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Aug 14, 2023

Zukünftige Energierevolutionen

Letzte Woche haben wir alle wichtigen Energierevolutionen in der Geschichte der Menschheit besprochen. Wir sahen

Letzte Woche haben wir alle wichtigen Energierevolutionen in der Geschichte der Menschheit besprochen. Wir haben gesehen, dass bessere Energieformen veraltete ersetzen.

Es sieht also so aus, als hätten wir Holz und Kohle so gut wie abgeschafft, sind aber immer noch auf Öl und Gas angewiesen, oder?

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Oh oh. Die Wahrheit ist, dass der Verbrauch von Holz, Kohle und Öl immer noch seinen Höhepunkt erreicht – und der Gasverbrauch explodiert. Denn obwohl ihr Anteil an der verbrauchten Energie sinkt, verbrauchen wir viel mehr Energie.

Wir wissen, dass wir so schnell wie möglich aus diesem Paradigma herauskommen müssen. Was wird also passieren?

Wir haben im vorherigen Artikel erwähnt, dass alle frühen Energiequellen auf die Sonne beschränkt waren. Aber das stimmt nicht mehr. Soweit wir wissen, gibt es im Wesentlichen vier: die Sonne, die Erde, den Mond und Atome.

Wie wir gesehen haben, hat die Menschheit jedes Mal große Fortschritte gemacht, wenn sie einen neuen Weg gefunden hat, mehr Energie zu nutzen: Tierhaltung, Wassermühlen, Segel, Kohle …

Wenn wir wollen, dass die Menschheit die nächste Stufe des Fortschritts erreicht, müssen wir die Energie, die wir nutzen, erhöhen. Energie ist gut. Das Schlimme ist, es auf eine Art und Weise zu tun, die erhebliche Kosten verursacht. Leider gehen wir nicht in die richtige Richtung, nicht nur wegen des Verbrauchs fossiler Brennstoffe.

Das passt natürlich genau zur Großen Stagnation der US-Produktivität:

Der Energieeinbruch ist nicht die alleinige Ursache für den Produktivitätsrückgang, aber er trägt dazu bei.

Früher folgte der Energieverbrauch pro Person in der entwickelten Welt einem exponentiellen Verlauf, ist nun aber von diesem abgefallen und stattdessen gesunken.

Das ist an sich nicht gut: Wir mögen Energie! Wir verwenden gerne und viel davon! Es wärmt uns, wenn uns kalt ist, erfrischt uns, wenn uns heiß ist, erleuchtet die Dunkelheit, versorgt unsere Computer mit Strom und hilft uns bei allem, wofür wir Hilfe benötigen.

Das Gute an einem geringeren Energieverbrauch pro Person ist, dass wir weniger die Umwelt verschmutzen. Dies zwingt uns jedoch zu einem unglücklichen Kompromiss zwischen Energieverbrauch und Umweltfreundlichkeit. Es reduziert unser Gedeihen im Interesse der Nachhaltigkeit. Was wäre, wenn wir einen solchen Kompromiss nicht brauchen würden? Das ist es, was die Energie der Zukunft leisten muss.

Das Schema von oben zeigt uns unsere Energieoptionen, um dies zu erreichen. Zunächst zur Energieerzeugungsseite:

Solar – Thermosolar oder Photovoltaik

Wind

Gezeiten

Kernspaltung

Kernfusion

Geothermie

Von diesen scheint Photovoltaik besser zu sein als Thermosolar, der Wind scheint begrenzt zu sein

Es geht jedoch nicht nur um Quellen. Wie wir Anfang dieser Woche beim Wert von Elektrizität oder Verbrennungsmotoren gesehen haben, gibt es andere Aspekte der Energie, die ebenso wichtig sind wie die Quellen. Was sind Sie?

Sie wollen Energie nicht nur erzeugen und nutzen. Sie möchten es so einfach, kostengünstig und sauber wie möglich umwandeln, lagern und transportieren können.

Es ist 10.000 v. Chr. Sie und Ihre 20-köpfige Gruppe leben in der Nähe eines riesigen Waldes. Sie möchten einen Hügel bauen.

