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Wie viele Windräder brauchen wir für die Energiewende?

Die Zukunft gehört Wind- und Solarstrom, doch im ersten Quartal 2021 erzeugten erneuerbare Energieträger 40 Prozent der Elektrizität in Deutschland. Dabei werden Elektrofahrzeuge und Wärmepumpen in den kommenden Jahren den Strombedarf steigen lassen. Schon jetzt ist klar: Soll die Energiewende in der nächsten Dekade gelingen, muss der Windkraftausbau beschleunigt werden. Doch um wie viel? Ein Versuch, die benötigte Leistung zu berechnen.

38 PROZENT MEHR STROM BIS 2030

  • Der Bruttostromverbrauch (inklusive dem Strom, der beim Transport verloren geht) lag in Deutschland im Jahr 2020 bei 544,9 Terawattstunden (1 TWh=109 oder eine Milliarde kWh).
  • Um die Klimaparameter zu erfüllen, geht die Bundesregierung von bis zu 14 Millionen Elektrofahrzeugen bis 2030 aus. Bei einer jährlichen durchschnittlichen Laufleistung von 15.000 km pro Fahrzeug und einem durchschnittlichen Stromverbrauch von 14 kWh/100 km benötigt Deutschland zusätzlich 29,4 TWh pro Jahr, um den Strombedarf von E-Autos zu decken.
  • Der ThinkTank Agora Energiewende geht in einer Studie von 8 Millionen benötigten Wärmepumpen bis 2030 aus, um die Klimaziele zu erreichen. Bei einem jährlichen Verbrauch von zirka 6.000 kWh pro Wärmepumpe (wie diese Rechnung zeigt) kommen so zusätzliche 48 TWh zusammen.
  • Laut einer Studie von Strategy& wird in Deutschland bis 2030 die Nachfrage nach „grünem“ Wasserstoff (mit erneuerbaren Energien erzeugten Wasserstoff) auf 3,3 Megatonnen steigen. Da selbst ein sehr effizienter Elektrolyseur derzeit 39 kWh/kg Wasserstoff verbraucht, würde man dafür nochmal 128 TWh Strom brauchen.
  • Der gesamte Stromverbrauch im Jahr 2030 beträgt nach dieser hypotetischen Rechnung 751 TWh. Das übertrifft selbst die Prognose der Bundesregierung von 645-665 TWh für 2030 um 13 Prozent. Gegenüber 2020 wäre es eine Steigerung des Stromverbrauchs um 38 Prozent.
STROMVERBRAUCH 2020544,9 TWh*
VORAUSSICHTLICHER STROMBEDARF VON E-AUTOS 203029,4 TWh
VORAUSSICHTLICHER STROMBEDARF VON WÄRMEPUMPEN 203048 TWh
VORAUSSICHTLICHER STROMBEDARF FÜR GRÜNEN WASSERSTOFF 2030128,7 TWh
GESAMTBEDARF 2030751 TWh
* Statista

engpässe im Winter? nicht mit genug reserve

Die Abschätzung im vorherigen Abschnitt berücksichtigt nicht, dass der Stromverbrauch über das Jahr keineswegs konstant ist. So betrug laut Bundesnetzagentur die Netzlast im Januar 2021 satte 45.929 GWh, im Juni 2021 dagegen nur 39.344 GWh. Zum einen ist das Licht in der kalten Jahreszeit länger an, zum anderen drückt die Urlaubszeit im Sommer den Bedarf, da unter anderem Produktionsbetriebe schließen.

Heizen viele Haushalte künftig mit Wärmepumpen, dürfte sich dieser Effekt noch verstärken. Luft-Wasser-Wärmepumpen, die am häufigsten installierte Wärmepumpenart, verbrauchen umso mehr Strom, je niedriger die Außentemperatur ist.

Die Daten aus einem Monitoring-Projekt des Fraunhofer-Instituts verdeutlichen diesen Effekt. Demnach betrug der Verbrauch der untersuchten Wärmepumpe allein im Januar satte 18 Prozent des Gesamtjahresverbrauchs. Berücksichtigt man diesen Effekt, würden wir im Januar 2030 67,7 Terawattstunden Strom und damit 47 Prozent mehr als im Januar 2021 an Strom verbrauchen.

VERBRAUCH JANUAR 202145,9 TWh
VERBRAUCH E-FAHRZEUGE JANUAR 20302,45 TWh*
VERBRAUCH WÄRMEPUMPEN JANUAR 20308,64 TWh
BENÖTIGTER STROM FÜR GRÜNEN WASSERSTOFF JANUAR 203010,7 TWh*
GESAMTBEDARF JANUAR 203067,7 TWh
* Als Vereinfachung wird davon ausgegangen, dass sowohl der Verbrauch von E-Fahrzeugen als auch von Elektrolyseuren über das Jahr konstant bleibt.
Wärmepumpen benötigen in den Wintermonaten Strom, um Wärme bereitzustellen. ©HarmvdB/Pixabay.com

SO VIELE WINDKRAFTANLAGEN FEHLEN

Nicht nur die Grünen möchten bereits 2030 Kohlekraftwerke komplett stilllegen. Auch die Agora Energiewende geht davon aus, dass das neue Klimaschutzgesetz und der EU-weite Anstieg des Preises für CO2-Zertifikate dazu führen wird, dass Kohlekraftwerke schon vor 2038 vom Netz genommen werden.

Schaut man auf den abgeschätzten Strombedarf im Januar 2030, stellt sich die Frage, wie hoch die Kapazitäten sein müssen, um ihn theoretisch ausschließlich mit erneuerbaren Energien zu decken. Dabei ist es wichtig zu beachten, dass PV-Anlagen in den dunklen Wintermonaten einen geringen Beitrag zur Stromerzeugung leisten. Im Januar 2021 schwankte beispielsweise ihr Anteil an der Stromerzeugung je nach Kalendarwoche zwischen 0,9 und 1,9 Prozent. **

Zwar fordert der Bundesverband der Energie und Wasserwirtschaft (BDEW), bis 2030 die installierte PV-Leistung auf 150 GW zu verdreifachen. Allerdings würde selbst damit aufgrund des höheren Strombedarfs der Anteil des PV-Stroms im Januar maximal 5 Prozent betragen.

Biomasse zur Stromerzeugung wird dagegen nach Einschätzungen des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie nur als flexible Option mit wenigen Volllaststunden eingesetzt werden, da ihr Potential begrenzt ist. Es ist daher nicht davon auszugehen, dass ihr aktueller Anteil an der Stromerzeugung von zirka 8 Prozent** steigen wird.

Mit diesen Eckdaten müssten Windkraftanlagen in unserem Beispielsszenario im Januar 2030 87 Prozent des Energiebedarfs decken. Dafür bräuchten wir zusätzliche 224.761 MW an Leistung und müssten bis 2030 jährlich um die 28.000 MW neu installieren. Das ist mehr als fünfmal so viel wie im unter diesem Aspekt erfolgreichsten Jahr 2017, als der Zubau 5.333 MW betrug. ***

STROMERZEUGUNG VON WINDKRAFTANLAGEN IM JANUAR 202111,7 TWh*
STROMBEDARF IM JANUAR 203067,7 TWh
VON WINDKRAFTANLAGEN BENÖTIGTE ENERGIE (GESAMTBEDARF ABZÜGLICH 13 PROZENT BIOMASSE/SOLARANLAGEN)58,8 TWh
VERHÄLTNIS5,03
INSTALLIERTE LEISTUNG 202155.772 MW
ZUSÄTZLICHE BENÖTIGTE LEISTUNG BIS 2030224.761 MW
ZU INSTALLIERENDE LEISTUNG 2022-2029 PRO JAHR28.095 MW

*Quelle: BDEW

** Quelle: energy-charts.info

*** Quelle: Bundesverband WindEnergie, „Installierte Windenergieleistung in Deutschland

warum StockT der Aufbau?

Die letzten vier Jahre 2018-2021 waren alles anderes als erfolgreich wenn es darum ging, neue Windkraftanlagen zu installieren***. 2019 wurde mit 325 MW der geringste Zubau seit 2000 erreicht (siehe Bild unten).

Laut dem Bundesverband WindEnergie trägt die Politik die Schuld am Stillstand. Zum einen würden die Bundesländer nicht wie vereinbart 2 Prozent Fläche für die Windenergie zur Verfügung stellen. Zum anderen würden lange Genehmigungsverfahren und Klagen von Bürgerinitiativen die Umsetzung von Projekten bremsen.

©WindGuard GmbH

sind offshore-Windkraftanlagen die LÖSUNG?

2021 beträgt die Leistung der Offshore-Anlagen in Deutschland 7.771 MW. In der Nordsee befinden sich mit fast 6.700 MW die meisten von ihnen. Damit machen sie gerade mal 14 Prozent der Gesamtleistung der installierten Windturbinen aus. Das könnte sich allerdings in den nächsten Jahren ändern.

Zum einen kämpfen die Offshore-Windparks weniger mit Akzeptanzproblemen als Onshore-Anlagen, da sie mehrere Kilometer von der Küste entfernt liegen. Zum anderen sorgen auch in windarmen Jahren wie beispielsweise das erste Halbjahr 2021 für eher konstante Erträge als Onshore-Anlagen. Außerdem lassen sich Anlagen mit einer Leistung über 10 MW eher als am Land realisieren, weil der Windertrag höher ist.

Die Bundesregierung hat das Potential der Offshore-Windkraft längst entdeckt. Bis 2030 sollten dank des Windenergie-auf-See-Gesetzes 20 GW (20.000 MW) an Leistung in der Nord- und Ostsee entstehen. Die EU-Kommission geht von einem Potential von 450 GW in den europäischen Meeren aus. Obwohl in den letzten Jahren der Ausbau an Kapazitäten genauso wie bei Onshore-Anlagen stockte, ist es also davon auszgehen, dass sich die Lage rasch ändern wird. Davon geht auch der niederländische Windparkbetreiber TenneT aus, der vor allem in der Nordsee zahlreiche Projekte plant.

Retten Offshore-Windparks die Energiewende? © Florian Pircher/pixabay.com

Lassen sich die KLimaziele auch mit wenigen Windrädern erreichen?

Selbst wenn der Ausbau der benötigten Leistung bis 2030 nicht gelingt, bedeutet nicht, dass Deutschland seine Klimaziele verfehlen wird. Anders als bei Windkraftanlagen wuchs bei Photovoltaikanlagen die installierte Leistung auch in den letzten Jahren stetig und konstant um zirka 4.000 MW pro Jahr.*

Anders als Windturbinen kämpfen Solaranlagen kaum mit Akzeptanzproblemen und lassen sich dezentral und ohne schwerwiegende Umweltauswirkungen installieren. Zudem stellen steigende Strompreise sowohl für Private als für Unternehmen einen Anreiz dar, PV-Anlagen zu installieren, um den Strom selbst zu verbrauchen.

Dennoch bleibt das Problem der saisonal schwankenden Leistung von Solaranlagen. Hier sind fundierte Konzepte nötig, um den Überschuss an Solarstrom im Sommer wirtschaftlich zu speichern und im Winter zu verbrauchen. Insbesondere Wasserstoff eignet sich als Speichermedium hervorragend, allerdings liegt der Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens Strom –> Wasserstoff –> Brennstoffzelle –> Strom laut einer Studie des Fraunhofer Instituts bei gerade mal 24-35 Prozent.

Steigt die Effizienz des Verfahrens, steht einem Kreislauf aus Solarstrom, Windenergie und Wasserstoff nichts im Wege, der auch den erhöhten Strombedarf durchaus decken kann. Nicht nur im Sommer, sonder auch bei Windstürmen ließe sich die erzeugte und gespeicherte Energie später verwenden.

fazit

Auch ausgehend von einem kompletten Verzicht auf fossile Kraftwerke kann die Energiewende gelingen. Allerdings muss der Ausbau der installierten Leistung deutlich schneller vorangehen. Parallel ist es erforderlich, industrielle Anlagen zur Erzeugung von grünem Wasserstoff zu fördern, um die Volatilität von Windturbinen und Solaranlagen zu kompensieren.

Hält der Altcoin-Boom an?

