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Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Energieverbrauchmessung bei Gebäuden, deren Temperatur in den Innenräumen mittels einer elektrisch betriebenen Temperaturregulierungsanordnung, die beispielsweise eine Klimaanlage oder eine Heizung umfasst, reguliert wird.
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Klimaanlagen sind bei Privathaushalten in vielen warmen Teilen der Erde, insbesondere in den Subtropen oder Tropen, ein großer Energieverbraucher. In den Sommermonaten kann der Energieverbrauch durch Klimaanlagen bis zu 50% und mehr des Gesamtenergieverbrauchs von Gebäuden erreichen. Insbesondere an sehr heißen Tagen im Sommer kann dieser erhöhte Energieverbrauch für Klimaanlagen zu einer Überlastsituation in den jeweiligen Energieversorgungsnetzen führen. Daher ist es häufig vorteilhaft, den Energieverbrauch der Klimaanlage eines Gebäudes zu kennen.
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Häufig wird für die Ermittlung eines Energieverbrauchs eines bestimmten Energieverbrauchers in einem Gebäude ein Verfahren angewandt, bei dem für den Energieverbraucher eine Energieverbrauchsmesseinrichtung zwischen die Energieversorgung des Gebäudes und den Energieverbraucher geschaltet wird. Ein solches Verfahren zur Energieverbrauchsmessung ist beispielsweise aus der Broschüre
„Stromfresser finden: Energieverbrauch messen." der „Verbund AG/Energieberatung/Erklärung zum Videoclip 3/Juli 2012" bekannt. Nachteilig ist es bei diesem Verfahren, dass für jeden Verbraucher zusätzlich zu einer für das Gebäude bereits vorhandene Energieverbrauchsmesseinrichtung, wie beispielsweise einem Smart Meter, noch eine weitere Energieverbrauchsmesseinrichtung für den Verbraucher vorgesehen werden muss.
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Ferner ist es bekannt, so genannte „Fingerprint Meters“ einzusetzen, die anhand von bestimmten Charakteristika, wie etwa Energieverbrauchsspitzen und Oberschwingungen im Gebäudeenergienetz, Großverbraucher wie beispielsweise Kühlschränke und Klimageräte unterscheiden und daher deren Energieverbrauch differenziert bestimmen können. Beispielsweise ist aus dem Artikel „Wireless Smart Meter Measures How Much Power You Use", erschienen im New Scientist in der Online-Ausgabe des Blogs von Hal Hodson am 08.04.2013, eine Energieverbrauchsmessanordnung bekannt, bei der der Energieverbrauch einzelner Verbraucher mittels Sensoren für elektromagnetische Strahlung gemessen wird. Die Sensoren werden dabei auf im Gebäude verlegten elektrischen Leitungen angebracht und kommunizieren über ein Funknetzwerk mit einer im Gebäude vorhandenen Auswertungseinrichtung für den Energieverbrauch.
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Nachteilig ist es bei den bekannten Verfahren, dass im Gebäude eine spezielle zusätzliche Hardware für die Energieverbrauchsmessung vorgesehen werden muss, die in der Regel vom Endkunden selbst bezahlt wird.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für die Ermittlung des Energieverbrauchs einer elektrisch betriebenen Temperaturregulierungsanordnung eines Gebäudes oder Gebäudeteils bereitzustellen, das besonders einfach und kostengünstig ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren für die Ermittlung des Energieverbrauchs einer elektrisch betriebenen Temperaturregulierungsanordnung eines Gebäudes oder Gebäudeteils, bei dem
- – mittels einer Energieverbrauchsmesseinrichtung der Energieverbrauch des Gebäudes oder Gebäudeteils zu einer vorher festgelegten Tageszeit für eine vorher festgelegte Zeitdauer an einer Mehrzahl von Tagen gemessen wird;
- – mittels einer Auswerteeinrichtung unter Berücksichtigung des von der jeweiligen Außentemperatur abhängigen gemessenen Energieverbrauchs an der Mehrzahl von Tagen bei einem im Wesentlichen konstanten Grundenergieverbrauch ein mittlerer Außentemperaturbereich ermittelt wird;
- – mittels der Auswerteeinrichtung ein über dem im Wesentlichen konstanten Grundenergieverbrauch liegender Energieverbrauch für Außentemperaturen außerhalb des mittleren Außentemperaturbereichs als der durch die elektrisch betriebene Temperaturregulierungsanordnung verursachter Energieverbrauch ermittelt wird.
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Unter einer Energieverbrauchsmesseinrichtung für den Energieverbrauch eines Gebäudes oder Gebäudeteils ist dabei beispielsweise ein Gebäudestromzähler oder ein für das Gebäude vorgesehenes so genanntes Smart Meter zu verstehen. Ein Smart Meter ist ein Gebäudestromzähler mit der Fähigkeit, selbstständig über eine Kommunikationsverbindung Energieverbrauchsmesswerte mit hoher zeitlicher Auflösung an eine Zentrale zu übermitteln.
