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1 Milliarde kleine Energiefresser

12.01.2012 von

Der eine oder die andere von Ihnen hat das Jahr 2012 bestimmt mit einem neuen Elektrogerät begrüsst. Zumindest hat sich jeder fünfte Schweizer ein Smartphone oder einen Tablet-PC unter dem Weihnachtsbaum gewünscht.

Ohne Energie läuft nichts

Da aber nicht nur in der Schweiz neue Unterhaltungselektronik gekauft wird, erwartet die Internationale Energieagentur (IEA) einen deutlichen Zuwachs beim Energieverbrauch, den diese Geräte verursachen (s. Grafik [1]). Derzeit fliesst etwa 15% des Stromes, den wir im Haushalt benötigen, in Computer, Fernseher & Co. Weltweit waren das im letzten Jahr zirka 800 Terawattstunden (TWh). Zum Vergleich: Im Jahr 2010 war der Gesamtstromverbrauch der Schweiz zirka 60 TWh. Bis im Jahr 2030 soll sich dieser Wert jedoch mehr als verdoppeln, erwartet die IEA. Mit zirka 1700 TWh werden wir dann weltweit ebenso viel Strom in unsere Laptops und Smartphones stecken, wie Japan und die USA im Jahr 2009 gesamthaft verbrauchten.

Wo wird die Energie benötigt?

Wieso fressen Computer & Co so viel Energie? Jeder Text und jedes Bild, das wir in unserem Computer speichern oder bearbeiten wird mit Hilfe von Transistoren digitalisiert. Durch stetige Miniaturisierung hat ein Prozessor heute nur noch etwa die Grösse eines Zwanzigräpplers – und enthält dabei über eine Milliarde Transistoren. Jedes dieser Bauteile stellt eine digitale «1» oder «0» dar, indem entweder ein Strom durch das Element fliesst oder nicht. Gesteuert wird der Stromfluss durch eine sogenannte Gate-Elektrode, die wie eine Schranke für die Elektronen im Schaltkreis wirkt.

Um diese Schranke zu öffnen oder zu schliessen wird Energie benötigt. Diese Energie skaliert allerdings kaum mit der Grösse des Elements; stattdessen steigt der Energieverbrauch eines Prozessors etwa proportional zur Zahl der Transistoren.

Für zusätzlichen Energieverbrauch sorgt der sogenannte Leckstrom: Durch die Verkleinerung der Schaltelemente ist die exakte Steuerung immer schwieriger geworden und so können Elektronen die Schranke auch dann passieren, wenn sie eigentlich geschlossen ist. Dieser Leckstrom führt zu Energieverlusten im Transistor und heizt das Bauteil zusätzlich auf. Auch wenn es sich bei jedem einzelnen Schaltelement natürlich um sehr kleine Ströme handelt, so ergibt die Summe aller Transistoren einen erschreckend hohen Wert. Allein in Europa sollen die Leckverluste bis im Jahr 2020 auf 49 Terawattstunden ansteigen.

Effizienzsteigerung dank neuer Materialien und Designs

Bis jetzt basieren unsere Computer auf planaren Silizium-Schaltkreisen. Um die beiden oben genannten Probleme (Energieverbrauch beim Schaltvorgang sowie Leckstrom im Standby) zu lösen, wird nun aber immer mehr mit neuen Materialien und an alternativen Designs geforscht. So werden im europäischen Forschungsprojekt STEEPER [2] beispielsweise 100 Nanometer dünne Drähte senkrecht nebeneinander aufgestellt und von der Gate-Elektrode umschlossen. Leckströme werden in diesem Design nahezu ganz unterdrückt und die Schaltspannungen sind geringer. Die Forschergruppe erwartet eine bis zu 10-mal bessere Energieeffizienz dieser neuartigen Transistoren.

Es bleibt abzuwarten, wie die Computer der Zukunft in ihrem Inneren aussehen werden. Das Beispiel aus der Forschung zeigt aber, dass ein enormes Einsparpotential vorhanden ist und die Chip-Industrie bereit ist, umzudenken und neue Technologie zu implementieren. Bei immer weiter steigenden Nutzerzahlen von Elektronikartikeln wird sich dies in Zukunft auch auszahlen.