Die Kurse schwanken gewaltig, dennoch bleibt der Preis vieler Altcoins rekordverdächtig. Neben Ethereum, dessen Wert sich innerhalb eines Jahres verzehnfacht hat, boomen Neulinge wie Polkadot und Meme, aber auch Altbekannte wie Neo und IOTA. Geht der Wachstumskurs weiter? Und welche Tokens werden das Rennen machen?

Niedrige Zinsen und größere Akzeptanz befeuern Kryptos

Der Krypto-Boom seit November 2020 ist kein Zufall. Zum einen suchen Investoren bei Nullzinsen und Rekord-Immobilienpreisen nach Renditemöglichkeiten. Die Überschwemmung der Märkte mit Liquidität infolge der Corona-Krise treibt nicht nur die Börsen-, sondern auch die Altcoin-Kurse nach oben.

Außerdem akzeptieren immer mehr offizielle Institutionen Krypto-Tokens. Vor ein paar Tagen kündigte PayPal an, dass seine US-Kunden künftig mit vier Kryptowährungen zahlen werden können. Auch Investoren wie Goldman Sachs, Citigroup und BlackRock deckten sich in den letzten Monaten ein. Als Tesla Anfang Februar 1,5 Mrd. Dollar in Bitcoins investierte, brachen vorerst alle Dämme.

Bärenzyklus ist noch lange kein crash

Am 23. Februar schien der Bullenzyklus vorerst zu Ende. Bitcoin verlor 15 Prozent ihres Werts innerhalb von zwei Tagen. Auch Ethereum, Litecoin und viele andere Altcoins stürtzen ab. Seitdem verhalten sich die Kurse vor allem extrem volatil. Doch geht es bald steil nach unten, wie viele Krypto-Skeptiker meinen?

Die Geschichte der Finanzmärkte ist voll von geplatzten Blasen, angefangen vom Tulpenfieber in Holland im 17. Jahrhundert bis zum Black Tuesday 1929 und zur Dotcom-Blase im Jahr 2000. Dabei definiert man eine Blase als die Überbewertung einer Anlage.

Bei Aktien ist die Bewertung vergleichsweise einfach, da hinter jeder Aktie ein Unternehmen steckt. Hält es seine Versprechen in Puncto Umsatz und Rendite nicht, sinkt irgendwann ihr Wert. Auch bei Immobilien gibt es Indikatoren für eine Blase. Kaufpreise, die viel schneller als die Mietpreise steigen, gelten zum Beispiel als Alarmsignal.

Doch was ist mit Altcoins? Dahinter verbirgt sich weder eine AG, die Bilanzen und Umsätze veröffentlicht, noch eine physische Anlage wie ein Haus. Seine Kritiker, darunter Prominente Ökonomen wie Robert Merton und Nouriel Roubini, argumentieren daher, Altcoins seien weder eine Währung noch was anderes, sondern eine an sich wertlose Spekulationsanlagen. Doch ist das wirklich so?

DEZENTRALE WERTSCHÖPFUNG: GENIALE IDEE ODER UTOPIE?

Bitcoins sind auf dem ersten Blick tatsächlich eine reine Wertanlage. Theoretisch besitzen sie jedoch einen Nutzen, nämlich die für viele sehr reizende Idee, das zentralisierte, von Banken und Nationalstaaten gesteuerte Finanzsystem zu überwinden und durch ein dezentralisiertes, demokratisches und zensurfreies System ohne Kontrollinstanze zu ersetzen.

Derzeit liegt jedoch diese Vorstellung in weiter Ferne, da das Netzwerk schon bei den vergleichsweise wenigen Transaktionen eine hohe Latenz aufweist. Es ist daher höchst unwahrscheinlich, dass das Bitcoin-Netzwerk in den kommenden Jahren das internationale SWIFT-System überflüssig machen wird.

Viele Altcoins versprechen allerdings mehr als ein Netzwerk für dezentrale Zahlungen. Vitalik Buterin erfand 2014 Ethereum mit dem Ziel, eine Turing-vollständige Kryptowährung zu schaffen, die Skriptsprachen unterstützt. Sogenannte Smart Contracts sind Programme, die Verträge in der realen Welt abbilden, selbstständig funktionieren und damit Mittelmänner, die eine reine Vermittlungsfunktion haben, überflüssig machen. Damit lassen sich beispielsweise Urheberrechte und Nutzungsverträge digital und automatisch durchsetzen, ohne dass eine dritte Partei (z.B. Agent, Rechtsanwalt) eingreift und Provisionen kassiert.

Inzwischen hat Ethereum nach Bitcoin die zweithöchste Marktkapitalisierung. Und obwohl Mittelmänner nach wie vor existieren und existieren werden, entstanden in den letzten Jahren viele Startups, die auf der Ethereum Blockchain auf Smart Contracts basierende Geschäftsideen implementieren. Ethereum selbst hat seinen Wert in den letzten zehn Monaten verzehnfacht. Da er durchaus eine Value Proposition hat, ist es unwahrscheinlich, dass er allzu sehr fällt.

neo, CHAINLINK UND cardano: die besseren Ethereums?

Aber auch Ethereum hat seine Tücken. Wie beim Bitcoin-Netzwerk verursacht die Verifizierung der Blöcke mit Proof-of-Work eine hohe Latenz. Ungefähr fünf Minuten dauert es derzeit, bis eine Transaktion bestätigt wird. Zwar startete am 1. Dezember 2020 die Transition zu Ethereum 2. mit Proof-of-Stake. Dennoch muss sich das neue Netzwerk noch beweisen.

Neo, die chinesische Antwort zu Ethereum, bietet eine open-source Blockchain-Plattform für die Entwicklung von Smart Contracts mit digitaler Identitätsprüfung, Orakeln zur Integration von Daten aus der realen Welt und dem Proof-of-Stake-Verfahren, das 10.000 Transaktionen pro Sekunde ermöglicht. Zudem werden anders als bei Ethereum gängige Programmiersprachen wie Java und C# unterstützt. Innerhalb des letzten Jahres stieg der Kurs von 10 auf um die 50 Dollar. Die praktischen Anwendungen halten sich derzeit noch in Grenzen. Sollte die chinesische Regierung jedoch bei ihrer Krypto-freundlichen Haltung bleiben, dürften auch die Partner langfristig nicht fehlen.

Um die Lösung des Orakel-Problems dreht sich auch der erfolgreiche Chainlink. Dort, wo Smart Contracts Daten aus der realen Welt benötigen, sind Brücken zwischen öffentlichen Blockchains und externen Datenquellen notwendig. Sogenannte Orakel verifizieren diese Daten, dennoch sind sie traditionell ebenfalls zentralisiert. Im Chainlink-Netzwerk kann jeder aus der Community dagegen Daten für Smart Contracts bereitstellen.

Cardano, der einzige mit wissenschaftlichen Methoden entwickelte Altcoin, belegt nach Marktkapitalisierung den sechsten Platz. Mit dem in dem nächsten Monaten geplanten Goguen-Update werden dezentrale Smart Contracts möglich sein. Die Größe des Cardano-Ecosystems ist noch beschaulich, dementsprechend spiegelt der Kurs das Potential nicht wider. Je skalierbarer und Smart Contract-fähiger Cardano wird, desto mehr reale Anwendungen werden entstehen.

IOTA und polkadot: distributed Ledger für das dezentrale INTERNET OF THINGS

Blockchains der dritten Generation wie Cardano setzen nicht nur auf Smart Contracts, sondern auch auf Skalierbarkeit, Interoperabilität, Datenschutz, Sicherheit und geringe bis keine Gebühren. Damit stellen sie eine ideale Infrastruktur für das Internet of Things bereit. IOTA, die diese Ziele von Anfang an verfolgt hat, geht sogar einen Schritt weiter und verzichtet auf die Blockchain als Netzwerkarchitektur. Stattdessen gibt es den Tangle, ein verteiltes Register, bei dem jeder Teilnehmer gleichzeitig die Transaktionen bestätigt. Da der Tangle ohne Miner auskommt, gibt es auch keine Transaktionsgebühren.

Langfristig möchte IOTA das Zahlungsmittel für vernetzte Fahrzeuge, Maschinen und Edge-Geräte werden, die schnelle, kostenlose und automatisierte Transaktionen benötigen. Zu den prominenten Partnern zählen Land Rover und Dell. Mit Letzterem arbeitet die IOTA Foundation an einem Messverfahren, um die Vertraulichkeit von Big Data zu schätzen.

Auch das 2017 gestartete Polkadot möchte günstige und sichere Transaktionen im dezentralen Web 3.0 ermöglichen und als Grundlage für Edge Computing und KI-Anwendungen dienen. Das Polkadot-Netzwerk selbst bleibt anders als IOTA der Blockchain-Architektur treu. Als Validierungsverfahren dient ein demokratisches Proof-of-Stake, bei dem jeder Tokenhalter eine Stimme bekommt. Zudem sollen die auf der Plattform programmierten Anwendungen grundsätzlich auf jeder Blockchain funktionieren. Beispielsweise entwickelt die Firma ONTology Lösungen zur dezentralen Datenspeicherung.

fazit: VIELE ALTCOINS WERDEN DURCHSTARTEN

Die Kurse werden weiter schwanken. Dennoch ist es wahrscheinlich, dass viele Altcoins sich langfristig behaupten. Vor allem solche, die eine echte Value Proposition mitbringen, haben das Potential, technische Innovationen zu fördern und sich als Alternative zu zentralisierten Netzwerkarchitekturen zu profilieren. Zwar werden klassische, zentralisierte Client/Server Architekturen nicht verschwinden, aber dezentrale Anwendungen werden in der nächsten Dekade weiter Einzug halten und sie ergänzen.

Während die Kursentwicklung nicht zwingend den realen Mehrwert eines Projekts darstellt, sind Partnerschaften und reale Anwendungen ein zuverlässiger Indikator. Der Bedarf nach resilienten, dezentralen und skalierbareren Netzwerken wird in den kommenden Jahren wachsen. Aus diesem Grund werden wir von vielen Altcoins noch lange hören.

Autos mit Brennstoffzellen: haben Sie eine chance? (Wasserstoffserie Teil 1/3)

Neu ist die Idee eines Fahrzeugantriebs mit wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen nicht. Den Durchbruch hat das Wasserstoffauto aber nie geschafft. Politik und Hersteller setzen bei der Energiewende vor allem auf batteriebetriebene Fahrzeuge. Zu Recht? Und sehen wir in 20 Jahren vielleicht doch jede Menge Wasserstoffautos neben E-Fahrzeugen? Der erste Teil dieser Artikelserie befasst sich mit den CO2-Emissionen von Autos mit einem Brennstoffzellenantrieb im Vergleich zu Elektroautos und konventionellen Benzinern.

sind brennstoffzellen umweltfreundlich? eine rechnung

Auf dem ersten Blick verursachen wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen gar keine Emissionen. Das stimmt aber nicht ganz. Da Energie in keinem Land der Welt 100 Prozent aus erneuerbaren Quellen stammt, wird während der Wasserstoffherstellung CO2 erzeugt. Auch die Fertigung der Brennstoffzellen ist natürlich nicht CO2-neutral. Interessant ist der Vergleich mit Verbrennern sowie mit batteriebetriebenen E-Fahrzeugen hinsichtlich des CO2-Fußabdrucks. Folgende Aspekte habe ich betrachtet:

  • den Brennstoff: Wie schneidet Wasserstoff im Vergleich zu Benzin und Strom ab?
  • die Herstellung: Bei Verbrennern entsteht bei der Herstellung des Verbrennungsmotors CO2 , bei Wasserstoffautos haben wir Brennstoffzellen + einen Elektromotor und bei E-Autos die Batterie + einen Elektromotor. Wie viel CO2 entsteht dort?

Damit der Vergleich auch Sinn ergibt, habe ich Fahrzeuge mit einer ähnlichen Motorleistung verglichen. Das sind einmal der wasserstoffbetriebene Toyota Mirai mit 154 PS, einmal das E-Auto-Modell i3 von BMW mit 125 kW (169 PS) und als Benzinfahrzeug die 318i Limousine von BMW mit 156 PS. Gibt der Hersteller für bestimmte Parameter einen Bereich an, habe ich den Durchschnitt genommen.