​​In diesen Bäumen ist jede Menge Energie gespeichert! Aber können Sie es nutzen, um diesen Hügel zu bauen? Nein, denn es gibt keine Möglichkeit, die in diesen Bäumen chemisch gespeicherte Sonnenenergie in Energie umzuwandeln, um den Boden zu bewegen. Man kann die Bäume nicht einmal dazu nutzen, Menschen zu ernähren, damit sie mehr Babys bekommen und der Clan wächst, und schließlich gibt es genug Muskeln, um einen Hügel zu bauen. Sie können höchstens einige Bäume verbrennen, um Essen zu kochen, und einige davon verbrennen, um die Asche zum Düngen des Bodens zu verwenden. Aber das ist eine äußerst ineffiziente Methode, Bäume in nutzbare Energie umzuwandeln! Muskeln konnten Dinge tun, die Holz nicht konnte.

Umgekehrt könnte Holz Dinge tun, die Muskeln nicht könnten. Wenn es dunkel und kalt war, konnte man die Muskelenergie des Clans nicht nutzen, um Wärme und Licht zu gewinnen. Man könnte höchstens alle zusammenkommen, um etwas zu wärmen, aber das ist nicht sehr praktisch und hindert alle daran, viel zu arbeiten. Licht konnte man einfach nicht aus Muskeln gewinnen, man konnte es nur aus Holz gewinnen.

Früher benötigte der Mensch für jede Art der Nutzung eine bestimmte Energiequelle. Das ist unbequem. Daher waren Technologien zur Umwandlung von Energie von einer Form in eine andere sehr nützlich.

Domestizierte Tiere waren eine frühe Möglichkeit, dies zu tun, indem sie Energie aus Pflanzen in flexible Energie, Nahrung und Transportmittel umwandelten.

Öfen ermöglichten es uns, Wärme in industrielle Prozesse umzuwandeln.

Der Verbrennungsmotor ermöglichte es uns, die in fossilen Brennstoffen gespeicherte chemische Energie in Transportenergie umzuwandeln.

Der größte Durchbruch war wohl die Dampfmaschine: Sie ermöglichte uns die Umwandlung von Wärme in viele Transport- und Energieanwendungen. Sie können damit Züge, Dampfschiffe oder jede Art von Maschine antreiben.

Dies ist auch einer der Hauptgründe, warum Strom so wertvoll ist. Es ist keine Quelle oder Nutzung von Macht. Es ist ein Vermittler. Aber es ist äußerst vielseitig: Sie können nahezu jede Energiequelle in Strom umwandeln und dann Strom für nahezu alle Anwendungsfälle verwenden.

Strom ist auch aus einem geradezu magischen Grund wertvoll: Er ermöglicht es uns, ihn sofort zu nutzen

Wie wir letzte Woche sagten, war die Bedeutung des Energietransports der Grund dafür, dass Bäume so nahe an Städten gepflanzt werden mussten oder warum es so lange dauerte, bis Kohle in großem Umfang zur Wärmeerzeugung genutzt wurde.

Dies ist auch einer der Gründe, warum Öl die Kohle ersetzt hat: Als Flüssigkeit lässt es sich viel einfacher durch Pipelines transportieren – für Kohle unmöglich. Einer der Gründe, warum der Verbrennungsmotor der Dampfmaschine überlegen ist, liegt auch darin, dass Öl viel einfacher in einen Tank gefüllt werden kann, als Kohle in einen Ofen zu leiten.

Deshalb müssen wir unsere Energie leicht umwandeln und transportieren können. In beiden strahlt Elektrizität.

Was sonst?

Die Speicherung von Energie war schon immer ein Problem. Beispielsweise wurde im Mississippi-Tal des 19. Jahrhunderts Mais in Bourbon oder Schinken umgewandelt, damit er nicht verdirbt („damit es keine Verluste der darin enthaltenen Energie in Form von Nahrungsmitteln gibt“). Whisky hatte außerdem den Vorteil, dass er mehr Kalorien pro Gewichtseinheit hatte und somit leichter zu transportieren war. Dies war wertvoll, als die Transportkosten noch vor der Eisenbahn so hoch waren.

Wenn wir jedoch auf unsere Hauptenergiearten zurückkommen, ist einer der großen Vorteile von Holz und Kohle, dass sie einfach zu lagern sind: Lassen Sie sie einfach an einem trockenen Ort fallen.

Sonne und Wind können überhaupt nicht gespeichert werden, während Wasser die am besten speicherbare Energieart ist: Einfach eindämmen.

Öl braucht Tanker, und Gas muss zum Komprimieren eingefroren oder in riesigen, unhandlichen Speichern gelagert werden. Aber sie sind machbar. Aus diesem Grund verfügen die Länder über strategische Reserven an dem Zeug, die jedoch nur ein paar Monate wert sind.