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Der Erfindung geht von dem physikalischen Zusammenhang aus, dass die für eine elektrisch betriebene Temperaturregulierungsanordnung benötigte elektrische Energie in erster Näherung linear mit der Differenz zwischen der Außentemperatur und der Innentemperatur des Gebäudes ansteigt. Dabei werden Abweichungen des Wirkungsgrades der Temperaturregulierungsanordnung beispielsweise zwischen einem Teillast- und einem Volllastbereich vernachlässigt.
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Beispielsweise ist der Energieverbrauch einer Temperaturregulierungsanordnung der Wärmeleistung proportional. Es ergibt sich Q = k·A/l·ΔT mit Q = Wärmeleistung, k = Wärmekonstante, A = Fläche, l = Wanddicke und ΔT = Temperaturdifferenz zwischen Außentemperatur und Innentemperatur. Bei einem gegebenen Gebäude sind folglich alle Faktoren k, A, l obiger Gleichung mit Ausnahme der Temperaturdifferenz ΔT konstant. Weiterhin kann davon ausgegangen werden, dass die Innentemperatur in einem Gebäude oder Gebäudeteil im Wesentlichen konstant ist. Folglich ändert sich die Wärmeleistung bzw. der Energieverbrauch der Temperaturregulierungsanordnung in guter Näherung mit der Außentemperatur.
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Wird nun jeweils bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Energieverbrauch zu bestimmten Tageszeiten über mehrere Tage miteinander verglichen, so stellt man einen Zusammenhang zwischen der Außentemperatur und dem gemessenen Energieverbrauch fest. Es ergibt sich ein im Wesentlichen konstanter Grundenergieverbrauch über einen mittleren Außentemperaturbereich; dies erklärt sich dadurch, dass in dem mittleren Außentemperaturbereich weder eine Heizung noch eine Kühlung der Innenräume vorgenommen wird und deswegen ein Grundenergieverbrauch ohne zusätzlichen Energieverbrauch für die elektrisch betriebene Temperaturregulierungsanordnung feststellbar ist.
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Bei Außentemperaturen unterhalb des mittleren Außentemperaturbereichs stellt man einen Anstieg des Energieverbrauchs fest, der auf eine Heizung der Innenräume zurückgeht. Bei Außentemperaturen oberhalb des mittleren Temperaturbereichs ist ein erhöhter Energieverbrauch aufgrund einer Räumkühlung feststellbar.
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Wird nun für jeden Tag von dem ermittelten Gesamtenergieverbrauch der Grundenergieverbrauch abgezogen, so ergibt sich für die vorher festgelegte Tageszeit und die vorher festgelegte Zeitdauer ein spezifischer Energieverbrauch, der auf die elektrisch betriebene Temperaturregulierungsanordnung zurückgeht. Dieser spezifische Energieverbrauch ist auf größere Zeiträume als den Messzeitraum hochrechenbar und ermöglicht daher eine Abschätzung des Energieverbrauchs einer elektrisch betriebenen Temperaturregulierungsanordnung eines Gebäudes, wobei keine zusätzlichen Energieverbrauchsmesseinrichtungen als die in der Regel bereits vorhandenen Energieverbrauchsmesseinrichtungen für das jeweilige Gebäude vorgesehen werden müssen.
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Es ist somit ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass mit der vorhandenen Hardware durch Auswertung des Gesamtenergieverbrauchs für das Gebäude in Verbindung mit der Außentemperatur ein Energieverbrauch für eine elektrisch betriebene Temperaturregulierungsanordnung des Gebäudes abgeschätzt werden kann. Weil keine zusätzliche Hardware benötigt wird, ist das Verfahren besonders kostensparend. Insbesondere entstehen dem Gebäudebesitzer keine zusätzlichen Kosten für die Installation weiterer Energieverbrauchsmesseinrichtungen.
