Energiesysteme.md

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author:   Peter Vennemann

email:    vennemann@fh-muenster.de

version:  0.0.1

date:     01.11.2024

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language: de

comment:  This small course on energy systems and ecology is part
          of the collaborative module »Technologie und Ökologie« in
		  the master programme »Nachhaltige Transformationsgestal-
		  tung« at the University of Applied Sciences Münster.
		  
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# Energie und Ökologie

**Kurs im Aufbau -- fertig am 21. November 2024.**

Als ich als Lehrender der Wind- und Wasserkraftnutzung am Fachbereich Energie · Gebäude · Umwelt gefragt wurde, ob ich etwas zum Thema Energie im Modul »Technologie und Ökologie« des Masterstudiengangs »Nachhaltige Transformation« an der FH Münster beitragen könne, sagte ich zwar naiv zu, war in Wirklichkeit aber ratlos. Was hat beides miteinander zu tun? Die Expertinnen und Experten dieser Gebiete treffen nur selten aufeinander. Man kann »Energietechnik« studieren oder »Ökologie«, aber »Energie und Ökologie« -- nicht wirklich.

## Begriffe

Auch die Wikipedia-Definitionen von »Energie« und »Ökologie« ließen kaum ahnen, welche enge Verknüpfung im Laufe der Recherche deutlich werden sollte.

{{1}}
> Energie ist eine physikalische Größe, die in allen Teilgebieten der Physik sowie in der Technik, Chemie, Biologie und der Wirtschaft eine zentrale Rolle spielt. Ihre SI-Einheit ist das Joule. Die praktische Bedeutung der Energie liegt oft darin, dass ein physikalisches System in dem Maß Wärme abgeben, Arbeit leisten oder Strahlung aussenden kann, in dem seine Energie sich verringert. In einem gegenüber der Umgebung abgeschlossenen System ändert sich die Gesamtenergie nicht (Energieerhaltungssatz).
> 
> -- Wikipedia

{{2}}
Der [Artikel](https://de.wikipedia.org/wiki/Energie) besteht aus rund 7700 Wörtern, der Begriff »Ökologie« ist nicht darunter. Immerhin der Begriff »Biologie«, gleich im ersten Satz. Im [englischsprachigen Artikel](https://en.wikipedia.org/wiki/Energy) taucht der Begriff einmal auf: Als zentraler Mechanismus hinter der Entstehung der Nahrungspyramide.

{{3}}
> Die Ökologie [...] ist gemäß ihrer ursprünglichen Definition eine wissenschaftliche Teildisziplin der Biologie, welche die Beziehungen von Lebewesen (Organismen) untereinander und zu ihrer unbelebten Umwelt erforscht. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde der Begriff zunehmend auch zur Bezeichnung der Gesamtumweltsituation verwendet, wurde dadurch aber auch insgesamt diffuser.
>
> -- Wikipedia

{{4}}
Man findet an [an anderer Stelle des Artikels](https://de.wikipedia.org/wiki/%C3%96kologie#Politisierung_und_Popularisierung_des_%C3%96kologie-Begriffs), dass die Kurzform »Öko« in Verbindung mit zum Beispiel »Strom« verwendet wird, wenn besonders schadstoffarm oder ressourcenschonend hergestellte wirtschaftliche Güter bezeichnet werden. Auch wird die Ökosystemanalyse erwähnt, die neben der Lebensgemeinschaft den Energiefluss und Stoffkreislauf beschreibt.

{{5}}
``` ascii Die Nahrungspyramide.
                 +----------+
      Wärme <-- / Karnivoren \ --> CO₂ --------.
               +--------------+                |
    Wärme <-- /   Herbivoren   \  --> CO₂ ---->+
             +------------------+              |
Energie --> /      Biomasse      \  <-- CO₂ <--'
(Sonne)    +----------------------+
```
{{6}}
*****
Energie ist offenbar die Basis allen Fressens und Gefressenwerdens, also des Lebens und damit von allem, was wir unter Ökologie verstehen. Und wie sich zeigen wird, ist auch die Geschichte der Menschheit eigentlich nur eine Geschichte der Energie und wie wir diese in immer größerer Menge für uns nutzbar machen.

Noch ein kleiner Hinweis zur Auswahl der Beispiele: Viele der im folgenden beschriebenen Prozesse fanden und finden auf verschiedenen Kontinenten nicht genau gleich und auch nicht gleichzeitig statt. Da wir uns in Europa befinden, liegt hier auch der Fokus der Beschreibungen und Beispiele, manchmal sogar ganz lokal in Norddeutschland.
*****

## Energie und Zivilisation

Lernziel: Welche Bedeutung hat Energie für die menschliche Entwicklung? Um welche Formen und Größenordnungen geht es? Welche ökologischen Folgen gibt es?

