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Galaktischer Energieverbrauch

Ein Artikel von Prof. Tom Murphy von Do the Math, übersetzt von Tom Schülke. Im Original heißt er Galactic-Scale Energy und gehört zu den meistgelesenen des Blogs.

Seit dem Beginn der industriellen Revolution haben wir ein beeindruckendes, sehr stabiles Wachstums des Energieverbrauchs der menschlichen Zivilisation erlebt. Anhand von Daten der us-amerikanischen "Energy Information Agency", zeigt der US-Energieverbrauch seit 1650 (1635-1945, 1949-2009, inklusive Holz, Biomasse, fossiler Treibstoffe, Wasserkraft, Nuklearenergie u.s.w. ), einen bemerkenswert gleichmäßigen Wachstumswert, der durch ein jährliches Wachstum von 2,9% gekennzeichnet ist. (siehe Abbildung 1) Es ist wichtig die zukünftige Entwicklung unseres Energieverbrauchs zu verstehen, weil Regierungen und Organisationen überall Annahmen machen, die auf der Erwartung aufbauen, dass der historische Wachstumstrend der vergangenen Jahrhunderte weiter anhalten wird. Ein Blick auf die Grafik 1 zeigt, dass dieses eine absolut verständliche Annahme ist.

Abbildung 1: Gesamt-US-Energieverbrauch seit 1650. Die senkrechte Achse ist logarithmisch skaliert, so dass eine exponentielle Wachstumskurve als perfekte Gerade dargestellt wird. Die rote Linie korrespondiert mit einer jährlichen Wachstumsrate von exakt 2,9%. Datenquelle: EIA.

Wachstum ist so sehr zu einer Hauptstütze unserer Gesellschaft geworden dass wir anhaltendes Wachstum als normale Gegebenheit empfinden. Wachstum bringt viele positive Vorteile mit sich. Autos, Fernsehen, Luftverkehr, und Dinge wie iPhones. Die Lebensqualität erhöht sich, die Gesundheitsvorsorge wird besser und das Leben wird im Laufe der Zeit komfortabler. Wachstum trägt in sich eine Erwartung an die Zukunft: Das Versprechen, dass Investitionen in die Zukunft positive Kapitalerträge bringen werden. Wachstum ist die Basis für Zinsen, Kredite und für die Finanzindustrie.

Weil Wachstum uns seit zahllosen Generationen begleitet hat, weil jeder den wir und sogar unsere Großeltern je getroffen haben stetiges Wachstum erlebt hat, ist Wachstum unser zentraler Mythos darüber wer wir sind und was wir tun. Es fällt uns deshalb schwer uns einen anderen Entwicklungspfad als weiteres Wachstum vorzustellen.

Dieser Text beeinhaltet ein schlagendes Argument gegen die Möglichkeit dauerhaften Wachstums mit den aktuellen Wachstumsraten - das gilt sogar innerhalb eines relativ überschaubaren Zeitrahmens. Zum Zweck leichterer Verständlichkeit gehen wir bei unseren Überlegungen nicht von der historischen Wachstumsrate von 2,9% aus, sondern von einer geringeren Wachstumsrate von nur 2,3%. Solch eine jährliche Wachstumsrate führt dazu, dass wir eine Verzehnfachung unseres Verbrauchs alle 100 Jahre erwarten können. Wir starten die Stoppuhr heute bei einem globalen Energieverbrauch von 12 Terrawatt (was bedeutet, dass der durchschnittliche Weltbewohner einen Anteil von 2000 Watt am Gesamtverbrauch hat). Wir beginnen mit einfachen praktischen Annahmen und lassen dann unserer Phantasie über realistische technische Entwicklungen freien Lauf. Selbst unter der Annahme futuristischer Science-Fiction-Technologien werden wir erkennen, dass wir früher auf limitierende Grenzen stoßen werden als die meisten Menschen annehmen. Ich möchte zugeben, dass die zugrunde liegenden Annahmen unserer Überlegungen stark vereinfachend sind. Dennoch: Es zeigt sich am Ende dass genau diese Vereinfachung der entscheidende Punkt ist.

