Verbrauch Endenergie CH. Ausgangslage. Auf welche Energien setzen wir? Wie bauen wir das Thema in den Unterricht ein?

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Gregor Lorenz
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1 VERA Lehrerkurs 2011 Auf welche Energien setzen wir? Wie bauen wir das Thema in den Unterricht ein? Lino Guzzella We ve arranged a civilization in which most crucial elements profoundly depend on science and technology. We have also arranged things so that almost no one understands science and technology. This is a prescription for disaster. We might get away with it for a while, but sooner or later this combustible mixture of power and ignorance is going to blow up in our faces. Carl Sagan ( ) 45 Minuten 2 Ausgangslage Naturwissenschaft und Technik sind die grössten kulturellen Errungenschaften der Menschheit. Sie bilden die Voraussetzung für das freiheitliche und demokratische Gesellschaftsmodell. Notwendige Voraussetzungen für den sozialen und wirtschaftlichen Erfolg eines Landes sind die Naturwissenschaft und die Technik und eine sichere, zuverlässige und kostengünstige Energieversorgung. Verbrauch Endenergie CH Diesel/Benzin PKW Flugzeuge, Nahrung 2% Schiffe 11% Diesel 5% LKW 15% Wärme Industrie Gewerbe 20% 10% Strom Haushalt 23% 15% Strom Industrie Gewerbe Wärme Haushalt CH etwa MJ/Tag = 6-7 kw Dauerleistung (thermisch, elektrisch,!) 3 4

We have also arranged things so that almost no one understands science and technology. This is a prescription for disaster.

2 Woher kommt unser tägliches Brot? Endenergie 10 MJ/kg (230 kcal/100 g) Laden 0.6 MJ/kg (0.1 kwh/kg,! el =0.6) Bäckerei 6.0 MJ/kg (1 kwh/kg,! el =0.6) Mühle 1.2 MJ/kg (0.2 kwh/kg,! el =0.6) Transport 0.2 MJ/kg (total 200 km Distanz) Landwirtschaft 2.0 MJ/kg (300 l Diesel/ha, 6000 kg/ha) Summe 10 MJ/kg Fossile Primärenergie Annahme: Elektrische Energie wird aus fossilen Energieträgern mit 60% Wirkungsgrad erzeugt. Ausblick Nur durch Fortschritte in und breite Anwendung von Naturwissenschaft und Technik kann die Zukunft der Menschheit gesichert werden. Bevölkerungswachstum unvermeidbar, Stabilisierung ohne grössere Verwerfungen als best case Anrecht auf Wohlstand gilt für alle Menschen, die Entwicklung ist nicht aufzuhalten Entwicklung dank fossiler Energie einmalige Chance, wenn diese verspielt wird, gibt es keine weitere! 5 6 Szenarien Weltbevölkerung Prognose und Realität Energieverbrauch PJ/Jahr PJ/Jahr Jahr Quelle: OECD/IEA (2005 und 2010) Quelle: UN (2004) PJ/jahr = AKW (1 GW Klasse) 1 AKW pro Tag für die nächsten 50 Jahre = WT (5 MW Klasse ) 550 Windturbinen pro Tag für die nächsten 50 Jahre 8

0 MJ/kg (300 l Diesel/ha, 6000 kg/ha) Summe 10 MJ/kg Fossile Primärenergie Annahme: Elektrische Energie wird aus fossilen Energieträgern mit 60% Wirkungsgrad erzeugt.

3 Prognose und Realität CO 2 -Ausstoss 30.6 Gt In der CH eingesetzte Energie 880 PJ entspricht 3.5 kw Fehler? (6-7 kw) Graue Energie Importe! Quelle: OECD/IEA (2009 und 2011) Quelle: BfE, Die Schweiz ist keine Insel! In der CH produzierte elektrische Energie CO 2e -Emissionen t pro Kopf und Jahr Quelle: BAFU, Mittlere Zuwachsrate = 3.2% Quelle: BfE,

Quelle: OECD/IEA (2009 und 2011) Quelle: BfE, 2010 9 10 Die Schweiz ist keine Insel!

