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Können Fermi-Fragen in der Klima- und ... - Universität Bern

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Können <strong>Fermi</strong>-<strong>Fragen</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Klima</strong>- <strong>und</strong><br />

Energieproblematik helfen?<br />

Im Rahmen <strong>der</strong> Vortragsreihe: Physik am Samstag 2009/2010<br />

Prof. Dr. Markus Leuenberger<br />

Abt. für <strong>Klima</strong>- <strong>und</strong> Umweltphysik<br />

Physikalisches Institut <strong>der</strong><br />

Universität <strong>Bern</strong><br />

Sidlerstrasse 5, 3012 <strong>Bern</strong><br />

Email: leuenberger@climate.unibe.ch


Was s<strong>in</strong>d <strong>Fermi</strong>-<strong>Fragen</strong>?<br />

Wer steckt dah<strong>in</strong>ter?<br />

Woran erkennt man <strong>Fermi</strong>-<strong>Fragen</strong>?


Was s<strong>in</strong>d <strong>Fermi</strong>-<strong>Fragen</strong>?<br />

Wer steckt dah<strong>in</strong>ter?<br />

Woran erkennt man <strong>Fermi</strong>-<strong>Fragen</strong>?


<strong>Fermi</strong> - <strong>Fragen</strong><br />

Die Welt durch die mathematisch/<br />

physikalische Brille sehen.


<strong>Fermi</strong>-<strong>Fragen</strong><br />

Sie bezeichnen <strong>Fragen</strong> bzw. Aufgaben, <strong>der</strong>en Lösung aus e<strong>in</strong>er sehr großen Zahl besteht.<br />

Die Größe dieser Zahl kann nur durch Abschätzungen ermittelt werden. Beson<strong>der</strong>s reizvoll<br />

ist es, wenn zwei verschiedene Personen o<strong>der</strong> Personengruppen sich Lösungen überlegen<br />

<strong>und</strong> dann vergleichen.<br />

Beispiele für <strong>Fermi</strong>-<strong>Fragen</strong><br />

Wie viele Bäume gibt es <strong>in</strong> Deutschland?<br />

Wie viele Haare hat e<strong>in</strong> erwachsener Mensch (Mann bzw. Frau) am Kopf?<br />

Wie viele Buchstaben "e" stehen <strong>in</strong> dem Buch Harry Potter <strong>und</strong> <strong>der</strong> Ste<strong>in</strong> <strong>der</strong> Weisen?<br />

Wie viele Reiskörner können von e<strong>in</strong>em Güterzug mit 30 Waggons transportiert werden?<br />

Wie viel Eis bedeckt die Insel Grönland? Welches Gesamtgewicht hat es?<br />

Wie viele Gummibärchen passen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>en Schulbus?<br />

Wie viele 100 W Glühbirnen würden dieselbe Energie wie die Sonne liefern?<br />

Wie viele Gebäude gibt es <strong>in</strong> den USA?<br />

Wie viele Schneeflocken benötigt man, um e<strong>in</strong>en 120 cm großen Schneemann zu bauen?<br />

Wie viele DIN A 4 Blätter würde man benötigen, um die Bodenflächen im Empire State<br />

Build<strong>in</strong>g vollständig mit Papier zu bedecken?


<strong>Fermi</strong>-<strong>Fragen</strong><br />

Sie bezeichnen <strong>Fragen</strong> bzw. Aufgaben, <strong>der</strong>en Lösung aus e<strong>in</strong>er sehr großen Zahl besteht.<br />

Die Größe dieser Zahl kann nur durch Abschätzungen ermittelt werden. Beson<strong>der</strong>s reizvoll<br />

ist es, wenn zwei verschiedene Personen o<strong>der</strong> Personengruppen sich Lösungen überlegen<br />

<strong>und</strong> dann vergleichen.<br />

Beispiele für <strong>Fermi</strong>-<strong>Fragen</strong><br />

Wie viele Bäume gibt es <strong>in</strong> Deutschland?<br />

Wie viele Haare hat e<strong>in</strong> erwachsener Mensch (Mann bzw. Frau) am Kopf?<br />

Wie viele Buchstaben "e" stehen <strong>in</strong> dem Buch Harry Potter <strong>und</strong> <strong>der</strong> Ste<strong>in</strong> <strong>der</strong> Weisen?<br />

Wie viele Reiskörner können von e<strong>in</strong>em Güterzug mit 30 Waggons transportiert werden?<br />

Wie viel Eis bedeckt die Insel Grönland? Welches Gesamtgewicht hat es?<br />

Wie viele Gummibärchen passen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>en Schulbus?<br />

Wie viele 100 W Glühbirnen würden dieselbe Energie wie die Sonne liefern?<br />

Wie viele Gebäude gibt es <strong>in</strong> den USA?<br />

Wie viele Schneeflocken benötigt man, um e<strong>in</strong>en 120 cm großen Schneemann zu bauen?<br />

Wie viele DIN A 4 Blätter würde man benötigen, um die Bodenflächen im Empire State<br />

Build<strong>in</strong>g vollständig mit Papier zu bedecken?