Ein Wettrennen zur Galaxis.

Ich war schon immer von der Tatsache beeindruckt, dass die Erde in nur einer Stunde so viel Solarenergie empfängt, wie die Menschen in einem ganzen Jahr verbrauchen. Was für eine Hoffnung in diesem Statement liegt! Aber lassen Sie uns nicht abschweifen – noch nicht.

Nur 70% der Sonnenenergie die die Erde erreicht, trägt zum irdischen Energiebudget bei. Der Rest von 30% wird augenblicklich von den Wolken und der Atmosphäre sowie dem Land zurückgestrahlt, ohne das es absorbiert wird. Als Landbewohner sollten wir in Betracht ziehen, das wir Solarpaneele nur an Land unterbringen können, so dass wir lediglich 28% der Erdoberfläche für Solarenergie nutzen können. Wir nehmen weiterhin an, dass Photovoltaik und Solarthermie lediglich mit einer Effizienz von 15% arbeiten. Lassen Sie uns mit einem Wert von 20% kalkulieren. Der Nettoeffekt dieser Annahmen führt zu einer verfügbaren Nettoenergiemenge von 7000 Terrawatt. Ungefähr 600 mal mehr Energie als der derzeitige weltweite Energieverbrauch. Viel Spielraum nach oben also. Oder?

Wann würden wir bei einer Wachstumsrate von 2,3% an Grenzen stoßen? Erinnern wir uns daran, dass wir bei 2,3% Wachstum alle 100 Jahre eine Verzehnfachung des Verbrauchs erleben werden, also operieren wir in 200 Jahren beim 100fachen des heutigen Levels. Wir erreichen somit einen Verbrauch von 7000 Terrawatt in 275 Jahren. 275 Jahre scheinen lang in Maßstäben eines einzelnen Menschen, aber nicht besonders lang im Rahmen menschlicher Zivilisationen. Und denken wir an die Welt die wir dann haben würden. Jeder Quadratmeter der Oberfläche wäre mit Photovoltaik-Anlagen überzogen. Wo bauen wir Nahrungsmittel an?

Nun wollen wir die einschränkenden Grenzen etwas lockern. Sicherlich werden wir in 275 Jahren die Effizienz der Solarzellen verbessert haben. Schließlich ist es unsere Überlegung, Solarenergie zu unserer wichtigsten Energiequelle der Zukunft zu machen. Lassen Sie uns ins Angesicht thermodynamischer Grenzen lachen und annehmen, wir könnten 100% Effizienz erreichen. (Ja! Wir haben den Science-Fiction-Teil unserer Überlegungen erreicht.) Dieses bringt eine Verbesserung um den Faktor fünf, womit wir uns weitere 70 Jahre zusätzlichen Wachstums erkaufen. Aber wer benötigt schon Ozeane? Lasst uns ausserdem die Ozeane mit Solarzellen zupflastern. Bringt nochmal 55 Jahre. In 400 Jahren treffen wir unter diesen Annahmen auf die Grenzen der solaren Ertragskapazität des gesamten Planeten. Dieses ist bedeutsam, weil die Biomasse, Wind und hydroelektrische Energieerzeugung von der Sonnenstrahlung abhängig sind und fossile Energieträger die irdische Batterie darstellen, die chemisch die Sonnenenergie von Jahrmillionen speichert. Lediglich Kernkraft, Geothermale Energie und Gezeiten stammen nicht vom Sonnenlicht. Ein Beitrag der für diese Überlegungen nicht relevant ist, da er nur wenige Prozent der Gesamtenergiebilanz ausmacht.

