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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 mit
Menschen ersonnener Technik bei Umwandlung von– kinetischer-, potentieller Energie (Wind- und Wasserkraft)– Bindungs-Energie zwischen Atomen (Fossile Energieträger)– Bindungs-Energie zwischen Kernbausteinen (Kernreaktionen, Fusion
oder Spaltung)– Strahlungsenergie elektromagnetischer Wellen (Sonnenlicht)
• 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 13 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.
• Quelle: http://www.nypa.gov/facilities/niagara.htm
• This flow was once cut completely
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
Quellen der Energieversorgung
• RES: Quellen erneuerbarer Energie, Lignite: Braunkohle
Info-Quelle: http://www.eds-destatis.de/de/publications/detail.php?th=8&k=1&dok=3232
Elektrische Energie und ihre QuellenMittlere
Leistung BRD 68 GW
Installierte Leistung zur Erzeugung elektrischer Energie
Mittlere Leistung BRD
68 GW
CO2 Emission nach Art der Energieerzeugung
Quelle: http://www.psi.ch/ , Vollständiger Text: http://www.psi.ch/medien/Medienmitteilungen/Beitrag_zur_CH_Energiedebatte/Beitrag_zur_CH_Energiedebatte.pdf
Welcher Energieträger ist sinnvoll?
• In Deutschland gibt es keine den Niagarafällen entsprechenden Wasserquellen– Das Stauseen zugeführte Wasser wird den an der
Erdoberfläche verlaufenden Bächen entzogen und in unterirdischen Kavernen zu den Seen geleitet, es verändern sich Flora und Fauna der Alpentäler
• Windkraft und Solarenergie: Ziel der Regierung ist der 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, er bewirkt auch massiven Materialaustausch, verteilt die Samen von Pflanzen usw.
– Solarkollektoren verändern das in den Kosmos zurückgestrahlte Spektrum, die meteorologische Albedo
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 Kohle =
Inhalt von 6 Güterwagen Kohle pro Stunde werden für ein 1,2 GW Kraftwerk benötigt)
– Weite Transportwege mit hohem Transportaufkommen
– Unfallrisiken bei Transport und Gewinnung
Kernenergie
• Energiedichte des Brennstoffs 105 höher gegenüber chemischer Verbrennung (Masse wird über E=mc2 [J] in Energie verwandelt)
• Keine gasförmigen Verbrennungsprodukte (CO2)
• Wenige, dafür „riskante“ Transporte („Castor“)• Endlagerung?
Bild des Kohlefusses (65 t/Wagen) in „Echtzeit“ zur Erzeugung von 60 GW elektrisch
Kernzerfall• Reagiert 1 kg 235 U vollständig durch Kernzerfall, dann• sind die Reaktionsprodukte 1 g leichter
– Die Masse 1 g wurde nach E=mc2 [J] (m=0,001 kg, c = 3 108 m/s) in Energie umgewandelt
Quelle: http://www.uvm.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/16224/
Ketten-Reaktion………
Vergleich der zu transportierenden Massen (Daten für 2007)
1.00E+00
1.00E+01
1.00E+02
1.00E+03
1.00E+04
1.00E+05
1.00E+06
1.00E+07
1.00E+08
1.00E+09
1.00E+10
1.00E+11
0 1 2 3 4 5 6 7
Massen zur U235Technologie
Zum KW transportierte Kohle
Bedarf an 235 U
Zur Energie äquivalente
Masse
235 U im Brennelement
bis zum Austausch
Zum KW zu transportierende
Kohle
KW mit „idealem Wirkungsgrad“ 100% (real ~45%)
Zum KW zu transportierende
Brennelemente bei Anreicherung auf 5%
235 U
Massen beim Abbau der Uran-haltigen Erze
1.00E+00
1.00E+01
1.00E+02
1.00E+03
1.00E+04
1.00E+05
1.00E+06
1.00E+07
1.00E+08
1.00E+09
1.00E+10
1.00E+11
0 1 2 3 4 5 6 7
Massen zur U235Technologie
Zum KW transportierte Kohle
Bedarf an 235 U
Zur Energie äquivalente
Masse
235 U im Brennelement
bis zum Austausch
Zum KW zu transportierende
Brennelemente bei Anreicherung auf 5%
235 U
Zum KW zu transportierende
Kohle
Bedarf an Uran mit 0,5% Anteil
235 U
Bedarf an Gestein mit 0,1 %
Anteil an Uran
KW mit „idealem Wirkungsgrad“ 100% (real ~45%)
Zusammenfassung
• Die in Deutschland erforderliche Leistung von 63 GW entspricht der Leistung von 26 Niagara-Fall Kraftwerken
• Leistung in dieser Größenordnung 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
• Am sinnvollsten ist Energieerzeugung aus regional angepassten Quellen