Was s<strong>in</strong>d <strong>Fermi</strong>-<strong>Fragen</strong>?<br />

Wer steckt dah<strong>in</strong>ter?<br />

Woran erkennt man <strong>Fermi</strong>-<strong>Fragen</strong>?


Enrico <strong>Fermi</strong><br />

• Enrico <strong>Fermi</strong> (1901-1954)<br />

italienischer Kernphysiker<br />

• Arbeiten zur Festkörper- <strong>und</strong><br />

Quantenphysik, Entwicklung von<br />

Atombomben (Los Alamos)<br />

• Nobelpreis 1938<br />

(Kernreaktionen mit Neutronen)


Nach Enrico <strong>Fermi</strong> benannte Begriffe<br />

Physikalische Konzepte:<br />

das <strong>Fermi</strong>on, e<strong>in</strong> Teilchentyp, <strong>und</strong> davon abgeleitet:<br />

das <strong>Fermi</strong>gas, das <strong>Fermi</strong>onen-Kondensat , die <strong>Fermi</strong>-Dirac-Statistik (e<strong>in</strong>e Form von<br />

Quantenstatistik) dar<strong>in</strong> die <strong>Fermi</strong>verteilung (be<strong>in</strong>haltet <strong>Fermi</strong>-Kante bzw. <strong>Fermi</strong>-Energie Ef <strong>und</strong><br />

<strong>Fermi</strong>-Temperatur TF), die <strong>Fermi</strong>-Fläche zur Beschreibung des energetischen Zustands von<br />

Elektronen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Metall, die <strong>Fermi</strong>-Geschw<strong>in</strong>digkeit von Elektronen, die <strong>Fermi</strong>-Flüssigkeit, e<strong>in</strong>e<br />

Form von Quantenflüssigkeit, die <strong>Fermi</strong>-Resonanz, das Thomas-<strong>Fermi</strong>-Atommodell, <strong>Fermi</strong>s<br />

Goldene Regel, <strong>Fermi</strong>-Pasta-Ulam-Experiment<br />

Philosophische <strong>und</strong> methodische Konzepte:<br />

das <strong>Fermi</strong>-Paradoxon zur Frage, ob wir die e<strong>in</strong>zigen <strong>in</strong>telligenten Wesen im Universum s<strong>in</strong>d.<br />

das <strong>Fermi</strong>-Problem zur Abschätzung von Werten ohne genaue Messdaten.<br />

Sonstiges:<br />

das chemische Element <strong>Fermi</strong>um<br />

die Längene<strong>in</strong>heit: 1 <strong>Fermi</strong> = 1 fm = 10 -15 m<br />

<strong>der</strong> Enrico-<strong>Fermi</strong>-Preis für die Forschung an <strong>der</strong> Entwicklung, Nutzung o<strong>der</strong> Kontrolle <strong>der</strong><br />

Kernenergie<br />

das <strong>Fermi</strong>lab (<strong>Fermi</strong> National Accelerator Laboratory) <strong>in</strong> Ill<strong>in</strong>ois, USA<br />

<strong>der</strong> ehemalige Name <strong>der</strong> nach ihm benannten <strong>und</strong> vom <strong>Fermi</strong>lab sowie vom CERN entwickelten<br />

L<strong>in</strong>uxdistribution <strong>Fermi</strong> L<strong>in</strong>ux (jetzt Scientific L<strong>in</strong>ux)<br />

das Kernkraftwerk Enrico <strong>Fermi</strong> <strong>in</strong> den USA<br />

das <strong>Fermi</strong> Gamma-ray Space Telescope, e<strong>in</strong> Weltraumteleskop für Gammaastronomie<br />

<strong>der</strong> Codename e<strong>in</strong>es Grafikprozessors von Nvidia


Was s<strong>in</strong>d <strong>Fermi</strong>-<strong>Fragen</strong>?<br />

Wer steckt dah<strong>in</strong>ter?<br />

Woran erkennt man <strong>Fermi</strong>-<strong>Fragen</strong>?