Der Bedarf an Speicher ist mit dem Bedarf an Verfügbarkeit verbunden. Sie wollen Ihre Energie dann haben, wenn Sie sie brauchen, und nicht zu einem anderen Zeitpunkt. Wenn Sie warten müssen, bis die Energie verfügbar ist, verschwenden Sie Ihre Zeit. Es ist der Fluch von Seeleuten und Müllern, die auf Wind warten, von Autofahrern, die zur Tankstelle gehen müssen, um mehr Benzin zu holen, von Reitern, die darauf warten müssen, dass ihre Pferde Futter und Ruhe bekommen, oder von Solaranlagen, die darauf warten, dass die Sonne aufgeht.

Da Sie Öl und Gas speichern können, sind sie jederzeit verfügbar.

Elektrizität ist am schwierigsten. Es müssen Batterien geschont werden, deren Herstellung bekanntermaßen schwierig und teuer ist. Aber zumindest ist Strom in einer Weise speicherbar, wie dies bei erneuerbaren Energien wie Wind und Sonne nicht der Fall ist, weshalb wir ihn vor der Speicherung in Strom umwandeln. Trotzdem:

Dies ist die berühmte Entenkurve, mit der die meisten Länder früher oder später zu kämpfen haben werden. Es zeigt im Wesentlichen die Energiemenge an, die zu verschiedenen Tageszeiten in Kalifornien im Frühling benötigt wird, ohne Sonne und Wind. Wie Sie sehen, benötigt Kalifornien nachts etwa 15–20 GW. Aber um die Mittagszeit herum benötigte er von Jahr zu Jahr weniger Energie. So sehr, dass jetzt zu Spitzenzeiten der Solarenergieerzeugung mehr Energie erzeugt als verbraucht wird. Das ist problematisch, denn es bedeutet, dass der Ausbau der Solarenergie nicht viel bringt und dass jede neue Solarenergieanlage tatsächlich die Einnahmen der bestehenden Solarbetreiber schmälert. Das liegt daran, dass wir Sonnenenergie nicht einfach speichern können.

Aber immerhin können wir schon heute mit Batterien über Nacht Energie sparen. Es ist teuer und wir verlieren etwas davon, aber wir können es schaffen. Damit befinden wir uns in einer ähnlichen Situation wie Gasbeleuchtung vs. elektrische Beleuchtung: Während Gleichstrom teuer war und Verluste verursachte, war er im Vergleich zu Gas nicht sehr konkurrenzfähig. Doch als sie durch Wechselstrom ersetzt wurde, gingen die Stromverluste zurück, elektrische Beleuchtung wurde viel billiger als Gasbeleuchtung und schließlich wurde sie ersetzt.

Leider haben wir ein viel größeres Problem mit der saisonalen Lagerung. Wir können im Juni so viel Sonne haben, wie wir wollen, aber wenn wir im Dezember nicht viel Sonne haben, werden wir trotzdem andere Energien brauchen.

Was sagt uns das? Wenn wir eine neue Energierevolution wollen, brauchen wir eine sehr kostengünstige Möglichkeit, Strom zu speichern. Dies bedeutet eindeutig, dass die Batterien für die Stromspeicherung über Nacht rasch weiter verbessert werden müssen. Wir brauchen weiterhin günstige Saisonspeicher. Dies wird die Schlüsseltechnologie sein, die die Kombination aus Solarenergie und Elektrizität vollständig entfesselt.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Speicherung ist die Art und Weise, wie wir Strom verbrauchen.

Die Hitze ist zurückgegangen und die Beleuchtung macht nur noch sehr wenig der Gesamtenergie aus. Wir würden uns mehr Strom für die Industrie wünschen, und wie wir sehen, wächst die Energie für den Transport weiter.

Das bedeutet, dass wir bedenken müssen, dass es von entscheidender Bedeutung ist, herauszufinden, wie Energie für den Transport gespeichert werden kann.

Das wirft ein weiteres Problem auf: die Energiedichte, die sowohl mit der Energiespeicherung als auch mit dem Transport zusammenhängt.

Da es teuer ist, Energie zu transportieren, sollte die Energie so dicht wie möglich sein, sodass ein paar Gramm von etwas viel Energie liefern.

Aus diesem Grund kommt Kerosin in der Luftfahrt so häufig vor: Es enthält eine Tonne Energie pro Kilogramm, und beim Fliegen kommt es auf jedes Kilogramm an, denn es kostet viel Energie, das Flugzeug am Laufen zu halten. Deshalb macht der Treibstoff (Treibstoffanteil) etwa 30-45 % des Gewichts eines Jets aus. Bei Raketen spielt dies eine noch größere Rolle, da der Treibstoffanteil über 90 % beträgt.

