und die Gesetzmässigkeiten aufgezeigt. Diese Erkenntnisse werden danach auf weitere, relevanter Beispiele angewendet. Zum Schluss sollen die Grenzen des Machbaren aufgezeigt werden.

Die 2000-Watt-Gesellschaft

Um die Jahrtausendwende hat die ETH im Rahmen ihrer Nachhaltigkeitsstrategie 2000 Watt als verträgliches Mass für den persönlichen Energiebedarf definiert. Wer diese Botschaft verstehen will, muss den Energie- bzw. den Leistungsbegriff kennen und die 2000 Watt in die eigene Erfahrungswelt einbringen können. Ein leidiges Thema sind die Einheiten der Energie: kWh bezeichnet die Energie, kW die Leistung und kW/h wäre eine Leistungsbeschleunigung.

Die mittlere Leistung von 2000 Watt pro Person wird aus historischer, ökologischer, ökonomischer und psycho-soziologischen Perspektive analysiert und beurteilt. Welche Leistung setzt ein Mensch oder ein Pferd frei? Wie gross ist der Wirkungsgrad dieser Lebewesen? Wieviel Energie kommt von der Sonne, wieviel aus dem Erdinnern? Mit solchen Fragen wird der Rahmen des Machbaren abgesteckt.

Energieverbrauch

Energie ist eine Erhaltungsgrösse, d.h. sie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Und dennoch sprechen wir von Energieverbrauch. Zudem soll gemäss einer gängigen Definition Energie Arbeitsvermögen sein. Und trotzdem muss man dem Kühlschrank Energie zuführen, um die Wärmeenergie aus dem kalten Innern in die warme Küche zu pumpen. Energie wird gebraucht, um die Wohnung zu heizen, das Smartphone aufzuladen, den Rasenmäher zu betreiben oder eine Reise zu machen. Diese Omnipotenz erinnert ein wenig an den Kannitverstan aus einer Kalendergeschichte von Johann Peter Hebel.

Aus heutiger Sicht ist die Energie keine eigenständige Grösse mehr. 1905 hat Albert Einstein gezeigt, dass Energie und träge Masse äquivalent sind. Zudem bilden Energie und Impuls ein gemeinsames Objekt, einen Vektor in Raum und Zeit. Diese und weitere Erkenntnis aus der Wärmelehre erlauben es uns, den Energiebegriff konsistenter zu fassen: Energie ist eine Buchhaltungsgrösse, die gespeichert, transportiert und von einer Grösse auf eine andere umgeladen werden kann. Das mag jetzt ziemlich abstrakt klingen, kann aber zusammen mit den entsprechenden Bildern anschaulich gemacht werden.

Energie wird demnach nicht verbraucht, sondern immer weiter verteilt. Im Endeffekt wird die Energie auf die Entropie umgeladen, die Basismengen der Physik, die erzeugt aber nicht vernichtet werden kann.

Primärenergie

Energie bleibt erhalten. Energie und Masse sind äquivalent, meinen also die gleiche physikalische Grösse. Deshalb haben wir kein Energieproblem sondern nur ein Energiefreisetzungsproblem. Um Energie zu beziehen, brauchen wir einen Vorrat an potentiell freisetzbaren Energien (Energiequellen). Dazu stehen uns zurzeit nur drei Quellen zur Verfügung.

• Sonnenenergie
• fossile Brennstoffe
• Kernenergie

Die Sonnenenergie können wir direkt (Photovoltaik, Sonnenkollektoren oder Sonnenkraftwerk sowie indirekt (Wind, Wasser, Wellen oder nachwachsende Rohstoffe). Fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas sind Energiequellen, die in einem Zeitraum von mehreren hundert Millionen Jahre ebenfalls von der Sonne aufgebaut worden sind. Bei der Kernenergie unterscheiden wir zwischen Spaltung und Fusion. Obwohl beide Technologien als Massenvernichtungswaffen eingesetzt werden, können wir erst mit der Spaltung nutzbare Energie freisetzen. Ob die entsprechende Technik für die Fusion je einmal nutzbringend beherrscht werden kann, weiss heute niemand. Spaltbares Uran ist in früheren Sternexplosionen gebildet worden und somit auch nicht erneuerbar.

