Strom aus Wind, Sonne und anderen Quellen - Deutschland 2016 (1)

Diesmal werfen wir einen genaueren Blick auf die Stromproduktion in Deutschland im Jahre 2016. Die Datenbasis dieser Überlegungen beruht auf der exzellenten Zusammenstellung von Paul-Frederik Bach, die wir schon gelegentlich zitiert haben.

Wir haben bereits einmal auf die deutschen Verhältnisse geblickt und zwar hier. Dabei ging es um das Zusammenspiel von Stromerzeugung aus Wind und Sonne einerseits und dem Gesamtverbrauch an Strom andererseits. Für diese Werte stellt P-F Bach stundenweise Werte zur Verfügung. Im Jahresablauf ergibt sich dann das Bild, das wir in dem zitierten Posting bereits gezeigt haben:

Fig. 1 Wind und PV-Produktion sowie Stromverbrauch (Load) in Deutschland 2016

Sehen wir uns das Ganze nun tageweise an. Und zwar wählen wir einen bestimmten Tag des Monats (hier den 15.) und sehen uns an, wie die obige Kurve dann aussieht. Die zwölf Monate des Jahres werden in vier Postings abgehandelt. Das erste in dieser kleinen Serie behandelt die Stichtage im Januar, Februar und März 2016.

Wir beginnen im Januar. Es ist der 15. Januar, ein Freitag.

Fig. 2 Wind, PV und Verbrauch im Januar

Die Sonne zeigt sich Mitte Januar nur kurz und vermag die relativ schwache Windbilanz nicht wirklich zu verstärken. Es ist natürlich nur Zufall, aber der Wind flaut gerade dann ab, wenn der Tagesstromverbrauch seine Höchstwerte erreicht. Wind und Sonne zusammen erzeugen zu keinem Zeitpunkt mehr als 10 GWh, während das Verbrauchsminimum an diesem Tag knapp unter 50 GWh liegt. An der Spitze geht der Stromverbrauch bis über 70 GWh hoch.

15. Februar, Montag:

Fig. 3 Wind, PV und Verbrauch im Februar

Schon wird die Photovoltaik etwas prominenter, glücklicherweise dann, wenn der Verbrauch am höchsten ist. Das ist sozusagen die Sonnenseite der PV, dass sie immer dann liefert, wenn der Strombedarf groß ist. Natürlich nur, falls es sonnig ist. Auch im Februar ist der Unterschied zwischen Verbrauch und regenerativer Erzeugung gewaltig.

15. März, Dienstag:

Fig. 4 Wind, PV und Verbrauch im März

Auch dieses Bild spricht für sich und bedarf keiner großen Erklärung. Wie gesagt, es handelt sich hier nur um einzelne Schnappschüsse. Aber sie geben einen Eindruck von den Größenordnungen, um die es hier geht. Sonne und Wind liegen weit unter dem Bedarf.

Abschließend noch ein paar Bemerkungen zum Stand von Windenergie und Solarstrom im untersuchten Zeitraum. Ende 2016 gab es in Deutschland knapp 28000 Windkraftanlagen mit einer Gesamtkapazität von etwas unter 50 GW. Im Bereich der Photovoltaik gab es 2016 etwas mehr als 41 GWp installierte Leistung. Quellen hier und hier.

Energieverbrauch eines Einfamilienhauses (2)

Kürzlich ging es um den Energieverbrauch eines Einfamilienhauses innerhalb eines kurzen Zeitraumes beim Übergang vom Winter zum Frühjahr. Das ist eine Periode, in der sich die Heizleistung zum Teil deutlich verringert, während andererseits die Sonne aus ihrem winterlichen Versteck ausbricht und somit zur Heizung und Warmwasserbereitung beitragen kann.

Wie bereits im letzten Posting erwähnt, wird das Haus mit einer Luft-Wärmepumpe beheizt und mit Warmwasser versorgt. Es ist also vollständig elektrifiziert. Der gesamte Energiebedarf wird über das Stromnetz abgedeckt.