4 Anteil erneuerbare elektrische Energie Zuwachs 2010 Prognose AKW-Kapazitäten CH Strom in TWh/Jahr 20 10?? Bundesratsbeschluss 25. Mai Zwischenfazit Ausstieg aus der CH Kernenergie bedeutet bis ca mind. 25 TWh pro Jahr zu ersetzen (Annahme: 0% Zunahme des Verbrauchs weil bessere Geräte im Einsatz, Lieferverträge mit französischen AKW offen) Reduktion der CO 2 -Emissionen auf 1 t pro Kopf und Jahr bedingt eine Reduktion um 86% (nur CH) bzw. um 92% (inkl. graues CO 2 und Energie in Importen) Diese Ziele sind sehr anspruchsvoll und konträr Physikalisch/technisch ist vieles (nicht alles) machbar; entscheidend ist aber die Ökonomie Hype oder Fortschritt? Das Gegenteil von Gut ist nicht Böse, sondern gut gemeint. (Kurt Tucholsky) Die Politik sucht schmerzlose Lösungen und geht daher immer von zu optimistischen Annahmen aus und glaubt an unrealistische Konzepte Die Medien spielen aus eigenem Interesse nicht immer die ihnen eigentlich zustehende Rolle (Sensation statt Information) Wichtige, dringende und intensiv diskutierte Themen bieten immer gute Gelegenheiten für clevere Personen eigene (oft finanzielle) Interessen zu verfolgen Auch die Wissenschaft ist dagegen nicht immer gefeit! 15 16

25 TWh pro Jahr zu ersetzen (Annahme: 0% Zunahme des Verbrauchs weil bessere Geräte im Einsatz, Lieferverträge mit französischen AKW offen) Reduktion der CO 2 -Emissionen auf 1 t pro Kopf und Jahr

5 CO2-neutrale Stromerzeugung? 220kV H2 Quelle Bild: AP/NZZ 18 17! CO2-neutrale Stromerzeugung? Die Zukunft: Elektroflugzeuge? CxHy y/x " 2 H2 Quelle: NASA Helios Project 19! 20

6 Kopfrechnung Aktueller Treibstoffverbrauch: 3 kg Kerosin/100 Pkm Annahme Elektroflugzeuge: 1 kg Kerosinäquivalent/100 Pkm Energieinhalt Kerosin: 43 MJ/kg Annahme Batterien: 1 MJ/kg (heute 0.3 MJ/kg) Für einen Flug Zürich New York (ca km) braucht es also pro Person: - heute 180 kg Kerosin - später kg Batterien Quelle: Swiss Was haben wir für Möglichkeiten? Photovoltaik (PV) Solarthermie Geothermie Windenergie Biomasse Wasserkraft Erdgas Sparen A , 380 Sitzplätze, Leermasse 170 t, Startmasse 370 t Modulpreisentwicklung, US $ / W Auswirkungen auf Stromkosten Heute pro Kopf 0.35 kw aus AKW in der Schweiz Heute pro Kopf 0.35 kw aus AKW/Kohle im Ausland Heute Strom aus AKW und Kohle 0.05 Fr./kWh PV Strom 0.25 Fr./kWh (heute Fr./kWh) Ergibt pro Kopf eine Zusatzbelastung von: 0.7!365! 24! ( 0.25" 0.05) =1'300 Fr./Jahr Quelle: BfE, 2010 Weiter Probleme: die Sonne scheint nicht immer, die Netze müssen ausgebaut werden,! 23 24

Photovoltaik (PV) Solarthermie Geothermie Windenergie Biomasse Wasserkraft Erdgas Sparen A 340-600, 380 Sitzplätze, Leermasse 170 t, Startmasse 370 t 21 22 Modulpreisentwicklung, US $ / W 30 20 10

7 Saisonale Schwankungen Solarthermie Produktion mit PV statt AKW (eigene Schätzung) Quelle: BfE, 2010 Quelle: 25 Geothermie im Mittelland Geothermische Wärmeflüsse Temperaturzunahme 3 K pro 100 m! =1! T kalt T heiss Für WP und evtl. für saisonale Wärmespeicherung OK Für Elektrizitätserzeugung mind. 150 K Temperaturdifferenz (besser 200 K) nötig, Tiefen im Bereich von 5 km, Durchmesser 10 m Elektrische Gesamtwirkungsgrade von maximal 20% Kosten sehr hoch, Bau nur mit Roboter möglich Quelle: Domenico Giardini, Institut für Geophysik, ETH

T kalt T heiss Für WP und evtl. für saisonale Wärmespeicherung OK Für Elektrizitätserzeugung mind.