Der entscheidende begrenzende Faktor unserer Überlegung ist somit die Größe der Erdoberfläche. Würden wir Solarzellen mit der Größe der sonnenbestrahlten Erdoberfläche außerhalb der Erd-Atmosphäre positionieren, könnten wir die 30% zurückreflektierter Sonnenenergie auch noch ernten - doch die weiteren 16 Jahre Wachstum würden uns kaum weiterbringen. Aber weshalb uns selbst auf die Erde beschränken - wo wir doch quasi schon mit einem Fuß im All stehen? Wir wollen in großen Bahnen denken: Lasst uns die gesamte Sonne mit einer Sphäre aus Solarzellen umgeben! Und nehmen wir wieder an, wir könnten eine Effizienz der Solarzellen von 100% erreichen. Kümmern wir uns nicht darum, dass eine 4mm starke Struktur, die die Sonne in der Distanz der Erde umgibt, eine gesamte Erdmasse an Materialien – und spezielle Materialien wie Seltene Erden - benötigen würde. Mit diesem Schritt würden wir die heutige Wachstumsrate von 2,3% weitere 1350 Jahre lang ermöglichen.

An diesem Punkt könnte Ihnen klar geworden sein, dass die Sonne ja nicht der einzige Stern in unserer Galaxie ist. Die Milchstrasse beeinhaltet ca. 100 Milliarden Sterne. Das meiste dieser Energie wird einfach in den Weltraum gestrahlt. Erinnern wir uns an den Faktor 10 den unser Verbrauch alle einhundert Jahre anwächst. 100 Milliarden ist elf mal der Faktor 10, so dass die gesamte Milchstrasse uns weitere 1100 Jahre Wachstum erlauben würde. In nur 2500 Jahren würde wir bei anhaltendem Wachstum von 2,3% die gesamte Energie einer Galaxie wie unserer verbrauchen. Ich glaube ich kann mit Bestimmtheit behaupten:

Wir werden nicht 2500 Jahre unseren Energieverbrauch im bisherigen Maßstab weiter steigern.

Globaler Energieverbrauch unter angenommenen 2,3% Jahreswachstum bei logarithmischer Darstellung. In 275, 345 und 400 Jahren benötigen wir das gesamte Sonnenlicht das die Landmassen und dann die gesamte Erde treffen, unter der Annahme von 20%, 100% und 100% Umwandlungseffizienz. In 1350 Jahren verbrauchen wir die gesamte abgestrahlte Solarenergie der Sonne. In 245 Jahren benötigen wir so viel Energie wie die gesamte Milchstrasse. Die senkrechten grünen Anmerkungen zeigen uns in diesem zeitlichen Abstand entscheidende Zivilisatorische Epochen.

Abbildung 2: Globaler Energieverbrauch unter angenommenen 2,3% Jahreswachstum bei logarithmischer Darstellung. In 275, 345 und 400 Jahren benötigen wir das gesamte Sonnenlicht dass die Landmassen und dann die gesamte Erde treffen, unter der Annahme von 20%, 100% und 100% Umwandlungseffizienz. In 1350 Jahren verbrauchen wir die gesamte abgestrahlte Solarenergie der Sonne. In 2450 Jahren benötigen wir so viel Energie wie die gesamte Milchstrasse erzeugt. Die senkrechten grünen Anmerkungen zeigen uns in passendem zeitlichen Abstand entscheidende Zivilisatorische Epochen.

 

Warum nur Solar-Energie?

Einige Leser könnten von der Annahme genervt sein, dass wir uns in unseren Überlegungen auf solare/stellare Energie beschränken. Wenn wir in großen Zügen denken, könnten wir uns von der kümmerlichen Solarenergie abwenden und uns der futuristischsten Energiequelle zuwenden, die uns vorstellbar scheint: Kernfusion! Der Überfluss von Deuterium in gewöhnlichem Wasser würde uns erlauben, eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle zu nutzen. Direkt hier auf der Erde. Wir werden an dieser Stelle keine detaillierte Analyse dieser Technik anstreben, weil das für unsere Überlegungen hier nicht notwendig ist. Das unbarmherzige Anwachsen unseres Verbrauchs, so wie er oben skizziert wurde, bedeutet, dass in 1400 Jahren jede denkbare Energiequelle die Leistungsfähigkeit der Sonne erreichen und dann überbieten müsste. Unabhängig von der verwendeten Technik.

Lassen Sie mich den entscheidenden Punkt wiederholen:

Ganz egal welche Technik wir benutzen: Bei einem Wachstum von 2,3% müssten wir in 1400 Jahren so viel Energie produzieren wie die gesamte Sonne.