Im vergangenen Jahr sah die Verbrauchskurve so aus:

Fig. 1 Gesamtenergieverbrauch (blau) und thermische Solarproduktion (rot) pro Monat in kWh in 2017

Was an diesem Bild als erstes ins Auge sticht, ist die enorme Schwankungsbreite des Verbrauchs zwischen Winter- und Sommermonaten. Im Winter trägt die Solarthermie naturgemäß recht wenig zur Energieversorgung bei (weniger als 10%). Andererseits befindet sich die Luft-Wärmepumpe während der kalten Jahreszeit in einem Bereich relativ geringer Effizienz.

In der Übergangszeit (Frühjahr, Herbst) hingegen ist der Beitrag der Solarthermie bereits spürbar.

Und im Sommer wird die gesamte Warmwasserbereitung von der Solaranlage erledigt. Hier lässt sich dann auch eine "Grundlast" bestimmen, die unabhängig von Heizung und Warmwasser ist. Diese beläuft sich auf etwa 400 kWh pro Monat, also rund 13 kWh pro Tag. Die jährliche Grundlast beträgt in diesem Beispiel folglich 4800 kWh. Alles, was darüber liegt, geht also für warmes Wasser sowie für Heizzwecke drauf, in diesem Fall rund 5000 kWh.

Für ein Haus dieser Größe (240 m2 Wohnfläche) ist das ein recht passabler Wert. Andererseits sind inzwischen die Anforderungen an die Wärmedämmung so streng, dass der Bedarf an Heizenergie nicht mehr so hoch ist wie bei älteren Häusern.

Energieverbrauch eines Einfamilienhauses

Hier ein kurzer Einblick in den Energieverbrauch eines Einfamilienhauses in Luxemburg. Das Haus (Baujahr 2016) hat eine Wohnfläche von ca. 240 m2 und wird mit einer Luft-Wärmepumpe beheizt. Dazu kommt noch eine Solarthermie-Anlage mit einer Fläche von ca. 10 m2, die an sonnigen Tagen die Warmwasserbereitung unterstützt. Der betrachtete Zeitraum läuft vom 12 Februar bis zum 27. März 2018.

Fig. 1 Energieverbrauch (grün, linke Skala) und Außentemperatur (rot, rechte Skala)

Die Außentemperatur variiert in dieser Zeit zwischen frostigen -11 Grad und +7 Grad. Sehr schön zu sehen ist die Gegenläufigkeit von Temperatur und Energieverbrauch. Wenn die Temperatur absinkt, steigt die Anzahl der verbrauchten Kilowattstunden spürbar an (27./28. Februar). Dasselbe gilt natürlich auch umgekehrt: Wird es draußen wärmer, fällt der Energieverbrauch (11./12. März). So weit, so trivial.

Damit die Sache nicht gar zu einfach wird, kommt noch ein weiterer Faktor ins Spiel: die Sonne. Sie kann auch an frostigen Tagen scheinen und damit über die Solarthermie die Heizung unterstützen. Und nicht nur das: sie trägt auch direkt über die südseitigen Fenster zur Heizung des Hauses bei.

Hier das entsprechende Bild.

Fig. 2 Energieverbrauch (grün, linke Skala) und Solarthermie-Produktion (blau, rechte Skala)

Ein Vergleich der rechten und der linken Skala zeigt die unterschiedlichen Dimensionen: während sich die Verbrauchswerte zwischen 30 und 70 kWh bewegen, liefert die Solarthermie maximal 20 kWh, und das auch erst gegen Ende März. Die sonnenärmeren Tage korrelieren negativ mit den höheren Verbrauchswerten, will heißen: je weniger Sonne, umso mehr Heizaufwand.

Hier ein weiteres Bild, das die Unterstützung durch Solarthermie verdeutlicht.

Fig. 3 Gesamtenergieverbrauch (grün) und Verbrauch abzüglich Solarthermie (blau)

Aufgetragen ist einerseits der gesamte Energieverbrauch des Hauses (grüne Kurve) und andererseits der Verbrauch abzüglich der Solaranlage (blaue Kurve). An jenen Tagen, wo sich die beiden Kurven treffen, hat die Solarthermie nichts geliefert. Es war also bewölkt oder regnerisch (15/02, 02/03 und 17/03). Andererseits ist an den Tagen, wo die Solarproduktion relativ hoch war, ein großer Abstand zwischen den beiden Kurven zu beobachten (25/02).

