Seniorenstudium der Universität Leipzig Eröffnungsveranstaltung am 30.03.2010

Prof. Dr. Dieter Freudewww.energie-grundlagen.de

Wissenschaftsjahr 2010: Wissenschaftsjahr 2010: Geschichte und Zukunft Geschichte und Zukunft

der Energieder Energie

Wissenschaftsjahr 2010: Wissenschaftsjahr 2010: Geschichte und Zukunft Geschichte und Zukunft

der Energieder Energie

Herzlichen Dank anDr. Christine Nieke und Yvonne Weigert

für die Einladung zu diesem Vortrag

Seniorenstudium der Universität Leipzig, Eröffnungsveranstaltung am 30. März 2010Prof. Dr. Dieter Freude, www.energie-grundlagen.de

Das Wissenschaftsjahr 2010: Das Wissenschaftsjahr 2010: Geschichte und Zukunft der EnergieGeschichte und Zukunft der Energie

Das Wissenschaftsjahr 2010: Das Wissenschaftsjahr 2010: Geschichte und Zukunft der EnergieGeschichte und Zukunft der Energie

Energie im AltertumEnergie im AltertumEnergie im AltertumEnergie im Altertum

Aristoteles lebte 384-322 v. Chr. Den Begriff "Enérgeia", zu deutsch "Wirksamkeit" verwendete er als

Wirkkraft, durch die Mögliches in Seiendes übergeht.

Noch in der Mitte des 19. Jahrhunderts ist "Energie" im Lexikon nicht zu finden, siehe Conversationslexikon Leipzig, 9. Auflage 1844.

Wissenschaftliche Fundierung in der NeuzeitWissenschaftliche Fundierung in der NeuzeitWissenschaftliche Fundierung in der NeuzeitWissenschaftliche Fundierung in der Neuzeit

Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646-1716), einer der berühmtesten Studenten der Universität Leipzig, hat bereits 1686 Vorstellungen entwickelt, die unseren heutigen Begriffen von kinetischer und potenzieller mechanischer Energie weitgehend entsprechen.

Das Wort "Energie" verwendete er aber nicht. 

Der EnergiesatzDer EnergiesatzDer EnergiesatzDer Energiesatz

Energie kann nicht erzeugt, sondern nur von der einen Form in die andere umgewandelt werden.

Das Wort "lebendige Kraft" anstelle von "Energie" gebrauchend, formulierten Julius Robert von Mayer, James Prescott Joule und Hermann Ludwig Ferdinand von

Helmholtz diese Erkenntnis in den Jahren 1842-1847.

Julius Robert von Mayer James Prescott Joule Hermann von Helmholtz (1814-1878) (1818-1889) (1821-1894)

Einführung des Begriffs "Energie"Einführung des Begriffs "Energie"Einführung des Begriffs "Energie"Einführung des Begriffs "Energie"

Thomas Young hat 1800 erstmals das Wort "Energie" in der Physik verwendet. Aber die Einführung des für alle Bereiche der Physik gültigen Begriffs "Energie" erfolgte

erst 1851-1852 durch William Thomson (Lord Kelvin) und William J. M. Rankine.

Thomas Young Lord Kelvin William J. M. Rankine (1773-1829) (1824-1907) (1820-1872)

Thomas Young wurde mehr dadurch bekannt, dass er durch Interferenzversuche mittels Beugung am Spalt die noch heute gültigen Auffassungen über die Wellennatur des Lichtes begründet hat.

Energie um 1900Energie um 1900Energie um 1900Energie um 1900Im Brockhaus-Konversations-Lexikon von 1898 gibt es schon eine halbe Seite über "Energie", die so beginnt:

Im 1893 gedruckten Lehrbuch "Chemische Energie" von Wilhelm Ostwald (siehe rechts) wird Energie in heute noch übliche Gruppen eingeteilt:

Mechanische Energie, Wärme, elektrische und magnetische Energie, chemische und innere Energie, strahlende Energie.

Einsteins Äquivalenz von Energie und MasseEinsteins Äquivalenz von Energie und Masse Einsteins Äquivalenz von Energie und MasseEinsteins Äquivalenz von Energie und Masse

Bewegt sich ein Körper mit der Ruhe-Masse m0 mit einer sehr hohen Geschwindigkeit v unterhalb der Lichtgeschwindigkeit c, dann wirkt anstelle der Ruhemasse m0 die relativistische Masse m (v) = m0 (1 – v2/c2)1/2. Ist v/c << 1, kann man die Wurzel im Nenner der Gleichung in einer Reihe entwickeln und nach dem zweiten Glied abbrechen. Man erhält

Der Quotient m0v2/2 im rechten Summanden entspricht der durch die hohe Geschwindigkeit gewonnenen kinetischen Energie E. Die zur Ruhemasse zusätzliche Masse m ist also gleich E/c2. Solche Überlegungen führten Einstein 1905 zu einem Postulat, das einen Grundpfeiler seiner speziellen Relativitätstheorie darstellt:

E = m c2

Albert Einstein (1879-1955)

Das Maß für die EnergieDas Maß für die EnergieDas Maß für die EnergieDas Maß für die Energie

Mit 1 J kann man auf der Erde einen 102 g schweren Apfel um 1 m anheben.

Zum Beispiel ist 1 kWh [Kilowattstunde] = 3,6 MJ. Mit 1 kWh kann man etwa 10 Liter Wasser von 20 °C auf den Siedepunkt erhitzen.

In der Energiewirtschaft verwendet man Steinkohleeinheiten (SKE) oder Öleinheiten (RÖL). 1 tSKE entspricht 29,3076 GJ und 1 tRÖL entspricht 41,868 GJ.