Bei Autos ist dies weniger wichtig, da normalerweise nur 5 % oder weniger des Fahrzeuggewichts aus Kraftstoff bestehen. Dies gilt jedoch nicht für Elektroautos, deren Batterien etwa 25 % des Fahrzeuggewichts ausmachen.

Tatsächlich ist der Transport kabelgebundener Elektrizität über Stromleitungen einfach und kostengünstig. Aber sobald man etwas losmachen muss, stößt man auf das Problem der Energiedichte. Aus diesem Grund sind elektrische Raketen oder sogar Flugzeuge heute ein Wunschtraum: In den meisten Fällen werden die Batterien zu schwer sein, um sie selbst zu tragen.

Was wir sehen ist, dass neue Energien die älteren nie ersetzt haben, bis sie billiger waren:

Kohle ersetzte Holz erst, als die Transportkosten so weit sanken, dass es billiger wurde.

Es dauerte viele Jahrzehnte, bis Kohle den Wind ersetzte, denn der Wind war kostenlos. Um diesen Kostenunterschied zu überwinden, waren viele weitere Vorteile erforderlich. Und das geschah erst, als sich das Kosten-Nutzen-Verhältnis als positiv erwies: als Händler bemerkten, dass die Verfügbarkeit und Flexibilität von Dampfmaschinen Handelsmöglichkeiten eröffneten, die für Segelboote schwer zugänglich waren.

Der Austausch der Gasbeleuchtung durch Kerzen erforderte Zeit, da eine Vorabinvestition erforderlich war. Unternehmen konnten es sich leisten und waren die ersten, die es taten. Aber es gelangte zunächst in die reicheren Haushalte, bevor es nach unten sickerte.

Die elektrische Beleuchtung ersetzte die Gasbeleuchtung erst, als Wechselstrom sie billiger machte.

In dem Moment, als der Verbrennungsmotor billiger als die Dampfmaschine wurde, löste er ihn ab. Nicht bevor.

Mit anderen Worten: Wir können den Klimawandel so sehr fürchten, wie wir wollen, aber das Einzige, was wirklich einen Unterschied macht, ist kein öffentliches Handeln. Es geht darum, dass die Kosten für Energie, die kein CO2 ausstößt, unter die Kosten fossiler Brennstoffe sinken.

Interessanterweise können wir auch vorhersagen, dass Wärmepumpen künftig Gasheizungen ersetzen werden. Leider erfordert dies Änderungen in der Haushalts- und Industrieinstallation. Dafür sind Vorabkosten erforderlich, die den Prozess verzögern, genauso wie es Zeit brauchte, bis die Gasbeleuchtung durch Elektrizität ersetzt wurde, weil dafür neue elektrische Leitungen in den Häusern erforderlich waren. Wenn die Energiequellen jedoch noch günstiger werden, könnte der Abstand zur Gasheizung so groß werden, dass die Investition eine Selbstverständlichkeit wird.

Dies ist eine weitere Sache, die eine Technologie gegen eine andere ausrichtet. Elektrische Beleuchtung ist viel einfacher zu handhaben als Kerzen oder Gas. Kohle in die Dampfmaschine zu werfen ist einfacher als die Handhabung komplexer Segel. Sie können Futter für Ihr Pferd kaufen, es nach Hause tragen, es Ihrem Pferd alle paar Stunden geben, Ihr Pferd reinigen, es pflegen, den Tierarzt rufen ... Oder Sie können die Zapfpistole an den Tank Ihres Autos anschließen.

Auch hier haben wir einen klaren Gewinner: Strom.

Auf der Erzeugungsseite sind Schwierigkeiten einer der Hauptnachteile der Kernenergie: Sie ist gefährlich und erfordert daher viel proaktives Management, was die Kosten in die Höhe treibt. Mittlerweile ist Öl besonders einfach zu handhaben, was einer der Gründe dafür ist, dass es überall zu finden ist.

Wenn eine Energieart billig, aber schmutzig ist, werden die Menschen sie verbrauchen: In den meisten Fällen möchten sie lieber Geld sparen als ihre Gesundheit

Da jedoch die Kosten verschiedener Energien vergleichbar werden, wird Sauberkeit wieder wichtig. Die dunklen Flecken der Kerzen- und Gasverbrennung waren ein guter Grund für die Umstellung auf elektrische Beleuchtung.