8 Flächenbedarf für Geothermie Nachhaltige Nutzung der nachfliessenden Erdwärme Windenergie 100 km AKW Mühleberg (P el,netto =370 MW) Quelle: 30 Biomasse (Treibstoffe) Totaler Umweltschaden (Eco Indikator)r) 99) Zuckerrohr Br Soja US Methan aus Holz CH Kartoffeln CH Benzin Sun Fuels Totale Treibhausgasemissionen Quelle: Zah et al., EMPA/BAFU Quelle: ETH, Prof. Steinfeld 32

htm 30 Biomasse (Treibstoffe) Totaler Umweltschaden (Eco Indikator)r) 99) Zuckerrohr Br Soja US Methan aus Holz CH

9 Gaskraftwerke R. Clausius A. Stodola W. Traupel ( ) ( ) ( ) Moderne Kombi-Gaskraftwerke Quelle: Wikipedia 33 Unkonventionelles Erdgas 34 Sparen Elektrospeicherheizungen durch Wärmepumpen ersetzen (2TWh elektrische Energie können im Winter eingespart werden, Gesamtkosten unter CH 10 Mia. Fr.) Best in class Verbraucher (Kühlschränke, Tumbler,!) als Standard vorschreiben. Gebäudehüllen isolieren, Dreifachgläser für Fenster, Zwangskühlung,!!!! 35 36

34 Sparen Elektrospeicherheizungen durch Wärmepumpen ersetzen (2TWh elektrische Energie können im Winter eingespart

10 Zwei Schritt vor, einer zurück! Inakzeptabel Energie Neubauten U-Wert Fenster 2.8 W/(m 2 K) 0.7 W/(m 2 K) -20% U-Wert Wände 0.5 W/(m 2 K) 0.2 W/(m 2 K) -15% Komfortansprüche Platz pro Kopf 34 m 2 45 m 2 +30% Raumtemperatur 20 o C 22 o C Verbrauch: 15 l/100km Quelle: GM Die Lösung? Ein paar Daten Ersatz aller CH Autos VM EM benötigt TWh elektrische Energie zusätzlich (2 x Gösgen) Die Zusatzkosten sind enorm (Batterien, Ladestruktur, Netz,!), 4 Mio. Autos, 25 kfr. Zusatzkosten = 100 Mia. Fr. Das Problem des saisonalen Ausgleichs verschärft sich Die Fahrleistungen sind deutlich schlechter (Reichweite, Platzangebot, Komfort, Sicherheit, Wintertauglichkeit,!) Quelle: Tesla Motors 39 40

Ein paar Daten Ersatz aller CH Autos VM EM benötigt 15-20 TWh elektrische Energie zusätzlich (2 x Gösgen) Die Zusatzkosten sind enorm (Batterien, Ladestruktur, Netz,!), 4 Mio.

11 Unspektakulär aber wirksam! Umsetzung im Schulalltag Erziehung zu selbständig denkenden Menschen. Kompromisslose Einforderung des Leistungsprimats. An den Gymnasien mit klaren Eliteansprüchen. Betonung des relevanten und langfristigen Wissens (Sprachen, Mathematik, Naturwissenschaften). Verbrauch: Potenzial 2.5 l/100km Selbständiges Arbeiten auch an Energiethemen Der Wert und der Preis von Energie Mechanische Dauerleistung Mensch = 100 W Preis von 1 kwh elektrische Energie = 0.2 Fr. Zeit um diese Energie zu produzieren = 10 h Merci für Ihre Aufmerksamkeit! Folienkopien: lguzzella@ethz.ch Laborwebsite: Stundenlohn also 0.02 Fr

5 l/100km Selbständiges Arbeiten auch an Energiethemen.

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