Verbrennung von 1 kg Steinkohle erzeugt die gleiche Wärme wie Heizung mit ca. 8 kWh. Ein Jahr lang mit 1 kW heizen (1 kWa) gleicht Verbrennung von ca. 0,75 Tonnen Rohöl.

Die Einheit der Energie wurde nach James Prescott Joule benannt:

1 Joule [J] = 1 Wattsekunde [Ws] = 1 VAs = 1 Nm = 1 kg m2/s2.

Die Energieeinheiten und die elektrische Leistung Watt haben als Faktoren Kilo (k = 103), Mega (M = 106), Giga (G = 109), Tera (T = 1012), Peta (P = 1015), Exa (E = 1018).

Leistung ist Energie geteilt durch die Zeit und hat die nach James Watt benannte Einheit Watt. Einige Energieeinheiten entstehen aus der Leistung durch Multiplikation mit Sekunde [s], Stunde [h] oder Jahr [a] .

Täglicher Energiebedarf des MenschenTäglicher Energiebedarf des MenschenTäglicher Energiebedarf des MenschenTäglicher Energiebedarf des Menschen

Im Jahr 2006 liegt der durchschnittliche tägliche Energieverbrauch (per capita) in Indien bei 12 und in den USA bei 268, der Weltdurchschnitt bei 58 kWh. Würden im Jahre 2050 zehn Milliarden Menschen den heutigen Energieverbrauch der USA erreichen, müsste sich die Bereitstellung von Primärenergie gegenüber 2006 fast verzehnfachen.

http://www.eia.doe.gov/pub/international/iealf/tablee1c.xls

Pro Tag braucht der Mensch seit jeher etwa 3 kWh für Nahrung und noch 3 kWh für Heizung. In Europa waren die Menschen des Mittelalters bereits gut gekleidet und bauten große Häuser. Dafür brauchten sie 24 kWh. Von den heutigen 150 kWh pro Tag entfallen nur 6 kWh auf reine Nahrung, aber mehr als 12 kWh auf deren Transport und Zubereitung.

Die mechanische EnergieDie mechanische EnergieDie mechanische EnergieDie mechanische Energie

Zur mechanischen Energie gehört die potenzielle oder Lageenergie, z. B die Energie Epot einer Masse m, die im Schwerefeld der Erde gegen die Fallbeschleunigung g um die Höhe h angehoben wurde,

Epot = m g h.

Kinetische Energie oder Bewegungsenergie entsteht durch Bewegung einer Masse m mit der Geschwindigkeit v :

Ekin = ½ m v2.

Auch ein rotierender Körper enthält kinetische Energie, und die elastische Verformung eines Körpers enthält potenzielle Energie.

Wenn keine mechanische Energie in eine andere Energieform umgewandelt wird, gilt der mechanische Energieerhaltungssatz

Epot + Ekin = Egesamt = konstant.

Demnach kann man kein Perpetuum Mobile erster Art bauen, das kontinuierlich Arbeit leistet und dauernd in Bewegung bleibt.

Perpetuum Mobile erster ArtPerpetuum Mobile erster ArtPerpetuum Mobile erster ArtPerpetuum Mobile erster ArtEin experimenteller Beweis des mechanischen Energieerhaltungssatzes ist die Unmöglichkeit, ein Perpetuum Mobile (lat. "dauernd beweglich") erster Art zu bauen, das heißt, eine Maschine, die ohne Energiezufuhr von außen dauernd Arbeit verrichtet.

Links ist das etwa tausend Jahre alte Prinzip zur Konstruktion eines sich ständig drehenden Rades durch einen Nachbau dargestellt, der sich in dem Museum des Instituts für Geschichte der Arabisch-Islamischen Wissenschaften an der Universität Frankfurt a. M. befindet. Die rechts abgebildete (nachgebaute) Uhr (Quelle unbekannt) ist 1815 von David Geiser in Neuchatel als Perpetuum Mobile vorgeführt worden.

WärmenergieWärmenergieWärmenergieWärmenergieIn der Wärmelehre entspricht die Wärmemenge Q einer Energieform, die als thermische oder Wärmeenergie der ungeordneten Bewegung mikroskopischer Teilchen zuzuordnen ist und mit zunehmender Temperatur T steigt. R. Mayer fand 1842 den 1. Hauptsatz der Thermodynamik, der heute so formuliert wird:

Führt man einem System die Wärmemenge dQ zu und verrichtet die äußere Arbeit dW, so nimmt die Zustandsgröße innere Energie U um dU zu, und es gilt

dU = dQ + dW.

Die Umsetzung thermischer Energie in Arbeit wird durch den 2. Hauptsatz der Thermodynamik eingeschränkt, den Sadi Carnot bereits im Jahre 1824 gefunden hatte. Die heutigen Formulierung ist:

Die Entropie S kann in einem abgeschlossenen thermodynamischen System nur zunehmen oder (bei reversiblen Prozessen) höchstens gleich bleiben:

dS dQ/T.

Demnach kann man keine Maschine bauen (Perpetuum Mobile zweiter Art), die kontinuierlich Arbeit leistet, indem sie einem System Wärme entzieht.

Sadi Carnot(1796-1832)

Elektrische EnergieElektrische EnergieElektrische EnergieElektrische Energie

Jährlich schicken die Kraftwerke in der Welt etwa 50 EJ bzw. etwa 14 Billiarden kWh an die Verbraucher. Etwa ein Achtel der eingesetzten Primärenergie (400 EJ) kommt also aus der Steckdose. Der größte Teil davon geht an die Industrie und an Dienstleister.