Was nicht betrachtet wurde: Sowohl Benzin als auch Wasserstoff müssen vom Ort der Herstellung zum Verbraucher transportiert werden. Das ist ein Nachteil im Vergleich zu E-Autos. Aber auch die Wartung der Stromnetze erzeugt CO2. Diese Aspekte habe ich nicht betrachtet, da es den Rahmen sprengen würde. Auch das Recycling und die Entsorgung von Batterien, Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren wurden nicht berücksichtigt, zumal derzeit von einer Recyclingindustrie für E-Auto-Batterien keine Rede sein kann.

1. Die co2-bilanz der Treibstoffherstellung

Zur Herstellung von Wasserstoff gibt es aktuell zwei Methoden: die Wasserelektrolyse und die Reformierung (meist Methan-Dampfreformierung). Beide Verfahren haben ihre Vor- und Nachteile. Bei der Elektrolyse spaltet man mit elektrischem Strom Wasser (H2O) in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Der Energiebedarf beträgt 55 kWh pro erzeugtes Kilogramm Wasserstoff (Angabe: Clean Energy Partnership). Bei Emissionen von 401 g CO2eq/kWh Strom (Stand:2019) verursacht ein Kilogramm Wasserstoff einen Ausstoß von 22 kg CO2-Äquivalent. Verbraucht der wasserstoffbetriene Toyota-Mirai laut Herstellerangaben 0,7 kg/100 km, macht das auf einer Strecke von 100 Kilometern zu 15,4 kg CO2-Äquivalent.

Bei der Dampfreformierung trifft heißer Wasserdampf auf Methangas, dabei entstehen in zwei Schritten Wasserstoff und Kohlendioxid. Die Emissionen belaufen sich laut einer Studie auf 7 kg CO2eq pro Kilogramm Wasserstoff. Das macht für die gleiche 100-Kilometer-Strecke 4,9 kg CO2-Äquivalent, also ein Drittel als bei der Elektrolyse.

Auch die Herstellung von Benzin und Diesel verursacht gewaltige CO2-Emissionen. Laut der Studie „Global carbon intensity of crude oil production“ schlägt die Ölforderung im weltweiten Durchschnitt mit 10,3 g CO2eq/MJ Rohöl zu Buche, wobei die Schwankungen unter den einzelnen Ländern erheblich sind. Rohöl wird aber erst in der Raffinerie zu Benzin und Diesel. Eine kürzlich veröffentlichte Studie zeigt, dass in einer Raffinerie im globalen Durchschnitt 7,3 g CO2eq/MJ entstehen. Was bedeutet das für unser Beispielfahrzeug auf der Beispielsstrecke von 100 Kilometern?

CO2eq= 5,5 l/100 km * 100km* 32 MJ/l (Energiedichte von Benzin)* 17,6 g CO2eq/MJ =3,1 kg CO2eq

Anders als das Wasserstoffauto verursachen Verbrennungsmotoren auch im Betrieb Emissionen. Für die 318i Limousine sind es laut Hersteller im Schnitt 125 g/km, also 12,5 kg CO2eq für 100 km. Insgesamt sind wir für unsere Beispielsstrecke bei 15,6 kg CO2-Äquivalent.

Wie sieht es bei Elektrofahrzeugen aus? Hier ist der Treibstoff der Strom, mit dem die Batterie geladen wird. Der Vorteil ist, dass er dort bezogen wird, wo man das Auto tankt. In Deutschland profitieren Fahrer von einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien im Strommix.

Das i3-Model von BWM verbraucht laut Hersteller 14,2 kWh/100 km. Das ergibt ein CO2 -Äquivalent von:

14,2 kWh/100 km * 100 km *401 g CO2eq/kWh Strom=5,6 kg CO2eq

Die Olförderung trägt einen schweren CO2-Rucksack

2. Die co2-bilanz der batterieFertigung

Elektroautos schneiden im Vergleich zu Wasserstoffautos auf dem ersten Blick besser ab, weil die Energie keine doppelte Umwandlung Strom–> Wasserstoff –>Strom macht, sondern direkt in die Batterie fließt. Die Batterieherstellung ist aber alles anderes als klimaneutral. Eine 2019 aktualisierte Studie des Swedish Environmental Research Institutes bezifferte den CO2-Ausstoß auf 61-106 kg pro kWh Batteriekapazität (Durchschnitt: 83,5 kg/kWh). Für unser E-Fahrzeug mit 125 kWh bedeutet es, dass bei der Batterieherstellung 10.437 kg CO2 entstehen.

Was heißt es für die einzelne Fahrt? Dazu müssen wir wissen, wie lange die Batterie eines E-Fahrzeugs hält. Bei Modellen der i3-Reihe hat BMW 2020 die Garantie auf 160.000 Kilometer erweitert. Nehmen wir an, der Akku hält so lange und nicht mehr. Wollen wir die Emissionen auf unsere Teststrecke umrechnen, ergibt das:

10.437 kg CO2/160.000 km* 100 km= 6,5 kg CO2eq

Addiert zu den 5,6 kg CO2 – Äquivalent, die durch den Stromverbrauch entstehen, macht das 12,1 Kilogramm CO2– Äquivalent. Das ist weniger als beim Mittelklassewagen mit Verbrennungsmotor, aber mehr als beim Brennstoffzellenfahrzeug, wenn Wasserstoff durch Dampfreformierung entsteht.

In seinen Fabriken (hier Fremont, California) strebt Tesla eine völlige CO2-neutrale Fertigung an

3. DIE co2-bilanz DER Brennstoffzellenfertigung

Auch Brennstoffzellen werden nicht CO2-neutral produziert. Das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme errechnete in einer Studie (2019) 30 kg CO2 eq/kWh für die Fertigung. Bei den 113 kW des Toyota Mirai ergibt das 3.390 kg CO2. Das ist im Vergleich zur Batteriefertigung ungefähr ein Drittel. Zudem haben die Brennstoffzellen im Fahrzeug eine höhere Lebensdauer als Batterien. Die California Fuel Cell Partnership, eine Vereinigung aus Unternehmen zur Förderung von Brennstoffzellenfahrzeugen, geht von einer Lebensdauer von mindestens 150.000 Meilen (241.000 Kilometern) aus.

Auf unsere Strecke umgerechnet macht es:

3.390 kg/241.000 km * 100 km= 1,4 kg CO2-eq

Insgesamt kommt der Toyota Mirai in dieser Rechnung auf 6,9 kg CO2 pro 100 km, falls Wasserstoff per Dampfreformierung erzeugt wird, und auf 16,8 kg, falls er aus einem Elektrolyseprozess entstammt.

4. die co2-bilanz der herstellung

Natürlich entstehen bei jedem Fahrzeug auch während der Herstellung CO2-Emissionen. Auch hier schwanken die Werte erheblich je nachdem, wo die Produktion stattfindet. Insgesamt bemühen sich in den letzten Jahren dennoch alle Autohersteller um einen kleinen Fußabdruck. BMW erklärte in einem Interview 2018, dass es in seinen Werken die Emissionen auf 400 kg pro Fahrzeug senken konnte.

Laut diesem Spiegel-Artikel geht BWM bei Benzinmotoren von einer Lebensdauer von 150.000 Kilometern aus. Für unsere 100-km-Strecke heißt es:

400/150.000*100 = 0,2 kg CO2-eq

Über den CO2-Ausstoß bei der Elektromotorenfertigung (bis auf die Batterie) gibt es wenige Daten. Dennoch sind sie einfacher aufgebaut als Verbrennungsmotoren, der Prozess ist schätzungsweise weniger energieintensiv. Mangel an zuverlässigen Daten wurde dennoch in dieser Rechnung den gleichen Wert wie bei den Verbrennungsmotoren angenommen.

5. das ergebnis

CO2-eq Emissionen auf einer Strecke von 100 km fürToyota Mirai (Wasserstoff per Dampfreformierung)Toyota Mirai (Wasserstoff per Elektrolyse)i3 (E-Auto)318i Limousine (Benzin)
Treibstoffherstellung [kg CO2-eq]4,915,45,63,1
Betrieb [kg CO2-eq]12,5
Fertigung (Batterie, Brennstoffzelle) [kg CO2-eq]1,41,46,5
Motorenfertigung0,20,20,20,2
Summe [kg CO2-eq]6,517,0012,315,8
CO2Bilanz für Wasserstoffautos, E-Fahrzeuge und Benziner – Zusammenfassung

Die Rechnung in den vorherigen Abschnitten ist nur eine Beispielrechnung mit vielen Vereinfachungen, dennoch lässt sich einiges ableiten:

  • Die Elektrolyse zur Wasserstoffherstellung mit dem aktuellen Strommix ergibt CO2-technisch wenig Sinn.
  • Anderseits schneiden Wasserstofffahrzeuge viel besser als E-Fahrzeuge ab, wenn der Wasserstoff durch Dampfreformierung hergestellt wird. Das ist auch das wahrscheinlichste Szenario, denn laut Statistiken entsteht 96 Prozent des weltweit hergestellten Wasserstoffs durch Reformierung und nur 4 Prozent durch Elektrolyse.
  • Sowohl Wasserstoffautos als E-Autos stoßen weniger CO2 als Verbrenner aus, selbst wenn man die Angaben über die CO2-Emissionen pro Kilometer der Hersteller nimmt, die sich in der Praxis selten bewahrheiten.

die grenzen der berechnung: strommix-zusammensetzung entscheidend

Eine solche Beispielrechnung hat durchaus Grenzen. Es gibt bereits mehrere Studien, die den CO2-Fußabdruck von Brennstoffzellenautos mit E-Autos vergleichen. Alle basieren dennoch auf die Schätzung bestimmter Parameter, zum Beispiel der Treibhausgasemissionen während der Fertigung. Die Ergebnisse weisen daher eine große Schwankungsbreite auf. Sie ändern sich sehr stark je nachdem, wo die Batterien beziehungsweise die Brennstoffzellen angefertigt werden und wie die Zusammensetzung des Strommixes in dem Land aussieht. Je weniger fossile Energiequellen bei der Stromerzeugung, desto geringer die Emissionen bei der Fertigung (für beide Fahrzeuge) und im Betrieb (für das E-Auto).

2017 sorgte eine Studie des bereits zitierten Swedish Environmental Research Institute (IVL) beispielsweise für Aufregung. Die Wissenschaftler berechneten einen CO2-Ausstoß von 150-200 kg/kW in der Batteriefertigung. Dafür gingen sie von einem Anteil an fossilen Energieträgern im Strommix von 50 Prozent aus, was in vielen Ländern der Welt realistisch und sogar optimistisch ist. Mit dieser Annahme rechneten sich E-Autos im Vergleich zu Diesel-Fahrzeugen erst ab 100.000 Kilometern. Kritiker bemängelten jedoch, dass bei der Berechnung des Diesel-Fahrzeugs der CO2-Ausstoß der Ölförderung und der Ölraffinerien nicht berücksichtigt wurden. Zudem bemängelten weitere Experten, dass der Anteil am Bio-Treibstoff von 18 Prozent für das Dieselfahrzeug, der seine CO2-Bilanz erheblich verbessert, nur in Schweden üblich sei.

2019 aktualisierte das IVL die Studie und schätzte die CO2-Emissionen bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien viel niedriger ein, nämlich auf 61-105 kg/kW. Als Begründung gab es an, diesmal auch CO2-neutrale Batterieherstellungsverfahren berücksichtigt zu haben. Derzeit arbeiten zwar die wenigsten Batteriefabriken CO2-neutral (wobei Elon Musk seine Gigafactory in Nevada nach der Fertigstellung komplett CO2-neutral betreiben will), aber es ist denkbar und wahrscheinlich, dass sie Jahr um Jahr grüner werden.

Die Ergebnisse der viel zitierten Studie des Münchner Wirtschaftsforschungsinstituts Ifo, wonach Dieselfahrzeuge beim aktuellen Strommix umweltfreundlicher als E-Autos sind, kommen dadurch zustande. dass die Autoren hohe CO2-Emissionen für den deutschen Strom annehmen, nämlich 550 g/kWh. (offiziellen Angaben =401 g/kWh). Zudem stützen sie sich für den CO2-Ausstoß der Batteriefertigung auf die Werte der ersten IVL-Studie von 2017, die inzwischen nach unten korrigiert wurden.