Insgesamt trug die Solaranlage im Februar 219 kWh zur Warmwasserbereitung bei. Der gesamte Energieverbrauch lag in diesem Monat bei 1560 kWh.

Mit den ansteigenden Außentemperaturen wird in Kürze die Heizleistung auf Null reduziert werden. Gleichzeitig nimmt die Anzahl der Sonnenstunden zu, und schon bald wird das gesamte Warmwasser von der Solarthermie bereitgestellt. Im Jahr 2017 lieferte die Solaranlage fast 3200 kWh.

Kapitalismus und Innovation - Teil 2

Hier ein Artikel, der darauf hinausläuft, dass die Dominanz der Tech-Giganten Google, Facebook, Amazon langfristig schadet. Ich meine, dass dies nicht nur in wirtschaftlicher Hinsicht gilt, sondern auch im Hinblick auf Innovationen. Bislang sind diese Giganten zwar hervorragende Innovatoren. Wenn Sie ihre Marktmacht aber erst mal zu weit ausgebaut haben, wird sich das zwangsläufig auf die innovative Tätigkeit auswirken. Gleichzeitig wird es für neue Wettbewerber immer schwieriger technologisch gegen diese Riesen anzutreten. Es wird spannend.

Kapitalismus und Innovation

In der Schweizer Wirtschaftszeitung Finanz und Wirtschaft findet sich ein Meinungsartikel zum Thema Schafft der Kapitalismus sich ab? Das Ende des Kapitalismus herbei zu schreiben, ist in jüngster Zeit ein beliebter Zeitvertreib geworden. Davon mag man halten, was man will.

Was mich an diesem Artikel vor allem interessiert hat, war folgende Aussage:

In den USA stieg die jährliche Wirtschaftsleistung pro Stunde zwischen 1920 und 1970 um 2,8%.
Seit 1970 sind es nur noch 1,6%, ein Rückgang um fast die Hälfte. Ein Blick auf die Faktoren, die das Wachstum treiben, ist besonders beängstigend. In beiden Perioden trugen mehr Kapital und mehr Bildung ca. 1% bei.
Das aber heisst, dass die Produktivität in den vergangenen vierzig Jahren nur noch 0,65% pro Jahr gewachsen ist – 1920 bis 1970 lag die Wachstumsrate noch dreimal so hoch.

Die Produktivität der Wirtschaft wächst offenbar zunehmend langsamer. Ein wesentlicher Faktor zur Steigerung der Produktivität ist der technische Fortschritt. Aber auch daran hapert es:

In den Siebzigerjahren genügten ein paar Männer und Frauen in den Forschungsabteilungen, um die Transistoren enger rücken zu lassen. Heute sind achtzehnmal so viele Personen notwendig, um die gleiche Zunahme zu erreichen.

Das ist eine alarmierende Nachricht. Und sie gilt auch für andere Bereiche, etwa die Medizin:

Während die ersten systematischen Versuche, in kleinen Gruppen neue Pharmaka zu finden, mit Wundermedikamenten wie Penizillin und Aspirin belohnt wurden, sind heute milliardenteure Armeen von Wissenschaftlern notwendig, um immer marginalere neue Heilmittel zu erzeugen.

Dieser Trend hat sich nach meinem Dafürhalten bereits nach dem Ende des Zweiten Weltkrieges klar herauskristallisiert. Big Science hieß damals das Schlagwort. An die Stelle einzelner Forscher in ihren kleinen Labors rückten die Großforschungsanlagen wie CERN und andere, wo jeder Versuchsaufbau mit Hunderten von Leuten bestückt ist und der Einzelne oft gar nicht mehr den Überblick über alle Projektdetails hat.

Klar, es wäre einfach zu viel verlangt, wollte man die Suche nach Neutrinos einem Einzelgänger anvertrauen. Viele Projekte erfordern einfach eine kritische Masse an Mensch und Material.

