Klimawandel und Energiefrage Die Energiefrage · Johannes Gutenberg-Universität Institut für...
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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
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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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