Woran erkennt man <strong>Fermi</strong>-Aufgaben?<br />

• realitätsbezogen<br />

• s<strong>in</strong>d zugänglich<br />

• for<strong>der</strong>n heraus<br />

• s<strong>in</strong>d offen<br />

• för<strong>der</strong>n Kompetenzen<br />

• erfor<strong>der</strong>n das Vergleichen <strong>und</strong> Überprüfen<br />

• regen das Weiterfragen an<br />

• öffnen den Blick für Mathematik <strong>in</strong> <strong>der</strong> Welt


Können <strong>Fermi</strong>-<strong>Fragen</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Klima</strong><strong>und</strong><br />

Energieproblematik helfen?<br />

Heute wollen wir verschiedene <strong>Fragen</strong> mite<strong>in</strong>an<strong>der</strong> angehen. Mitunter<br />

auch <strong>Fragen</strong> aus dem Gebiet <strong>der</strong> <strong>Klima</strong>- <strong>und</strong> Energieproblematik. Ich<br />

habe Ihnen vier <strong>Fragen</strong> mitgegeben auf heute:<br />

1. Ist die Anzahl <strong>der</strong> Herzschläge e<strong>in</strong>er Person über das gesamte<br />

Leben h<strong>in</strong>weg grösser, kle<strong>in</strong>er o<strong>der</strong> vergleichbar mit <strong>der</strong> Anzahl<br />

Bäume <strong>in</strong> <strong>der</strong> Schweiz?<br />

2. Wie viele 100 W Glühbirnen würden dieselbe Energie wie die<br />

Sonne liefern?<br />

3. Wie viele Schneeflocken benötigt man, um e<strong>in</strong>en 120 cm großen<br />

Schneemann zu bauen?<br />

4. Ist die 2000 Watt Gesellschaft mit Bioenergie möglich?


1. Ist die Anzahl <strong>der</strong> Herzschläge e<strong>in</strong>er Person über<br />

das gesamte Leben h<strong>in</strong>weg grösser, kle<strong>in</strong>er o<strong>der</strong><br />

vergleichbar mit <strong>der</strong> Anzahl Bäume <strong>in</strong> <strong>der</strong> Schweiz?<br />

Was raten Sie, o<strong>der</strong> haben Sie es<br />

berechnet?


1. Ist die Anzahl <strong>der</strong> Herzschläge e<strong>in</strong>er Person über das gesamte Leben h<strong>in</strong>weg<br />

grösser, kle<strong>in</strong>er o<strong>der</strong> vergleichbar mit <strong>der</strong> Anzahl Bäume <strong>in</strong> <strong>der</strong> Schweiz?<br />

• Puls: 70 /m<strong>in</strong><br />

• Mittlere Lebenserwartung: 85 Jahre<br />

• Ergibt Anzahl Herzschläge 3129462000 Schläge<br />

• Dito 3.13x10 9 Schläge<br />

• Fläche <strong>der</strong> Schweiz: ? km 2<br />

• Nord-Süd Distanz: 250 km<br />

• West-Ost Distanz: 350 km<br />

• Fläche <strong>der</strong> Schweiz: 43750 km 2<br />

• Bewaldete Fläche (1/3): 13125 km 2<br />

• Fläche pro Baum (5mx5m): 25 m 2<br />

• Anzahl Bäume <strong>in</strong> <strong>der</strong> Schweiz: 525000000 Bäume<br />

• Dito 5.25x10 8 Bäume<br />

Das Herz schlägt also mehr als es <strong>in</strong> <strong>der</strong> Schweiz Bäume hat.


2. Wie viele 100 W Glühbirnen würden dieselbe<br />

Energie wie die Sonne liefern?<br />

Was raten Sie, o<strong>der</strong> haben Sie es<br />

berechnet?


