Johannes Gutenberg-UniversitätInstitut für Physik, Institut für KernphysikWS 2007/2008Seminar zum Praktikum für FortgeschritteneLeitung: Prof. Dr. S. Tapprogge, Dr. M. DistlerReferent: Christian KriegerBetreuer: Prof. Dr. K. Kleinknecht

Klimawandel und Energiefrage

Die Energiefrage

1 Energiebedarf

1.1 Verwendung der Energie

Energie benötigen wir für alles.

• Leben

• Heizung

• Wirtschaft

• Bewegung/Transport

1.2 Energieträger

• Nahrung

• Elektrizität

• Fossile Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas)

• Erdwärme

1.3 Abhängigkeiten des Bedarfs

• Bevölkerungsentwicklung

• Wirtschaft

• Energiee�zienz

2 Energieerzeugung

2.1 Physikalische Grundlage

2.1.1 Der Carnotprozeÿ

Nicolas Léonard Sadi Carnotgeboren: 01.06.1796 in Parisgestorben: 24.08.1832 in Paris

2.1.1.1 Prozeÿablauf

1. Isotherme Entspannung

W1 = −Q1 = R T1 ln(V1

V2) < 0 da V1 < V2

2. Adiabatische Entspannung

W2 = CV (T2 − T1) < 0 da T2 < T1

3. Isotherme Kompression

W3 = −Q2 = R T2 ln(V3

V4) > 0 da V3 > V4

4. Adiabatische Kompression

W4 = −W2 = CV (T1 − T2) > 0 da T1 > T2

2.1.1.2 Energiebilanz und Wirkungsgrad

W =4∑

i=1

Wi = W1 + W3

= R T1 ln(V1

V2) + R T2 ln(

V3

V4) ;

V2

V1=

V3

V4

= −R (T1 − T2) ln(V2

V1)

< 0

⇒ Maschine gibt mechanische Arbeit ab

1

Wirkungsgrad η einer Maschine:

Verhältnis der von der Maschine geleisteten Arbeit zu pri-mär hineingesteckten WärmeWirkungsgrad η der Carnot-Maschine:

ηCarnot =|W ||Q1|

=T1 − T2

T1= 1− T2

T1

2. Hauptsatz der Wärmelehre: Der Wirkungsgrad derCarnot-Maschine stellt eine Obergrenze für den Wir-kungsgrad einer jeden Wärmekraftmaschine dar.

2.2 Fossile Energien - Kohle, Erdgas,Erdöl

2.2.1 Aufbau eines Verbrennungskraftwerk

Probleme der fossilen Energieträger

• Endliche Ressourcen

• CO2-Ausstoss

2.3 Kernenergie - Kern�sion

2.3.1 Reaktortypen

• Siedewasserreaktor (SWR)

• Druckwasserreaktor (DWR)

• Hochtemperaturreaktor (HTR)

• Brutreaktor (Schneller Brüter) (BR)

• Gas-Graphit-Reaktor (GGR)

• Wasser-Graphit-Reaktor (RBMK)

2.3.2 Prinzip von Kernreaktoren am Beispiel des

DWR

• Spaltung des Urans mittels thermischer Neutronen(E<10 eV)

• Energie wird über Wasser im Primärkreislauf (bei150 bar) über Wärmetauscher an Sekundärkreislaufabgegeben

• Wasserdampf im Sekundärkreislauf treibt Turbinean, diese einen Generator

2.3.3 Moderator

Bei der Kernspaltung werden Neutronen mit Energien imMeV-Bereich frei. Moderator bremst diese schnellen Neu-tronen durch Stöÿe ab⇒ Ergebnis thermische Neutronen

Energieübertrag beim elastischen Stoÿ

T ′Mod

TN= 4 cos2(θ)

mN ·mMod

(mN + mMod)2

2

∆EmaxN→Mod Stoÿanzahl*

mN = mMod 100% 18mN = 2mMod 88% 25mN = 12mMod 28.4% 114

) zur Abbremsung von 2 MeV auf 0.025 eV

2.3.4 Tschernobyl. . . nicht bei uns

westliche Reaktoren wassermoderiert, d.h. bei Leistungs-anstieg

⇒ höhere Temperatur des Wassers⇒ Dampfblasenbildung⇒ gröÿere mittlere, freie Weglänge⇒ weniger Moderation⇒ Leistungssenkung durch verringerte Kernspaltung

Probleme der Kernenergie

• �Imageprobleme� in der Bevölkerung

• Entsorgung der Abfälle

⇒ Notwendigkeit der Endlagerung

abgebrannte Brennelemente enthalten verschiedene radio-aktive ResteProbleme:

1. Halbwertszeiten bis zu 24000 Jahren (Plutonium)

2. weiterhin Wärmeabgabe

Einlagerung in die Erde, wobei

1. Wirtsgestein tektonisch langzeitstabil

2. kein nennenswerter Kontakt mit Wasser

• durch frühe Forschung hat Deutschland hohesKnow-how in der Endlagerforschung (geologischeParameter, Einlagerungstechnik)

• Steinsalzstöcke sind sehr gut geeignet

� wärmeleitfähig

� undurchlässig

� stabil

� Einlagerungstiefe (900m)

� Bergbauerfahrung

• vorgesehener Standort: Gorleben

2.4 Regenerative Energien

2.4.1 Windenergie

einfaches Prinzip: Wind dreht Flügel, Generator erzeugtEnergie

P =12

π r2 ρ v3

Auf See (O�shore) gibt es noch erhebliche Potentiale.Diese Technik ist allerdings mit erhöhten Kosten verbun-den und be�ndet sich noch in der Entwicklung.

