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Klimaschutz - kann Kernenergie einen Beitrag leisten

V_Rotary_AKW-Vk2009.0909.ppt. Klimaschutz - kann Kernenergie einen Beitrag leisten . Tel.: (49)  0681/ 302-2737; Fax /302-4676 e-mail: Luther.Gerhard@vdi.de luther.gerhard@mx.uni-saarland.de (für größere Dateien) Homepage : http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/.

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Klimaschutz - kann Kernenergie einen Beitrag leisten

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  1. V_Rotary_AKW-Vk2009.0909.ppt Klimaschutz - kannKernenergieeinen Beitrag leisten Tel.: (49)  0681/ 302-2737; Fax /302-4676 e-mail: Luther.Gerhard@vdi.deluther.gerhard@mx.uni-saarland.de(für größere Dateien) Homepage: http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/ Dr. Gerhard LutherUniversität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie c/o Technische Physik – Bau E26 D-66041 SaarbrückenEU - Germany

  2. 1. Der Problemdruck - Warum müssen wir handeln Ein Entwicklungsproblem , Ein Energieproblem , Ein Klimaproblem 2. Die Kernenergie in der weltweiten Stromerzeugung 3. Atomkraftwerke (Funktionsweise) 4. Wo punktet die Kernenergie (Strompreis, CO2-frei, kleine Massenströme 5. Vorbehalte zum regulären Weiterbetrieb der AKW 6. Was bringt die Zukunft: Reaktoren der Generation IV (?), Kernfusion (???)

  3. 1. 1. Der Problemdruck - Warum müssen wir handeln Ein Entwicklungsproblem Ein Energieproblem (Endlichkeit der Ressourcen; Lieferengpässe : Preise) Ein Klimaproblem nur 2 ganz besonders wichtige Bilder zeigen:

  4. Wilfried Endlicher und Friedrich-Wilhelm Gerstengarbe (Hrsg.)Der Klimawandel - Einblicke, Rückblicke und Ausblicke ISBN 978-3-9811871-0-6 Herausgeber:Potsdam Institut für Klimafolgenforschung e.V.PF 60120314412 Potsdamwww.pik-potsdam.de Gesamtredaktion und Gestaltung:Humboldt-Universität zu BerlinGeographisches InstitutRudower Chaussee 1612489 Berlinwww.geographie.hu-berlin.de . Sehr empfehlenswerte Literatur, Texte und Vortragsbilder, frei zugängliches Seminar der Humboldt-Universität Berlin Link: http://edoc.hu-berlin.de/miscellanies/klimawandel/

  5. 380 360 320 280 240 200 160 600'000 500'000 400'000 300'000 200'000 100'000 0 Heute 380 ppm 2006 CO2-Konzentration (ppm) 1750 Jahre vor heute Dome Concordia ice core data: Siegenthaler U et al. (2005) Science 310:1313 Vostoc ice core data: Petit JR et al. (1999) Nature 399:429 BQuelle: C.Körner :“Wälder als Kohlenstoffspeicher..“ http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2006F/Links_AKE2006F.htm#AKE2006F_05

  6. Falling -1 bis -3%/a Im Klartext: Wir dürfen jetzt keine Zeit mehr verlieren, sonst lässt sich auch das Ziel 550 ppm CO2equ nicht mehr erreichen costs Quelle: „Stern Report“, Folie 4: http://www.hm-treasury.gov.uk/media/987/6B/Slides_for_Launch.pdf

  7. Was tun

  8. Ansatzpunkte zur Wende • 1.CO2-freie Energiequellen • Erneuerbare Energien ( RE =Renewable Energies) • Wasserkraft, Wind, Biomasse, Sonne (thermisch, Strom) • Kernenergie( Generation IV) ; Kernfusion? • Geothermie (Oberflächennah, Tiefe Geothermie) • 2. CO2 Sequester und GeoEngineering • CCS= Carbon Capture & Storage: in geologischen Schichten, im Meer? • ? Eisendüngung zum Algenwachstum, Aufforsten • ? Sulfat in die Stratoposhäre • 3. Rationelle Energieverwendung (2000 W –Gesellschaft) • Gleiche Energiedienstleistung mit geringerem Energieeinsatz • Höhere Wirkungsgrade bei Kraftwerken, Motoren etc. • Gebäude isolieren, Passivhaus • 4. Verhaltensänderung • Leben mit weniger Energiedienstleistungen, aus Knappheit oder Bescheidenheit • Ernährung: „Weniger Fleisch“