Verringert sich den Anteil des Kohlestroms, bauen E-Autos, aber auch Wasserstoffautos ihren Vorteil gegenüber Verbrennern auf.

batterie-lebensdauer und wirkungsgrad der Wasserstoffherstellung ebenfalls wichtig

Eine weitere Unsicherheit ist die tatsächliche Lebensdauer von E-Auto-Batterien. Manche Nutzer, die das Tesla Modell P85 im Jahr 2012 gekauft haben, gaben an, dass die Batterie immer noch über 90 Prozent der ursprünglichen Kapazität besitzt. So sind vielleicht viel mehr als 160.000 Kilometer drin, was den CO2-Ausstoß pro Kilometer reduzieren würde.

Anderseits wird die Wasserstoffherstellung möglicherweise effizienter und grüner. Diverse Forschungsprojekte und Studien befassen sich mit der Möglichkeit, die Effizienz der Elektrolyse zu erhöhen. Das würde nicht nur den Prozesswirkungsgrad erhöhen, sondern auch den CO2-Ausstoß während der Elektrolyse senken, da man weniger Strom benötigen würde.

Mit den jetzigen Annahmen haben Autos mit Brennstoffzellen eine bessere CO2-Bilanz als E-Fahrzeuge. Dennoch erhalten sie wegen der hohen Kosten und des niedrigen Wirkungsgrads wenig Zuspruch.(Damit werden sich die anderen Teile dieser Artikelserie befassen). Die Rechnung in diesem Beitrag beruht auf aktuellen Daten, die Lage kann sich jedoch rasch sowohl in eine Richtung (Vorteil für die Brennstoffzellenautos) als auch in eine andere (Vorteil für die E-Fahrzeuge) ändern.

Wie immer beeinflussen auch politische Entscheidungen die Entwicklung. Bis vor kurzem taten sich Politiker damit schwer, die Weichen für eine Wasserstoffinfrastruktur zu stellen. Vor allem die deutsche Regierung hat jedoch inzwischen ihre Meinung geändert und verkündete bereits 2019 eine nationale Wasserstoffstrategie für grünen Wasserstoff. Damit sinken perspektivisch auch die Hürden für Wasserstofffahrzeuge.

Eine Wasserstofftankstelle: Bald überall Realität?

Kann die Blockchain unsere Daten schützen? Teil 1

Längst vor dem Skandal rund um Facebook und Cambridge Analytics war es den meisten Internetnutzern klar, dass soziale Netzwerke, Suchmaschinen und digitale Zahlungsdienste jede Menge Daten über sie sammeln und nutzen. Gibt es einen Weg, unsere Privatsphäre zurückzugewinnen? Ausgerechnet die Blockchain könnte helfen. Wenn wir es zulassen.

wo landen unsere Daten?

Der durchschittliche Internetnutzer hat sieben Social-Media-Accounts. Dazu kommen Benutzerkonten bei Online-Shops, Online-Banking-Konten und Profile auf Amazon, Google und so weiter. Wo genau landen unsere Daten? Was passiert mit ihnen? Als Nutzer kann ich das gefühlt genauso wenig steuern, wie ich das Wetter beeinflussen kann.

Das Problem liegt in der zentralisierten Struktur des Internets. Die meisten Webseiten basieren auf einer Client-Server-Architektur. Ein Nutzer (Client) verbindet sich mit einem Server, auf dem die Webseite läuft.

Will ich beispielsweise etwas auf Facebook posten, verbinde ich mich mit dem Facebook-Server, logge mich in meinen Account ein und schicke den Text beziehungsweise die Bilder an den Server. Alle meiner Aktivitäten bleiben dort gespeichert, auch die peinlichen Bilder, die ich vor 10 Jahren gepostet habe. Ich kann sie zwar so entfernen, dass sie nicht mehr in meiner Chronik erscheinen. Der Server gehört aber Facebook. Und wer das Kleingedruckte in den AGB liest, weiß, dass auch von der Plattform gelöschte Inhalte vorerst auf dem Server bleiben, und wer weiß wie lange.

Doch wie wäre es, wenn unsere Daten uns gehören würden und jeder kontrollieren könnte, wer einen Zugang dazu hat? Die Blockchain macht diese Vision möglich, zumindest theoretisch.

Die Blockchain: verTeilen statt zentral speichern

Die Blockchain, die viele vor allem mit der Kryptowährung Bitcoin verbinden, ist auch jenseits von Bitcoin interessant. Es handelt sich nämlich um ein Distributed Ledger, das auf Deutsch so viel wie „verteiltes Register“ heißt. Vereinfacht dargestellt speichern alle Knoten des Netzwerks die Gesamthistorie der Transaktionen und Prozesse. Dabei gibt es keinen einzigen Knoten, der das Netzwerk komplett kontrolliert.

Folgende Regeln gelten:

  • Niemand kann ohne die Zustimmung der gesamten Blockchain Daten hinzufügen.
  • Sind Daten auf der Blockchain gespeichert, können sie niemals gelöscht oder verändert werden.
  • Veränderungen im Code müssen von der ganzen Community genehmigt werden.

Die Blockchain ermöglicht also prinzipielle eine viel demokratischere Datenverwaltung als zentralisierte Systeme, bei denen eine Instanz (meist nicht der eigentliche Besitzer der Daten) alles kontrolliert.

die demokratisierung des internets?

Jenseits des Wunsches nach Profit treiben Gereichtigkeitsdeale viele Kryptoentwickler an. Ethereum-Gründer Vitalik Buterin setzt sich zum Beispiel für „Freiheit durch radikale Dezentralisierung“ ein. Er glaubt, dass die Macht der Blockchaingemeinschaft als solche die bisherigen Wirtschaftssysteme dramatisch verändern könnte.

In der Kryptoszene sind solche Visionäre nicht selten. Dan Hughes, der Gründer von Radix, gibt als Ziel an, jedem Mensch einen Zugang zur digitalen Ökonomie zu ermöglichen. Zwar nutzt Radix eine andere Datenstruktur als die Blockchain. Jedoch ist es trotzdem ein Distributed Legder.

Auch IOTA, das Distributed Ledger des Internet of Things, möchte das WWW komplett dezentralisieren. Nicht nur Menschen, sondern auch Autos, Elektrogeräte und Smartphones sollen untereinander kommunizieren und Geld verschicken können, ohne durch einen zentralen Server gehen zu müssen. Und natürliche ohne, dass dritte Parteien ihre Daten speichern.

anonym surfen (s0 viel, wie es geht)

Als George Orwell sein berühmtes Werk „1984“ schrieb, war Big Brother nicht mehr als eine Vision. Inzwischen weiß nur Gott über uns mehr als Google, wenn überhaupt. Googles Marktanteil an den weltweiten Suchen beträgt fast 90 Prozent. Das Tech-Unternehmen aus Mountain View weiß wo wir in den Urlaub fahren, wo wir am Samstag Abend feiern und kennt unsere Freunde.

Kein Wunder, dass es vielen Menschen mulmig wird. Laut einer Umfrage von „Harvard Business Review“ aus dem Jahr 2015 sorgen sich 80 Prozent der Deutschen über ihre Privatsphäre im Internet. Gleichzeitig wissen erschreckend wenige, was sie genau preisgeben. Nur 17 Prozent der Teilnehmer war es zum Beispiel bewusst, dass sie ihre IP-Adresse teilen, wenn sie im WWW surfen.

die Transparente suchmaschine

Google beobachtet nicht nur unser Verhalten im Internet. Er speichert sich auch unsere Suchen und schlägt uns die Inhalte vor, die uns seiner Meinung nach gefallen. Ganz oben auf der ersten Ergebnisseite landen die Webseiten mit einem hohen Ranking. Wie genau dieses Ranking im Detail berechnet wird, weiß nur Google.

Zwar versprechen hunderte von Softwares und Firmen, das Google-Ranking einer Webseite mit Quality Content, Backlinks und anderen Tricks zu steigern. Den Algorithmus kennen sie jedoch auch nicht. Da Google ein privates Unternehmen ist, hat die Community wenig Einfluss auf Updates. Der Code ist natürlich streng geheim. Darauf basiert Googles Macht, und sie steigt. Im zweiten Quartal 2019 verdiente es 32 Milliarden Dollar mit Anzeigen. Das ist mehr als das BIP Kambodschas.

Kann mithilfe der Blockchain eine demokratische, werbefreie Suchmaschine entstehen? Einige arbeiten daran. Presearch, Nebulas und Boogle sind nur einige bereits existierende blockchainbasierte Suchmaschinen. Sie versprechen dezentrale Suchen, bei denen die Daten nicht bei privaten Firmen landen, und natürlich keine Anzeigen. Sie stehen jedoch noch ganz Anfang, und benötigen Geld und Zeit für ihre Entwicklung.

Anonym unterwegs im WWW (So viel es geht)

Nicht nur Google, sondern auch Browser wie Firefox oder Chrome wissen viel von uns. Dabei gibt es durchaus Möglichkeiten, die eigene Privatsphäre im Internet zu schützen. Eine von ihnen ist Tor. Das Netzwerk mit über 4.000 Knotenpunkten anonymisiert den Datenverkehr, indem Anfragen verschüsselt zwischen mehreren Servern des Netzwerks ausgetauscht werden, bevor sie durch den Exit-Knoten den Zielserver erreichen. Die geheime Route ändert sich alle 10 Minuten. Tor verfügt auch über eine eigene Suchmaschine,

Ist Tor also wirklich 100 Prozent wasserdicht? 100 Prozent gibt es auf der Welt selten. So infizierte 2015 das FBI tausende Rechner von Tor-Nutzern, die sich pädophiles Material im Darknet anschauten und vertrieben. Der Virus verriert trotz Verschlüsselung die IP-Adresse der betroffenen Rechner.

Der Aufwand war jedoch sehr hoch und nur durch die Schwere der Straftaten gerechtfertigt. Wer keine illegalen Aktivitäten beabsichtigt, ist eigentlich ziemlich sicher. Der Preis für die Anonymität ist jedoch eine sehr langsame Verbindung. Außerdem sperren viele Webseiten Tor-Nutzer standardmäßig.

Etwas bessere Datenraten bieten VPN-Dienste an. Das Prinzip ist ähnlich wie bei Tor, aber nur ein Server wird zwischengeschaltet. Jedoch sind meisten VPN-Dienste kostenpflichtig. Außerdem sieht bei einer Anfrage den Endserver nicht, woher sie kommt. Der VPN-Anbieter kennt jedoch den Sender durchaus und speichert je nach VPN-Anbieter auch die Suchen.

Ist ein blockchainbasierter Browser möglich und gewährleistet er mehr Privatsphäre? Wenn es nach IBM geht, schon. Das Tech-Unternehmen arbeitet daran und hat bereits ein Patent angemeldet. Allzuviel über die Technologie ist jedoch nicht bekannt. Lediglich teilte IBM mit, dass der Browser die Privatsphäre erheblich verbessern sollte.

sind bitcoinzahlungen anonym?

Wer das internationale SWIFT-System für Finanztransaktionen nutzt, ist alles anderes als Anonym. Banken oder Finanzinstitutionen besitzen eine Historie der getätigten Transaktionen. Nicht selten kooperieren sie mit Behörden und leiten Daten weiter. In einem demokratischen System geschieht das, um illegale Aktivitäten wie Geldwäsche und der Missbrauch von Sozialleistungen zu unterbinden.

Autokratische Systeme nutzen jedoch gerne diese Kontrolle, um Regimekritikern die Konten einzufrieren. Bargeld gewährleistet eine gewisse Anonymität. Wer möchte jedoch große Mengen an Scheinen in der Matratze horten? Für die Menschen, die unter diktatorischen Regimen leben, bedeuten anonyme Finanztransaktionen daher einen gewissen Schutz.

Entgegen der verbreiteten Annahme sind Kryptowährungen wie Bitcoin und Ethereum nicht anonym, sondern im Gegenteil völlig transparent. Zwar besteht die öffentliche Adresse aus Zahlen und Buchstaben und nicht aus Namen oder Adressen. Jedoch gelang einer Gruppe von Wissenschaftlern des Qatar Computing Research Institute, die Sender von jahrelang zurückliegenden Transaktionen auf dem (mittlerweile geschlossenen) Online-Schwarzmarkt Silk Road zu identifizieren. Dafür verglichen sie Bitcoin-Adressen im anonymen Browser Tor mit Transaktionen auf der Blockchain und Spendenaufrufen auf Twitter, die dieselben Adressen enthielten.