2. Wie viele 100 W Glühbirnen würden dieselbe Energie wie die Sonne liefern?<br />

• Leistung <strong>der</strong> Sonne auf Erdoberfläche: ? Watt<br />

• Solarkonstante (Leistung pro m 2 ): 1370 Watt/m 2<br />

• Korrektur Projektion auf Erde (πr 2 /4πr 2 ): 340 Watt/m 2<br />

• Abschätzung des Erdradius:


Abschätzung Erdradius!<br />

• Wie viele Zeitzonen s<strong>in</strong>d zwischen<br />

Zürich <strong>und</strong> New York vorhanden 5-6<br />

• Wie gross ist die Distanz?: ?<br />

• Wie lange dauert <strong>der</strong> Flug?: 7.5 h<br />

• Wie schnell fliegt das Flugzeug: 900 km/h<br />

• Somit ist die Distanz: 6750 km<br />

• Distanz pro Zeitzone: 1227 km<br />

• 24 Zeitzonen (Erde dreht sich 1x pro Tag): 29500 km<br />

• Vorsicht: Flug auf ca. 42.5°N→ 1/cos(42.5): 1.36<br />

• Korrigierte Distanz auf Äquator: 40058 km<br />

• Umfang = 2 x π x r: → r 6375 km


2. Wie viele 100 W Glühbirnen würden dieselbe Energie wie die Sonne liefern?<br />

• Leistung <strong>der</strong> Sonne auf Erdoberfläche: ? Watt<br />

• Solarkonstante (Leistung pro m 2 ): 1370 Watt/m 2<br />

• Korrektur Projektion auf Erde (πr 2 /4πr 2 ): 340 Watt/m 2<br />

• Abschätzung des Erdradius: 6375 km<br />

• Erdoberfläche (4πr 2 ): 4.98x10 14 m 2<br />

• Gesamtleistung <strong>der</strong> Sonne<br />

auf Erde: 1.7x10 17 Watt<br />

• Anzahl 100 W Glühbirnen: 1.7x10 15<br />

• Anzahl E<strong>in</strong>wohner: 6.8x10 9<br />

• Glühbirnen pro E<strong>in</strong>wohner: 2.5x10 5<br />

• Dies entspricht: 2.5x10 7 Watt<br />

• Dies entspricht ca. : 10000 mehr als 2000 Watt Gesellschaft


3. Wie viele Schneeflocken benötigt man, um e<strong>in</strong>en<br />

120 cm großen Schneemann zu bauen?<br />

Was raten Sie, o<strong>der</strong> haben Sie es<br />

berechnet?


3. Wie viele Schneeflocken benötigt man, um e<strong>in</strong>en 120 cm großen Schneemann zu bauen?<br />

120 cm<br />

90 cm<br />

Zusatzfragen: Schneeflockengrösse? Wird Neuschnee o<strong>der</strong> Altschnee<br />

verwendet? Dichte des Schnees?


3. Wie viele Schneeflocken benötigt man, um e<strong>in</strong>en 120 cm großen Schneemann zu bauen?<br />

Beobachtungen:<br />

120 cm<br />

Schneeflockengrösse (2cm x 2 cm), Dicke<br />

ger<strong>in</strong>g 2-3 mm, falls warm.<br />

Dichte:<br />

Neuschnee: 50-100 kg/m 3<br />

Dichter Neuschnee: 100-200 kg/m 3<br />

90 cm<br />

Altschnee: 200-500 kg/m 3<br />

Mehrjähriger Firn: 500-800 kg/m 3<br />

Eis: 900 kg/m 3


3. Wie viele Schneeflocken benötigt man, um e<strong>in</strong>en 120 cm großen Schneemann<br />

zu bauen?<br />

• Volumen e<strong>in</strong>er Flocke (0.02 x 0.02 x 0.0025 m 3 ): 0.000001 m 3<br />

• Gewicht e<strong>in</strong>er Flocke (V x 50 kg/m 3 ): 0.00005 kg<br />

• Volumen <strong>der</strong> grösseren Kugel?: 0.3817 m 3<br />

• Gewicht <strong>der</strong> Kugel? 40 kg (?)<br />

• Somit Dichte <strong>der</strong> Kugel: 105 kg/m 3<br />

• Dies ist realistisch<br />

• Volumen <strong>der</strong> kle<strong>in</strong>eren Kugel?: 0.014 m 3<br />

• Gewicht <strong>der</strong> Kugel? 1.48 kg<br />

• Somit Gesamtgewicht: 41.48 kg<br />

• Dies ergibt die Anzahl Schneeflocken: 829630<br />

• Wie lange dauert es bis dies Schneemenge gefallen ist?<br />

• 10-15 Flocken pro m 2 <strong>und</strong> s: 12.5<br />

• Sammelfläche für Schneemann (10 m x 10 m): 100 m 2<br />

• Sammelzeit: 664 s<br />

• Sammelzeit <strong>in</strong> M<strong>in</strong>uten: 11 M<strong>in</strong>uten


Können <strong>Fermi</strong>-<strong>Fragen</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Klima</strong>- <strong>und</strong><br />

Energieproblematik helfen?<br />

Schauen wir dazu e<strong>in</strong>ige Fakten an!