Ein Wort der Warnung: Dieses Kraftwerk könnte ein wenig warm laufen! Die Physik der Thermodynamik erzwingt, dass wenn wir eine der Sonne vergleichbare Energiequelle auf der Erdoberfläche realisieren, die zudem noch kleiner ist als die Sonne, diese Energiequelle heißer als die Oberfläche der Sonne werden muß!

Thermodynamische Grenzen

Wir können uns exaktere Gedanken über die thermodynamischen Grenzen dieses Problems machen. Die Erde absorbiert reichlich Energie von der Sonne, weit mehr als unser gesamter aktueller weltweiter technischer Verbrauch. Die Erde verliert diese Energie wieder, indem sie die Energie in den Weltraum abstrahlt: Das meiste auf einer infraroten Wellenlänge des Lichts. Es gibt keinen anderen Weg für die Erde, Hitze los zu werden. Die Absorption und die Abstrahlung von Energie befindet sich für die Erde als Ganzes in einem beinahe perfekten Gleichgewicht. In der Tat: Wenn es nicht so wäre, würde die Erde sich langsam erwärmen oder abkühlen. Gewiss haben wir die Fähigkeit der Erde geschwächt, infrarotes Licht abzustrahlen, was zu einer globalen Erwärmung führt. Dennoch sind wir immer noch im Gleichgewicht mit einer Abweichung von weniger als einem Prozent.

Da die Strahlungsenergie mit der vierten Potenz der Temperatur ansteigt (wenn es in absoluten Temperaturgeraden, also in Kelvin ausgedrückt wird), können wir eine Gleichgewichtstemperatur für die Erdoberfläche berechnen - abhängig von einer bestimmten zusätzlich durch unsere gesellschaftlichen Aktivitäten erzeugten Energiemenge - siehe Abbildung 3.

Abbildung 3: Die Erdoberflächentemperatur bei einem gegebenen exponentiellem Wachstum des Energieverbrauchs von 2,3% p.a., unter der Annahme einer anderen Energiequelle als Sonnenlicht, und unter der Annahme, dass wir diese Energie auf der Erdoberfläche erzeugen. Selbst futuristische Traum-Energiequellen wie Kernfusion bewirkt in wenigen hundert Jahren unannehmbare Bedingungen, wenn das Wachstum weitergeht. Die senkrechte Skalierung ist logarithmisch.

Das Resultat der Überlegungen ist in Abbildung 3 dargestellt. Aus den vorhergehenden Überlegungen wissen wir, dass wenn wir uns auf die Erdoberfläche beschränken, wir das solare Potential in 400 Jahren vollständig ausschöpfen werden. Um Wachstum über diese Zeit hinaus fortzusetzen, würden wir solare Energieernte durch Kernfusion oder Kernspaltung ersetzen müssen. Doch die Analyse der themodynamischen Gesetze sagt uns:

Wir werden sowieso geröstet.

Beendet den Wahnsinn

Der Zweck dieser Übung ist es, die Absurdität der Annahme herauszuarbeiten, dass wir für immer unseren Energieverbrauch weiter wachsen lassen können, selbst dann, wenn wir es moderater angingen als in den letzten 350 Jahren. Die Analyse ist ein leichtes Ziel für Kritik, wenn man auf die vereinfachten Annahmen zielt. Ich würde es daher gerne gleich selbst zerpflücken: Vor allem würde weiteres exponentielles Wachstum unnötig, wenn sich die Bevölkerungszahl stabilisieren würde. Speziell das Wachstum des Energieverbrauchs würde sich entspannen, wenn die Welt mit Menschen gesättigt wäre. Aber lassen Sie uns nicht den springenden Punkt übersehen:

Dauerhaftes Wachstum des Energieverbrauchs ist bereits in überschaubaren Zeiträumen eine physikalische Unmöglichkeit.

Die vorangegangene Argumentation liefert einen sehr eingängigen Weg, dies zu demonstrieren. Ich habe die Erfahrung gemacht, dass viele Menschen auf diese Weise die natürlichen Grenzen unbegrenzten Wachstums akzeptieren können.