[1]     Gadgets und Gigawatt, International Energy Agency, Policies for Energy Efficient Electronics: http://www.iea.org/press/pressdetail.asp?PRESS_REL_ID=284

[2]     STEEPER: http://www.steeper-project.org/

 

Zur Autorin

Susanne Dröscher ist Doktorandin in Nanophysik an der ETH Zürich. Persönliches Zitat und Biografie





Kommentare (16) >Alle Kommentare aufklappen>Alle Kommentare zuklappen

Peter,

„Niemand bestreitet die Existenz und die Wirkung von Jevons’ Paradox.“

Das ist ja was ganz neues!
google einfach mal nach:
jevons paradox wrong

aber egal, wir verstehen das Paradox offensichtlich anders

schnellere Rechner (fuer den „gleichen Preis“)
–> weitere Verbreitung –> mehr Energieverbrauch
etc..

aber lassen wir es.
Die Kernfrage ist eben der vermeintliche Anstieg beim
Bedarf an elektrischer Energie und wie lange man noch
sicheres Netz haben wird.
(mit und ohne Ausstieg, wie schon oefter geschrieben,
die herkoemmlichen Reaktoren haben eh keine Zukunft
und die neuen Wunderreaktoren gibt es noch lange nicht!)

also Power down, egal ob wir es wollen oder nicht
(und ob wir es mit dem CO2 Problem begruenden oder nicht!)

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 0 Daumen runter 1

Ich stimme Herrn Buehler in seinen Ausfuehrungen zu. Energieeinsparung alleine wird nicht zu einer vermehrten Anwendung fuehren. Ausschlaggebend ist hierfuer hauptsaechlich die Rechenleistung. Diese macht Geraete fuer Nutzer attraktiver und die Chipindustrie wird alles daran setzen, diese zu erhoehen. Die Rechenleistung ist aber nicht zwangslaeufig proportional zur Energieeffizienz. Es ist daher also durchaus erstrebenswert, den Energieverbrauch einzelner Transistoren zu minimieren und so zumindest das Moeglichste zu tun, den Energieverbrauch zu verringern.

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 1 Daumen runter 0

@ Dittmar

Niemand bestreitet die Existenz und die Wirkung von Jevons‘ Paradox. Es reicht aber nicht, es name dropping like zu kennen, um es in allen Fällen auch richtig anzuwenden.

Die Frage ist, ob im Kontext der von Frau Dröscher präsentierten Fakten Reboundeffekte die möglichen Einsparungen kompensieren werden.

Ich halte dagegen, weil die Energieeinsparungen beim Betrieb von elektronischen Geräten
a) weder den Produktions- noch den Beschaffungspreis von solchen Geräten wesentlich beeinflussen
b) niemand sich deshalb 2 oder drei PCs, PDAs usw. anschaffen wird, weil der minimale (individuell vernachlässigbare und weitgehend ignorierte) Energieaufwand im Betrieb verringert wird
c) niemand vorhandene Geräte vor Ablauf von deren durchschnittlicher Lebensdauer allein deshalb ersetzen wird, weil der Betriebsaufwand beim Einsatz neuer Geräte (noch) geringer ausfällt
e) die Einsparungen nicht per se für eine erweiterte Anwendung und Verbreitung von Chip-basierten Technologien und/oder für eine Ablösung bestehender Technologien sorgen.

Kurz, die Energiekosten im Betrieb stellen keinen wesentlichen Faktor bei der Kaufentscheidung dar.

Anders wäre es, wenn die vorgeschlagenen Einsparungsmassnahmen für eine markante Verbilligung bei der Produktion von Chips sorgten, die Verkaufspreise von elektronischen Geräten eben so senkten wie den allg. Betriebsaufwand, einer erweiterten Anwendung und Verbreitung den Weg ebneten und – wegen der Energie-Betriebskosten bisher aufgeschobene – Anschaffungsentscheidungen auslösten.

Davon kann keine Rede sein. Es geht schlicht um einen weitgehend ignorierten und in der Summe erheblichen Bereich unnötiger Energieverschwendung.

M. Holzherrs Hinweis auf mögliche neue Anwendungen und die Erschliessung neuer Märkte allein aufgrund günstigerer Betriebskosten erscheint nicht schlüssig. Der PDA-Markt z. B. wird nicht wegen sinkender Energie-Betriebskosten wachsen.

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 0 Daumen runter 1

@Peter Bühler, @alle 2000-Watt-Befürworter
Neue technisch erst ermöglichte Kommunikationsformen (social networks, always online) und Änderungen unseres Alltags aufgrund ganz neuer Technik (der jährliche Ferienflug in die Karibik, das stundenlange Gaming in künstlichen Welten) kümmern sich erst in zweiter Linie um den Energieverbrauch (wenn überhaupt) und Verbesserungen der Effizienz führen gerade in der digitalen Welt zu ganz neuen (oft energieintensiven) Anwendungen, die vorher gar nicht möglch waren.