IPCC<br />

Intergovernmental Panel on Climate<br />

Change<br />

mehrere tausend<br />

Wissenschaftler beteiligt


1988 – 2008: 20 Jahre IPCC


Sehen das alle so?<br />

Ne<strong>in</strong> → <strong>Klima</strong>kritiker, <strong>Klima</strong>skeptiker<br />

• Existenz e<strong>in</strong>er globalen Erwärmung<br />

• Interpretation <strong>der</strong> Messungen<br />

• Verwendete Messverfahren<br />

• Historische E<strong>in</strong>zigartigkeit des Phänomens<br />

• Ursachen des Phänomens (<strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e das Ausmass es<br />

menschlichen E<strong>in</strong>flusses)<br />

• Solarer E<strong>in</strong>fluss<br />

• Aussagekraft <strong>und</strong> Korrektheit <strong>der</strong> Prognosen des IPCC<br />

• S<strong>in</strong>nhaftigkeit <strong>der</strong> Massnahmenvorschläge des IPCC<br />

• Bewertung <strong>der</strong> Folgen für die Menschheit<br />

• Öffentliche <strong>und</strong> mediale Rezeption <strong>der</strong> Debatte


Begriff: Hysterie?<br />

von griechisch hystera: Gebärmutter<br />

psychologischer Fachbegriff für e<strong>in</strong>e neurotische Störung (veraltet)<br />

aus etymologischer Sicht hat Hysterie e<strong>in</strong>e Verb<strong>in</strong>dung mit dem<br />

weiblichen Geschlecht sowie e<strong>in</strong>e negative Bewertung<br />

übertriebene Erregbarkeit (allgeme<strong>in</strong> Verständnis)<br />

Gezielter E<strong>in</strong>satz dieses Begriffes mit dem Ziel nicht <strong>in</strong>formierte Leute<br />

zu bee<strong>in</strong>flussen. <strong>Klima</strong>verän<strong>der</strong>ung sei e<strong>in</strong>e übertriebene Beschreibung<br />

(Hysterie) stets vorgekommener, ungefährlicher Schwankungen.


Was s<strong>in</strong>d die Fakten?


CO 2 Konzentration über die letzten 650,000 Jahre<br />

<strong>Klima</strong>verän<strong>der</strong>ung:<br />

Siegenthaler et al., (2005)


CO 2 Konzentration <strong>der</strong> letzten 10‘000 Jahre<br />

10’000 5’000 0<br />

Jahre<br />

IPCC AR4


Tatsache 1<br />

Atmosphärisches CO 2 ist heute 28% höher<br />

als je zuvor <strong>in</strong> den letzten 800,000 Jahren


180 ppm während Eiszeiten<br />

280 ppm vor <strong>der</strong> Industrialisierung<br />

<strong>und</strong> <strong>in</strong> Warmphasen während<br />

Eiszeiten<br />

387 ppm heutiger globaler Wert


Höchster CO 2 Wert <strong>der</strong> Zeitreihe (letzte 8000,000 Jahre)<br />

(NOAA 2008)


Modell Ensemble Projektionen für 2025 <strong>und</strong> 2095<br />

Emissionen<br />

„tief"<br />

„mittel"<br />

„hoch"


Saisonale Verän<strong>der</strong>ungen des Nie<strong>der</strong>schlages im Jahre 2090<br />

IPCC 2007


Tatsache 2<br />

Weitere Emissionen werden e<strong>in</strong>e<br />

zusätzliche <strong>und</strong> weit grössere<br />

Erwärmung ergeben


Kohlenstoffreservoire<br />

Der Globale Kohlenstoffkreislauf<br />

Atmosphäre<br />

CO 2<br />

90<br />

90<br />

790 GtC<br />

120<br />

120<br />

GtC/Jahr<br />

Ozean<br />

8<br />

Land<br />

HCO 3<br />

–<br />

38’000 GtC<br />

Menschen<br />

C 6<br />

H 12<br />

O 6<br />

2100 GtC


Wie viel des emittierten fossilen CO 2<br />

bleibt <strong>in</strong> <strong>der</strong> Atmosphäre?<br />

• Emittiertes CO 2 : 350 GtC bis heute<br />

• Vor<strong>in</strong>dustrielle CO 2 Konzentration war 280 ppm<br />

• Falls alles CO 2 <strong>in</strong> Atmosphäre (A) bleibt, dann steigt die Konzentration um: 280ppm x 350/600 = 163 ppm, dies wird<br />

nicht gemessen. Aber wir haben ja noch an<strong>der</strong>e Reservoire!<br />

• Reservoirgrössen: A: Atmosphäre: 600 GtC (vor<strong>in</strong>dustriell)<br />