### Ur- und Frühgeschichte

* Energie:

  - Nahrung kochen --> schneller kauen, besser verwerten
  
  - Sesshaft werden, Pflanzen anbauen, Tiere halten --> Lager anlegen

* Ökologie: 

  - Aussterben vieler Großsäuger
  
  - Wiesen, Felder, Bewässerung

{{1}}
*****
Es beginnt mit dem Feuer. Kochen vereinfacht das Kauen, vor allem von Fleisch, und reduziert die Dauer der Nahrungsaufnahme. Bei faserreichen Pflanzen erhöht Kochen dessen verwertbaren Anteil und zerstört viele Gifte.[^1] Dann folgte die Landwirtschaft. Sie lieferte keinen direkten energetischen Vorteil. Die Energiebilanz eines Bauern ist nicht automatisch besser als die eines Jägers und Sammlers. Vermutlich war es die Kombination mit der Sesshaftwerdung und die Möglichkeit, Nahrung in Tontöpfen aufzubewahren, zu räuchern oder getrocknet zu lagern, die den Bauern in stark saisonalen Regionen einen energetischen Vorteil verschaffte.[^2] 

Ökologisch machte sich der Energiehunger der Menschheit vermutlich direkt bemerkbar. Das Aussterben der Großsäuger wie Wollnashorn, Riesenhirsch, Steppenwisent, Höhlenbär oder Riesenfaultier fällt auffallend mit der Ausbreitung der Menscheit zusammen[^3]. Danach beginnen eingefriedete Weiden, Felder mit ersten Monokulturen und Bewässerungskanäle das Landschaftsbild zu verändern.

[^1] Wrangham, Richard, and NancyLou Conklin-Brittain. "Cooking as a biological trait." Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology 136.1 (2003): 35-46. [pdf](https://citeseerx.ist.psu.edu/document?repid=rep1&type=pdf&doi=70a91362d633c64d51ce9ddd06894c43bc02ad4d)

[^2] Testart, Alain, et al. "The significance of food storage among hunter-gatherers: Residence patterns, population densities, and social inequalities [and comments and reply]." Current anthropology 23.5 (1982): 523-537. [pdf](http://alaintestart.com/UK/documents/storage.pdf)

[^3] Alroy, John. "A multispecies overkill simulation of the end-Pleistocene megafaunal mass extinction." Science 292.5523 (2001): 1893-1896. [pdf](https://doc.rero.ch/record/13614/files/PAL_E631.pdf)
*****

### Exkurs -- Arbeitskraft

- mechanische Dauerleistung eines Menschen: etwa 200 Watt

- nach fünf Stunden: 1 kWh oder 10³ Wh · 3600 s/h = 3,6·10⁶ Ws = 3,6 MJ

{{1}}
Quiz: Rindfleisch habe einen Nährwert von ungefähr 720 kJ pro 100 g. Bei einem Wirkungsgrad der Muskulatur von geschätzt 25 Prozent verbrauchen fünf Stunden Arbeit das Energieäquivalent von [[2]] kg Rindfleisch.

### Präindustrielle Zeit

* Energie:

  - Sklaverei --> menschliche Arbeitskraft
  
  - Holz, Torf, Holzkohle --> Heizen, Produktion von Glas, Eisen, Ziegeln
  
  - Segelschiffe --> neue Ressourcen erschließen
  
  - Wasserräder und Windmühlen --> Mühlen, Schmieden, Pumpen, Sägen

  - Walfang --> Tran für Öllampen und Seife

* Ökologie:
  
  - Entwaldung
  
  - erste Querbauwerke schränken Fischmigration ein

  - Zusammenbruch von Walpopulationen

{{1}}
*****
Die sesshaft gewordenen Menschen begannen Hierarchien zu bilden, in denen Höhergestellte Niedrigergestellte für sich arbeiten lassen, bis hin zur Sklaverei. Sklaverei und Menschandel sind Tragödien die sich [auch heute](https://www.walkfree.org/) noch abspielen! Sklaverei ist ein krimineller Akt, im Extremfall Völkermord. Sklaverei ist aber weder eine Entwicklungsstufe, noch eine ökologische Auswirkung.