Doch zurück zum Artikel, der an seinem Ende mit einer überraschenden Aussage aufwartet. Dort heißt es:

Eine oft übersehene Tatsache ist, dass der Wettbewerb zwischen Unternehmen nur selten zu wirklichen Durchbrüchen anspornt. Wenn Firmen um Marktanteile kämpfen und auf die Kosten achten müssen, fehlt häufig der lange Atem, um auf das «nächste grosse Ding» zu setzen.
Viele Durchbrüche, die für einen guten Teil des technologischen Fortschritts in jüngerer Zeit verantwortlich waren, kamen aus staatlichen Technologieprogrammen oder den Forschungslabors von Quasi-Monopolisten. In der US-Computertechnologie ist die Verbindung besonders schlagend – ohne Kalten Krieg, Mondlandung und die Subventionen des Pentagons gäbe es keine moderne Computerindustrie.

Düsenflugzeuge verdanken wir den deutschen Rüstungsanstrengungen im Zweiten Weltkrieg, das Internet der Pentagon-Forschungsbehörde Darpa und die Atomtechnologie dem Manhattan Project, das die erste Kernwaffe entwickelte.

Dem ist klar zu widersprechen. Die Düsenflugzeuge waren eher das Werk tüftelnder deutscher Ingenieure, als dass dahinter ein Masterplan der Nazis steckte. Das Manhattan-Projekt war in der Tat ein erstes Aufleuchten der Big Science. Allerdings ging es dabei nur noch darum, die bereits zuvor im kleinen Rahmen entdeckte Kernspaltung (Otto Hahn und Mitarbeiter) nun zur kriegsentscheidenden Waffe zu machen. Auch dieses Großprojekt beruhte ganz wesentlich auf dem Wirken hervorragender Wissenschaftler, aber die eigentliche Entdeckung (Innovation) wurde in einem relativ kleinen Labor in Berlin gemacht. Und zwar ganz ohne staatliche Lenkung oder Voraussicht.

Was die Mondlandung betrifft, so handelt es sich hierbei in der Tat um eine gewaltige kollektive Anstrengung. Allerdings war der entscheidende Treiber der technische Wettlauf mit der Sowjetunion, die man auf keinen Fall gewinnen lassen wollte. Hinzu kam ein intellektuelles Umfeld, das einerseits technischen Großprojekten aufgeschlossen gegenüber stand und andererseits bereit war, menschliche Opfer in Kauf zu nehmen.

Ob es ohne die Subventionen des Pentagons keine moderne Computerindustrie gäbe, ist ebenfalls mehr als zweifelhaft. Denn zum einen war der Computer bis Anfang der 1980er Jahre eigentlich nur ein Werkzeug für Freaks. Er war natürlich bedeutsam in manchen professionellen Bereichen, aber zum Masseninstrument wurde er erst mit dem Aufkommen des PCs und der benutzerfreundlichen Software (Microsoft). Auch die Entwicklung des iPhones war letztlich nur dem Wirken eines einzelnen Visionsärs zu verdanken (Steve Jobs). Es ist geradezu grotesk, sich hinter Erfolgsgeschichten wie Apple, Microsoft, Amazon und Google das Wirken einer staatlichen Bürokratie oder eines Monopols vorzustellen. Ganz im Gegenteil: Hier hatten Einzelpersönlichkeiten brilliante Ideen und den Mut und die Tatkraft sowie das nötige Glück, sie ins Werk zu setzen. Und darauf kommt es an.

Energieverbrauch in der Freizeit - Beispiel Skifahren

Um es gleich vorwegzunehmen: Ich bin begeisterter Skifahrer.

Und es ist mir vollkommen klar, dass das Skifahren und der Wintertourismus insgesamt einen gewissen Energieverbrauch nach sich ziehen. Man muss sich aber auch darüber im klaren sein, dass die Existenz vieler Menschen in den Alpen direkt vom Tourismus abhängt. Im Winter 2016/17 gab es 68,5 Millionen Nächtigungen in Österreich. Und natürlich ist nicht jeder Tourist ein Skifahrer, aber der größere Teil wohl doch.

Um ein Gespür für den Energieeinsatz beim Skifahren zu bekommen, machen wir folgende Annahmen: Wir nehmen einen homo touristicus mit einem Gewicht von 70 kg und hieven ihn 500 Höhenmeter nach oben. Die dafür benötigte Energie beträgt rund 0,1 kWh (ohne Reibungsverluste). Ein aktiver Skifahrer wird aber pro Tag deutlich mehr als 500 Höhenmeter mit dem Lift zurücklegen.