Energietransport

Energie muss oft vom Ort der "Produktion" zum Ort des "Verbrauchs" transportiert werden. Die verschiedenen Transportarten spiegeln die Entwicklung der Industrieproduktion. Anfänglich wurde die Energie mechanisch und nur über kurze Strecken transportiert. Wellen, Riemen und ganze Transmissionen sorgten dabei für den Transport und die Verteilung der Energie. Mit der Elektrifizierung wurde die Verteilung weniger aufwändig. Zudem konnten grosse Gebiete energetisch gekoppelt werden. Der indirekte Transport über Brennstoffe sorgte für eine immer dezentralere "Produktion".

Energiespeicherung

Sowohl die "Energieproduktion" als auch der "Energieverbrauch" unterliegen tages- und jahreszeitlichen Schwankungen. Tendenziell werden diese Schwankungen schon bei der Planung der "Energieproduktion" einberechnet. Die unvorhersehbaren und zufälligen Schwankungen werden mittels Rückkopplung (Regelung) und zusätzlichen Energiespeichern kompensiert. Bei mechanischen Energieübertragungssystemen speichern alle rotierenden Teile wie Räder und Wellen Energie. Diese natürliche Energiespeicherfähigkeit wird meist durch zusätzliche Schwungräder vergrössert. Bei hydraulischen Systemen wird die überschüssige Energie meist von Blasenspeichern aufgenommen und bei Bedarf wieder abgegeben. Energiespeicher stabilisieren auch die Potentialgrösse, also die Drehzahl oder Winkelgeschwindigkeit bei mechanischen und den Druck bei hydraulischen Energieübertragungssystemen. Elektrische Energieübertragungssysteme verfügen nur über wenig inhärente Speicherfähigkeit. In Analogie zur Mechanik und zur Hydraulik bieten sich Kondensatoren mit grosser Kapazität (Supercaps) an. Weil die Speicherfähigkeit der Kondensatoren verglichen mit den Schwankungen auf dem Netz meist nicht ausreicht, werden oft auch noch Batterien eingesetzt. Grössere Energiemengen werden in Stauseen, Luftspeicher oder Wärmespeichern zwischengelagert.

Entropieprinzip

Die Energie ist Buchhalterin in der Welt der Physik, aber die Entropie ist die Managerin. In der Alltagssprache umschreiben wir die Entropie mit dem Wort Wärme. Statt "Wärme kann erzeugt, gespeichert und transportiert werden" sollten wir sagen "Entropie kann erzeugt, gespeichert und transportiert werden". Entropie wird in jedem zeitlich nicht umkehrbaren Vorgang (irreversibler Prozess) erzeugt. Die Entropieproduktion ist allgegenwärtig. Damit sind die Rollen klar verteilt: mit der Energie können wir Prozess miteinander vergleichen, mit der Entropie lassen sich diese Vorgänge optimieren.

Die Entropie entsteht bei allen Reibungsprozessen. Ob wir mit dem Auto bremsen, Wasser aufheizen oder einen Ventilator einschalten macht keinen Unterschied. Mit all diesen und praktisch allen unseren Handlungen erzeugen wir Entropie. Diese Entropie bindet entsprechend der Umgebungstemperatur Energie, die dann für weitere Prozesse nicht mehr zur Verfügung steht. Mit der Entropieproduktion vermindern wir den Vorrat an verfügbarer Energie. Sparsam mit der Energie umgehen bedeutet somit, möglichst wenig Entropie produzieren.

Die Erde ist eine riesige Entropiefabrik, wobei der Mensch nur einen kleinen Teil beiträgt. Doch wo geht all die produzierte Entropie hin? Die Antwort auf diese Frage ist so einfach wie verblüffend: Die Erde empfängt von der Sonne Entropie bei hoher Temperatur und strahlt diese bei tiefer Temperatur in den kalten Weltraum ab. Energetisch ist die Erde im Gleichgewicht, strahlt sie doch so viel Energie pro Zeit ab wie sie bekommt. Entropie gibt sie aber etwa zwanzigmal mehr ab als sie von der Sonne bezieht, weil ihre Oberflächentemperatur etwa 20 mal kleiner als die der Sonne ist.