Selbst wer vorsichtig ist und keine sozialen Netzwerke nutzt, kann nicht anonym mit Bitcoin oder anderen Kryptowährungen handeln. Die meisten Kryptobörsen (Exchanges) sind zentralisiert und verlangen bei der Anmeldung eine Identitätsprüfung. Wer noch keine Kryptowährungen besitzt, muss zudem seine Kreditkarten- oder Kontodaten angeben, um mit einer Fiatwährung Coins zu kaufen. Deutsche Kryptobörsen brauchen außerdem ab 2020 eine Lizenz der BaFin, der Bundesanstalt für Finanzdienstleistungsaufsicht.

Ist es also völlig unmöglich, Bitcoins anonym zu kaufen? Zumindest ist das schwierig. Zwar existieren weltweit 6.537 Blockchain-Automaten in 73 Ländern, die Bitcoins gegen Bargeld liefern (ganz vorne die USA und Kanada, aber auch 187 in Österreich, 71 in Tschechien und 67 in Deutschland). Wer verkaufen und Cash gegen Bitcoin möchte, muss sich aber auch bei den Automaten ausweisen.

privacy Coins für wirklich anonyme Transaktionen

Einen ganz anderen Ansatz verfolgen Privacy Coins wie Monero oder ZCash. Sie sind extra dafür konzipiert, Sender, Empfänger und Beträge geheim zu halten.

Monero wurde 2014 gegründet und ist einer der bekanntesten Privacy Coins. Wie Bitcoin nutzt er das Proof of Work und ist ein Distributed Ledger. Jedoch kann dank des verwendeten Cryptonote Protokolls nur der Empfänger mithilfe eines einmalig generierten Private Keys die Blockchain scannen und nach seiner Transaktion suchen. Ein Außenstehender sieht nur eine sogenannte Stealth Adress. Es handelt sich um einen einmaligen Public Key, die der Sender mit dem Public Key des Empfängers generiert. Der Betrag der Transaktion wird ebenfalls nicht öffentlich festgehalten.

Die Bitcoin-Fork ZCash nutzt dagegen das kryptographische Protokoll zk-SNARK. Die Abkürzung steht für „zero Knowledge Succint Non-Interactive Argument of Knowledge. Das bedeutet:

  • zero Knowledge (Null Kenntnis) – Miner können eine Transaktion verifizieren, ohne Betrag, Sender und Empfänger zu kennen.
  • Succint – kompakt.
  • Non-Interactive – Sender und Miner müssen nicht miteinander kommunizieren.
  • Argument of Knowledge – Der Gegenstand der Prüfung, in diesem Fall die Gültigkeit der Transaktion.

Die mathematische Theorie dahinter ist ausreichend kompliziert. Jedoch ist das Ergebnis, dass ich als Sender einem Empfänger Coins völlig anonym zukommen lassen kann. Die Blockchain weiß nur, dass eine Transaktion stattgefunden hat, jedoch nicht wer daran beteiligt war und welcher Betrag verschickt wurde. Anders als bei Monero kann ich mich dafür entscheiden, meine Adresse öffentlich zu machen. Defaultmäßig ist sie aber verschlüsselt.

Den Wunsch der Bürger nach Privatsphäre teilen übrigens Behörden und Finanzinstitutionen nicht. Die französische Regierung überlegt, Privacy Coins ganz zu verbieten, in Japan gilt das Verbot bereits ab 2018. Die Annahme: Komplett anonyme Transaktionen öffnen Kriminellen Tür und Tor.

Verlieren Big player wirklich die macht?

Demokratie, Privatsphäre und Kontrolle über die eigenen Daten: Klingt fast zu schön, um wahr zu sein. In der Tat sind die technischen Voraussetzungen gegeben. Doch machen die Nutzer mit? Und geben Konzerne wie Facebook und Google einfach so die Macht ab?

So einfach ist es nicht, denn auch die Mächtigen schlafen nicht. Sie wollen die neue Technologie beherrschen, bevor sie sie frisst. So hat Facebook im Juni 2019 angekündigt, eine eigene Kryptowährung namens Libra schaffen zu wollen, die jedoch nicht auf Blockchain basieren soll. Momentan liegt zwar das Projekt wegen rechtlicher Bedenken des US-Gesetzgebers auf Eis, aber bei so viel Kapital zweifelt niemand daran, dass Herr Zuckerberg seinen Wunsch erfüllt bekommen wird. Google ist schon viel weiter und arbeitet zusammen mit Ethereum (der zweitgrößten Kryptowährung) an einer hybriden Cloud-Blockchain App.

Das Linux-Projekt Hyperledger hat von Anfang als Ziel gehabt, Module für blockchainbasierte Dienste für die Industrie zur Verfügung zu stellen. Unter den Teilnehmern befinden sich bereits große Namen wie IBM, Lamborghini und die US-Discounterkette Target. Bei den Produkten handelt es sich meist um Permissioned Blockchains. Das bedeutet, dass jemand die Blockchain kontrolliert und nur bestimmte Teilnehmer Zugang erhalten. Wenn man an das ursprüngliche Grundprinzip von Dezentralität denkt, ist Hyperledger so nah an Bitcoin und Ethereum wie veganes Fleisch an echtem Fleisch.

kein soziales Netzwerk ohne teilnehmer

Verschiedene Blockchainentwickler versuchen, dezentrale und demokratische soziale Netzwerke zu entwickeln. Auch hier sollte keine zentrale Instanz die Profile verwalten oder Nutzerdaten an Dritte verkaufen. Viel mehr sollten die Nutzer mit ihren Inhalten Tokens verdienen können. Diaspora, Minds, All.me und Mastodon sind nur einige dezentrale soziale Netzwerke, die um Sichtbarkeit kämpfen.

Denn das Problem ist: Ziemlich jeder meckert über Facebook und Google, doch weltweit haben 1,9 Milliarden Menschen ein Facebookprofil. Über 80 Prozent nutzen täglich Google als Suchmaschine. Und ein soziales Netzwerk beziehungsweise eine Suchmaschine sind nur so mächtig wie die Anzahl ihrer Nutzer.

Sind wir also zu denkfaul für die Demokratisierung des Internets? Die nächste Dekade, die gerade begonnen hat, wird es zeigen.

Wie kann man Strom speichern?

Um 55 Prozent soll Deutschland seine Treibhausgasemissionen bis 2030 reduzieren. Jedoch stockt momentan die Energiewende. Die Hauptherausforderung bleibt, den von Solar- und Windkraftanlagen erzeugten Strom effizient zu speichern. Doch ist das überhaupt möglich?

  1. Kohleausstieg nur mit effizienten Speichern möglich
  2. Pumpspeicherwerke: Wie speichern sie Strom?
  3. Power-To-Gas:Wasserstoff aus Strom herstellen
  4. Was bringen Batterien als Stromspeicher?
  5. Strom als Wärme speichern
  6. Zusammenfassung

kohleausstieg nur mit effizienten Speichern möglich

38 Prozent des ins deutsche Netz eingespeisten Stroms stammte 2018 aus regenerativen Energien, bis 2035 soll der Anteil auf 60 Prozent steigen. Doch bei Photovoltaik- und Windkraftanlagen schwankt die Leistung je nach Wetterlage. Während an windigen oder sonnigen Tagen oft ein Überschuss vorhanden ist, droht bei Windstille und während des dunklen Winters eine Stromflaute.

Beispielsweise erzeugten Windkraftanlagen in Deutschland im windigen Dezember 2018 über 15 Milliarden Kilowattstunden Strom. Das entspricht ungefähr dem jährlichen Energieverbrauch Berlins. Jedoch fehlen adäquate Speichermöglichkeiten, um diesen Strom zu nutzen. Er wird zu niedrigen Preisen ins Ausland verkauft.

das ende der grundlast?

Derzeit regeln Kohle- und Atomkraftwerke die sogenannte Grundlast. Das ist die Energiemenge, die unabhängig von der Tageszeit ständig benötigt wird. Will aber Deutschland seine Klimaziele erreichen, müssen die Kohlekraftwerke spätestens 2030 vom Netz gehen. Noch davor, im Jahr 2022, soll das Aus für die Kernenergie erfolgen. Damit fehlt eine Energiequelle, die stets verfügbar ist. Umso mehr wird es nötig, in Zeiten von Überproduktion Energie zu speichern.

anforderungen an energiespeicher

  • Wirtschaftlichkeit
  • schnell betriebsfähig
  • hohe Energiedichte
  • Umweltfreundlichkeit
Speichermöglichkeiten im Überblick

Pumpspeicherwerke: wie speichern Sie Strom?

  1. Pumpspeicherkraftwerke nutzen elektrische Energie, um Wasser zu einem höheren gelegenen Ort hinaufzupumpen.
  2. Dort wird es in riesigen Becken gesammelt.
  3. Wird Strom benötigt, lässt man das Wasser wieder in den Rohren hinunterfließen
  4. Die mechanische Energie des Wassers treibt Generatoren an.
Pumpen wandeln die elektrische in potentielle Energie um

Wie viele pumpspeicherkraftwerke gibt es weltweit?

  • Derzeit landet 99 Prozent des weltweit gespeicherten Stroms in Pumpspeicherwerken
  • Das größte Pumpspeicherwerk ist aktuell die Bath County Pumped Storage Station in Virginia (USA). Seine Kapazität beträgt 24 GWh.
  • In Deutschland beträgt die Gesamtkapazität der Pumpspeicherwerke 40 GWh
  • Mit dem Wasser aus dem größten deutschen Pumpspeicherwerk in Goldisthal (Thüringen, 1,06 GW) lässt sich 8 Stunden lang eine Turbine betreiben und 8,5 GWh an Strom erzeugen.
  • Um den deutschen Strombedarf (1.685 GWh/Tag) einen Tag lang zu decken, bräuchte man theoretisch 198 solcher Pumpspeicherwerke.
  • Australische Forscher haben weltweit 530.000 potentielle Standorte für den Bau von Wasserkraftwerken gefunden.

pro und contra der pumpspeicherkraftwerke

  • Pumpspeicherwerke speichern Energie für eine Dauer von 2 bis 24 Stunden und sind dazu geeignet, während Spitzenlastzeiten Strom zu liefern. Sie sind aber als langfristige Speicher ungeeignet.
  • Der Wirkungsgrad beträgt 75 bis 80 Prozent. Damit schneiden sie im Vergleich zu anderen Speicherlösungen gut ab.
  • Sie sind schwarzstartfähig, können also ohne Stromzufuhr in Betrieb genommen werden
  • Lassen sich bei Bedarf schnell starten
  • Sie lohnen sich vor allem in Kombination mit Kohlekraftwerken, die wegen ihrer Trägheit nachts nicht abgeschaltet werden. Da in den Nachtstunden der Strombedarf und der -preis niedrig sind, ist der Pumpenbetrieb dann wirtschaftlich sinnvoll.

die zukunft der pumpspeicherkraftwerke

Solaranlagen produzieren besonders in den Mittagsstunden Strom. Das Überangebot sorgt dafür, dass der Strom nicht teurer als nachts ist. Es stellt sich die Frage nach der Daseinsberechtigung herkömmlicher Pumpspeicherwerke.

  • Die Stadt Dresden erteilte aus diesem Grund eine Absage zur Wiederinbetriebnahme des 2016 stillgelegten Pumpspeicherwerks Niederwartha.
  • Geplante Pumpspeicherwerke wie das im bayerischen Lam lassen sich oft schwer realisieren, da die Eingriffe in die Natur auf Widerstände stoßen.
  • Auf der anderen Seite forschen Wissenschaftler an alternativen Möglichkeiten, die die Landschaft weniger in Mitleidenschaft ziehen.
  • Am Bodensee wurde beispielsweise ein Hohlkugelspeicher getestet, bei dem Pumpen in einer hohlen Betonkugel einen Unterdruck erzeugen. Bei Bedarf an elektrischer Energie treibt das strömende Wasser eine Turbine an. Damit ist der Speicher mit einer Kapazität von 20 MWh pro Kugel ein Hybrid aus Pump- und Druckluftspeicher.
  • Seit 2017 sucht ein Projekt der Universität Duisburg-Essen nach Möglichkeiten, in stillgelegten Bergwerken ein unterirdisches Pumpspeicherwerk aufzubauen.