Nehmen wir weiters an, dass mit jeder Nächtigung genau eine Bergfahrt wie oben verbunden ist, erhalten wir einen Gesamtverbrauch von etwa 6,9 GWh allein für den Liftbetrieb. Das ist, wie so oft, nur eine grobe Abschätzung, gibt jedoch einen netten Einblick in die Größenordnungen, um die es geht. Zum Vergleich: der gesamte Endenergieverbrauch der Alpenrepublik betrug 2016 ca. 311 TWh. Die Skilifte haben daran gemäß unserer Rechnung einen Anteil von 0,002 %.

Wer sich in unseren Tagen in die Berge aufmacht, dem begegnen gepflegte Ortschaften, die den Wohlstand der ansässigen Bevölkerung lebhaft zum Ausdruck bringen. Das war nicht immer so.

Versetzen wir uns 200 Jahre zurück ins Jahr 1818. Damals gab es  noch keinen Alpentourismus, und das Leben der Einheimischen war hart und entbehrungsreich. Jeden Frühling wurden die Schwabenkinder auf ihre gefährliche Reise geschickt, um sich im Bodenseegebiet und anderswo ein wenig Geld zu verdienen, mit dem sie ihre Familien unterstützen konnten. Im Herbst ging es wieder zurück in die heimatlichen Berge. Es gab weder Rettungshubschrauber noch hochmoderne Krankenhäuser, und wenn Kinder auf ihrem beschwerlichen Weg verunglückten, z. B. durch Lawinen, so konnten sie eben nur durch Gottes Hilfe gerettet werden.

Mit dem Bau der Eisenbahn begann sich das Leben zu ändern. 1884 wurde der Arlbergtunnel eröffnet und dann kamen die ersten Touristen. Und wenig später schwangen die ersten Skiläufer über die Hänge. Es ist kein Zufall, dass der Arlberg als Wiege des Skilaufens in Österreich gilt. Das fossile Zeitalter hatte in den Bergen begonnen und das beschauliche Leben (oder was man dafür hält) auf immer verändert.

Zurück in unsere Tage. Das schlechte Gewissen plagt auch die Wintertouristen, und so bemühen sich etliche Hotels und so mache Region um ein grünes Image, das auch eifrig beworben wird. Man will dem Besucher das Gefühl geben, dass sein ökologischer Fußabdruck dank moderner Heizungstechnik und 3fach-verglaster Fenster nur ganz klein sei, während man schwitzend in der Sauna mit Alpenblick hockt und sich hinterher ein gepflegtes 5-Gänge-Menü servieren lässt.

Doch es hilft nichts: die Energiebilanz der Vor-Eisenbahn-Ära wird nicht wieder kommen. Es sei denn, man entsagt dem Tourismus ganz und gar. Die Mobilität des fossilen Zeitalters führte zu einem ungeahnten Aufschwung in einer Region, die immer als wirtschaftlich rückständig galt. Der Wohlstand in den Alpen hängt ganz wesentlich an der Mobilität der Menschen und an der Verfügbarkeit billiger Energie. Ist einer dieser Faktoren nicht gewährleistet, hat das unmittelbare Folgen für dort lebende Bevölkerung.

Energieverbrauch pro Kopf

Eine zentrale These dieses Blogs ist, dass der Pro-Kopf-Energieverbrauch wesentlich mit dem Entwicklungsniveau eines Landes korreliert. Kurz gesagt: Industrieländer verbrauchen mehr Energie pro Kopf als Schwellenländer und diese wiederum mehr als die Entwicklungsländer.

Der rein physiologische Energieverbrauch eines Menschen beträgt etwa 2 kWh am Tag. Im Ruhezustand. Verrichtet dieser Mensch nun schwere körperliche und/oder geistige Arbeit, wird dieser Wert naturgemäß etwas höher liegen, kann auch leicht das Doppelte oder mehr dieses Wertes erreichen. Bleiben wir aber konservativ und nehmen wir die 2 kWh als Richtwert.