Zwischen Kraftwerk und Steckdose sind Übertragungsleitungen und Umspanner, z. B. von 10 kV beim Erzeuger hoch auf 400 kV für Übertragung und zuletzt runter auf 230 V für Verbraucher.

Die elektrische Leistung ist das Produkt aus Spannung U und Stromstärke I:

Pel = U I.

Für die ohmschen Verluste der Übertragungsleitungen mit dem Widerstand R gilt

PVerlust = R I2.

Vermeidbare elektrische Verluste in der Wohnung entstehen zum Beispiel durch

den stand-by-Betrieb elektronischer Geräte (3 Milliarden € in Deutschland)

und den Gebrauch von Glühlampen anstelle von Sparlampen.

Elektromagnetische EnergieElektromagnetische EnergieElektromagnetische EnergieElektromagnetische Energie

Die elektrische Feldenergie ist durch das Volumenintegral ihrer Energiedichte wel = ½ E · D gegeben. E bezeichnet hier

die elektrische Feldstärke und D die dielektrische Verschiebung. In einem mit der Spannung U aufgeladenen Kondensator der Kapazität C beträgt die gespeicherte Energie Eel = ½ C · U2.

Für die magnetische Feldenergie ist wmag = ½ H · B.

Hier ist H die magnetische Feldstärke und B die Induktion. Für eine vom Strom I durchflossene Spule gilt Emag = ½ L · I2

(L ist die Selbstinduktivität der Spule).

Eine elektromagnetische Feldenergie entsteht beibewegten elektrischen Ladungen, also auch bei allen Strahlungen. Es ist wel-mag =½ E·D + ½ H·B.

Chemische EnergieChemische EnergieChemische EnergieChemische Energie

Die in chemischen Verbindungen gespeicherte chemische Energie ist die bei einer Reaktion von Substanzen frei werdende Bindungsenergie. Vor allem kennen wir sie als Verbrennungsenergie bei Kraftmaschinen. Hingegen wird beim Akkumulator erst elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt, dann gespeichert und zuletzt wieder in elektrische Energie zurückverwandelt.

Bilder aus: Energiewelten

KernenergieKernenergieKernenergieKernenergie

Bilder aus: Brockhaus Multimedia

Bei Kernspaltung und Kernfusion ergibt sich ein Massendefekt m.

Der Energiegewinn ist E = m c2 mit c als Lichtgeschwindigkeit.

Kernspaltung Kernfusion

Energie aus KernspaltungEnergie aus KernspaltungEnergie aus KernspaltungEnergie aus KernspaltungEnde 2008 waren weltweit 438 Kernspaltungs-Kraftwerke in Betrieb, 42 im Bau, 80 in der Planung und weitere 130 im Gespräch. Deutschland erzeugt derzeit ein Viertel seiner Elektroenergie durch Kernspaltung. Andere Länder liegen zwischen 0 % wie Neuseeland und 76 % wie Frankreich.

Zwei Risiken haben die friedliche Nutzung der Kernspaltung unbeliebt gemacht:

Das Bild rechts zeigt das KKW Gundremmingen. Die zwei 1,3-MW-Blöcke des KKW decken etwa 30 % der Stromerzeugung in Bayern und ersparen der Umwelt in Deutschland 2,5 % der gesamten Kohlendioxid-Emissionen.

Erstens: Beim Betrieb eines 1-GW-KKW fallen pro Jahr einige radio-aktive Abfälle an, darunter 300 kg des -Strahlers Plutonium, das eine Halbwertszeit von ca. 24 000 Jahren hat.

Zweitens: Das kann schmelzen!

Probleme könnten jedoch beim Siedewasserreaktor auftreten, falls es bei einer Katastrophe auch zum Ausfall der Nachwärmeabfuhr kommt. Das kann ein Aufheizen des Brennstoffs verursachen und Kernstrukturen zum Schmelzen bringen. Im schlimmsten Fall kommt es zu einer Zündung von entstandenem Wasserstoff und einer Detonation, die das Fundament zerstört und eine Grundwasserverseuchung bewirkt. Ein solches früher fast für unmöglich gehaltenes Szenarium ist durch terroristische Bedrohungen stärker ins Blickfeld gerückt.

Zukünftige Kraftwerke für KernspaltungZukünftige Kraftwerke für KernspaltungZukünftige Kraftwerke für KernspaltungZukünftige Kraftwerke für Kernspaltung

Kernkraftwerke der nächsten Generation bringen zwar noch keinen Fortschritt bei der Entsorgung, erschweren aber eine Kernschmelze. Nach dem Jahr 2020 sollen Hochtemperaturreaktoren (engl. very high temperature reactor, VHTR) auch Kugelbettreaktor (engl. pebble bed reactor, PBR) genannt, zum Einsatz kommen. Die USA, Japan, und China entwickeln Reaktoren dieses Typs.

Der Kugelbettreaktor zeichnet sich durch einen geringen Uranverbrauch und Einsatz zur Fernwärmenutzung aus. Die Verwendung von Heliumgas als Kühlmittel und Graphit als Moderator erlaubt Temperaturen von 300 bis 950 °C. Die mit 8 % spaltbarem Material angereicherten Brennstoffkerne haben einen Durchmesser von nur 0,5 mm. Sie sind mit drei Schichten aus Siliziumcarbid und pyrolytischem Graphit ummantelt, die ein extrem großes Rückhaltevermögen für Spaltprodukte bis zu sehr hohen Temperaturen (1600 °C) haben. Die kleinen Kugeln sind in eine Brennelement-Graphitmatrix von 6 cm Durchmesser eingepresst, siehe obige Abbildung. Dieses Brennmaterial schmilzt auch nach Verlust der Kühlung kaum.