Power-to-GAS: Wasserstoff aus strom herstellen

  1. Power-To-Gas bezeichnet eine Methode, mit Strom mittels Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.
  2. Wasserstoff wird mithilfe von Katalysatoren mit Kohlenstoff angereichert, der beispielsweise aus Biogasanlagen stammt (Methanisierung).
  3. Daraus entsteht Methan, das entweder in Gaskraftwerken oder zur dezentralen Wärmeerzeugung verwendet wird.
  4. Alternativ lässt sich der Wasserstoff für industrielle Verfahren oder als Kraftstoff für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge nutzen.

wer nutzt power-to-gas Anlagen?

  • Der Deutsche Verein des Gas- und Wasserfaches (DVGW) zählt auf seiner Webseite 62 Power-To-Gas Projekte in Deutschland. 33 Anlagen sind bereits in Betrieb.
  • Einer der Pioniere in diesem Feld ist der Autokonzern Audi. In seinem Werk in Werlte (Emsland) produzieren Windkraftanlagen Strom, der zusammen mit Kohlenstoff aus einer Biogasanlage Methan in die Erdgasleitungen speist.
  • In Brunsbüttel (Schleswig-Holstein) plant Vattenfall zusammen mit ARGE Netz und MAN Energy Solutions ebenfalls den Windstrom zu nutzen, um synthetische Gase herzustellen.
  • In Haßfurt ging 2019 die erste Power-To-Gas Anlage Bayerns in Betrieb.
  • Die größte Wasserstoff-Elektrolyse-Anlage der Welt plant Shell in Wesseling (NRW). Mithilfe der Polymer-Elektrolyt-Membran-Technologie (PEM)  sollen 1.300 Tonnen Wasserstoff pro Jahr entstehen, die in der Shell-Raffinerie Verwendung finden werden.

gehört power-to-gas die Zukunft?

Obwohl die Technologie schon lange besteht, wird die Politik im Rahmen der Energiewende erst in den letzten Jahren auf Wasserstoff als Speichermöglichkeit für grünen Strom aufmerksam. So bezeichnete der EU-Klimaschutzkommissar Miguel Arias Cañete synthetische Gase als „die einzigen Gase, die im Energiemix 2050 enthalten sein werden“.

  • Herkömmliche Power-To-Gas Anlage erreichen einen Wirkungsgrad von zirka 50 Prozent. Damit sind sie nicht besonders wirtschaftlich.
  • Im Rahmen des EU-Projekts HELMETH ließ sich jedoch der Wirkungsgrad auf 75 Prozent steigern.
  • Methan lässt sich im Vergleich zu Strom speichern und leichter transportieren.
  • Ob sich Power-To-Gas Anlagen als Massenspeicher durchsetzen werden, hängt mit der Optimierung des Elektrolyseverfahrens und der Methanisierung zusammen.

was bringen batterien als Stromspeicher?

  • Solaranlagenbesitzer erwerben immer öfters Batteriespeicher gleich mit. Was im kleinen Maßstab (wenn auch mit langen Amortisationszeiten) funktioniert, scheitert bei großen Elektrizitätsmengen an den Kosten.
  • Lithium-Ionen-Akkus besitzen einen sehr guten Wirkungsgrad von 85 Prozent
  • Obwohl die Kosten seit 2010 um 85 Prozent gesunken sind, bleiben sie mit 150 bis 200 Euro pro kWh hoch. Vor allem das teure Lithium treibt der Preis in die Höhe.

die zukunft von batterien als Stromspeicher

  • An einer Alternative zur Lithium-Ionen-Batterien arbeitet das IKTS Fraunhofer Institut Hermsdorf in Ostthüringen. Ihre Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie nutzt Kochsalz und Aluminiumoxid, die günstig und regional verfügbar sind.
  • Im Rahmen des Projekts brine4power (Sole für Energie) kündigte EWE 2017 an, in Ostfriesland is 2023 die größte Redox-Flow-Batterie der Welt in riesigen unterirdischen Salzstöcken bauen zu wollen. Wegen mangelnder Finanzierung und technischer Probleme liegt das Projekt jedoch auf Eis.
  • Die Wirtschaftlichkeit von Akkus als Stromspeicher hängt vor der Möglichkeit, eine neue Generation von Akkus mit einer höheren Speicherdichte zu entwickeln, die gleichzeitig ohne teures Lithium auskommen.

strom als wärme speichern

Ist es möglich, elektrische direkt in thermische Energie ohne große Verluste umzuwandeln? Bis jetzt wurde diese Möglichkeit nicht sonderlich erforscht. Es gibt aber EU-weit interessante Projekte und Pilotanlagen in diese Richtung.

  • Im Hamburg Hafen erwärmt Strom 1.000 Tonnen Vulkansteine auf 750 Grad Celsius, die die Hitze besonders gut speichern. Mit dem Dampf wird nach Bedarf eine 1,5 MW Turbine angetrieben. Der Elektrisch-Thermische-Energiespeicher von Siemens Gamesa hat eine Kapazität von 30 MWh.
  • Ein ähnliches Konzept verfolgten das Energieunternehmen SEAS-NVE und die Technische Universität Dänemarks Risø bei der Hochtemperatur -Thermalenergiespeicher (HT-TES) in Sorø. Die thermische Energie der 600-Grad-heißen Steine wird zur Warmwasseraufbereitung genutzt.
Überschussstrom wird benutzt, um Vulkansteine zu erwärmen. Der Dampf treibt später eine Turbine an oder heizt Wasser.

ZUSAMMENFASSUNG

Größter Speicher (Kapazität in MWh)Kosten pro KWhWirkungsgradVorteileNachteile
Pumpspeicherwerke24.000 (Bath County Pumped Storage, USA)20-30 Ct 75-85 Große Kapazitäten
Schwarzstartfähig
Große Eingriffe in die Umwelt nötig
Hoher Platzbedarf
Power-To-Gas51 (Frankfurt)*50-60 Leichte Transportierbarkeit
Hohe Energiedichte
Niedriger Wirkungsgrad
Hohe Kosten
Batterien129 (Hornsdale, Australien)08-10 Ct90-95hoher Wirkungsgradhohe Kosten für Lithium-Ionen-Akkus
Andere Methoden noch nicht skalierbar
Niedrige Energiedichte
Elektrothermale Speicher30 (Hamburg)**Wenig erforscht

Künstliche Intelligenz und Coboter – die Arbeitswelt der Zukunft

Künstliche Intelligenz wird in den nächsten Dekaden die Industrie und die Logistik revolutionieren. Die intelligenten Roboter wecken Urängste bei vielen Beschäftigten, die um ihre Stellen fürchten. Doch Coboter, die kooperativen Roboter, werden Menschen gar nicht ersetzen, sondern mit ihnen zusammenarbeiten.

  1. Ein Viertel aller Jobs wegen Automatisierung in Gefahr?
  2. Hohe Produktivität setzt Menschen und Künstliche Intelligenz voraus
  3. Synergie zwischen Arbeitern und Cobotern
  4. Künstliche Intelligenz für Routineaufgaben
  5. Wird die Logistik 100 Prozent automatisiert?
  6. Nicht weniger Jobs, nur andere
  7. KI verschiebt Aufgabefelder

Ein viertel aller Jobs wegen automatisierung in gefahr

Künstliche Intelligenz ermöglicht Robotern, viele von Menschen ausgeführte Tätigkeiten zu übernehmen. Eine Studie der US-Stiftung Brookings fand heraus, dass 25 Prozent aller Stellen in den USA bereits jetzt durch die Automatisierung gefährdet sind. Das höchste Risiko weisen Jobs in Produktions- und Lebensmittelbetrieben sowie in der Transport- und Logistikbranche auf.

Aber das ist nur die halbe Wahrheit, denn derzeit ist Automatisierung vor allem eins: eine Zukunftsvision. In der Praxis nutzen laut einer Umfrage der Tech-Organisation CompTIA nur 30 Prozent der Unternehmen KI-Methoden. Nur wenige von ihnen gaben an, ihre genauen Ziele bezüglich KI definiert zu haben.

hohe produktivität setzt menschen und künstliche intelligenz voraus

Obwohl Elon Musk sich stets als großer Verfechter von Automatisierung und Künstlicher Intelligenz gibt, verfehlte sein Tesla 2018 seine Produktionsziele. Das Problem? Zu viel Technik. In seiner Gigafactory in den USA übernehmen Roboter die Endmontage der Model 3 Autos zu 50 Prozent. Bei anderen Autoherstellern sind nur 5 Prozent dieses Prozesses automatisiert.

Mehr Roboter bedeuten weniger Bedarf an Facharbeitern, aber mehr an teuren Programmierern und Ingenieuren. Außerdem weisen die Endprodukte eine hohe Fehlerquote auf. Sie nachträglich zu verbessern verursacht hohe Kosten. Alles ist allem eine Milchmädchenrechnung.

Erfolgreicher integriert Audi Coboter – also kooperative Roboter – in seiner Fabrik in Ingolstadt. Bei KLARA ( Klebstoffapplikation mit Roboterassistenz ) trägt ein Coboter Klebstoff auf das Dach des Audi RS 5 Coupé auf. Da die Teile aus karbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) besonders groß sind, erreicht ein Mensch bei dieser Aufgabe nicht die geforderte Genauigkeit und Geschwindigkeiten. Ist der Coboter fertig, gibt er den Arbeitsplatz frei. Ein Facharbeiter montiert dann das Dach auf dem Auto.

Synergie zwischen arbeitern und cobotern

Anders bei konventionellen Robotern sind bei Cobotern die Arbeitsräume von Arbeitern und Maschinen nicht mehr von Zäunen getrennt. Coboter sind nämlich in der Lage zu stoppen, wenn jemand ihren Weg kreuzt. Möglich machen es intelligente Sensoren, die menschliche Bewegungen identifizieren.

Anders als konventionelle Roboter sind sie einfach zu programmieren, günstiger und können je nach Bedarf immer wieder an verschiedenen Stellen der Produktion verwendet werden. Sie unterstützen Menschen in ihrem Arbeitsumfeld, indem sie Tätigkeiten mit einem hohen Gefahrenpotential übernehmen. Das kann das Tragen von heißen Behältern oder das Schneiden mit scharfen Werkzeugen sein.

Künstliche Intelligenz für routineaufgaben

Manche Tätigkeiten in der Produktion und in der Logistik zeichnen sich oft durch Eintönigkeit aus. Indem sie monotone Aufgaben übernehmen, ermöglichen Coboter Menschen, ihr Potential anderswo zu entfalten. Gerade kleine und mittlere Betriebe, für die teure und schwere Roboter sich nicht lohnen, profitieren davon.

Ein Beispiel ist der Familienbetrieb Darex aus Oregon, der in der vierten Generation Schleifmaschinen erstellt. Einige Coboter von Universal Robots haben seit 2017 nicht ergonomische und sich wiederholende Tätigkeiten wie das Schrauben von Maschinengehäusen und das Verpacken der Ware übernommen. Sie arbeiten neben ihren menschlichen Kollegen ohne Abtrennung.

Gerade diese Integration ist ausschlaggebend. In vielen Produktionsstätten ist für große und schwere Roboter kein Platz vorhanden. Auch hat nicht jeder Kleinbetrieb die finanziellen Ressourcen, um eine IT-Fachkraft anzuheuern, die einen Roboter programmiert. Coboter lernen aber wie Menschen allein durch Nachahmung und Ausprobieren. Hinter dieser Fähigkeit stecken Deep Neural Networks, die den Maschinen ermöglichen zu klassifizieren, Bilder auszuwerten und sich zu orientieren.

wird die logistik 100 prozent automatisiert?

Neben Produktionsbetrieben sind Lagerhallen weitere Schauplätze für die voranschreitende Automatisierung der Arbeitswelt. Pakete und Güter hin und her bewegen, sortieren und Inventuren durchführen erfordert keine Kreativität und keine schwierigen Entscheidungen. Aus diesem Grund haben selbstfahrende Roboter in vielen Lagern und Büros menschliche Arbeiter bereits ersetzt.

Amazon hat bereits 2012 775 Millionen Dollar investiert, um den Roboterhersteller Kiva Systems aufzukaufen. Mittlerweile nutzt es in seinen Lagerräumen in der ganzen Welt über 100.000 Roboter. Aber den großten Meilenstein hat das japanische Startup Mujin 2018 gelegt.

nicht weniger jobs, nur andere

Für seinen Kunden, den E-Commerce Riese JD.com, hat Mujin das erste voll automatisierte Warendepot der Welt entwickelt. Mit Kameras ausgestattete Roboter entladen die ankommenden Kisten und legen sie auf ein Förderband. Andere kümmern sich darum, Fahrzeuge zu beladen. Lediglich fünf Facharbeiter, die für die Wartung der Roboter zuständig sind, beschäftigt das Lagerhaus.

