Donnerstag, Oktober 31, 2013

Mit CO2 die Weltwirtschaft messen

Analyse der Weltwirtschaft

Kann man an einer Luft-Messstation auf Hawaii die Weltwirtschaft messen? 
Vielen ist die berühmte Keeling Kurve der CO2 Konzentration in der Atmosphäre bekannt. Seit 1958 wir praktisch ununterbrochen in Hawaii auf dem Mauna Loa die CO2 Konzentration der Erde gemessen.
Original Daten der CO2 Messung, Quelle[1
Diese Kurve zeigt zum einem eine nachhaltige Zuname der CO2 Konzentration, aber auch die jahreszeitlichen Schwankungen, die auf den unterschiedlichen Vegetationszyklus auf der Nord und Südhalbkugel beruhen.

Glättung und Näherung

Nimmt man die Daten und glättet über 12 Monate, so bekommt man ein sehr stetiges Wachstum der CO2 Konzentration über mehr als 50 Jahre!
Über 12 Monate gemittelte CO2 Konzentration (Eigene Datenanalyse)
Der Physiker sieht in dieser Kurve sofort das exponentielle Wachstum des CO2 Gehalts. Legt man eine Näherungskurve (blau) mit der Formel K(t)=K+K(0)*exp((t-t0)/T) an, so erhält man für die Faktoren interessante Werte: Die ursprüngliche CO2 Konzentration K liegt bei 254ppm, das ist ein Wert der im Rahmen der natürlichen Schwankungen der letzten 100.000 Jahre liegt und einer normalen Warmzeit entspricht.
Weiterhin findet man, dass der Wachstumsfaktor K(0) den Wert 60ppm hat und der entscheidende Wert, die Geschwindigkeit der Zunahme, T=58a  ist. Das bedeutet, der zivilisatorische Anteil verdoppelt sich alle 40 Jahre.

Abweichungen sind spannend

Zieht man von den Messwerten den längerfristigen Trend ab, so erhält man eine sehr merkwürdige Kurve:
Abweichungen der CO2 Konzentrationen zeigen Wirtschaftsentwicklungen (eigene Analyse)
In den sechziger-Jahren ist die Konzentration entgegen des langfristigen Trends zurückgegangen. Dies könnte an der Substitution von Kohle durch Öl liegen. Öl hat bei gleicher Energie einen geringeren CO2 Wert. 
Nach der Ölkrise 1973 und besonders 1980 steigt der CO2 Wert überproportional stark an, möglicherweise genau der umgekehrte Effekt, Kohle wird vermehrt eingesetzt. 
Mit dem Zusammenbruch des Ostblocks 1989 werden viele unwirtschaftliche Kohlekraftwerke geschlossen, und der CO2 Ausstoß wächst unterdurchschnittlich.
In den letzten 20 Jahren kann man Wirtschaftszyklen erahnen, um 2000 und 2008 sinkt der Wert bereits vor der Krise etwas ab. Allerdings bleibt unklar, warum es scheinbar eine Überlagerung von einen etwa vier Jahre dauernden Zyklus gibt. Möglich wären Meeresströmungen, die in diesem Zeitraum schwingen.

Forschungsbedarf

Bei den offenen Fragen besteht also Forschungsbedarf. Oder hat jemand zu dieser Problematik für mich eine gute Literaturstelle zur Hand? Ich würde mich freuen.

Mehr zum Thema


Quellen:

Montag, Oktober 28, 2013

Lösung Sommerzeit Winterzeit

Wechsel Sommerzeit zu Winterzeit gelöst?

Alle Jahre wieder wird im Herbst überraschend von Sommerzeit auf Winterzeit umgestellt.
Dabei gibt es zwei Probleme, zum einem leben Menschen nach einem festen Tag Nacht Rhythmus, dessen Störung jedem mehr oder weniger große Probleme bereitet.
Das zweite Problem ist die Zeitumstellung, in welche Richtung muss man die Uhr drehen, wurde eine Uhr schon vom Partner verstellt, ist das eine Funkuhr, hat die Funkuhr im Funkloch überhaupt Empfang usw.
Die einfachst Lösung wäre, Sommerzeit wieder abschaffen, das wäre meine persönliche Empfehlung.

Alternative: Schaltminute

Will man aber den Vorteil, dass im Sommer die Sonne abends bei Sommerzeit scheinbar länger scheint, beibehalten, aber das Wechselproblem entschärfen, dann gibt es eine Alternative. In einer Welt, in der die Zeit von Funkuhren und Computer bestimmt ist, könnte man im Monat September und Oktober in jeder Nacht eine Minute entfernen, und in den Monaten März und April jeweils eine Minute hinzufügen!
Alle die noch alte Uhren haben, merken davon kaum etwas, da dort die Zeit öfter nachgestellt werden muss. 
Bei der Bahn würde es im Fahrplan auch kein Problem geben, denn eine Minute würde nie auffallen.
Auch andere Prozesse wie Babys wecken und füttern sowie Kühe melken wären problemlos ohne Bruch möglich.