KernfusionKernfusionKernfusionKernfusion

Bei der Fusion eines Deuterium- und eines Tritium-kerns entstehen ein Alpha-Teilchen, ein Neutron und 17,6 MeV Energie. Die rechte Abbildung zeigt die Fusionsreaktion

2H + 3H →4He + n + 17,6 MeV.

Hauptproblem bei der Fusion auf der Erde ist die extreme Reaktionstemperatur. Bei mehr als hundert Millionen Grad muss das Reaktionsplasma auf einer stabilen Position fern von jeglichem Material bleiben.

Von zukünftigen Fusionskraftwerken erwartet man im Gegensatz zu Kernspaltungs-kraftwerken keine Probleme mit Beschaffung und Entsorgung von Brennstoffen. Abfälle, wie zum Beispiel der Reaktor selbst nach Ablauf der Nutzungsdauer, strahlen zwar auch, aber 99 % des strahlenden Materials hat eine Halbwertszeit von weniger als 10 Jahren. Das erste technische Fusionskraftwerk  wird aber kaum noch vor dem Jahre 2030 erwartet.

Qualität des FusionsprozessesQualität des FusionsprozessesQualität des FusionsprozessesQualität des FusionsprozessesDie Qualität eines Fusionsprozesses kann durch den Quotienten Q aus durch Fusion erzeugter Wärme durch die zur Aufrechterhaltung der hohen Temperatur zugeführte Wärme betrachtet werden. Bis Ende des vergangenen Jahrhunderts war mit JET (Joint European Torus) Q = 0,5 erreicht. Es wurde also doppelt soviel Energie verbraucht, als gewonnen werden konnte.

Seit 2005 wird in Cadarache im Rahmen eines von den USA, Russland, Japan, China, Südkorea und Euratom getragenen 10-Milliarden-Projekts ITER (International Thermo-nuclear Experimental Reactor) ein Fusions-Reaktor für 0,5 GW und 500 s Impulslänge aufgebaut. Das Ziel ist, einen Wert von Q = 10 zu erreichen. Die aktuelle Zielstellung (von Ende 2009) ist, dass der Betrieb 2018 mit Wasserstoff aufgenommen wird, und 2026 eine Deuterium-Tritium-Reaktion realisiert werden kann.

International Thermo-nuclear Experimental Reactor International Thermo-nuclear Experimental Reactor ITERITER

International Thermo-nuclear Experimental Reactor International Thermo-nuclear Experimental Reactor ITERITER

Die Abbildung aus www.iter.org zeigt einen Schnitt des Plasmarings. Die supraleitenden Spulen müssen auf die Temperatur von 4 K abgekühlt werden und befinden sich deshalb in einem mit flüssigem Helium gefüllten Kryostat.

50 Meter

Erhöhung des Wirkungsgrads Erhöhung des Wirkungsgrads von Dampfmaschinenvon Dampfmaschinen

Erhöhung des Wirkungsgrads Erhöhung des Wirkungsgrads von Dampfmaschinenvon Dampfmaschinen

Der Wirkungsgrad einer Dampfmaschine bezeichnet den Anteil an Wärmeenergie, der in mechanische Energie umgeformt werden kann. Den höchsten Wirkungsgrad hat der Carnot-Prozess mit

= (Th − Tc) / Th.

Es ist also eine möglichst hohe Temperatur Th des heißen Dampfes anzustreben.

Die Kühltemperatur Tc von etwa 300 K kann kaum verändert werden.

Die Watt'sche Niederdruckdampfmaschine arbeitete mit einer Dampftemperatur Th

unterhalb 400 K und einem nur geringen Überdruck von etwa 0,3 bar.

Der geringe Wirkungsgrad von 3 % war durch geringe Temperaturdifferenz, Abweichung vom Carnot-Prozess und hohe Reibungsverluste der Maschine verursacht.

James Watt(1736-1819)

James Watt baute 1782 die erste zweiseitig betriebene Niederdruckdampfmaschine mit Drehbewegung.

Dampfturbinen heuteDampfturbinen heuteDampfturbinen heuteDampfturbinen heuteIn Kraftwerken, betrieben mit fossilen und nachwachsenden Brennstoffen, Kernreaktionen oder Solarthermie, werden Gas- und Dampfturbinen eingesetzt. Bessere Materialeigen-schaften lassen 800 °C als obere Temperaturgrenze erwarten. Damit wird in der  Zukunft ein Anstieg des Wirkungsgrads der Turbinen im Einzelbetrieb von 40 auf 50 % möglich.

Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke dienen überwiegend der Stromerzeugung, wobei Gasturbinen- und Dampfturbinenprozess miteinander kombiniert werden. Links ist ein Schnitt durch eine SIEMENS-150-MW-Dampfturbine dargestellt. Rechts wird die Montage einer 340-MW-Gasturbine gezeigt. Im GuD-Kraftwerk wird mit ein bis drei Gasturbinen und einer Dampfturbine Elektrizität erzeugt. Die heißen Abgase der Gasturbinen werden in einem Abhitze-Dampfkessel zur Erzeugung von Wasserdampf verwendet. Aus der Kombination beider Turbinenarten ergeben sich sehr hohe Kraftwerks-Wirkungsgrade, derzeitig bis 60 %.