O: Ozean: 38000 GtC<br />

B: Biosphäre: 2400 GtC<br />

• Dies ergibt e<strong>in</strong> Verhältnis von: A:B:O von 1:4:63<br />

• Vor<strong>in</strong>dustrielle CO 2 Konzentration war 280 ppm<br />

• Aufteilung nach Reservoirgrösse ergibt, dass ca. 1:68 <strong>in</strong> <strong>der</strong> Atmosphäre bleibt, dies entspricht: 350/600 x 280/68 = 2.4<br />

ppm. (Falsch, Warum?)<br />

• Mit Messungen stellen wir fest, dass <strong>in</strong>nerhalb weniger Dekaden zirka die Hälfte <strong>in</strong> <strong>der</strong> Atmosphäre bleibt. Heute haben<br />

wir 385 ppm CO 2 <strong>in</strong> <strong>der</strong> Luft, dies entspricht: (385-280)/163 = 64% <strong>der</strong> Emissionen. Wenn Abholzung von<br />

Tropenwäl<strong>der</strong> etc. mitberücksichtigt werden, s<strong>in</strong>kt dieser Anteil.<br />

• Langfristig muss zudem auch noch die Chemie, welche im Ozean abläuft berücksichtigt werden. Die besagt, dass<br />

die relative Än<strong>der</strong>ung des CO 2 Partialdrucks 10-fach grösser ist als diejenige des Gesamtkohlenstoffs im Ozean.<br />

Der Ozean ersche<strong>in</strong>t also als 10-fach ger<strong>in</strong>ges Reservoir als es tatsächlich ist. Dies wird mit dem Pufferfaktor<br />

ausgedrückt.<br />

• Somit ist die Aufteilung folgen<strong>der</strong>massen: A:B:O/10, also 350/600 x 280/11.3 = 14.5 ppm


Soho: ESA and NASA


S = 4·π·r 2 D = π·r 2


Ger<strong>in</strong>gere Energiedeposition <strong>in</strong> hohen Breiten


Variationen <strong>der</strong> Solarkonstante<br />

≤ 0.1%


Abkühlung <strong>der</strong> Erde um 1°C (1K)<br />

• Schwarzkörperstrahlung<br />

• Stefan Boltzmann Strahlungsgesetz P = σ x A x T E<br />

4<br />

• Wenn Erdtemperatur 1K tiefer ist: P = σ x A x (T E -1K) 4<br />

• E<strong>in</strong>wenig Mathematik: P neu = σ x A x (T E -1K) 4 = σ x A x T E4 x (1-1K/T E ) 4<br />

≈ σ x A x T E4 x (1-4x1K/T E )<br />

= P - ΔP<br />

• Relative Leistungsän<strong>der</strong>ung: ΔP/P = 4 x 1K/T E ≈ 4 x 1K/288K = 0.35%<br />

• Die Variationen <strong>der</strong> Solarkonstante s<strong>in</strong>d kle<strong>in</strong>er (≤ 0.1%) <strong>und</strong> entsprechen<br />

288K x 0.001/4 = 0.07 K o<strong>der</strong> 70 mK.<br />

• Abstrahlungsfläche die es bräuchte um 1°C Abkühlung zu erreichen:<br />

• 0.35% <strong>der</strong> Erdfläche = 1.75 x 10 12 m 2 , entspricht 44 x <strong>der</strong> Fläche <strong>der</strong> CH.


Wie sieht es im Energiebereich aus?


Globaler Energieverbrauch<br />

Etajoule = 10 18 Joule<br />

http://www.novatlantis.ch


Wie verbrauchen wir die Energie?<br />

http://www.novatlantis.ch


Die 2000 Watt Gesellschaft<br />

http://www.novatlantis.ch


B<strong>und</strong>esamt für Energie


+28.6 %<br />

B<strong>und</strong>esamt für Energie


B<strong>und</strong>esamt für Energie


Private Haushalte: Aufteilung <strong>der</strong> Energie auf Verwendungszwecke<br />

B<strong>und</strong>esamt für Energie


Private Haushalte: Aufteilung des Heizenergieverbrauchs 2006<br />

nach Energieträger<br />

B<strong>und</strong>esamt für Energie


1 Liter Heizöl HEL trägt<br />

die Energie von 36 MJ<br />

o<strong>der</strong> 10 kWh<br />

1 Liter Heizöl HEL ergibt<br />

2.65 kg CO 2<br />

.