Hier eine hypothetische oder auch ganz reale Zukunftsvision:
– Im Jahre 2025 haben hundert mal effizientere Transistoren es den meisten Bürgern möglich gemacht ihren persönlichen digitialen Assistenten zu besitzen. Persönliche digitale Assistenten (PDA’s) haben das Leben vieler verbessert: Ihr guter Rat kittet Ehen zusammen, hilft beim Abnehmen und der Konfliktbewältigung und fördert Karrieren. Viele fragen sich, wie man früher leben konnte ohne den täglichen/stündlichen Rat des so weisen und intelligenten digitalen Freundes und Ratgebers. Eine Minimalversion des PDA’s benötigt eine Dauerrechenleistung von 10 Teraflops Rechenleistung und verbraucht 1000 Watt. Die Human Right’s Watch Group hat eben (im Jahr 2025) den Begriff des „Digital Poor“ geschaffen: Ohne PDA drohen Ignoranz, Hass und Fehlentscheidungen. Es gibt ein Menschenrecht auf einen PDA. Hier ein Interview von Radio Z mit dem Human Right Watch-Repräsentanten (HRW) der CH:
Z: Menschsein beginnt mit dem PDA? HRW: Nein, aber ohne PDA bleibt man unter seinem Potential. Z: Herr Blocher hat aus seiner Altersresidenz eben verlauten lassen: „Dumm’s Züg, ich habe nie einen Assistenten als Ratgeber gebraucht“. HRW: EU-zertifizierte Digitale Assistenten arbeiten nach den 5 Humanity-Prinzipen, das führt zu mehr Menschlichkeit. Z: Sie meinen, Herr Blocher …HRW: Ja das meine ich.

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Peter,

@Kommentar von Peter Bühler. 13.01.2012, 17:17
„Intelligenter Blogbeitrag, der sich herzerfrischend mit einem echten Problem und dessen Lösung auseinandersetzt.
Ich bezweifle, dass bei einer technischen Lösung Reboundeffekte drohen, welche die Einsparung kompensieren.“

kann man von deinem Beitrag zum Jevons Paradox
leider nicht behalten.

Hast du Argumente dafuer warum das Paradox auf einmal nicht mehr gilt?

Hast du Daten (und Blogger dazu?).

Falls nicht… zeigt

„Ich bezweifle“

dein Unwissen der Geschichte!

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 0 Daumen runter 0

Intelligenter Blogbeitrag, der sich herzerfrischend mit einem echten Problem und dessen Lösung auseinandersetzt.

Ich bezweifle, dass bei einer technischen Lösung Reboundeffekte drohen, welche die Einsparung kompensieren.

Energieaufwand und -kosten im Betrieb stellen in dem hier präsentierten Kontext – und im Unterschied etwa zum Energieaufwand bei Fahrzeugen oder Heizungen – keinen entscheidenden, das Verhalten der Konsumenten wesentlich beeinflussenden Faktor dar.

Es ist die Summe dieser zahlreichen und individuellen Vernachlässigungen und der leichthin ignorierten Mini-Verbräuche, die zum Problem wird.

Weshalb nicht tun, was getan werden kann und ein vorhandenes Einsparpotential nutzen?

Alternativ und analog zum 2°-Ziel könnte man natürlich die Zahl der Transistoren auf das vorindustrielle Level beschränken ; -)

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 1 Daumen runter 0

Hoi Martin,

einverstanden. Aber nennen wir das Problem in Zukunft beim richtigen Namen:

Das Jevon’s Paradox!

und ja, wer kennt Gegenbeispiele und wer
hat ne Idee wie man als Berater des Schweizer Energieministers
das Jevon’s Paradox austricksen koennte?
(die besten Ideen werden mit einem Drink belohnt!)

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@Anton Keller
Zitat: Zudem so schlecht kann es nicht sein, wenn jemand in Afrika beispielsweise ein Mobiltelefon nutzt, anstatt 100 km weit mit einem Bus zu Reisen.
Wer benutzt das Mobiltelefon anstatt mit dem Bus zu reisen? Das machen weder wir noch die Afrikaner. Ebenso gut könnte man sagen: Wozu reisen, wenn man doch so realistische Fernsehbilder von fremden Ländern empfangen kann.