Wenn wir erst einmal akzeptieren, dass physikalisches Wachstum eines Tages nachlassen (oder sich umkehren) muß, können wir begreifen, dass auch ökonomisches Wachstum in gleicher Weise enden muß. Dieser letzte Punkt mag schwer zu schlucken sein in Anbetracht unserer Fähigkeit zu Innovationen, verbesserter Effizienz usw. Doch diesen Aspekt werden wir in einem anderen Text beleuchten.

Danksagung

Tom Murphy dankt Kim Griest für seine Kommentare und dafür die Idee einzubringen, dass wir in 2500 Jahren die gesamte Milchstrasse als Energiequelle verzehren müssten, sowie Brian Pierini für seine hilfreichen Kommentare.

Dank auch an Tom Schülke für Übersetzung.

Kürzlich stellte Tom Murphy ein Gedankenprotokoll eines Zusammentreffens zwischen ihm (als Physiker) und einem Ökonomen auf einer Dinnerparty ins Netz. Wer mag, kann die obige Argumentation dort in Form eines Gesprächs wiederfinden: Exponential Economist Meets Finite Physicist

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17 Kommentare to “Galaktischer Energieverbrauch”

  1. Tom Schülke sagt:

    Hallo Norbert,

    vielen Dank für die mit sicherheit „Umfangreiche“ Fehlerkorrektur. Ich liebe diesen Artikel , so wie auch die meisten anderen Postings, Tom Murphys auf seiner Website.

    Tom Murphy argumentiert im nachfolgenden Artikel auf seinem Blog, gegen eines der wesentlichen Argumente für weiteres Wachstum, „ewige Effizienzsteigerungen“. Diesen Artikel hast Du oben auch auf seine Englische Website verlinkt.

    Ich arbeite derzeit an der Übersetztung.. :-)

  2. smiths74 sagt:

    Hallo Tom,
    danke für die Übersetzung des Artikels! So erreicht Tom Murphy noch mehr deutsche Leser!

    Viele Grüße

    smiths74

  3. Wolfgang sagt:

    Hallo Tom und Norbert,

    vieeeelen Dank für diese Übersetzung und Veröffentlichung. Tom Murphy hat nun einen neuen Blog-Fan. Besonders gut gefällt mir der dezente Humor bei diesem ernsten Thema.

    • Tom Schülke sagt:

      freut mich.. jeder einzelne, der das wissen um unsere Energetische Zukunft weiterträgt, ist viel wert.. also wenns geht .. weitersagen.

  4. kleiner steffen sagt:

    „selbstbegrenzung“ als ausweg?
    ISBN 3-499-11763-0

    das thema ist nicht neu aber hier schön mit zahlen belegt. danke dafür :)

  5. klaus mair sagt:

    zinseszinzeffekte:1cent zu 5% angelegt bei christi geburt wären heute ca 2000 erden aus gold. oder:ackermanns 25%kapta-lrendite 1 euro zu 25% 100 jahre angelegt gibt fast 5 mil-liarden euro(1.25 hoch hundert in wissenschaftl.taschenrechner gibt 4 909 093 465 euro!!)da müßten dann pro kopf der erdb-evölkerung pro jahr irgend so-was von millionen und milliar-de zinsen erwirtschaftet werden

  6. T.Mollet sagt:

    „Ganz egal welche Technik wir benutzen: Bei einem Wachstum von 2,3% müssten wir in 1400 Jahren so viel Energie produzieren wie die gesamte Sonne.“
    Wobei wir diese Menge an Energie kaum nur auf der Erde verbrauchen werden…
    Den genau das würde doch eine Typ II Zivilisation auszeichnen: Wir würden uns über die Galaxie ausbreiten.
    Hinzu kommt, dass der Energieverbrauch in den Entwickelten Ländern kaum mehr wächst und auch die Geburtenrate rückläufig ist…

    • Tom Schülke sagt:

      „Hinzu kommt, dass der Energieverbrauch in den Entwickelten Ländern kaum mehr wächst und auch die Geburtenrate rückläufig ist…“

      Darann zweifel ich. Gerade die Entwickelten Industrien zeichnen sich dadurch aus, dass viele Ihrer Energieintensiven Prozesse in Entwicklungs und Schwellenländer exportiert werden.