Rosen Diankov, Mitgründer von Mujin, findet jegliche Angst vor Künstlicher Intelligenz jedoch unbegründet. Da jeder Umbruch in der Geschichte der Arbeit zwar alte Berufsbilder überflüssig machte, aber gleichzeitig neue entstehen ließ, bleibt er optimistisch. Coboter werden seiner Meinung nach mehr neue Stellen schaffen als wegrationalisieren.

KI verschiebt aufgabefelder

Künstliche Intelligenz und Coboter werden die Arbeitswelt verändern. Sie werden einfache manuelle Tätigkeiten, aber auch Verwaltungsaufgaben übernehmen. Das bedeutet aber nicht, dass menschliche Arbeit verschwinden wird.

Entscheidungen treffen, Prozesse optimieren, Ausnahmen handeln: Das können Coboter nämlich nicht. Und werden es auch künftig nicht können. Trotz ausgeklügelter Algorithmen, die innerhalb von Big Data Muster erkennen, müssen Menschen diese Inputs nutzen, um Strategien daraus zu entwickeln.

Alles in Butter also? Nicht ganz. Wir müssen uns daran gewöhnen, dass bestimmte Positionen seltener werden. Wir müssen in Bildung investieren, um niedrig qualifizierten Arbeitern einen beruflich Umstieg zu ermöglichen. Wir müssen den Roboter aus uns eliminieren und bei bestimmten Aufgaben den echten Robotern vertrauen. Noch haben wir ein wenig Zeit.

Können wir wirklich CO2-neutral fliegen?

Fliegen steht wie keine andere Technologie für die umweltschädliche Lebensweise der Ersten Welt. Bis 2050 will die Luftfahrt trotz ihres steilen Wachstums nur halb so viele Treibhausgase ausstoßen wie 2005. Doch werden wir tatsächlich irgendwann ohne schlechtes Gewissen ins Flugzeug steigen?

  1. Flugverkehr nimmt stetig zu
  2. CO2-Emissionen: Flugsteuer senkt Nachfrage nicht
  3. Elektroflugzeuge: Ein Weg für die Zukunft?
  4. Power-To-Liquid für CO2-freie Flüge
  5. Grüne Luftfahrt möglich

flugverkehr nimmt stetig zu

122,6 Millionen Passagiere hoben von deutschen Flughäfen 2018 ab, das war ein Plus von 4 Prozent gegenüber 2017. Weltweit sind 2017 über 4 Milliarden Menschen geflogen, 2036 werden es laut Prognosen 7,8 Milliarden sein.

Dabei erreicht Deutschland nur den vierten Platz im Länderranking über die Anzahl der Flugpassagiere (2015). Unangefochten den ersten Platz belegen die USA mit 798 Millionen Fluggästen, an zweiter und dritter Stelle befinden sich China und Großbritannien.

Sowohl in den USA als auch in China sind wegen der großen Entfernungen zwischen den Städten Inlandsflüge beliebt und günstig, während im UK die Bürger das Flugzeug oft nutzen, um Ziele auf dem europäischen Festland zu erreichen.

co2-Emissionen: flugsteuer senkt nachfrage nicht

Viele Länder diskutieren über oder erheben bereits eine Luftverkehrsteuer, um die negative Auswirkungen des Flugverkehrs auf die Umwelt zu kompensieren. In Deutschland beträgt sie derzeit 7,38 Euro für Inlands- und inneneuropäische Flüge und 41,49 Euro für Fernflüge, Nach dem Willen der Regierung sollte sie sich ab Januar 2020 verdoppeln.

2 Prozent der globalen CO2-Emissionen gehen aufs Konto der Luftfahrt, Tendenz steigend. Obwohl die durchschnittlichen Emissionen pro Passagierkilometer seit 1990 um 50 Prozent reduziert wurden, wuchsen sie als absolute Zahl trotzdem, weil die Fluggäste sich in der gleichen Zeit mehr als vervierfachten. Anhand dieser Erkenntnisse bleibt die Lenkungswirkung einer CO2-Steuer auf Flüge fraglich.

elektroFlugzeuge: Ein weg für die zukunft?

Während der Unmut über das klimaschädliche Fliegen weltweit wächst, bleibt die Luftfahrt nicht untätig. Mittlerweile sind elektrisch betriebene Flugzeuge keine Utopie mehr. Tatsächlich könnte die Elektromobilität auch in der Luftfahrt Einzug halten.

Bereits 2011 baute die Universität Stuttgart e-Genius, einen Zweisitzer mit einer 270 kg schweren Batterie und einer Reichweite von 400 km. Im gleichen Jahr absolvierte er einen Testflug über die Alpen. Mittlerweile arbeitet das Team von Professor Strohmayer an einem Hybridflugzeug, das elektrisch betriebene Batterien und einen Dieselmotor nutzt. Ein solches Modell könnte sich in der kommerzielle Luftfahrt behaupten.

Gleichzeitig entwickelt Airbus das E-Fan X, ein Hybridflugzeug bei dem eins der vier Triebwerken von einem 2 MW Elektromotor ersetzt wird. Sein Ziel ist, bis 2050 den CO2-Ausstoß von Fliegern um 75 Prozent zu verringen. In den USA plant Zunum Aero, ein von Boeing finanziertes Startup, ab 2022 einen hybriden 12-Sitzer auf dem Markt anzubieten.

co2-Neutral FliegeN: batterien der neuen generation leistungsfähiger

Der Hauptnachteil von Elektroflugzeugen bleibt die niedrige Energiedichte der heute dominierenden Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu ihrem Gewicht. Während Kerosin eine Energiedichte von zirka 11 kWh/kg aufweist, kommen heutige Batterien auf maximal 180 Wh/kg. Braucht eine vollgetankte A320 14,9 Tonnen Kerosin, müsste sie also 914 Tonnen schwere Akkus mitführen, um über die gleiche Energie zu verfügen.

Doch an kaum einer Technologie wird derzeit so viel geforscht wie an Batterien. Qichao Hu, Gründer von SolidEnergy Systems, entwickelte zusammen mit dem Massachusetts Institute of Technology eine Lithium-Metall-Batterie, die die doppelte Energiedichte herkömmlicher Akkus aufweist.

Das kanadische Startup XNRGI meldete ebenfalls die Erfindung einer Lithium-Metall-Batterie aus Wafern, die die sechsfache Energiedichte von konventionellen Lithium-Ionen-Akkus besitzen soll. 2020 will es die ersten Modelle liefern.

norwegen will ab 2040 co2-neutral fliegen

Norwegen übernimmt in Europa eine Vorreiterrolle bei der Förderung von Elektromobilität. So ist es nicht verwunderlich, dass die regionale Fluggesellschaft Widerøe plant, bis 2030 ihre Flotte komplett auf Elektroflugzeuge umzurüsten. Dafür hat sie eine Partnerschaft mit Rolls Royce beschlossen. Derzeit setzt sie vor allem Bombardier Dash 8 Q100s mit 39 Sitzplätzen bei Kurzstreckenflügen ein.

Trotz Fortschritte und Nischenlösungen werden rein elektrisch betriebene Flugzeuge jedoch in den nächsten Jahren eine Ausnahme bleiben. Vor allem auf Langstreckenflügen bleibt es fraglich, ob sie jemals wirtschaftlich sein werden.

power-to-liquid für co2-freie flüge

Wenn wir auf voll elektrisch betriebene Flieger noch eine Weile werden warten müssen, könnte klimaneutrales Kerosin viel früher zum Einsatz kommen. Indem aus CO2 Kraftstoff wird, entsteht ein geschlossener Kreislauf, bei dem genauso viel CO2 erzeugt wie zuvor aus der Luft entnommen wurde. Unter dem Namen Green-Power-2-Jet planen unter anderem der Ölkonzern BP, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt und Airbus in Stade bei Hamburg eine Power To Liquid-Anlage.

Wie funktioniert power-To-Liquid?

  • Die Ausgangsstoffe sind Kohlendioxid (CO2) aus Bioanlagen oder aus der Luft sowie Wasser (H20).
  • Mithilfe der Elektrolyse wird Wasser in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufgespalten. Der Strom kommt aus regenerativen Energien.
  • Während der Sauerstoff in die Luft entweicht, wird dem gasförmigen Wasserstoff das Kohlendioxid hinzugefügt. Es bildet sich Synthesegas.
  • In einem Reaktor entstehen je nach Verfahren verschiedene Kohlenwasserstoffe (CxHy)
  • Nach weiteren Raffinerieprozessen sind sie bereit, um als Kraftstoff für Flugzeuge genutzt zu werden.

preis entscheidend für kommerzielle verwendung

Derzeit kostet ein Liter aus Erdöl hergestelltes Kerosin 0,40 Euro. Ein Liter Power-To-Liquid Kerosin schlägt dagegen mit zirka 4 Euro zu Buche. Viele wollen jedoch daran etwas ändern. Die EnBW Tochter EnergieDienst arbeitet zusammen mit Audi und INERATEC an einer Anlage für Power-To-Liquid Kraftstoffe. Ihr Ziel ist, den Preis für die syntetischen Kraftstoffe kurzfristig auf 2 Euro pro Liter zu senken.

Entscheidend für die Kosten von Power-To-Liquid Kerosin ist der Preis für die regenerativen Energien. Aus diesem Grund könnten sich als Standorte für die Anlagen Länder wie Australien oder Spanien etablieren, in denen eine Hohe Sonneneinstrahlung vorhanden ist. Photovoltaikanlagen würden dann günstigen Strom für die Elektrolyse bereitstellen. Auch windreiche Regionen wie Nordafrika und Sardinien eignen sich als Power-To-Liquid Standorte Dort könnten Windturbinen die benötigte Energie liefern.

grüne luftfahrt möglich

Sowohl elektrisch betriebene Flieger als auch Kraftstoffe aus Power-To-Liquid-Verfahren beweisen, dass CO2-neutrales Fliegen möglich ist. Wie schnell die Technologien marktreif und umgesetzt werden, hängt von politischen Maßnahmen ab. Eine von den Fluggesellschaften gefürchtete und von Umweltaktivisten geforderte Kerosinsteuer würde zum Beispiel den Anreiz erhöhen, Power-To-Liquid Kraftstoffe serienmäßig zu produzieren und ihren Preis zu senken.

Digital Twins für Windturbinen: Wie KI die Simulation verbessert

Künstliche Intelligenz ist zweifellos ein Buzzword der letzten Jahre. Deep Learning Algorithmen ermöglichen die Modellierung komplexer Realitäten im industriellen Umfeld und reduzieren die Notwendigkeit für aufwändige Testversuche. Gerade an schwer erreichbaren Orten wie Windturbinen ist das wichtig.

der motor der energiewende

Windturbinen stellen zusammen mit Solaranlagen die Säulen der Energiewende dar. 67,2 Terawattstunden an Strom haben sie im ersten Halbjahr 2019 ins deutsche Netz gespeist. Ende 2018 waren Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von 52,931 Megawatt installiert. Wegen des geplanten Kohleausstiegs wird die Zahl künftig steigen.

Moderne Windturbinen liefern eine Leistung von bis zu 10 Megawatt und sind nicht selten höher als 100 Meter. Der Simulation kommt eine besondere Bedeutung zu. Nicht nur ist es wichtig zu wissen, ob die Blätter, das Getriebe und der Turm die Belastungen im Betrieb und bei extremen Ereignissen standhalten. Ständig optimieren Ingenieure das Design, um den Ertrag und damit die Wirtschaftlichkeit zu steigern. Nur so bleibt Windstrom gegenüber fossilen Brennstoffen konkurrenzfähig.

die grenzen der simulation

Doch wie testen sie das Verhalten eines solch komplexen Systems? Tests mit Prototypen im Windkanal sind teuer und zeitaufwändig. Deswegen nutzen sie sogenannte Multibody Simulationen. Die Software bildet die Elemente der Windturbine in einem vereinfachten Modell ab. Sowohl Ermüdungslasten aus dem Betrieb als auch extreme Belastungen wie Eis an den Blättern und Orkane lassen sich so näherungsweise am Rechner nachstellen.