@Susanne Dröscher, Michael Dittmar, Ben Palmer
Die IEA erwartet eine Verdoppelung des Stromverbrauchs in CH bis 2030 und die Leute hinter der 2000-Watt-Gesellschaft träumen von ultraleichten Fahrzeugen, hypergedämmten Gebäuden und hypereffizienten Geräten, die uns ein Leben wie jetzt aber mit 3 bis 4 Mal weniger Energieverbrauch ermöglichen.
Dabei haben doch Studien, die auch hier vorgestellt wurden, gezeigt, dass es allenfalls möglich ist den Energieverbrauch (vor allem den Stromverbrauch) pro Kopf zu stabilisieren. Kein Life-Experiment mit einer realen Bevölkerung zeigte einen deutliche Reduktion des Stromverbrauchs pro Kopf.
Fazit: Freiwillig wird der Stromverbrauch kaum zurückgehen, allerdings kann er eventuell stabilisiert werden. Eine 2000-Watt-Gesellschaft ist möglich aber sie wird nicht freiwillig zustande kommen.

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Sehr geehrte Herren,

ich stimme Ihnen zu, dass wir in Zukunft mehr Rechenleistung beanspruchen werden und auch den Verweis auf Serverleistung finde ich sehr gut. Allerdings frage ich mich, ob Jevon’s Paradox hier zutrifft oder ob wir nicht ohnehin unsere Computer weiter ausbauen, ohne gross auf die Energiebilanz zu achten. Dies ist zumindest in den letzten Jahren so geschehen.

Noch ein Kommentar zu Miniaturisierung: natürlich nahm zu Beginn der Computertechnologie der Energieverbrauch pro Transistor mit der Grösse ab. Mein Hinweis bezieht sich hier auf die letzten Generationen von Transistoren, bei denen die Gatelänge sich nur um einige Nanometer verkürzt hat, die Schaltspannung aber konstant bei ca. 1V liegt.

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 1 Daumen runter 0

@Michael Dittmar
Zitat: Der Rebound Effekt heisst
eigentlich das Jevon’s Paradox. Er war der “Entdecker” von diesem
Problem und vor rund 150 Jahren.
Geben wir uns hier, im Naturwissenschaftlichen Umfeld, also doch die Muehe richtig zu zitieren …

Und ich entgegne: Im Naturwissenschaftlichen Umfeld muss man sich auch die Mühe machen, verlinkte Artikel wirklich durchzulesen. Dann findest du im obigen Wikipedia-Artikel den Satz:

Als erster hat William Stanley Jevons Rebound (noch nicht mit diesem Begriff) 1865 in seinem Werk The Coal Question beschrieben:

Gruss Martin

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 0 Daumen runter 0

@Kommentar von Roger Meier. 12.01.2012, 15:29
@Wenn ich die Grafik oben so anschaue, kann ich nur sagen

wie waere es sich an alte Methoden der Kommunikation zu erinnern?

Buschtrommel etc..

und ja, „bauen“ ist das eine, und betreiben das worauf es ankommt.

kein Gas–> kein Strom aus Gas,
kein Uran–> “ “ aus KKW’s
etc

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 0 Daumen runter 1

Wenn ich die Grafik oben so anschaue, kann ich nur sagen: baut AKWs! Ach nein, deren Risiken können ja auch MICH treffen. Dann lieber Kohlekraftwerke bauen (die sterbenden Mineure muss ich nicht sehen) oder Öl/Gas-Kraftwerke bauen (die Toten bei diversen Blow-Outs interessieren mich nicht)

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 4 Daumen runter 1

Man müsste aber mindestens den Energieverbrauch PRO PERSON im Auge behalten, nicht die Absolutzahlen. Zudem so schlecht kann es nicht sein, wenn jemand in Afrika beispielsweise ein Mobiltelefon nutzt, anstatt 100 km weit mit einem Bus zu Reisen. Oder ist es besonders ökölogisch, statt mit Strom mit Gas zu kochen? Substitutionsmöglichkeiten sind miteinzubeziehen.

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 0 Daumen runter 0

„Im Jahr 2010 war der Gesamtstromverbrauch der Schweiz zirka 60 TWh. Bis im Jahr 2030 soll sich dieser Wert jedoch mehr als verdoppeln, erwartet die IEA.“

tja und um das Jahr 2030 laufen die KKW’s praktisch nicht mehr
und damit fehlen dann nicht nur 25 TWh (bei konstantem Verbrauch)
sondern nach den total unrealistischen Wunschvorstellungen der IEA sogar 85 TWh..
Das Problem dabei, wir haben keine Idee (mit und ohne Kernenergie!) wie diese TWh erzeugt werden sollen.
(Die IEA hat schon lange keine richtigen Vorhersagen mehr gemacht.)