WärmepumpenWärmepumpenWärmepumpenWärmepumpenLinks unten wird gezeigt, wie innerhalb eines Kühlschranks dem Inneren Wärme

entzogen und nach außen abgegeben wird. Bei der Heizungs-Wärmepumpe rechts

wird die Wärme von einem äußeren Medium ins Innere des Gebäudes gepumpt.

Die Energieeinsparung bei Heizung mit Wärmepumpen lässt sich mit dem Carnot-Prozess

erklären. Th − Tc ist wiederum proportional zur mechanischen Energie, die nun allerdings

die durch die Pumpe aufgewendete Energie darstellt. Tc bezeichnet die Kühltemperatur,

während Th die Heiztemperatur ist. Der Wirkungsgrad ist mit

η = Th / (Th − Tc)

wesentlich größer als eins .

BrennstoffzellenBrennstoffzellenBrennstoffzellenBrennstoffzellen

Schematischer Aufbau einer Brennstoffzelle, wobei Wasserstoff durch Methan oder

Methanol und der reine Sauerstoff durch Luft (20 % O2) ersetzt werden können.

An der Anode läuft die Oxidationsreaktion (Elektronenabgabe) 2 H2  →  4 H+ + 4 e− ,

an Kathode die Reduktionsreaktion (Elektronenaufnahme) O2 + 4 H+ + 4 e−  →  2 H2O.

Insgesamt entsteht als Abgasprodukt Wasser durch 2 H2 + O2 →  2 H2O.

Bild von Adam Opel AG / GM

Die Brennstoffzelle auf der AutobahnDie Brennstoffzelle auf der AutobahnDie Brennstoffzelle auf der AutobahnDie Brennstoffzelle auf der Autobahn

Opel / GM erzielten mit Hydrogen (auf Zafira-Basis) 15 Geschwindigkeits- und Distanz-Weltrekorde für Brennstoffzellen-PKW.

Deutschland als Windkraft-WeltmeisterDeutschland als Windkraft-WeltmeisterDeutschland als Windkraft-WeltmeisterDeutschland als Windkraft-WeltmeisterEnde 2008 waren in Deutschland etwa 20 000 Windkraftanlagen mit einer Gesamt-Leistung von etwa 24 GW in Betrieb. Nur 2 GW mit einer durchschnittlichen Nennleistung von reichlich 2 MW pro Anlage waren  2008 dazugekommen, während der Zuwachs in den USA über 8 GW betrug. Seitdem liegen die USA (25 GW) an erster und Deutschland an zweiter Stelle bei der Elektroenergieerzeugung durch Wind, die in Deutschland etwa 8 % des Gesamtstrombedarfs deckt.

80 % der in Deutschland 2008 hergestellten Anlagen wurden exportiert.

Übliche Durchmesser von Windrädern sind 50 m bei einer installierten Leistung von 1 MW und 126 m bei einer 5-MW-WKA. Letztere wird vor allem auf dem offenen Meer (off shore) eingesetzt.

Die installierte Leistung oder auch Nennleistung einer Windkraftanlage entspricht der abgegebenen elektrischen Leistung bei der Nenngeschwindigkeit zwischen 12 und 16 m/s, also bei optimalen Windbedingungen.

Im Binnenland kann im Jahresmittel eine Auslastung von 23 % erreicht werden. Dieser Wert erhöht sich auf 28 % an der Küste und auf 43 % für Off-Shore-Anlagen.

Die dritte Potenz der WindgeschwindigkeitDie dritte Potenz der WindgeschwindigkeitDie dritte Potenz der WindgeschwindigkeitDie dritte Potenz der Windgeschwindigkeit

Windenergie ist die kinetische Energie der bewegten Luft. Die kinetische Energie einer Masse m mit der Geschwindigkeit v ist

Die Luftmasse m kann man aus der Luftdichte ρ und dem Luftvolumen V gemäß m = ρ V bestimmen. Damit erhalten wir

Die Leistung ist Energie geteilt durch Zeit. Wir betrachten einen kleinen Zeitabschnitt t, in dem die Luftteilchen die Wegstecke s = t v durchströmen . Multipliziert man s mit der Rotorfläche A des Windrads, ergibt sich ein Volumen von V = A v t, das während dieses kleinen Zeitabschnitts das Windrad antreibt. Als Windleistung haben wir

Damit steigt die Leistung einer WKA zwischen 3 m/s und 15 m/s um den Faktor 125.

Das Windproblem im EnergienetzDas Windproblem im EnergienetzDas Windproblem im EnergienetzDas Windproblem im Energienetz

Wind weht unterschiedlich. Im Binnenland werden maximal 23 % der installierten Leistung erreicht. Überlandleitungen und Kompensations-Elektrizitäts-Kraftwerke müssen jedoch

für 100 % der installierten Leistung bereit gestellt werden.

Abbildung aus K. Heinloth: Die Energiefrage, Vieweg 2003

Aus der Mühle schaut der Müller, der so gerne mahlen will, stiller wird der Wind und stiller, und die Mühle stehet still. So geht’s immer wie ich finde, ruft der Müller voller Zorn,hat man Korn so fehlt's am Winde, hat man Wind so fehlt's am Korn. (Wilhelm Busch)

SolarzellenSolarzellenSolarzellenSolarzellenSolarzellen sind elektrische Bauelemente, die Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandeln. Grundlage ist der photovoltaische Effekt an einem Übergang vom  positiv zum negativ dotierten Bereich eines halbleitenden Materials. Das Wort Photovoltaik (PV) steht für den Einsatz von Solarzellen zur Elektroenergiegewinnung.