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Das Verfahren kann lokal angewendet werden, wenn die Auswerteinrichtung dem Gebäude oder Gebäudeteil zugeordnet wird; oder es kann eine zentrale Anwendung auf Seiten des Energieversorgers oder eines Serviceanbieters erfolgen, wenn die Auswerteeinrichtung zentral für das Energieversorgungsnetz vorgesehen wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Außentemperatur jeweils die für die Mehrzahl von Tagen aus veröffentlichten Wetterinformationen für den Gebäudestandort bekannte Außentemperatur verwendet. Dies ist vorteilhaft, weil keine Außentemperaturmessung an dem Gebäude benötigt wird. Daher ist diese Ausführungsform besonders einfach und kostengünstig.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Außentemperatur für die Mehrzahl von Tagen jeweils am Gebäude gemessen. Dies ist vorteilhaft, weil durch die Messung an dem jeweiligen Gebäude eine besonders genaue Außentemperaturmessung ermöglicht wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich die Innentemperatur des Gebäudes gemessen und die Temperaturdifferenz zwischen der Außentemperatur und der Innentemperatur berechnet und die Abhängigkeit des gemessenen Energieverbrauchs von dieser Temperaturdifferenz berücksichtigt. Dies ist vorteilhaft, weil der Energieverbrauch einer Temperaturregulierungseinrichtung wesentlich von der Temperaturdifferenz zwischen der Innenraumtemperatur und der Außentemperatur abhängt. Ein weiterer Vorteil ist es, dass durch die Berücksichtigung der Innentemperatur eine genauere Ermittlung des Energieverbrauchs der elektrisch betriebenen Temperaturregulierungsanordnung ermöglicht wird.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Temperaturerfassung jeweils zu der vorher festgelegten Tageszeit. Dies ist vorteilhaft, weil die Genauigkeit des Verfahrens erhöht wird.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Temperaturregulierungsanordnung eine Klimaanlage verwendet. Dies ist von Vorteil, weil eine Klimaanlage insbesondere in den Sommermonaten häufig der größte Energieverbraucher eines Gebäudes ist.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht die vorher festgelegte Tageszeit in etwa der Mittagszeit. Dies ist von Vorteil, weil in der Mittagszeit die Sonneneinstrahlung und damit die Außentemperatur im statistischen Mittel am höchsten ist. Auf diese Weise kann der zusätzliche Energieverbrauch für eine Temperaturregulierungsanordnung, wie beispielsweise eine Klimaanlage, besonders leicht ermittelt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht die vorher festgelegte Tageszeit in etwa der Zeit des Sonnenhöchststandes. Dies ist von Vorteil, weil zur Zeit des Sonnenhöchststandes in der Regel die höchste Außentemperatur im statistischen Tagesmittel vorliegt und deswegen beispielsweise eine Klimaanlage besonders stark beansprucht wird.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Temperaturregulierungsanordnung eine elektrisch betriebene Heizung oder Wärmepumpe verwendet. Dies ist vorteilhaft, weil elektrisch betriebene Heizungen, wie etwa Nachtspeicherheizungen und/oder Wärmepumpen häufige Heizungstypen sind, die wesentlich zum Energieverbrauch eines Gebäudes beitragen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die vorher festgelegte Tageszeit in etwa vor Sonnenaufgang. Dies ist besonders vorteilhaft, weil kurz vor Sonnenaufgang die Außentemperatur in der Regel am niedrigsten ist und daher insbesondere der Energieverbrauch für Temperaturregulierungsanordnungen, wie etwa Heizungen oder dergleichen, besonders gut bestimmbar ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die vorher festgelegte Zeitdauer 1 Stunde, bevorzugt 30 Minuten, noch mehr bevorzugt 15 Minuten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem für die Ermittlung des Energieverbrauchs nur Werktage ausgewählt werden. Dies ist vorteilhaft, weil an Werktagen in der Regel durch die Berufstätigkeit der Gebäudebewohner eine regelmäßigere Aktivität und damit einhergehend ein leichter vergleichbarer Energieverbrauch erwartbar ist als an den Wochenenden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch Subtraktion des ermittelten Energieverbrauchs der elektrisch betriebenen Temperaturregulierungsanordnung vom Gesamtverbrauch des Gebäudes der Gesamtverbrauch aller anderen Energieverbraucher des Gebäudes ermittelt. Dies ist vorteilhaft, weil auf diese Weise der Energieverbrauch des Gebäudes ohne Berücksichtigung des Energieverbrauchs für Heizungen und/oder Klimaanlagen ermittelt werden kann.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird unter Berücksichtigung des ermittelten Energieverbrauchs der elektrisch betriebenen Temperaturregulierungsanordnung und der Gebäudegröße und der Gebäudeaußenfläche ein Schätzwert für die Energieeffizienz des Gebäudes ermittelt. Dies ist vorteilhaft, weil mittels des Schätzwertes für die Energieeffizienz ein Vergleich zwischen Gebäuden ermöglicht wird.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Gebäudegröße und die Gebäudeaußenfläche anhand von Satellitenbildern und/oder Google Earth – Straßenbildern und/oder anderen veröffentlichen Gebäudeinformationen geschätzt. Die Verwendung solcher veröffentlichen Gebäudeinformationen ist vorteilhaft, weil auf einfache und kostengünstige Weise ohne Vorort-Überprüfung des jeweiligen Gebäudes eine Bestimmung der Energieeffizienz vorgenommen werden kann.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Energieeffizienz des Gebäudes mit Referenzwerten für die Energieeffizienz von Gebäuden verglichen und eine Energieeffizienzklasse für das Gebäude ermittelt. Beispielsweise kann über die Zuweisung einer Energieeffizienzklasse für das Gebäude ein Energiepass erstellt werden. Dies ist insbesondere für Stromversorgungsunternehmen vorteilhaft, weil die Ermittlung der Energieeffizienzklasse die einfache und kostengünstige Erfüllung regulatorischer Auflagen im Rahmen von Energieeffizienzprogrammen ermöglicht. Solche Energieeffizienzprogramme sind z.B. in den USA in Kraft. Eine Möglichkeit zur Anwendung eines Energiepasses besteht darin, dass das Stromversorgungsunternehmen die Auswertung des Energieverbrauchs zusammen mit der Stromrechnung dem Verbraucher zusendet und gegebenenfalls Vorschläge zur Verbrauchsreduzierung unterbreitet. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist es, dass tatsächliche Energieverbrauchsinformationen durch die Stromversorgungsunternehmen den Herstellern von Temperaturregulierungsanordnungen zur Verfügung gestellt werden können, um den aktuellen Energieverbrauch der Anlagen zu überprüfen und gegebenenfalls Verbesserungen für die Temperaturregulierungsanordnungen vorzusehen.