Doch die Simulation hat Grenzen. Immer wieder versagen Teile, obwohl sie es laut Berechnungen nicht sollten. Warum ist das so? Egal wie präzise die Turbine mithilfe der Finiten-Elementen-Methode modelliert wird, es werden Vereinfachungen angenommen.

virtuelle zwillinge erstellen

Digital Twins verfolgen einen anderen Ansatz. Sie nutzen Messdaten aus reellen Maschinen, die mithilfe von Deep Learning Algorithmen verarbeitet werden. Die virtuellen Zwillinge können so das Biegemoment an der Rotorblattwurzel oder am Turmfuß anhand von erstellten Statistiken sicher voraussagen.

Die Plattform GE Predix stellt ein Beispiel für eine IoT-Software dar, die im industriellen Bereich Big Data auswertet und Voraussagen ermöglicht. Die GE Turbineningenieure nutzen sie zum Beispiel, um die Temperaturentwicklung im Motor als Funktion des erzeugten Stroms vorauszusagen. Das erspart die Platzierung von Temperatursensoren an schwer erreichbaren Stellen.

kurzfristige Ertragsvoraussagen

Ein weiteres Anwendungsfeld stellen Ertragsvohersagen dar. Konventionelle Prognosen nutzen die Windverteilung am Standort aus einem Windatlas, um die Windverhältnisse zu schätzen. Da die Windleistung jedoch von Jahr zu Jahr mitunter stark schwankt, sind sie oft ungenau. An der Präzision der Voraussagen hängt jedoch die Wirtschaftlichkeit ganzer Windparks ab.

Der Internetriese Google und seine Tochterfirma DeepMind haben jetzt ein Konzept entwickelt, um Machine Learning Algorithmen mit Wettervorhersagen und den zugehörigen Erträgen zu trainieren. Damit soll die Software in der Lage sein, anhand des Wetterberichts eine zuverlässige Voraussage der kommenden drei Tage zu liefern.

überflüssige wartungen eliminieren

Der Begriff „Predictive Maintenance“ fällt immer im Zusammenhang mit Big Data und künstlicher Intelligenz. Der konventionelle Ansatz für die Wartung lautet, dass Inspektionen nach festgeplanten, regelmäßigen Intervallen stattfinden. Sie basieren auf allgemeine Erfahrungswerte. Sie berücksichtigen jedoch nicht, ob die eine Windturbine gerade keine Wartung benötigt oder im Gegenteil Teile früher als geplant ausgetauscht werden müssen.

Gerade bei Windkraftanlagen sind Wartung schwierig und teuer. Nicht nur Offshore Anlagen im Meer sind das Problem. Auch Onshore Windturbinen befinden sich oft an fernen und schwer erreichbaren Orten. Predictive Maintenance nutzt ein anderes Prinzip. Sensoren messen Temperatur, Druck und andere Kräfte an verschiedenen Stellen. Big Data Algorithmen werten sie aus und rechnen die Wahrscheinlichkeit für einen Ausfall in den nächsten Wochen.

So erhält jede Maschine ein eigenes Profil. Die Windparkbetreiber sparen kostspielige, nicht notwendige Einsätze. Auf der anderen Seite lassen sich Gierfehler, sowie defekte Getriebe und Lager zuverlässig vorhersagen, bevor das Versagen auftritt

bessere materialien und eisvorhersagen : Die Zukunft von KI

Weltweit forschen Wissenschaftler weiter an mögliche Use Cases von KI, um die Windenergie effizienter zu machen. Im VTT Forschungsinstitut in Finnland haben sie ein Modell entwickelt, um die ideale Materialkombination zu finden, die resistent gegenüber Abnutzung ist.

Amerikanischen und chinesischen Forschern gelang dagegen, ein System namens WaveletFCNN zu erfinden, die Muster in Sensordaten entdeckt und so vereiste Blätter identifiziert. Goldwind, einer der größten chinesischen Windturbinenhersteller, nutzt das Programm bereits und berichtet von einer Zuverlässigkeit von 81 Prozent.

Es bleibt abzuwarten, was die Zukunft bringt. Sicher ist jedoch, dass die Verbindung von Künstlicher Intelligenz und alternativen Energien vielversprechend bleibt.

Blockchain: Trend, Zukunft oder Blase?

Alle reden über Bitcoins, Kryptowährungen und im gleichen Atemzug von Blockchain. Meist geht es um die Bitcoin als Wertspeicher oder darum, mit Trading schnelles Geld zu verdienen. Dabei kann die Blockchain, die Technologie hinter dem Bitcoin, viel mehr als digitale Zahlungen und hat das Potential, digitale Systeme zu revolutionieren. Gleichzeitig kämpft sie aber mit technischen Problemen.

Wohin führt die reise?

Der Softwareexperte und Geschäftsmann John McAfee glaubt fest daran, dass ein Bitcoin bis Ende 2020 eine Million Dollar wert sein wird. Der US-Ökonom und Nobelpreisträger Paul Krugman hält dagegen die ganzen blockchainbasierten Kryptowährungen für eine Blase, da sie anders als Fiat Währungen, bei denen der jeweilige Staat mit seiner Glaubwürdigkeit bürgt, durch nichts gedeckt seien. Auch der Finanzguru und Ex-Chef der US-Notenbank Alan Greenspan sieht den Bitcoin als Anlage ohne intrinsischen Wert.

Neben dem Bitcoin existieren tausende alternative Kryptowährungen, sogenannten Altcoins, darunter Ethereum, Litecoin, Ripple und ZCash. Die meisten von ihnen nutzen die Blockchain, speichern also alle Transaktionen in Blöcken, die mittels eines kryptographischen Algorithmus von Minern verifiziert (geschürft) und miteinander verknüpft werden. Das Verfahren nennt sich Proof of Work und kostet viel Rechenleistung. So viel, dass die meisten Miner sich mittlerweile zu großen Rechenzentren, sogenannten Minerpools, zusammengeschlossen haben.

Was die Blockchain wirklich bringt

Die Blockchain-Technologie ist die eigentliche, interessante Innovation hinter den Kryptowährungen. Sie verspricht, nicht nur dezentrale und sichere Finanztransaktionen zu ermöglichen, sondern auch Apps, Datenbanken und digitale Dienste zu dezentralisieren. Doch was haben wir davon? Die Antwort ist sehr einfach.

  • Die Daten werden dezentral auf allen Knoten des Netzwerks statt auf einem einzigen Server gespeichert gespeichert. Das System weist also keinen Single Point of Failure auf. Schädliche DDoS-Angriffe, wie der, der Wikipedia vor einigen Wochen temporär lahmgelegt hat, sind also unwahrscheinlicher.
  • Die Systeme sind transparent, weil keine zentrale Autorität das Netzwerk kontrolliert, willkürlich Konten sperrt und Daten missbraucht. Für Diktaturen ist das ein Alptraum, für die Demokratie und Meinungsfreiheit gut.
  • Zumindest theoretisch gibt es in einem dezentralen Peer-to-Peer Netzwerk, das niemandem gehört, keine Transaktionsgebühren. Denken Sie an Airbnb, Immoscout24, Facebook. Hier verdient das jeweilige Unternehmen mit verschiedenen Modellen Geld (Provisionen, Werbung), nur indem es eine zentrale Plattform bereitstellt, auf die alle zugreifen. Blockchain-Anwendungen benötigen dagegen keine zentrale Instanz, die Daten verwaltet und dafür Geld kassiert.

sicher, dezentral, aber nicht skalierbar

Das klingt super oder? Fast zu gut, um wahr zu sein. Es gibt aber einen Haken: Die Technologie hat noch einige Baustellen. Das sogenannte Trilemma der Blockchains lautet: dezentral, sicher oder skalierbar? Es gibt momentan keine Blockchain, die alle drei Kriterien gleichzeitig erfüllt. Das Bitcoin- und das Ethereum-Netzwerk gelten dank Proof of Work als sicher, auch die Dezentralität ist gewährleistet. Bei der Skalierbarkeit gibt es jedoch massive Probleme.

Stellen Sie sich vor, Sie müssten ein schweres Rätsel lösen, um eine Banktransaktion oder eine Nachricht zu verschicken. Das kostet Zeit. Nichts anderes machen Miner mit dem Proof-of-Work-Verfahren. Der Kryptoalgorythmus lässt sich nur mit speziellen, leistungsstarken Rechnern lösen, die jede Menge Energie benötigen. 2018 verbrauchte das Bitcoin-Netzwerk 40 TWh Strom. Das ist ungefähr so wie viel wie ganz Ungarn.

Damit überhaupt jemand sich die Mühe macht, Blöcke zu schürfen, erhalten Miner sowohl bei Bitcoin als auch bei Ethereum eine feste Belohnung pro geschürften Block und zusätzlich die Transaktionsgebühren, die die Absender selber festlegen. Natürlich bestätigen die Miner dann meist zunächst die Transaktionen, bei denen die Gebühren am höchsten sind. Mit einer zunehmenden Anzahl von Transaktionen im Netzwerk werden diese immer teurer.

für kommerzielle anwendungen zu langsam

Das Bitcoin-Netzwerk schafft aktuell 3 bis 7 Transaktionen pro Sekunde, Ethereum 15. Das Proof of Work Verfahren sorgt für Sicherheit und Dezentralität auf Kosten der Geschwindigkeit und der Gebührenfreiheit. Das macht eine breite Anwendung und Geschäftsmodelle mit Millionen Nutzern derzeit unmöglich. Ethereum und andere Kryptowährungen diskutieren oder nutzen bereits das Proof of Stake, eine Methode, bei der die Miner mit Coins bürgen, die sie als Sicherheit hinterlegen. Die Lösung ist jedoch nicht risikofrei, da sie die Zentralisierung begünstigt.

Alle Blockchains probieren derzeit weitere Lösungen aus, um die Latenzzeit der Systeme zu verringern. Bitcoin testet sogenannte Lightning Networks. Es handelt sich dabei um eine zusätzliche Schicht über der Blockchain. Zwei Parteien können einen privaten, verschlüsselten Kanal (Channel) betreiben und darin Transaktionen führen, ohne dass diese auf der Blockchain festgehalten werden. Erst wenn die Verbindung geschlossen wird, wird die Blockchain anhand des Endsaldos aktualisiert.

Mit dieser technischen Neuerung soll die Geschwindigkeit des Netzwerks auf 15.000 Transaktionen pro Sekunde steigen (zum Vergleich: Das Visa-Netzwerk schafft 24.000 Transaktionen pro Sekunde). Auch Ethereum experimentiert derzeit mit verschiedenen Updates. Das sogenannte Sharding soll die Blockchain in voneinander unabhängige Abschnitte teilen, während die State Channels ähnlich wie die Lightning Networks von Bitcoin funktionieren sollen.

2020: HOP ODER TOP

Aktuell bleibt die Implementierung dieser Erneuerungen jedoch Zukunftsmusik. Ethereum-Erfinder Vitalik Buterin erklärte in einem Interview am 4. September 2019, Ethereum 2.0 mit Sharding und Proof of Stake auf jeden Fall Anfang 2020 launchen zu wollen. Die Bitcoin Lightning Networks funktionieren bereits, die Anzahl der Nutzer bleibt jedoch überschaubar. Gerade 854 Bitcoins waren am 01.September 2019 auf Channels gespeichert.

Blockchains werden sich jenseits von Kryptowährungen nur behaupten, wenn sie einen realen Nutzen für die Wirtschaft haben. Zahlreiche Konzerne und Startups forschen derzeit über Use Cases in den Gebieten Verkehr, Logistik, Industrie 4.0 und E-Health. Um für die große Masse skalierbar zu sein und Profit zu generieren, muss die Blockchain jedoch ihr Skalierbarkeitsproblem lösen.

An alle, die die Technologie kritisieren, sei gesagt: Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen. In den 80ern bestand das heutige Internet aus wenigen Rechnern, die Übertragungsmöglichkeiten waren begrenzt. Kaum einer hätte auf seinen Durchbruch gewettet. So bleibt es im Falle der Blockchain nur abzuwarten. Die Zeit wird zeigen, ob dezentrale Modelle die Zukunft sind oder eine Note in der Geschichte bleiben.