Mittwoch, 27. Juni 2018
Galaktischer Energieverbrauch ein Wachstumsrechner
via ENERGIEBLOGGER Seit Beginn der industriellen Revolution haben wir ein beeindruckendes und nachhaltiges Wachstum des Energieverbrauchs durch die menschliche Zivilisation erlebt. Die Aufzeichnung von Daten der Energieinformationsagentur über den Energieverbrauch in den USA seit 1650 ( 1635-1945 , 1949-2009 , einschließlich Holz, Biomasse, fossile Brennstoffe, Wasserkraft, Kernkraft usw.) zeigt einen bemerkenswert stetigen Wachstumspfad, der durch eine jährliche Wachstumsrate gekennzeichnet ist von 2,9% (siehe Abbildung). Es ist wichtig, den zukünftigen Verlauf des Energiezuwachses zu verstehen, da Regierungen und Organisationen überall Annahmen treffen, die auf der Erwartung beruhen, dass der Wachstumstrend wie seit Jahrhunderten anhält - und ein Blick auf die Zahl legt nahe, dass dies eine vollkommen vernünftige Annahme ist. (Siehe dieses Update für Nuancen.)
US-Gesamtenergieverbrauch in allen Formen seit 1650. Die vertikale Skala ist logarithmisch, so dass eine exponentielle Kurve, die aus einer konstanten Wachstumsrate resultiert, als eine gerade Linie erscheint. Die rote Linie entspricht einer jährlichen Wachstumsrate von 2,9%. Datenquelle: EIA.
Das Wachstum ist zu einer solchen Stütze unserer Existenz geworden, dass wir es als eine Fortsetzung betrachten. Wachstum bringt viele positive Vorteile, wie Autos, Fernsehen, Flugreisen und iGadgets. Die Lebensqualität verbessert sich, das Gesundheitswesen verbessert sich, und abgesehen von einer Vielzahl von Passwörtern, die man sich merken muss, wird das Leben im Laufe der Zeit immer bequemer. Wachstum bedeutet auch ein Versprechen für die Zukunft und gibt Anlass, in Erwartung einer Rendite auf die zukünftige Entwicklung zu investieren. Das Wachstum ist dann die Basis für Zinsen, Kredite und die Finanzindustrie. Weil Wachstum für "unzählige" Generationen mit uns war - was bedeutet, dass jeder, den wir jemals getroffen haben oder unsere Großeltern jemals erlebt haben - Wachstum ist von zentraler Bedeutung für unsere Erzählung dessen, wer wir sind und was wir tun. Wir haben daher eine schwierige Zeit, uns eine andere Trajektorie vorzustellen. Dieser Beitrag liefert ein eindrucksvolles Beispiel für die Unmöglichkeit eines weiteren Wachstums zu aktuellen Kursen - sogar innerhalb bekannter Zeitskalen. Aus Gründen der Bequemlichkeit senken wir die Energiewachstumsrate von 2,9% auf 2,3% pro Jahr, so dass wir einen Faktor von 10 alle 100 Jahre sehen. Wir beginnen heute mit einer globalen Energierate von 12 Terawatt (das heißt, der durchschnittliche Weltbürger hat einen Anteil von 2.000 W am gesamten Kuchen). Wir werden mit halbpraktischen Einschätzungen beginnen und dann phasenweise unserer Fantasie freien Lauf lassen - selbst dann, wenn wir feststellen, dass wir schneller an Grenzen stoßen, als wir vielleicht denken. Ich werde von Anfang an zugeben, dass die dieser Analyse zugrunde liegenden Annahmen zutiefst fehlerhaft sind. Aber das wird am Ende der springende Punkt.Ein Rennen zur Galaxie
Ich war immer beeindruckt von der Tatsache, dass so viel Sonnenenergie in einer Stunde die Erde erreicht, wie wir in einem Jahr verbrauchen. Was hoffe eine solche Aussage bringt! Aber lassen Sie sich nicht davontragen - noch nicht. Nur 70% des einfallenden Sonnenlichts fließen in das Energiebudget der Erde ein - der Rest prallt sofort von Wolken und Atmosphäre und Land ab, ohne absorbiert zu werden. Da wir auch Landkreaturen sind, könnten wir unsere Sonnenkollektoren auf Land beschränken und 28% des gesamten Globus einnehmen. Abschließend weisen wir darauf hin, dass Photovoltaik und Solarthermie in der Regel mit einem Wirkungsgrad von etwa 15% arbeiten. Nehmen wir 20% für diese Berechnung an. Der Nettoeffekt beträgt etwa 7.000 TW, etwa das 600-fache unserer derzeitigen Nutzung. Viel Kopfraum, ja? Wann würden wir mit einer Wachstumsrate von 2,3% auf dieses Limit stoßen? Wir erinnern uns, dass wir alle hundert Jahre um den Faktor zehn wachsen, so dass wir in 200 Jahren das 100-fache des derzeitigen Niveaus und in 275 Jahren 7.000 TW erreichen. 