Aktie

Folgendes wissen wir:

Der Energieverbrauch in den Industrieländern verlangsamt sich. Das ist gut für die Umwelt, aber schlecht für den wirtschaftlichen Fortschritt. Wenn wir wollen, dass die Menschen unbegrenzte Möglichkeiten haben, müssen wir den Energieverbrauch erhöhen.

Wir müssen es jedoch auf eine Weise tun, die es der Erde nicht schlechter, sondern besser macht. Eine Welt mit mehr Energie und mehr Nachhaltigkeit.

Glücklicherweise stoßen die drei Energiequellen, auf die wir uns verlassen können, kein CO2 aus: Wind, Sonne und Kernkraft. Wir müssen sie alle vorantreiben, insbesondere aber das vielversprechendste (Solarenergie) und das unbeliebteste (Kernenergie).

Den perfekten Energieträger haben wir bereits erfunden: Strom. Es lässt sich kostengünstig umbauen und transportieren, ist einfach zu verwenden und zu reinigen. Der größte Nachteil ist die Speicherung.

Leider ist dies auch eine Schwäche der drei vielversprechendsten Energiequellen, die wir haben. Kernenergie kann gespeichert werden, aber es ist schwierig, ihre Erzeugung zu steigern oder zu reduzieren. Mittlerweile können Sonne und Wind nicht gespeichert werden. Das bedeutet, dass sich Angebot und Nachfrage nicht ohne Weiteres decken können. Die einzige Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, ist eine bessere Lagerung.

Das größte Missverhältnis zwischen Angebot und Nachfrage sind die täglichen Spitzen und Täler der Nachfrage im Vergleich zu den täglichen und saisonalen Spitzen von Wind- und Solarenergie.

Das bedeutet, dass wir unbedingt über Nachtstromspeicher nachdenken müssen. Dafür sind Batterien die beste Wahl. Wir brauchen diese Technologie, um so schnell wie möglich voranzukommen.

Dies gilt insbesondere für den Transport. Es ist großartig, dass Tesla hier eine Vorreiterrolle spielt.

Für Schiffe und insbesondere Flugzeuge dürften elektrische Batterien jedoch nicht funktionieren. Wir brauchen eine andere Möglichkeit, Energie für sie zu speichern.

Wir brauchen immer noch einen Weg, um das Missverhältnis zwischen Energieangebot und -nachfrage über die Jahreszeiten hinweg zu lösen

Mit anderen Worten: Wir müssen die Kosten für Kernenergie, Solarenergie, Batteriespeicherung von Strom über Nacht und saisonale Energiespeicherung drastisch senken

Ich werde über all das schreiben, also bleiben Sie dran!

Es gibt immer noch reichlich Windenergie, aber nicht so viel wie Solarenergie, und Solarenergie wird schneller billiger als Windenergie. Das Gesamtpotenzial der Windenergie beträgt nur das Fünffache des weltweiten Verbrauchs von 2007, wie aus diesen Veröffentlichungen hervorgeht: Lu X., McElroy MB und Kiviluoma J.: Global Potential for Wind-Generated Electricity; Archer CL und Jacobson MZ: Bewertung der globalen Windkraft. Mittlerweile ist Solar 30x. Wenn wir nur Wind hätten, würde uns in diesem Jahrhundert die Energie ausgehen. Es würde uns mit Solarenergie ins nächste Jahrhundert bringen.

Ich werde in Zukunft mehr über sie alle schreiben.

Nicht wirklich augenblicklich, aber nahe der Lichtgeschwindigkeit.

Sie müssen lediglich die Spannung erhöhen, um die Verluste zu reduzieren.

Soweit ich das auf Seiten wie dieser oder dieser erfahren kann. ChatGPT und die KI von Edge stimmen zu.

Solange die Wirkung langfristig ist.

Einige Optionen: intersaisonale Batterien, globale Übertragung, Energie, die so günstig zu produzieren ist, dass wir sie überproduzieren können, um jeden Bedarf zu decken, Weltraumerzeugung und Erdstrahlung, Umwandlung von CO2 in Methan … Einige davon werde ich in Zukunft untersuchen.

Drei davon sind technische Probleme und das vierte ist sozialer Natur. Die technischen Probleme erfordern keine große Unterstützung, außer dass man in sie investiert und daran arbeitet. Der vierte Punkt – die Kernenergie – ist ein soziales und kommunikatives Thema, das etwas anderes braucht.