Zusammensetzung <strong>der</strong> Aus- <strong>und</strong> E<strong>in</strong>atemluft<br />

E<strong>in</strong>atmung Gas Ausatmung<br />

78% Stickstoff 78%<br />

21% Sauerstoff 17%<br />

0,02% Kohlenstoffdioxid 4%<br />

1% Edelgase 1%<br />

Messgrößen beim Menschen:<br />

Atemfrequenz, Die durchschnittliche Zahl <strong>der</strong> E<strong>in</strong>- <strong>und</strong> Ausatmungen pro Zeite<strong>in</strong>heit, die<br />

Atemfrequenz f, beträgt unter Ruhebed<strong>in</strong>gungen<br />

Alter<br />

Erwachsene 12-15<br />

Jugendliche 16-19<br />

Schulk<strong>in</strong>d 20<br />

Kle<strong>in</strong>k<strong>in</strong>d 25<br />

Säugl<strong>in</strong>g 30<br />

Neugeborene 40-50<br />

Atemzüge pro M<strong>in</strong>ute<br />

Atemzugvolumen Das Atemzugvolumen bei e<strong>in</strong>em Erwachsenen beträgt <strong>in</strong> Ruhe etwa 0,5 Liter.


Wie viel Heizöl haben wir <strong>in</strong> uns?<br />

• E<strong>in</strong> Liter Heizöl ergibt 2.65 kg CO 2 .<br />

• Dies entspricht 60 mal dem Molgewicht von CO 2 (44 g)<br />

• 4% <strong>der</strong> Ausatmungsluft (0.5 Liter pro Zug, <strong>in</strong> Ruhe) ist CO 2 .<br />

• Dies ergibt 0.04 x 0.5 L = 20 mL<br />

• Dies entspricht ca 0.1% des Molvolumens von 22.4 L.<br />

• D.h. <strong>in</strong> 60‘000 Atemzügen hat es gleich viel CO 2 wie <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Liter Öl.<br />

• Pro M<strong>in</strong>ute atmen wir 12-15 mal, K<strong>in</strong><strong>der</strong> doppelt so viel<br />

• D.h. <strong>in</strong> knapp 3 Tagen atmen wir gleich viel CO 2 aus wie 1 Liter Öl ergibt.<br />

• Gr<strong>und</strong>umsatz ca. 100 Watt<br />

• In drei Tagen ergibt dies: 100 x 3 x 24 x 3600 J/s x s = 26 MJ<br />

• 1 Liter Öl trägt die Verbrennungsenergie von 36 MJ, also war unsere Annahme von<br />

4% CO 2 <strong>in</strong> <strong>der</strong> Atemluft zu hoch für Leute <strong>in</strong> Ruhe.


Ist die 2000 Watt Gesellschaft mit<br />

Bioenergie möglich?


2000 Watt Gesellschaft<br />

• 6.8x10 9 Personen, Verbrauch 2000 Watt (Gr<strong>und</strong>umsatz ca. 100<br />

Watt)<br />

• Energie pro Jahr: 6x10 9 x 2000J/s x 3600 x 24 x 365.25 s/Jahr =<br />

• Ergibt 4.5 x 10 20 J/Jahr<br />

• Sonnenenergie auf Erdoberfläche: ca. 340 W/m 2<br />

• Leistung auf Erde : 340 W/m 2 x 5 x 10 14 m 2 = 1.7 x 10 17 W<br />

• Energie auf Erde pro Jahr: 1.7 x 10 17 W x 3600 x 24 x 365.25 s/Jahr<br />

• Ergibt 5 x 10 24 J/Jahr, über Land ca. 1/3 ca. 1.5 10 24 J/Jahr<br />

• Also alles <strong>in</strong> Butter? Ne<strong>in</strong>!