275 Jahre mögen auf einem einzelnen menschlichen Zeitmaßstab lange scheinen, aber für eine Zivilisation ist es nicht wirklich lange. Und denken Sie an die Welt, die wir gerade geschaffen haben: Jeder Quadratmeter Land ist mit Photovoltaikplatten bedeckt! Wo bauen wir Nahrung an? Jetzt fangen wir an, Einschränkungen zu entspannen. In 275 Jahren werden wir intelligent genug sein, um 20% Effizienz für eine so wichtige globale Ressource zu erreichen. Lasst uns angesichts thermodynamischer Grenzen lachen und von 100% Effizienz sprechen (ja, wir haben den Fantasy-Teil dieser Reise begonnen). Das kostet uns einen Faktor von fünf oder 70 Jahren. Aber wer braucht die Ozeane? Lassen Sie uns diese mit 100% effizienten Solarzellen verputzen. Weitere 55 Jahre. In 400 Jahren haben wir die Solarwand an der Erdoberfläche getroffen. Dies ist von Bedeutung, weil Biomasse, Wind und Wasserkraft von der Sonnenstrahlung stammen und fossile Brennstoffe die Batterie der Erde darstellen, die über Millionen von Jahren mit Solarenergie geladen wird. Nur der nukleare, der geothermische und der Gezeitenprozeß stammen nicht vom Sonnenlicht - die letzteren beiden sind für diese Analyse belanglos, und zwar jeweils nur für ein paar Terawatt. Aber die Haupteinschränkung in der vorhergehenden Analyse ist die Oberfläche der Erde - angenehm wie sie ist. Wir gewinnen nur 16 Jahre, indem wir die zusätzlichen 30% der Energie sammeln, die sofort abspringt, also sind die großen Kosten, eine erdumfassende Photovoltaikanlage im Weltraum zu platzieren, sicherlich nicht die Mühe wert. Aber warum beschränken wir uns auf die Erde, einmal im Weltraum? Lassen Sie uns groß denken: Umgeben Sie die Sonne mit Sonnenkollektoren. Und wenn wir schon dabei sind, lassen wir sie wieder 100% effizient machen. Bedenken Sie, dass eine 4 mm dicke Struktur, die die Sonne in der Entfernung der Erdumlaufbahn umgibt, ein Material der Erde und spezielle Materialien erfordern würde. Auf diese Weise können wir unser jährliches Energiewachstum von 1350 Jahren auf 13% aus heutiger Zeit fortsetzen. An diesem Punkt können Sie erkennen, dass unsere Sonne nicht der einzige Stern in der Galaxie ist. Die Milchstraße beherbergt etwa 100 Milliarden Sterne. Viel Energie, die gerade in den Weltraum spuckt, dort zum Nehmen. Erinnern Sie sich daran, dass jeder Faktor zehn uns 100 Jahre lang den Weg nimmt. Einhundert Milliarden sind elf Faktoren von zehn, also 1100 zusätzliche Jahre. In ungefähr 2500 Jahren würden wir also die Energie einer großen Galaxie nutzen. Wir wissen im Detail, was Menschen vor 2500 Jahren taten. Ich denke, ich kann mit Sicherheit sagen, dass ich weiß, was wir in2500 Jahren nicht tun werden.
Globale Stromnachfrage unter anhaltendem Wachstum von 2,3% auf einer logarithmischen Darstellung. In 275, 345 und 400 Jahren fordern wir, dass das gesamte Sonnenlicht auf Land und dann auf die Erde als Ganzes trifft, wobei 20%, 100% bzw. 100% Konversionseffizienz angenommen wird. In 1350 Jahren verbrauchen wir so viel Energie, wie die Sonne erzeugt. In 2450 Jahren verwenden wir so viel wie alle hundert Milliarden Sterne in der Milchstraße. Vertikale Notizen geben einen historischen Überblick darüber, wie weit diese Benchmarks im Kontext der Zivilisation liegen.
WARUM SINGLE OUT SOLAR?