  9. 2. Die Kernenergie in der weltweiten Stromerzeugung

  10. Strombedarf 2005 und 2030 und seine Erzeugung Speicher:VGB2008_Zahlen-undFakten-zuirStromerzeugung_28ppt.pdf Quelle: VGB Powertec 2009: Zahlen und Fakten zur Stromerzeugung 2008; http://www.vgb.org/daten_stromerzeugung.html

  11. Quelle:: VGB Powertec 2009: Zahlen und Fakten zur Stromerzeugung 2008

  12. Quelle:: VGB Powertec 2009: Zahlen und Fakten zur Stromerzeugung 2008

  13. 3. Atomkraftwerke

  14. Es gibt drei Atomkerne, die man zur Energieerzeugung spalten kann: Uran 235(0,7% Anteil im Natururan) Plutonium 239 ( erbrütbar aus Uran 238 (99% Anteil) Uran 233 ( erbrütbar aus Thorium)

  15. U_Gießen_Düren_Vorlesung Kernphysik4_Vorlesung5: Kernenergie „

  16. Dampfkraftwerk mit Druckwasser-Reaktor „nur“ rund 300 °C und 150 bar I- Wärmeerzeugung-I Quelle:Halliday e.a.: „Physik“, Wiley ,Weinheim , ISBN 3-527-40366-32003, p. 1300, Abb.44-5

  17. 4. Wo punktet die Kernenergie: 1. Strompreis 2. CO2 – frei 3. kleine Massen („heimische Bevorratung“)

  18. 1. Wirtschaftlichkeit Kostengünstige Stromerzeugung Quelle: R.Tarjanne&A.Kivistö, 2008 Lappeenranta University of Technology - - S.18

  19. 2. KlimaschutzSpezifische Emissionen im Vergleich Referenzwert IER Stuttgart 840 1230 Braunkohle Quellen: DAtF, IER, UBA, Kearney, PSI, Öko-Institut 750 1080 Steinkohle 550 950 Erdöl 400 640 Erdgas 80 220 Photovoltaik 10 - 40 Wind 4 - 35 Wasser 5 - 35 Kernenergie 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 g (CO2-äq.)/kWh - - S.19

  20. CO2-Vermeidung weltweit Gas; 3.427 TWh (20 %) Öl; 1.172 TWh (7 %) Kernenergie; 2.745 TWh (16 %) Wasserkraft; 2.815 TWh (16 %) Kohle; 7.012 TWh (40 %) Biomasse/Abfall 175 TWh Geothermie, Sonne, Wind, Meeresenergie 140 TWh Kernenergie weltweit: 50 %der CO2-freienStromerzeugung 16 %der Stromerzeugung 6,5 %der Primärenergie Erneuerbare Energien in Zahlen – nationale und internationale Entwicklung Bundesumweltministerium 2007 BQuelle: Areva

  21. Kernkraftwerke vermeiden bereits heute weltweit jedes Jahr rund 2,5[Gt] CO2 bei einem globalen Gesamtausstoß von rund 11 [Gt ] CO2 aus der Stromerzeugung. Quelle: Dr. Walter Hohlefelder, Präsident des Deutschen Atomforums e. V. Jahrestagung Kerntechnik, 12.- 14. Mai 2009, Dresden http://kernenergie.de/r2/documentpool/de/Unsere_Position/Reden/ansprache_drhohlefelder_jk2009.pdf

  22. CO2 Mehremission bei vorzeitigen Atomausstieg in Deutschland • 160 Mt/a CO2 ersparten die AKW‘s 2004im Vergleich zur „historischen Alternative“=„hätte man seinerzeit Kohlekraftwerke statt AkW‘s gebaut und damit den gleichen Stom produziert“) • 112 Mt/a CO2 Mehremission bei Ersatz durch StromMix mit 40%Gasanteil Der vorzeitige Atomausstieg kostet uns 10% -Punkte CO2-Einsparung Wenn sich mit dem amtlichen Szenario bei Priorität AtomAusstieg 40 % weniger CO2 in 2020 zu 1990 verwirklichen lässt, dann lässt sich bei Abkehr von dieser Priorität auch ein 50+% CO2-Einsparziel bis 2020 erreichen. Quelle: DPG-Studie 2005

  23. 3. VersorgungssicherheitGroße Uranvorkommen, Ressourcenschonung Betrachtung ohne Wiederaufarbeitung, die Reichweiten noch weiter vergrößert Quelle: BGR, Kurzstudie Reserven, Ressourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen 2007

  24. 5. Vorbehalte zum regulären Weiterbetrieb der AKW 1. Reaktorsicherheit „keine Verschlechterung, da innerhalb der technischen Lebensdauer“ kerntechnische Kompetenz muss bewahrt werden 2. Entsorgung Hochaktive Abfälle proportional zu den Betriebsjahren Beim Rückbau anfallende Abfallmengen bleiben gleich 3. Uranvorräte noch unkritisch 4. Proliferation die hohen gesetzlichen und politischen Barrieren in der BRD werden nicht tangiert .