      Ich erinnere mich nicht genau darann. Aber ich meine in einer schweizer Studie kam am ende heraus, dass auf diesem Weg moderner Volkswirtschaften, im Inland der Energieverbrauch zumindest in der Schweiz gesunken sei, aber unter berücksichtigung sämtlicher Verdrängungseffekte, der Energieverbrauch um 60% gestiegen sei.

      Aber ganz sicher herscht hier erhöhter Forschungsbedarf.

      gruß

      Tom Schülke

  7. hmpf sagt:

    Terawatt nicht Terrawatt.. arghl…

  8. […] wir im vorhergehenden Artikel gesehen haben, ist der Energieverbrauch der USA seit 1650 mit einer typischen Rate von 2,9% […]

  9. […] wir in 400 Jahren alle Energie verbrauchen, die als Sonnenstrahlung auf die Erde trifft und in etwa 450 Jahren würde die Erdoberflächentemperatur 100°C betragen. Würden wir Menschen mit einer Technik wie der Kalten Fusion so umgehen, dass unsere […]

  10. Endlich läuft diese Dis-kussion zu Hochform auf! Ist 4 Jahrzehnte alt: http://en.wikipedia.org/Waste_heat;
    einschl. Photovoltaik siehe die von meiner o.a.“Website“ aus zugänglichen Arbeiten, basierend auf R. Döpel 1973

  11. Dies ist mein 2. Versuch mit der „Website“, nachdem der 1. nicht funktionierte, sorry.

  12. Korrektur zum vorigen Eintrag

  13. Gegenüberstellung der Wachs-tumsgrenzen für irdische Photovoltaik (betr. Obiges vom 26. November 2012 um 17:59):
    Mit praktisch den gleichen Annahmen für „land solar“ (in Abb.2), aber geändertem Anfangsverbrauch resultieren 294 Jahre ab 1970 nach DÖPEL (1973) – gegenüber den 275 Jahren „from today“ nach MURPHY (2011). Siehe http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=20437 mit Fußnote 53 in Abschn. 3.5 „Energetische Zukunfts-fragen“.

  14. Stefan Porstein sagt:

    Das Problem bei einem solchen Szenario ist die die Extrapolation einer exponentiellen Kurve in die Zukunft. Danach würde auch jeder Baum in den Himmel wachsen, würde man seine Wachstumsraten als Schößling zugrunde legen (tut er aber nicht).
    Realistischer ist eine Stabilisierung des Energieverbrauchs auf der Erde. Rechenexempel: 5000 Watt Energieverbrauch pro Einwohner * 12 Milliarden (ich habe hier noch Wachstum in den nächsten 100 Jahren veranschlagt) = 60 Terawatt. Man kann auch noch einmal den Faktor 2 dranhängen (z.b. 24 Milliarden Menschen oder 10000 Watt pro Einwohner), das ergibt dann 120 Terawatt (also das 10fache des heutigen Energieverbrauchs)

    • Norbert Rost sagt:

      @Stefan Porstein: Das setzt aber voraus, dass Wachstumsgrenzen akzeptiert und respektiert werden. Was Tom Murphy mit seinem Beitrag zeigen will ist ja, wohin wir uns unter der allgemein akzeptierten Annahme entwickeln, (energetisches Verbrauchs-)Wachstum in alle Ewigkeit fortzuschreiben.

      Jeder mit etwas naturwissenschaftlichem Grundverständnis erkennt schnell, dass dies nicht geht und zieht „irgendwo“ eine Grenze ein: So wie du jetzt bei 60 Terawatt. Und dann kann man darüber diskutieren, was mit diesem Energieverbrauch machbar ist, wie man ihn bereitstellen will und wie man für eine Respektierung dieser Grenze sorgt. Aber um solche Fragen geht es heute ja nicht, weil die meisten Entscheider annehmen, Bäume würden in den Himmel wachsen…

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