Das Bild zeigt einen polykrystallinen Waver mit 10 cm Kantenlänge. Der als "Dickschicht" bezeichnete Si-Waver ist 250 µm dick und erreicht Wirkungsgrade um 20 %. Dünnschicht-Zellen haben eine Dicke von etwa 10 µm und werden aus kristallinem oder aus amorphen billigerem Material (Wirkungsgrad etwa 10 %) hergestellt.

Die wirtschaftliche Amortisierung von PV-Anlagen ist schwer zu beurteilen. Die energetische Amortisationszeit in Jahren, in der die PV-Anlage soviel Energie erzeugt, wie für die Herstellung der Anlage aufgewandt wurde, ist für Dünnschichtmodul-Anlagen 2–3 Jahre, für polykristalline Zellen 3–5 Jahre, für monokristalline Zellen 4–6 Jahre. Dazu muss die Sonne wie in Afrika kräftig scheinen. In Leipzig ist mit den doppelten Zeiten zu rechnen.

40-Megawatt-PV-Anlage Waldpolenz40-Megawatt-PV-Anlage Waldpolenz40-Megawatt-PV-Anlage Waldpolenz40-Megawatt-PV-Anlage Waldpolenz

Derzeit weltgrößte Anlage, Kosten ca. 130 Mio Euro, Modulfläche ist 400.000 m², 550.000 Module des Typs CdTe-Dünnschicht, ca. 40 Millionen kWh pro Jahr, was 4,6 MW Durchschnittsleistung (24 h an 365 Tagen) entspricht.

SolarthermikSolarthermikSolarthermikSolarthermik

Solarthermik, auch Solarthermie genannt, bezeichnet die Umwandlung von Sonnenenergie in technisch nutzbare Wärme. Die über ein Jahr gemittelte Leistung der Sonnenstrahlung variiert auf der Erde zwischen 50 und 250 Watt pro m².

SonnenwärmekraftwerkSonnenwärmekraftwerkSonnenwärmekraftwerkSonnenwärmekraftwerkDie Sahara-Wüste bietet sich für ein Sonnenwärmekraftwerk an (Solarwärmekraftwerk, solarthermisches Kraftwerk oder thermisches Solarkraftwerk sind Synonyme). Dabei wird die Sonnenenergie in thermische Energie umgeformt und diese mit anderweitig erprobten Techniken mittels Generatoren in elektrische Energie umgewandelt. Die am häufigsten angewendeten Verfahren bündeln die Sonnenstrahlung mit Reflektoren.

Parabolrinnenkollektoren, siehe rechts, übertragen die die Wärme auf ein Rohr mit überhitztem Wasserdampf oder Thermoöl. Im ersteren Fall kann der Wasserdampf die Turbine direkt antreiben, im letzteren Fall braucht man einen Wärmeübertrager. Im Jahre 2007 ist (als modernstes Kraftwerk dieser Art) Nevada Solar One in der Nähe von Las Vegas im amerikanischen Bundesstaat Nevada ans Netz gegangen. Es hat eine Leistung von 64 MW und verwendet auf einer Fläche von 1,4 km² fast zwanzigtausend Parabolspiegel von je 4 m Länge, die dem Stand der Sonne nachgeführt werden.

NachhaltigkeitNachhaltigkeitNachhaltigkeitNachhaltigkeitDurch Gewinnung von Brennstoffen und Rohstoffen schädigen die Menschen seit jeher ihre Umwelt. Der Schaden kann gering gehalten werden, wenn die Gewinnung nachhaltig erfolgt. Der Begriff Nachhaltigkeit (engl. sustainability) wurde erstmals 1713 vom kursächsischen Oberberghauptmann Hans Carl von Carlowitz eingeführt. In seiner Abhandlung über die Baumzucht, siehe links, fordert er, "eine sothane (hochdeutsch: dergestalte) Conservation und Anbau des Holtzes anzustellen, daß es eine continuierliche beständige und nachhaltende Nutzung gebe", um die Holznot im Bergbau zu überwinden.

Nachhaltiges Wirtschaften in Land- und Forst-wirtschaft ist dadurch zu erreichen, dass die lebenden Ressourcen nur in dem Maße genutzt werden wie sie nachwachsen.

Inzwischen sind Begriffe ökologische Nachhaltigkeit,ökonomische Nachhaltigkeit, soziale Nachhaltigkeit und sogar digitale Nachhaltigkeit im ähnlichen Sinne definiert worden.

Nicht-Nachhaltigkeit und UmweltrisikenNicht-Nachhaltigkeit und UmweltrisikenNicht-Nachhaltigkeit und UmweltrisikenNicht-Nachhaltigkeit und Umweltrisiken

Bodenschätze sind alle mineralischen Rohstoffe im festen oder flüssigen Zustand (außer Wasser) und die Erdgase auf unserem Planeten. Sie können nie oder zumindest nicht in historischen Zeiträumen nachwachsen. In den nächsten Jahrhunderten werden die meisten Ressourcen verbraucht sein. Aber die gegenwärtige Gewinnung und die Nutzung der Bodenschätze birgt viele Umweltrisiken.

Umweltrisiken werden unterschiedlich beurteilt, und eine genaue Voraussage der erwarteten Umweltschäden ist nicht möglich. Über die Risiken, wie den Treibhauseffekt, besteht aber kein Zweifel. Die wichtigsten Treibhausgase sind Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Stickoxide, Ozon und Fluorkohlenwasserstoffe. Die Moleküle wirken unterschiedlich stark und treten in unterschiedlichen Konzentrationen auf. Zum Beispiel verursacht ein Methanmolekühl den 25-fachen Effekt des Kohlendioxidmoleküls, aber Methan tritt in relativ geringen Konzentrationen auf. Eine Abschätzung des Beitrags einzelner Gase ergibt die Reihenfolge Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Ozon, wobei die Nachfolgenden in dieser Reihe etwa den halben Beitrag wie die Vorhergehenden liefern.