Natürliche Zeitsverschiebung

Den Wenigsten ist vermutlich bewusst, dass die Sonne sogar eine natürliche Zeitverschiebung bis zu einer Minute am Tag hat. Mittags, Sonnenhöchststand, ist nämlich nicht immer um Zwölf, sondern verschiebt sich nach einer komplizierten Gleichung, der Zeitgleichung, über das ganze Jahr bis zu +/- 15 Minuten.
Die Zeitgleichung beschreibt die Abweichung der Sonnenzeit zur "Uhrenzeit". Bildquelle Wikipedia
Im 16. Jahrhundert hatte diese Phänomen die Uhrmacher, die bereits sehr genaue Pendeluhren gebaut haben, sehr verwirrt, und erst mit den Rechnungen von Newton und Leibniz verstand man damals das Problem [1].

Wie ein Wanderer

Die zukünftige Sommerzeitumschaltung würde unser Zeitempfinden nicht mehr belasten als eine Wanderung um etwa 20 Kilometer in westlicher Richtung oder bei der Winterzeitumstellung, wie eine Wanderumg um 20 Kilometer in östlicher Richtung pro Tag. 
Wir werden sehen, ob mit der weiteren Automatisierung der Zeitangabe durch zentrale Uhren, dieser Vorschlag von mir Realität wird. (Falls jemand anderes die Idee bereits hatte freue ich mich auf Hinweise!)

Quellen:

Thomas de Padova, Leibniz, Newton und die Erfindung der Zeit

Zum Thema Zeit:



Sonntag, Oktober 06, 2013

Innovationen in der Zukunft

Innovationen die in der Zukunft liegen

Es gibt Erfindungen (engl. invention) und es gibt Innovationen. Eine Erfindung wird zur Innovation wenn sie sich am Markt durchsetzt. So wurde das Auto von Carl Benz 1885 erfunden, aber es hat eine Generation gedauert, bis daraus durch Henry Ford eine Innovation wurde. Erst Henry Ford hat so viele Autos gebaut und verkauft, dass unser Leben durch das Auto grundlegend verändert wurde.
Es gibt offensichtlich auch Erfindungen, die bis heute auf den Tag warten, wo sie unser Leben verändern. Häufig hört man von den Unterstützern, der Technik xyz gehört die Zukunft. Ich will das mal an einigen Beispielen betrachten, die immer wieder durch die Medien geistern.

Die Kernfusion 

Mit der Erklärung der Energiefreisetzung in der Sonne durch Bethe und Weizäcker im Jahr 1938 war klar, dass man im Prinzip durch Kernfusion von Wasserstoffkernen extrem viel Energie gewinnen kann. In den 1950er Jahren begann daher ein Wettlauf um den Bau des ersten Fusionsreaktors. Zunächst waren die Wissenschaftler sehr optimistisch und man sprach von zwei Jahren Entwicklungszeit. Als auch nach zehn Jahren kein Erfolg zu verbuchen war legte man den Durchbruch in die Zukunft und sprach von 20 Jahren. Als ich Anfang der 1980er Jahre am Institut für Plasmaphysik in Garching bei München gearbeitet hatte, lag der "geplante" Durchbruch bei der Kernfusion 30 Jahre in der Zukunft. Im Jahr 2013 wird von Frau Professor Sybille Günter, Direktorin des Max-Plank Instituts für Plasmaphysik, darauf hingewiesen, dass im Jahr 2100 etwa 10% der Energieversorgung aus Kernfusion stammen werden.
Fusionsforschung in Garching bei München, bei der ich 1984 ein Praktikum gemacht habe. Bildquelle: Wikipedia
Offensichtlich ist es mit der Heute zur Verfügung stehen Technik nicht möglich, eine kontrollierte Kernfusion dauerhaft und gewinnbringend zu erzeugen. Es fehlen grundlegende Voraussetzungen, um mit der vor über 50 Jahren geborenen Idee eines Torus-Reaktors, ein Plasma lange genug einzuschließen, dabei mehrere Gigawatt durch die Wand zu transportieren und dabei die Wand nicht zu zerstören. 
Unabhängig von den technischen Details sehen wir eine Erfindung, die es nicht zur Innovation gebracht hat.