Holz, Torf, Holzkohle

Windkraft brachte Menschen aus Seemächten an neue Ufer, oft mit katastrophalen Folgen für die, die schon da waren.

Maschinen wurden erfunden. Wasserräder und Windmühlen zur Be- oder Entwässerung und vor allem zum Mahlen von Getreide, später auch um Hämmer in Schmieden zu betreiben oder um Holz zu sägen. Viele Ortsbezeichnungen wie »[Mühlenstraße](https://osm.org/go/0GYOxRytx)« oder »[Hammerteich](https://osm.org/go/0GMOk5OzR)« weisen heute noch auf vorindustrielle Nutzungen hin. 

Im 19. Jahrhundert wurden Arbeitsplätze, Straßen und private Räume mit Öllampen erleuchtet. Das Lampenöl wurde aus Blubber, dem Fett von Walen, hergestellt.[^1]. Mit dramatischen Folgen für die Walpopulation, unten am Beispiel der Population des früher sehr häufigen Grönlandwals. Insgesamt gibt es heute laut [IWC](https://iwc.int) etwa 16 000 Tiere, die meisten davon im Nordpazifik. Die Population östlich von Grönland hat sich bis heute nicht erholt (siehe Tabelle).
*****

{{2}}
Population des Grönlandwals (bowhead whale) zwischen Grönland und Spitzbergen[^2]. Letzte Zahl (2015) nach [IWC](https://iwc.int).

| Jahr | Population |
|------|-----------:|
| 1611 |      52477 |
| 1664 |      44888 |
| 1710 |      25100 |
| 1786 |      11182 |
| 1803 |       7888 |
| 1828 |       1134 |
| 1911 |       1000 |
| 2015 |        340 |

{{3}}
![Graue, verwitterte Stelen bilden einen dichten Zaun.](./fig/walkinnladenzaun.jpg "Zaun aus Grönlandwal-Kinnladen auf Borkum. Foto: [Jeelka de Buur](https://www.borkum.de/blog/walfangzeit-auf-borkum/)")
![Verrostetes Mühlrad vor einem Sandsteingebäude](./fig/niedermuehle.jpg "Niedermühle in Burgsteinfurt, [die bereits im 14. Jahrhundert urkundlich erwähnt wurde.](https://www.steinfurt-touristik.de/de/sehenswertes/kultur-in-steinfurt/muehlen.php)")
![Zwei roh behauene Schaufelräder in einem schwach beleuchteten Raum.](./fig/turbinen_san_sebastian.jpg "Turbinenartige Wasserräder aus dem 18. Jahrhundert im San Telmo Museo in San Sebastian, Spanien.")

{{4}}
Quiz: Eine Windmühle mit einer mechanischen Leistung von 30 kW leistet ungefähr so viel wie [[150]] Personen. (Nehmen Sie wie oben an, eine Person könne dauerhaft 200 W leisten.)

{{5}}
*****
[^1]Johnson, Bob. "A Peculiarly Valuable Oil: Energy and the Ecology of Production on an Early American Whale Ship." IA. The Journal of the Society for Industrial Archeology (2014): 33-50. [pdf](https://d1wqtxts1xzle7.cloudfront.net/57980853/Bob_Johnson_Industrial_Archaeology_--_Peculiarly_Valuable_Oil-libre.pdf?1544640585=&response-content-disposition=inline%3B+filename%3DA_Peculiarly_Valuable_Oil_Energy_and_the.pdf&Expires=1730312811&Signature=PeehF~i9nuE6N-6Q6d3e-V1SaDGNtWX0oJ6WlaV2-RnVR2ip9oUK0Mh8tDYW78F0qt5Q2zJhtqMIjf4MGCFeJ5CEWH6E98TMDz3J7PmfZrGouKte8uK4VTMjU0SPYH25a9OpfmsugB1HmSu0YAkZBc9wwhC6woVDL4whffuwiLprR6pKOB8F0I0eU5Nvdt29DzTVU3tSa4BsPK08TgImCwlhq0quOrO2ucinfsMoe2Zkmdsz9J52T01b9LtJ7xeAKQBV6sbIkPDoW6gSWEQgSdFL8vXZUpHaM-u5R6UUJO~XGSUcHdQqqrx826CTUdH5UnDRZ2LnYDak6ASnm7O4eA__&Key-Pair-Id=APKAJLOHF5GGSLRBV4ZA)