Temperaturerhöhung durch Treibhauseffekt

WeltenergievorräteWeltenergievorräteWeltenergievorräteWeltenergievorrätePhysikalisch betrachtet beruhen die Weltenergievorräte fast ausschließlich auf Kernenergie und zu einem sehr kleinen Teil aus Gravitationsenergie.

Die Gravitation bestimmt auch die Drehung des Mondes um die Erde und damit die Gezeiten der Weltmeere. Einige Gezeitenkraftwerke leisten einen sehr kleinen Beitrag zur Energieerzeugung.

Die Kernenergie hält die Erde warm. Von außen strahlt die Sonne mit Hilfe der Kernfusion und im Inneren der Erde wird eine Temperatur von etwa 7000 K durch Kernspaltung aufrecht erhalten. Man kann sich die Sonne als Fusionsreaktor und das Erdinnere als Kernspaltungsreaktor vorstellen.

Das Potenzial dieser von den Menschen unabhängigen Energievorräte wird noch Milliarden von Jahren reichen. Aber die im 21. Jahrhundert geborenen Menschen werden selbst erleben wie sich wichtigeEnergiequellen erschöpfen, die die Menschheit zweihundert Jahre lang extensiv ausgebeutet hat.

Fossile BrennstoffeFossile BrennstoffeFossile BrennstoffeFossile Brennstoffe

Das Wort fossil (von lat. fossilis "[aus]gegraben“) wurde von Agricola eingeführt. Der als Vater der Mineralogie bekannte Georgius Agricola (1494-1555), siehe Bild links, war 1514-1518 Student in Leipzig und veröffentlichte 1546 sein berühmtes Werk "De natura fossilium".

Fossilien werden Stoffe genannt, die in geologischer Vorzeit (zehntausend bis eine Milliarde Jahre) aus Abbauprodukten von toten Pflanzen und Tieren entstanden sind. Die Erdgas- und Erdöllagerstätten sind eine Milliarde bis 100 Millionen Jahre alt. Die Entstehung der Steinkohle liegt 500 bis 100 Millionen Jahre zurück. Im Zeitraum von vor 100 bis 10 Millionen Jahren ist die Braunkohle entstanden.

Reserven und Ressourcen von BrennstoffenReserven und Ressourcen von BrennstoffenReserven und Ressourcen von BrennstoffenReserven und Ressourcen von Brennstoffen

Bei den Bodenschätzen Erdöl, Erdgas, Kohle und Uran unterscheidet man zwischen Reserven und Ressourcen. Reserven sind einheitlich definiert als derzeit technisch und wirtschaftlich gewinnbare Bodenschätze. Ressourcen sind die Mengen eines Energierohstoffs, die geologisch erwartet oder nachgewiesen sind, aber derzeit nicht wirtschaftlich gewonnen werden können.

http://www.bgr.bund.de/nn_330718/DE/Themen/Energie/Bilder/Kurzstudie2009/Ene__Kurz2009__Energie__Vergleich__g.html

Reserven und Ressourcen von ErdölReserven und Ressourcen von ErdölReserven und Ressourcen von ErdölReserven und Ressourcen von Erdöl

Die Erdölreserven wachsen zwar ständig durch die Erkundung neuer Quellen. Es besteht aber kein Zweifel darüber, dass jetzt (Jahr 2010) die fossilen Lager etwa zur Hälfte geleert sind, und die Reserven insgesamt in der Mitte des laufenden Jahrhunderts erschöpft sein werden.

Die Menge des Erdöls wird in der Volumeneinheit Barrel gemessen. Barrel kommt vom englischen Wort für Fass, und international wird bei  Erdöl das US-amerikanische Barrel verwendet, das genau 158,987 Litern entspricht.

Die Ende der Jahre 1988 bzw. 2008 bekannten Reserven (Studie von BP, British Petrol) waren 998 bzw. 1258 × 109 Barrel. Nach einer Studie des BGR (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe ) waren Ende 2008 Reserven von 1175 × 109 Barrel und zusätzlich  Ressourcen von 666  × 109 Barrel vorhanden.  Im Jahre 2008 wurden weltweit nach BP 31 × 109 und nach  BGR 29 × 109 Barrel Erdöl verbraucht.

Eine Erschöpfung der Erdölvorräte in diesem Jahrhundert gilt also als sicher.

Reserven und Ressourcen von ErdgasReserven und Ressourcen von ErdgasReserven und Ressourcen von ErdgasReserven und Ressourcen von Erdgas

Für Erdgas wird eine Erschöpfung des fossilen Vorrats gegen Ende des

jetzigen Jahrhunderts erwartet, wobei etwa 2020 die fossilen Lagerstätten

zur Hälfte geleert sein werden.

Die erkundeten Vorräte sind von 110 × 1012 m3 im Jahre 1988

auf 185 × 1012 m3 im Jahre 2008 gestiegen.

Der Verbrauch hat sich aber weltweit in diesem Zeitraum etwa verdoppelt

und lag laut BP im Jahre 2008 bei 3 × 1012 m3.

Bemerkenswert ist, dass fast ein Drittel der erkundeten Reserven (48 von

188 × 1012 m3) und fast die Hälfte der Ressourcen (106 von 239 × 1012 m3)

in Russland liegen.