Martin: Der Rebound Effekt heisst
eigentlich das Jevon’s Paradox. Er war der „Entdecker“ von diesem
Problem und vor rund 150 Jahren.
Geben wir uns hier, im Naturwissenschaftlichen Umfeld, also doch die Muehe richtig zu zitieren und ein Beispiel fuer andere zu setzen, auch wenn die meisten Oekonomen das nicht machen wollen!

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 1 Daumen runter 0

„steigt der Energieverbrauch eines Prozessors etwa proportional zur Zahl der Transistoren“
Das ist historisch gesehen nicht richtig, denn elektronische Schaltkreise wurden im Laufe der Entwicklung immer energieeffizienter. Verglichen mit Prozessoren älterer Generationen sinkt der Energieverbrauch pro Transistor trotz Vervielfachung der Rechenleistung.

Ich hatte das Privileg, das erste Datenverarbeitungssystem der ETH, ERMETH persönlich besichtigen zu können. Der Massenspeicher (Trommel) wog über eine Tonne.
Die damalige Rechenleistung wird heute von jedem Taschenrechner und jeder elektronischen SR-Kamera übertroffen. Und mit der Abwärme hätte man ein ganzes Wohnhaus beheizen können.

Das eigentliche Problem ist nicht der Energieverbrauch eines individuellen PCs sondern die Proliferation. Das ist ein Phänomen, das man auch in anderen Lebensbereichen findet und liegt in der Natur der Sache. Die ersten mit fossilen Treibstoffen betriebenen Motorfahrzeuge waren nicht nur in der Anschaffung teuer sondern auch im Betrieb, so dass sich nur wenige Menschen so etwas leisten konnten. Ob die Autos damals 40 oder 60 Liter verbrauchten, spielte in der Energiebilanz keine Rolle. Durch Innovation und Fortschritte in der Technologie wurden Motorfahrzeuge einem breiteren Publikum zugänglich. Die trotz gewaltiger Verbesserung der Energieeffizienz und Verringerung des Gewichts erreichten Einsparungen wurden durch Multiplizieren des Fahrzeugbestands mehr als überspielt.
Das selbe gilt für die Elektronik.

Die Alternativen: entweder den Energiebedarf weiter drastisch reduzieren mit dem Ergebnis, dass der Gebrauch dieser Produkte noch erschwinglicher wird, die Proliferation weiter zunimmt, oder den Preis dieser Produkte drastisch künstlich erhöhen.

Oder: das Bloggen freiwillig einstellen!

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 1 Daumen runter 0

Sehr geehrter Frau Dröscher,

ein guter, sehr ins Detail gehender Beitrag, den sie da geschrieben haben.

Ich teile aber ihren Optimismus was die Leistungsverbesserung und die stromsparenderen Designs unserer zukünftigen elektronischen Helfer betrifft nur zum Teil. Tatsächlich sind Leistungsverbesserungen bei elektronischen Schaltungen um den Faktor 10 oder gar 100 (beim Tunneleffekttransistor) möglich, doch dies wird zur Folge haben, dass die elektronischen Geräte auch 10 bis 100 Mal mehr Transistoren haben und dass zukünftige Handys einen intelligenten Assistenten eingebaut haben, der Apple’s Siri um ein vielfaches an Intelligenz aber auch an Anzahl benötigter Transistoren übersteigt.
Man nennt dies den Rebound-Effekt und meint damit, dass Effizienzgewinne durch einen Mengeneffekt kompensiert oder gar überkompensiert werden. Beispiele dafür gibts zuhauf: Die neuen LCD-Bildschirme brauchen viel weniger Strom pro Bildschrimfläche sind aber auch viel grösser als alte Kathodenstrahlbildschirme. Im Computerbereich gilt das sowieso, heutige PC’s entsprechen früheren Supercomputern und selbst die IPads und IPhones benötigen immer mehr Strom allerdings nicht selbst, sondern über die im Hintergrund laufenden Server und das immer mehr aufkommende Cloud-Computing. Wenn‘ so weitergeht wie bis anhin wird der „zivilisierte Mensch“ in 20 Jahren 1000 Watt an ständiger Computerleistung benötigen, vieles davon in Form von Servern, die sich in riesigen Serverfarmen um uns kümmern.

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