Einige Leser mögen sich durch die vorangegangene Fokussierung auf Sonnen- / Sternenergie gestört fühlen. Wenn wir groß träumen, vergessen wir die knappen Solarenergie-Zwänge und nehmen die Fusion an. Die Fülle von Deuterium im gewöhnlichen Wasser würde uns erlauben, eine scheinbar unerschöpfliche Energiequelle hier auf der Erde zu haben. Wir werden auf diesen Weg nicht näher eingehen, weil wir es nicht müssen. Das oben beschriebene gnadenlose Wachstum bedeutet, dass in 1400 Jahren jede Energiequelle, die wir nutzen, die Sonne überstrahlen muss. Lassen Sie mich diesen wichtigen Punkt wiederholen. Unabhängig von der Technologie würde eine nachhaltige Energieerhöhung von 2,3% erfordern, dass wir innerhalb von 1400 Jahren so viel Energie erzeugen wie die gesamte Sonne. Ein Wort der Warnung: Das Kraftwerk wird etwas warm laufen. Die Thermodynamik erfordert, dass, wenn wir sonnenähnliche Energie auf der Erde erzeugen, die Oberfläche der Erde - die kleiner ist als die der Sonne - wärmer sein müsste als die Oberfläche der Sonne!Thermodynamische Grenzen
Wir können die thermodynamischen Grenzen für das Problem genauer untersuchen. Die Erde absorbiert reichlich Energie von der Sonne - weit über unserem gegenwärtigen gesellschaftlichen Unternehmen. Die Erde wird von ihrer Energie befreit, indem sie in den Weltraum strahlt, meist im Infrarotbereich. Für die Wärmeentsorgung stehen keine anderen Wege zur Verfügung. Die Absorption und Emission sind in der Tat in einem nahezu perfekten Gleichgewicht. Wenn nicht, würde sich die Erde langsam aufheizen oder abkühlen. In der Tat haben wir die Fähigkeit der Infrarotstrahlung verringert zu entkommen, was zu einer globalen Erwärmung führt. Trotzdem befinden wir uns immer noch im Gleichgewicht mit weniger als 1%. Da die Strahlungsleistung als vierte Potenz der Temperatur skaliert wird (in absoluten Zahlen ausgedrückt, wie Kelvin), können wir die Gleichgewichtstemperatur der Erdoberfläche berechnen, wenn zusätzliche Belastung durch das gesellschaftliche Unternehmen gegeben ist.
Die Oberflächentemperatur der Erde wird mit einem stetigen Energiezuwachs von 2,3% angegeben, vorausgesetzt, dass eine andere Quelle als das Sonnenlicht verwendet wird, um unseren Energiebedarf zu decken, und dass dessen Nutzung auf der Oberfläche des Planeten stattfindet. Selbst eine Traumquelle wie die Fusion führt in einigen hundert Jahren zu unerträglichen Bedingungen, wenn das Wachstum anhält. Beachten Sie, dass die vertikale Skalierung logarithmisch ist.
Stoppen Sie den Wahnsinn!
Der Zweck dieser Untersuchung besteht darin, auf die Absurdität hinzuweisen, die sich aus der Annahme ergibt, dass wir unseren Energieverbrauch weiter steigern können - selbst wenn dies bescheidener geschieht als in den letzten 350 Jahren. Diese Analyse ist angesichts der Tunnelvision ihrer Prämisse ein leichtes Ziel für Kritik. Ich würde es genießen, es selbst zu zerkleinern. Vor allem wird ein fortgesetztes Energiewachstum unnötig sein, wenn sich die menschliche Bevölkerung stabilisiert. Zumindest die Energieertragsrate von 2,9%, die wir erlebt haben, sollte abnehmen, da die Welt mit Menschen gesättigt ist. Aber lassen Sie uns den entscheidenden Punkt nicht übersehen: Ein kontinuierlicher Anstieg des Energieverbrauchs wird innerhalb eines denkbaren Zeitrahmens physisch unmöglich. Die obige Analyse bietet eine nette Möglichkeit, diesen Punkt zu demonstrieren. Ich habe festgestellt, dass es ein überzeugendes Argument ist, das die Menschen dazu bringt, die wahren Grenzen eines unbegrenzten Wachstums zu schätzen. Sobald wir erkennen, dass das physische Wachstum eines Tages aufhören muss (oder umgekehrt), können wir erkennen, dass das gesamte Wirtschaftswachstum ebenso enden muss. Dieser letzte Punkt mag angesichts unserer Innovationskraft, Effizienzverbesserung usw. schwer zu schlucken sein. Aber dieses Thema wird auf einen anderen Post verschoben .Danksagung
Ich danke Kim Griest für die Kommentare und für die Idee, dass wir in 2500 Jahren die Milchstraße verbrauchen, und ich danke Brian Pierini für nützliche Kommentare.
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