Reserven und Ressourcen von KohleReserven und Ressourcen von KohleReserven und Ressourcen von KohleReserven und Ressourcen von Kohle

Der Kohleverbrauch (harte und weiche Sorten zusammengefasst) von 2008

betrug weltweit knapp 7 Milliarden Tonnen (6,767 × 109 t).

Als Reserve werden 999 × 109 t und als Ressource 19770 × 109 t genannt.

Der jährliche Verbrauch wird sicher nach Erschöpfung von Erdöl und Erdgas

beträchtlich steigen.

Die Vorräte reichen aber noch weit bis ins nächste Jahrhundert.

Reserven und Ressourcen von UranReserven und Ressourcen von UranReserven und Ressourcen von UranReserven und Ressourcen von UranBei den natürlichen Uranvorräten werden Reserven mit weniger als 40 USD pro kg Uran gewonnen, während Ressourcen nur mir größeren Kosten abgebaut werden können. Verwendet man den weltweiten Uranverbrauch von 2008 mit 64615 Tonnen und die derzeit bekannten Reserven von 1,7664 × 106 t, reichen die Reserven nur noch bis zum Jahr 2032.

Entdeckt sind noch Ressourcen mit einem Preis von weniger als 130 USD pro kg Natururan und einer Masse von 3,8 × 106 t, weitere 2,8 × 106 t werden prognostiziert und weitere 7,8 × 106 t Vorräte gelten als spekulativ.

Mit dem Preis von 130 USD pro kg Natururan wird man wahrscheinlich weiter thermische Kernkraftwerke betreiben.

Man kann auch noch das Meerwasser als Uranquelle betrachten, da es zu einem Gewichtsanteil von 3 × 10−9 Natururan enthält. Das ist aber wirtschaftlich unsinnig.

Wahrscheinlicher ist die Verwendung schneller Brüter (Brutreaktor) zur wesentlich effektiveren Ausnutzung des Natururans. Damit sind zusätzliche erhebliche Umweltrisiken verbunden. Die Erschöpfung der Uranvorräte könnte jedoch weit in das nächste Jahrhundert verlegt werden.

Metanhydrat als fossiler Rohstoff?Metanhydrat als fossiler Rohstoff?Metanhydrat als fossiler Rohstoff?Metanhydrat als fossiler Rohstoff?Unkonventionelle Energiequellen, deren Abbau mit hohen Umweltrisiken verbunden und relativ teuer ist, sind Ölsand und Ölschiefer und vor allem Methanhydrat. Letzteres hat weder in die Reserven noch in die Ressourcen Eingang gefunden, obwohl es wahrscheinlich die größte fossile Energiequelle ist. Das Bild links zeigt eine Schätzung des Anteils verschiedener fossiler Energiequellen.

in 109 t Kohlenstoff,

IFM GEOMAR

Forschungen werden derzeit auch mit dem Ziel durchgeführt, Gashydrate als Kohlenstoffdioxidspeicher zu nutzen. Dabei soll CO2 als Hydrat am Meeresboden gelagert werden, während durch seine Einleitung gleichzeitig Methan freigesetzt wird.

Japan hat ein Forschungsprogramm zur Energiegewinnung aus Methanhydratvorkommen und stellt den Beginn der kommerziellen Förderung nach 2018 in Aussicht.

Methan ist in den Ozeanen von Bakterien gebildet worden. Sie haben das gelöste Kohlenstoffdioxid zu Methan umgewandelt oder Biomaterial des Meeres abgebaut.

Erneuerbare EnergienErneuerbare EnergienErneuerbare EnergienErneuerbare Energien

Die wesentlichsten als erneuerbar bezeichneten Energiequellen sind Bioenergie (Holz, Biomasse, Energiepflanzen), Geothermie (tief oder oberflächennah), Solarenergie (Photovoltaik, Solarthermie), Wasserkraft und Windenergie. Da die täglich auf die Erde eingestrahlte Sonnenenergie um einige Größenordnungen über dem menschlichen Bedarf an Energie liegt, braucht man sich um das Gesamtpotenzial der erneuerbaren Energie keine Sorgen zu machen. Bei der Bioenergie muss jedoch die nachhaltige Nutzung garantiert werden.

Die Bezeichnung "erneuerbare Energien" hat den selben physikalischen Makel wie das Wort Energiequellen, weil in der Physik der Energieerhaltungssatz gilt.

Besser wäre die die Formulierung "Verfügbarkeit nachhaltiger Energie".

Aus: Energiewelten

Erneuerbare Energien für StromerzeugungErneuerbare Energien für StromerzeugungErneuerbare Energien für StromerzeugungErneuerbare Energien für Stromerzeugung

Die Grafik des BMU zeigt die Entwicklung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland von 1990 bis Ende 2009. Ziel der Bundesregierung (EEG 2009 vom 25.10.2008) ist, dass der Anteil erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch von 15,1 % im Jahre 2008 auf mindestens 30 % im Jahre 2020 steigt.

EE im Gesamtenergieverbrauch 2009EE im Gesamtenergieverbrauch 2009EE im Gesamtenergieverbrauch 2009EE im Gesamtenergieverbrauch 2009

Die Grafik des BMU zeigt den Anteil erneuerbarer Energien am Energieverbrauch in Deutschland im Jahre 2009.

Energiemix der ZukunftEnergiemix der ZukunftEnergiemix der ZukunftEnergiemix der Zukunft

Der Wissenschaftliche Beirat der Bundesregierung "Globale Umweltveränderungen" hat im Jahre 2003 die aus seiner Sicht erwarteten Veränderungen im globalen Energiemix in obiger Grafik dargestellt.