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Ferner ist Gegenstand der Erfindung eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energieverbrauchsmesseinrichtung mit der Auswerteeinrichtung verbunden ist und die Auswerteeinrichtung eine Schnittstelle für das Aufnehmen von Temperaturinformationen aufweist. Es ergeben sich sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Innentemperaturmesseinrichtung vorgesehen, die mit der Auswerteeinrichtung verbunden ist. Es ergeben sich sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Auswerteeinrichtung in die Energieverbrauchsmesseinrichtung integriert. Dies ist von Vorteil, weil ein einzelnes Bauteil mit vergleichsweise geringer Baugröße bereit gestellt wird, das kostengünstig hergestellt, gelagert und transportiert werden kann.
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Ein weiterer Vorteil ist es, dass bei Benutzung der Anordnung die Ermittlung des Energieverbrauchs einer elektrisch betriebenen Temperaturregulierungsanordnung eines Gebäudes oder Gebäudeteils vollständig lokal erfolgen kann und der Kunde die Möglichkeit erhält, den Energieverbrauch für z.B. Heizung und Klimaanlage zu überprüfen. Ein weiterer Vorteil ist es, dass die Auswerteeinrichtung beispielsweise in Form eines Softwaremoduls ausgebildet sein kann und somit besonders kostengünstig in den bereits vorhandene Smart Meter integriert werden kann.
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Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der 1 schematisch dargestellt.
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Die 1 zeigt ein Diagramm, bei dem auf der Abszisse die Temperatur T in Grad Celsius und auf der Ordinate der Energieverbrauch E eines Gebäudes in Kilowattstunden angegeben wird. Bei der Temperatur T handelt es sich um die Außentemperatur des Gebäudes. Ermittelt werden jeweils an Werktagen der jeweilige Energieverbrauch für ein Gebäude in der Zeit zwischen 12 Uhr mittags und 12:15 Uhr. Die jeweiligen Energieverbräuche sind mit 1 gekennzeichnet. Es ergibt sich ein im Wesentlichen konstanter Energieverbrauch 2 für Außentemperaturen T in einem mittleren Außentemperaturbereich, der in der Darstellung in etwa zwischen 7 Grad Celsius und 19 Grad Celsius liegt. Hieraus ergibt sich ein Grundenergieverbrauch 7 für das Gebäude.
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Unterhalb des mittleren Außentemperaturbereichs ist ein Anstieg des Energieverbrauchs 3 festzustellen, der den zusätzlichen Energiebedarf für eine elektrische Heizung bezeichnet. In dem dargestellten Beispiel ergibt sich bei einer Außentemperatur T von ca. 1˚C ein durch die Heizung bedingter Energieverbrauch 5, der oberhalb des Grundenergieverbrauchs 7 liegt.
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Oberhalb des mittleren Außentemperaturbereichs ist ein Anstieg des Energieverbrauchs zu verzeichnen, der durch den zusätzlichen Energiebedarf 4 für eine Klimaanlage begründet ist. Es ergibt sich bei einer Außentemperatur T von ca. 29˚C ein durch die Klimaanlage bedingter Energieverbrauch 5, der oberhalb des Grundenergieverbrauchs 7 liegt. Der Anstieg der Geraden 3 und 4 ist jeweils ein Indikator für die Energieeffizienz des Gebäudes.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Stromfresser finden: Energieverbrauch messen.“ der „Verbund AG/Energieberatung/Erklärung zum Videoclip 3/Juli 2012“ [0003]
- „Wireless Smart Meter Measures How Much Power You Use“, erschienen im New Scientist in der Online-Ausgabe des Blogs von Hal Hodson am 08.04.2013 [0004]