[^2]Allen, Robert C., and Ian Keay. "Bowhead whales in the eastern Arctic, 1611-1911: population reconstruction with historical whaling." Environment and history 12.1 (2006): 89-113. [pdf](https://citeseerx.ist.psu.edu/document?repid=rep1&type=pdf&doi=e69798560c51bf79fe7d19295e9afa12cce0180e)
*****

### Industrialisierung

* Dampfmaschine
* fossile Brennstoffe

{{1}}
Nichts markiert den Beginn der Industrialisierung plakativer als der Erfolg der Dampfmaschine, nachdem James Watt im 18. Jahrhundert die Kondensation des Dampfes aus dem Zylinder heraus in einen externen Kondensator verlegt hatte und damit den Wirkungsgrad von weniger als 1 auf etwa 3 Prozent erhöhen konnte. Sägewerke, Mühlen und Schmieden mussten nicht mehr auf windige Höhen oder in enge Flusstäler gebaut werden, Bergwerke konnten einfacher entwässert werden und Dampflokomotiven und Dampfschiffe revolutionierten den Verkehr.

Welchen Wirkungsgrad hat Ihr Auto?

Masse: <script default="1000" input="number" output="m">@input</script> kg

Geschwindigkeit: <script default="80" input="range" output="v">@input</script> km/h

<script>
    let m = @input(`m`);
	let v = @input(`v`);
	m*v;
</script>

### 20stes Jahrhundert

* Elektrifizierung
* Kernenergie

* Pro Kopf Energieverbrauch vom Altertum bis heute
* Vergleiche Arbeitskraft Maschinenleistung
  - Mühlrad
  - Dampfmaschine
  - Mähdrescher
  - ...
  - Wie viele Arbeitskraftäquivalente arbeiten für uns?
* Verbesserung des Lebensstandards
  - Regionalvergleiche
  - Lebensstilvergleiche



## Energiekonsum -- Auswirkungen

### Übersicht

Lernziel: Die wichtigsten Auswirkungen beschreiben können.

* Emissionen (Luft, Boden, Wasser) --> Ölschieferabbau
* Flächenverbrauch
* radioaktive Strahlung (1979 Three Miles Island, Tschernobyl, Fukushimaq)
* elektrische Felder
* politische Aspekte
  - Abhängigkeiten
  - Machtmissbrauch und Erpressung
  - Sklaverei
  - territoriale Ansprüche

Die Ausbeutung Entrechtung und Ausbeutung von Menschen als Sklaven findet seit dem Altertum und [bis heute](https://www.walkfree.org/) statt.

### Risikoabschätzung, Technikfolgeabschätzung

Lernziel: Bewertungsmaßstäbe am Beispiel Energie kennen und anwenden.

* Methodik

### Lebenszyklusanalyse

Lernziel: Methodik von Technikfolgeabschätzung abgrenzen und Ziel kennen.

* Methodik

### Energietechnologie-Vergleich

Lernziel: Auswirkungen beschreiben, einordnen und vergleichen.

* LCA Kennzahlen

* Bereitstellung
  - fossile Energieträger
  - regenerative Energieträger
  - Kernenergie

* Übertragung
  - Netze

* Speicherung (Volumina, Flächen, LCA, ...)
  - Wasserstoff
  - Biomasse
  - Batterien

* Verwendung
  - Mobilität
  - Heizen, Lüften, Kühlen
  
* Graue Energie
  - Übung mit Hilfe des Posters?
  
## Schadensminimierung

### Genehmigungsverfahren

* Windkraft
  - Schallschutz
  - Abschaltung
* Wasserkraft
  - Wasserrahmenrichtlinie

### Energiesystemoptimierung

* Aktuelle Beispiele aus der Forschungsgruppe.

### Emissionshandel

### Was können wir tun?
  - siehe: Das Klimabuch von Esther Gonstalla
  - Aufforstung

## Eigene Themen

- peak oil theory
- Wert der Natur --> Zeit Artikel
- Ölschiefer
- shale gas

## Quellen







## Markdown

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Images:

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### Extensions

?[audio](https://bigsoundbank.com/UPLOAD/mp3/1068.mp3)

!?[video](https://www.youtube.com/watch?v=bICfKRyKTwE)


## Quizzes

### A Textquiz

What did the **fish** say when he hit a **concrete wall**?

    [[dam]]

### Multiple Choice

Just add as many points as you wish:

    [[X]] Only the **X** marks the correct point.
    [[ ]] Empty ones are wrong.
    [[X]] ...

### Single Choice

Just add as many points as you wish:

    [( )] ...
    [(X)] <-- Only the **X** is allowed.
    [( )] ...