Stellen wir uns nun die Familie eines Kleinbauern (2 Kinder) im Mittelalter vor, die ein Pferd besitzt. Das Pferd verbraucht pro Tag etwa 20 kWh, die Familie 10 kWh. Auf das Jahr umgerechnet ergibt sich ein Gesamtverbrauch von rund 11000 kWh. Das macht dann etwa 2740 kWh pro Kopf. Das ist die Energie, die die Familie aufwenden muss, um das Überleben sicherzustellen.

Eine moderne Familie in einem Industriestaat verbraucht ein Vielfaches davon, und nur ein Teil davon ist für das schlichte Überleben notwendig, ein weiterer, gar nicht so kleiner Teil ist den Annehmlichkeiten des Lebens geschuldet. Aber es ist gar nicht so einfach, die Trennlinie zu ziehen. Die Fahrt nach Disneyland Paris ist in gewisser Hinsicht reiner Schnickschnack. Doch halt: Es gibt nicht wenige Leute, deren Existenz davon abhängt, dass jährlich zigtausende von Menschen Disneyland besuchen. Würden also allzu viele Leute die Spritztour in den Vergnügungspark streichen, säßen einige Leute mehr auf der Straße.

Wie sehen die Verbrauchswerte in unseren Tagen aus? In einem kürzlich erschienenen Blogpost von Euan Mearns gibt es hierzu eine Übersichtstabelle aus dem Jahr 2008, die ich hier gekürzt und in kWh umgerechnet wiedergebe:

	kWh pro Kopf
Canada	113858
USA	88039
Sweden	60127
Japan	46287
Germany	43961
UK	40356
China	17561
Brazil	13840
India	4536

Fig. 1 Pro-Kopf-Energieverbrauch in ausgewählten Ländern

Kanada und die USA liegen einsam an der Spitze. Schweden, das einen vergleichbaren Industrialisierungsgrad aufweist wie Japan und Deutschland, braucht allerdings aufgrund seiner nördlichen Lage doch einiges mehr an Wärmeenergie. China und Brasilien liegen verbrauchsmäßig deutlich zurück, werden aber bei fortschreitender Industrialisierung bestimmt zu den europäischen Staaten aufholen. Indien ist energetisch betrachtet noch kaum dem Mittelalter entronnen.

Nun sind die drei letztgenannten bevölkerungsmäßige Schwergewichte verglichen mit Deutschland, UK oder Schweden. Sollten diese Schwellen- bzw. Entwicklungsländer (und andere, in der Tabelle nicht genannte) zu den Industrieländern aufschließen, so wird das einen erheblichen Mehrverbrauch an Energie nach sich ziehen. Verglichen damit wirken die Energieeinsparungsmaßnahmen der westlichen Staaten geradezu lächerlich, sofern sie überhaupt ernsthaft gemeint oder durchführbar sind. 

Euan Mearns zeigt auch eine Graphik für die Entwicklung des weltweiten Pro-Kopf-Verbrauchs seit Mitte der 1960er Jahre, gemessen in Tonnen Rohöleinheiten, tons of oil equivalent (toe): 

Fig. 2 Weltweiter Energieverbrauch pro Kopf nach E. Mearns

1 toe entspricht 11,63 MWh. 

Besonders beeindruckend ist hierbei die Entwicklung von ca. 1965 bis zur Ölkrise 1973. Leider gibt es für die Zeit vor 1965 keine zuverlässigen Zahlen, es lässt sich aber unschwer erahnen, dass nach dem Ende des 2. Weltkrieges der Pro-Kopf-Verbrauch bei deutlich unter einer Tonne Rohöleinheiten (toe) gelesen haben muss. Wir haben es also zwischen 1945 und 1973 mit einer Verdoppelung des Energieverbrauchs zu tun, die praktisch nur zu Lasten einiger weniger Länder geht (Europa im weitesten Sinne inkl. Sowjetunion, USA und Japan).

Verglichen damit ist die Entwicklung zwischen 1973 und heute, also von etwa 1,5 toe auf 1,8 toe, nicht mehr so spektakulär. Allerdings hat sich jetzt der Energiehunger weltweit gesteigert.