Elektrische Energie

1. Elektrische Energie Wo kommt der Strom her?

2. 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

3. Earthlights

4. „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

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

6. 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.

7. 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 halfat night during this period and at all times the rest of the year. • Quelle: http://www.nypa.gov/facilities/niagara.htm

8. This flow was once cut completely

9. Energieflussbild 2004 für Deutschland, in Mio. t SKE (Quelle: AG-Energiebilanzen) (1 SKE=29,31 MJ) Angaben in GW oder „Niagara Einheiten“ sinnvoll! Quelle: http://www.umweltbundesamt.de/dux/en-inf.htm#_ftnref1

10. Quellen elektrischer Energie in Deutschland Mittlere Leistung: 63 GW Quelle: http://huegelland.tripod.com/strom.htm

11. 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

12. 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%?

13. 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.

14. 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

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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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.phtml?unten=/klima/energie

20. 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 derAnlagenauf die Lebensqualität sind bei keiner Art des Energieträgers vernachlässigbar • Sinnvoll ist Energieerzeugung aus unterschiedlichen, der Region angepassten Quellen