Probleme der Windenergie

• Lärm

• Verfügbarkeit (nicht jederzeit nutzbar)

• Schi�fahrtsgefährdung (O�shore)

• Naturschutz (O�shore)

2.4.2 Sonnenenergie - Photovoltaik, Solarthermie

2.4.2.1 Photovoltaik

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Probleme der Photovoltaik

• hohe HerstellungskostenErschmelzung von Silizium notwendig (energieauf-wendig)Rückgewinnungszeit: ≈ 5 a, Laufzeit: ≈ 20 aEnergie für Herstellung aus Kohle ⇒ 200 g

kWhCO2

• E�zienzin unseren Breiten geringe Sonnenscheindauern, nurim Sommer e�ektivin südlicheren Ländern könnte eine bessere Bilanzerzielt werden

• geringer Wirkungsgrad (10 %)

• Verfügbarkeit (nicht jederzeit nutzbar)

2.4.2.2 Solarthermie

Probleme der Solarthermie

• E�zienz: nur in Äquatorialnähe sinnvoll

• Verfügbarkeit (nicht jederzeit nutzbar)

• Energie-Speicherproblem

3 Perspektiven

3.1 Gegenwart

3.2 Zukunft

1. ohne Ausstieg aus der Kernenergie

• Windkraft wird ausgebaut

• Kohlekraftwerke reduziert, Gaskraftwerke aus-gebaut (E�zienzsteigerung)

• Kernkraftwerke laufen weiter, Gebühr fürLaufzeitverlängerung

• subventionierte Sanierung der Wohngebäude

• Biodiesel, Methanol für Kraftfahrzeuge

⇒ Reduktion des CO2 um 50 − 60 Mio t15a

zzgl. 70 Mio t20a aus Gebäudesanierung

⇒ Kyoto-Protokoll sowie nationale Vorgaben er-füllt

2. mit Ausstieg aus der Kernenergie

• Ausbau der regenerativen Energien

• Kohle- und Gaskraftwerke zur Kompensation

oder Stromimporte

• Gebäudesanierung entfällt (fehlende Mittel)

• Biodiesel, Methanol für Kraftfahrzeuge

⇒ keine Möglichkeit Kyoto-Protokoll zu erfüllen

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Literatur

[1] K. Kleinknecht:Wer im Treibhaus sitzt. Wie wir der Klima- und Energiefalle entkommen. Piper Verlag München,2007

[2] K. Heinloth: Die Energiefrage: Bedarf und Potentiale, Nutzung, Risiken und Kosten. Vieweg Verlag Braun-schweig, 1997

[3] J. Petermann (Hrsg.): Sichere Energie im 21. Jahrhundert. Ho�mann und Campe Verlag Hamburg, 2006

[4] Informationskreis Kernenergie (Hrsg.): Kernenergie Basiswissen. Berlin, 2006

[5] E. W. Otten: Repetitorium Experimentalphysik. Springer Verlag Berlin, 2003

[6] J. Grehn, J. Krause (Hrsg.): Metzler Physik. Metzler Verlag Hannover, 1998

[7] Informationskreis Kernenergie (Hrsg.): KDie Endlagerung radioaktiver Abfälle in Deutschland. Berlin, 2006

[8] Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohsto�e (Hrsg.): Endlagerung radioaktiver Abfälle in Deutsch-

land. Stand: 01.10.2007. http://www.bmwi.de/BMWi/Redaktion/PDF/B/bgr-studie-kurzfassung,

property=pdf,bereich=bmwi,sprache=de,rwb=true.pdf

[9] Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (Hrsg.): Gesamtausgabe der Energiedaten - Datensammlung

des BMWi. Stand: 25.09.2007. http://www.bmwi.de/BMWi/Redaktion/Binaer/energie-daten-gesamt,property=blob,bereich=bmwi,sprache=de,rwb=true.xls

[10] H.-D. Schilling: Wie haben sich die Wirkungsgrade der Kohlekraftwerke entwickelt und was ist künftig zu

erwarten?. Stand: 01.10.2007. http://www.energie-fakten.de/pdf/wirkungsgrade.pdf

[11] E. Wagner: Warum ist der elektrische Wirkungsgrad von Kernkraftwerken in der Regel niedriger als der von

Kohlekraftwerken?. Stand: 01.10.2007. http://www.energie-fakten.de/pdf/wirkungsgrad-kohle-kkw.pdf

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