2000 Watt Gesellschaft: Bioenergie<br />

• Glucoseverbrennungswert: 2800 kJ/mol<br />

• Molgewicht: ca. 180 g (C 6 H 12 O 6 )<br />

• Glucoseverbrennungswert: ca. 16 kJ/g<br />

• Ertragswert von Agrarprodukten pro Hektare: 3 t/ha (BLW)<br />

• Energiespeicherung pro Hektare: 16 kJ/g x 3 t/ha = 5 x 10 6 J/m 2<br />

• Fläche die nötig ist um 4 x 10 20 J/Jahr zu generieren<br />

• Fläche = (4.5 x 10 20 J/Jahr) / (5 x 10 6 J/m 2 ) = ca. 10 14 m 2<br />

• Es würde praktisch die gesamte Landfläche gebraucht!!


2000 Watt Gesellschaft: Photovoltaik<br />

• Maximale Leistung pro m 2 : 150 W/m 2 (heutige Technik)<br />

• Maximale Energie pro Jahr <strong>und</strong> m 2 : 1300 kWh/m 2 /Jahr<br />

• Energieproduktion pro m 2 : 130 kWh/m 2 /Jahr<br />

• Energieproduktion pro m 2 : 468 x 10 6 J/m 2 /Jahr<br />

• Fläche die nötig ist um 4.5 x 10 20 J/Jahr zu generieren<br />

• Fläche = (4.5 x 10 20 J/Jahr) / (468 x 10 6 J/m 2 ) = ca. 10 12 m 2<br />

• Es bräuchte ungefähr 1 Prozent <strong>der</strong> Erdfläche! Also,<br />

Photovoltaik ist e<strong>in</strong>e Zukunftsenergie


Wie sieht es diesbezüglich für die<br />

Schweiz aus?<br />

• Maximale Leistung pro m 2 : 140 W/m 2 (heutige Technik)<br />

• Maximale Energie pro Jahr <strong>und</strong> m 2 : 1300 kWh/m 2 /Jahr<br />

• Energieproduktion pro m 2 : 130 kWh/m 2 /Jahr (bei 10% Effizienz)<br />

• Energieproduktion pro m 2 : 468 x 10 6 J/m 2 /Jahr<br />

• Bevölkerungsverhältnis (CH/Welt): 7.7 x 10 6 /(6.8 x 10 9 ) = 0.00113<br />

• Fläche die nötig ist um 4.5 x 10 20 x 0.00113 J/Jahr zu generieren<br />

• Fläche = (4.5 x 10 20 x 0.00113 J/Jahr) / (468 x 10 6 J/m 2 ) = ca. 10 9 m 2<br />

• Es bräuchte ungefähr 2.5 Prozent <strong>der</strong> Fläche <strong>der</strong> CH! Also,<br />

Photovoltaik ist auch bei uns zukunftsträchtig!<br />

• Die grüne Zahl entspricht ca. 40% des CH-Energiebedarfs, da wir<br />

im Mittel m<strong>in</strong>destens e<strong>in</strong>e 5000 Watt Gesellschaft s<strong>in</strong>d.


Abschätzung des Stromverbrauchs<br />

• Anzahl Haushalte: 2 x 10 6<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Schweiz<br />

• Verbrauch pro Haushalt: 10000 kWh/Jahr<br />

• Ergibt die Energie pro Jahr: 2 x 10 10 kWh/Jahr<br />

• Je 1/3 <strong>in</strong> Haushalte, Dienstleistung <strong>und</strong> Industrie<br />

• Ergibt die Energie pro Jahr: 6 x 10 10 kWh/Jahr<br />

• Ergibt die Energie pro Jahr: 60‘000 GWh/Jahr<br />

• Wie vergleicht sich diese grobe Abschätzung mit dem<br />

tatsächlichen Verbrauch?


B<strong>und</strong>esamt für Energie


Stromverbrauch <strong>in</strong> <strong>der</strong> CH →<br />

← Stromherstellung <strong>in</strong> <strong>der</strong> CH


Was ist das?


Temperaturverlauf <strong>in</strong> isolierter Aussenwand<br />

Ohne Isolation:<br />

U-Wert = 1.28 W/(m 2 K)<br />

Energiee<strong>in</strong>sparung: 85%<br />

Ohne Isolation, 1 Mauerwerk:<br />

U-Wert = 1.96 W/(m 2 K): 90%


Fazit<br />

• Energiee<strong>in</strong>sparungspotential ist massiv<br />

• Umstellung auf erneuerbare Energien ist s<strong>in</strong>nvoll<br />

<strong>und</strong> möglich mit gewissen Abstrichen<br />

(Bioenergie)<br />

• Abschätzungen erfrischt das Leben!! Also<br />

<strong>Fermi</strong> hält uns wach.<br />

• Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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