Das Wasserstoffzeitalter

Zufällig kann man mit den Atomen des Wasserstoffs eine weitere futuristische Welt denken. Zuerst aber nochmals eine Klarstellung, die möglicherweise zu großer Verwirrung in der Öffentlichkeit geführt hat. Wasser besteht aus H2O, also aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Aufgrund der sehr guten Verfügbarkeit von Wasser liegt es nahe, Wasser elektrolytisch zu zersetzen und den Wasserstoff zu speichern. Benötigt man die Energie wieder, kann man den Prozess umkehren, der Wasserstoff wird mit dem allgegenwärtigen Sauerstoff zusammengeführt und dabei in der Brennstoffzelle wieder Energie freigesetzt. 
Wasserstoff ist keine Energiequelle sondern ein Energiespeicher
So schlicht die Idee ist, so schwer ist es den Prozess wirklich ökonomisch zu beherrschen. Zum einem verliert man bei der Elektrolyse Energie, eine weiterer Verlust entsteht in der Brennstoffzelle. Damit verliert man bei heutiger Technik etwa 50% der Energie. 
Das zweite Problem ist, dass man Wasserstoff sehr schlecht aufbewahren kann. Unter hohem Druck ist er nicht nur gefährlich, sondern er neigt auch durch Metall zu diffundieren. Stark abgekühlt, auf -252°C wird er flüssig, allerdings gibt es keine Isolation, die den flüssigen Wasserstoff über viele Tage verlustfrei flüssig hält. Der Wasserstoff verdampft und muss dann "nutzlos" verbrannt werden.
Obwohl beide Probleme, Wirkungsgrad und Aufbewahrung, für Sonderfälle wie Weltraumfahrt, keine Rolle speilen, sind diese Probleme Showstopper in der Praxis, die es verhindern, dass Wasserstoff in ernsthafte Konkurrenz zu anderen Energiespeichern steht.
Ähnlich wie bei der Kernfusion sind enorme Mittel in die Erforschung von Wasserstofftechnik geflossen, einen Durchbruch gab es nicht und das Wasserstoffzeitalter liegt weiter in der Zukunft.

Das Elektroauto

Der dritte Geist trägt den Namen Elektroauto. Auch das Elektroauto wurde bereits 1888 von Andreas Flocken erfunden. Und um 1900 war die Zahl der Elektroautos sogar größer als die der Benzinautos. 
"Der Feind des Guten ist das Bessere"
Das Benzinauto ist durch die Integration einer Batterie für den Motorstart genau so bequem zu starten als ein Elektroauto. Mit der Revolution des Ölzeitalters, dem Auffinden scheinbar unerschöpflicher Ölquellen in den USA und an anderen Orten, war der Preis für Benzin sehr rasch gesunken, so dass das Elektroauto seither ein absolutes Nischendasein fristet.
Das grundlegende Problem ist nicht der Motor, auch nicht die Motorsteuerung, an der ich zufällig mit meiner ersten Diplomarbeit beteiligt war. Ich hatte innerhalb von Siemens Mitte der 1980er Jahre an der Entwicklung eines MOS-GTO mitgewirkt, der für das Steuern eines Elektroautos gedacht war. Der MOS-GTO funktionierte, aber der Markt für Elektroautos kam auch nach weiteren zwanzig Jahren des Wartens nicht. 
Das Kernproblem des Elektroautos ist die Batterie! Solange es nicht gelingt, eine Batterie mit einer Kapazität von 100kWh, einem Gewicht von 300kg und einem Preis unter 10.000€ herzustellen, so lange wird es keinen Durchbruch für das Elektroauto geben.
Aber das könnte bald gelingen, wie im folgenden, ausgezeichneten Vortrag von Lars Thomsen klar wird:

Wenn Erfindungen stecken bleiben

Offensichtlich gibt es viele Erfindungen, deren Zeit noch nicht gekommen ist, oder deren Zeit vielleicht nie kommen wird. Das gedankliche Problem ist dabei immer ähnlich. Es wird aufgrund einer überschaubar komplexen Idee eine grundlegende Lösung für ein Problem vorgeschlagen:
  • Kernfusion - Energieversorgung
  • Wasserstoffzeitalter - Energiespeicher
  • Elektroauto - Personentransport
Jede der Lösungen hat aber ein unüberwindbares Problem bei der Umsetzung. Dabei hilft es offensichtlich auch nicht einfach sehr viel Geld in die konkrete Forschung zu stecken. Grundlegende Probleme müssen durch "Basisinnovationen" gelöst werden, die oft ganz anders aussehen als zunächst gedacht.
Hier nochmals die Beispiele:
  • Kernfusion - Solarzellen zapfen die Energie des Fusionsreaktors Sonne an!
  • Wasserstoffzeitalter - vermutlich sind andere Speicher wie Lithium-Akkus besser
  • Elektroauto - aus Strom erzeugtes Methan könnte Autos antreiben
Aus diesen Beobachtungen bleibt die Erkenntnis, dass es gerade für den Staat besser ist, viele Ressourcen in die Grundlagenforschung zu stecken, da dies oft Lösungen für andere Probleme die offen sind ergibt. Das Zwanghaft festhalten an einem Forschungsziel, Fusionsreaktor, kann zu enormen Kosten führen und zu einem "Lock in" Prozess, da man bereits so viel Geld ausgegeben hat traut sich keiner das Projekt mehr zu stoppen.
Eine Tragik menschlichen Handelns.

Zum Weiterlesen: