Elektrische EnergieWo kommt der Strom her?

Inhalt

• Definition einer Einheit zur Energieerzeugung in großem Maßstab

• Ein Beispiel für Energierzeugung aus Wasserkraft: Niagara hydropower facility– Balance zwischen elektrischem und

touristischem Wirkungsgrad

• Energie Erzeugung in Deutschland

• Anmerkungen zu den Energieträgern

Earthlights

„Earthlights“ und Energie• Die Karte zeigt Aufnahmen verschiedener Regionen zu ihrer

Nachtzeit, zu einem Bild zusammengesetzt• Das Aussehen der Erde hat sich im Laufe der letzten 150

Jahre offensichtlich verändert– Damals wäre, außer einigen Buschfeuern, nichts zu sehen

gewesen• Die weltweite Beleuchtung erfordert elektrische Energie• Elektrische Energie in dieser Größenordnung entsteht bei

Umwandlung von kinetischer-, potentieller-, Bindungs-Energie zwischen Atomen oder Kernbausteinen oder Strahlungsenergie mit von Menschen ersonnener Technik

• Die Wahl des Energieträgers hängt von der Bewertung der Umstände ab, z. B. der Verfügbarkeit und der Gefahren beim Umgang

• In jedem Fall wird in die Natur eingegriffen – im Gleichgewicht mit der Natur ist es in der Nacht finster, so wie es die letzten 20 Milliarden Jahre war

Im Folgenden verwendete Einheit für Leistung in großem Maßstab: 2,4 GW aus Wasserkraft an den Niagara-Fällen

Niagara hydropower facility

• Niagara is the biggest electricity producer in New York State, generating 2.4 million kilowatts—enough power to light 24 million 100-watt bulbs at once!

• This low-cost electricity saves the state's residents and businesses hundreds of millions of dollars a year.

Niagara hydropower facility

• To balance the need for power with a desire to preserve the beauty of Niagara Falls, the United States and Canada signed a treaty in 1950 that regulates the amount of water diverted for hydroelectricity production.

• On average, more than 200,000 cubic feet per second (cfs) flow from Lake Erie into the Niagara River.

• The 1950 pact requires that at least 100,000 cfs of water spill over the Falls during the daylight hours in the tourist season, April through October.

• This flow may be cut in half at night during this period and at all times the rest of the year.

• Quelle: http://www.nypa.gov/facilities/niagara.htm

• This flow was once cut completely

Quelle: http://www.umweltbundesamt.de/dux/en-inf.htm#_ftnref1

Energieflussbild 2004 für Deutschland, in Mio. t SKE (Quelle: AG-Energiebilanzen) (1 SKE=29,31 MJ)

Angaben in GW

oder „Niagara

Einheiten“ sinnvoll!

Quellen elektrischer Energie in Deutschland

Quelle: http://huegelland.tripod.com/strom.htm

PS: Daten aus 1999 mit 552,5 TWh Bruttostromerzeugung und 488,7 TWh Nettostromverbrauch,  davon 27 % Private Haushalte, 47 % Industrie und 26 % Handel, Gewerbe und Dienstleistungen. Quelle: Energie für Deutschland, Fakten Perspektiven und Positionen im globalen Kontext, 2000, World Energie Council.   

Mittlere Leistung: 63 GW

Ein Bild für den Leistungsbedarf in Deutschland 26 „Niagara-Fälle“ zu je 2,4 GW = 62,4 GW

26 „Niagara-Fälle“ würden benötigt, um aus

Wasserkraft die in Deutschland benötigte

elektrische Leistung von ca. 63 GW zu erbringen

Bei 82 Millionen Einwohnern:

Leistungsbedarf pro Mensch ca. 800 W

Welcher Energieträger ist sinnvoll?

• In Deutschland gibt es keine den Niagarafällen entsprechende Wasserquellen

• Windkraft und Solarenergie sind als Ergänzungen sinnvoll. Ziel der derzeitigen Regierung: Ausbau auf 20% Anteil, aber– Diese Energiegewinnung hängt vom Wetter ab– Unbekannte Langzeit-Wirkung des Energie-Entzugs

aus bodennahen Luftströmungen auf das lokale Klima und das Wachstum von Pflanzen. Wind ist nicht nur Energieträger, sonder bewirkt massiven Materialaustausch, verteilt die Samen von Pflanzen usw.

• Woher kommen die restlichen 80%?

Öl, Kohle und Gas

• Öl, Kohle und Gas sind leicht zu handhaben, aber ihre Verbrennung erzeugt CO2 , das Klima kann beeinflusst werden– Hohe Materialumsätze (etwa 400t =10 Güterwagen

Kohle pro Stunde werden für ein 1,2 GW Kraftwerk benötigt) führen zu hohem Transportaufkommen und erhöhten Unfallrisiken bei Transport und Gewinnung (z. B. Unfälle im Kohlebergbau)

• Bleibt zur Groß-Erzeugung die Kernkraft. Die Leistung eines mittleren Kernkraftwerks ist mit der Leistung des Niagara-Kraftwerks (2,4 GW) vergleichbar.

Wie steht es mit der Kernkraft?

• Für Kernkraft spricht – um etwa den Faktor 105 höhere Energiedichte

des Brennstoffs (Masse wird über E=mc2 in Energie verwandelt) gegenüber chemischer Verbrennung

– Keine gasförmigen Verbrennungsprodukte (CO2)

wenige, dafür riskante Transporte („Castor“)

• Aber: Problem der Endlagerung

Masse, die der in Deutschland in einem Jahr benötigten Energie entspricht

Einheit

1 J

Energieverbrauch in einem Jahr in Deutschland: 2 Exajoule,

Mittlere Leistung von

1 kg

Masse, äquivalent zu der in Deutschland in einem Jahr benötigten Energie: 21 kg

W 104,62 9P

tPE

m/s 103,0 9c

18102E

2/ cEm

21m

s 360024365 t

2cmE

Abschätzung des Materialbedarfs für den Jahresbedarf an elektrischer Energie für

Deutschland, 2 Exajoule

• Umsatz von 1 kg angereichertem Uran (Anreicherung an U 235 auf 3,3%) bringen im Kraftwerk etwa 30 1012 J, bei Tausch der Brennelemente nach Verbrauch von 2/3 des vorhandenen U 235 – zum Vergleich: Brennwert von 1 kg Steinkohle: 25 106 J

• Zur Erzeugung von 2 1018 J sind daher(2 1018)/(30 1012) = 7 105 kg, etwa 700 t angereichertes Uran erforderlich

Transport zum Kraftwerk

• Die hohe Energiedichte reduziert das Transportaufkommen:

• In 12 Castor Behältern werden jährlich etwa 144 t abgebranntes Material transportiert, – das entspricht dem Abbrand der Kernkraftwerke in

Deutschland (30% Anteil der Kernenergie)

• Vergleich mit Steinkohle: Transportaufkommen etwa das 106 fache

Anreicherung

• Bei der vollständigen „Verbrennung“ von 1 kg Uran 235 wird 1 g im Energie umgewandelt

• Natururan kann nur in wenigen Reaktortypen eingesetzt werden, die meisten benötigen auf ca. 4% mit Uran 235 „angereichertes“ Material.– Anreicherung von 0,7% auf 3,5% erfordert die

5-fache Menge Natururan, für 700 t angereichtes Material werden 3 500 t Natururan verarbeitet

Abschätzung des Bedarfs an Uranerzen

• Abbau der Erze zur Urangewinnung ab mindestens 0,1% bis 0,5% Uran im Gestein:

• 1 kg Natururan sind in ca. 1000 kg Erz enthalten.• Um 3 500 t Natururan zu gewinnen, müssen

etwa 3,5 106 t Erz gefördert werden.

• Information zu Energie-Fragen– http://www.hamburger-bildungsserver.de/welcome.pht

ml?unten=/klima/energie

Anmerkung zur Energiediskussion in Deutschland

• Leistung von 63 GW (entsprechend 26 Niagara-Fall Kraftwerke) ist – unabhängig vom Energieträger – nicht auf sanfte Weise zu erhalten

• Risiken und Wirkung der Anlagen auf die Lebensqualität sind bei keiner Art des Energieträgers vernachlässigbar

• Sinnvoll ist Energieerzeugung aus unterschiedlichen, der Region angepassten Quellen