  25. Zur Sicherheit in AKW

  26. Grundelemente des Sicherheitskonzepts • Isolation der radioaktiven Stoffe gegenüber der Umwelt durch ein System von mehreren umschließenden Barrieren → Barrierenkonzept • Gewährleistung der ausreichenden Integrität und Funktion der Barrieren bei allen zu unterstellenden Zuständen und Ereignissen durch ein System gestaffelter Maßnahmen → Konzept der Sicherheitsebenen • Konstruktion des Reaktorkerns derart, dass die Energie-erzeugung durch die Kettenreaktion ein selbststabilisie-rendes Verhalten aufweist → inhärente Stabilität • Technische Lösungen für Sicherheitseinrichtungen, die auch bei unterstellten Fehlern (technischem oder menschlichem Versagen) den Schutz von Barrieren gewährleisten → Auslegungsprinzipien für Sicherheitseinrichtungen Quelle: AREVA Waas 2006

  27. Barrierenkonzept Einschluss der radioaktiven Stoffe durch • Brennstoffkeramik • Brennstabhüllrohre • druckdichtes Reaktorkühlsystem • Sicherheitsbehälter • den Sicherheitsbehälter umgebende Stahlbetonstruktur Wirkung: • Wird die Zerstörung der ersten Barrieren (Kristallgitter in der Keramik des Brennstoffs, Brennstabhüllrohre) verhindert, ist Freisetzung von radioaktiven Stoffen in gefährlichem Umfang physikalisch unmöglich.Zerstörung aber nur möglich, wenn Reaktorkern stark überhitzt wird. Vereinfacht: Reaktorkern mit Wasser bedeckt/gekühlt, → keine Freisetzung von gefährdenden Mengen radioaktiver Stoffe in die Umgebung • Weitere Barrieren im realisierten Barrierensystem → keine gefährdende Freisetzung, selbst wenn die ersten Barrieren weitgehend unwirksam geworden sind. Quelle: AREVA Waas 2006

  28. Gestaffelte Sicherheitsebenen Grundgedanke: • Maßnahmen auf einer Ebene, um Fehler und Ausfällemindestens unwahrscheinlich zu machen. • Weitere Maßnahmen auf der nächsten Ebene, um dennochunterstellte („postulierte“) Fehler und Ausfälle zu beherrschen. Quelle: AREVA Waas 2006

  29. Weitere Details: siehe diesen Vortrag von Ulrich Waas Das Sicherheitskonzept deutscher Anlagen – international richtungweisend Ulrich Waas AREVA NP GmbH, NRA1-G Aachen, 2006.05.17

  30. Statistik der tatsächlichen Ereignisse

  31. The International Nuclear Event Scale (INES) User’s Manual, 2001 Edition Quelle:http://www-news.iaea.org/news/inesmanual/INES2001.pdf Speicher: IAEA2001_INES-UserManual_102p.pdf

  32. Systematik der internationalen Bewertungsskala (INES) : Deutschland: In den letzten 15 Jahre   wurden 2198 Ereignisse gemeldet, davon  lagen3 Ereignisse bei Stufe 2  (Störfall) -> 2 %bei Stufe 1 (Störung) und 98 % bei Stufe 0 . Quelle: Ludwig Lindner, www.buerger-fuer-technik.de Quelle: http://www.bfs.de/kerntechnik/ereignisse/ines.html

  33. Quelle: http://www.bfs.de/kerntechnik/ereignisse/ines.html , eigene Formatierung

  34. Quelle: http://www.bfs.de/kerntechnik/ereignisse/ines.html

  35. Zur Endlagerung

  36. Die vom radioaktivemAbfall, wie er im Verlauf eines Jahrs in einem typischen Kernkraftwerk anfällt, freigesetzte thermische Energie als Funktion der Zeit. Die Kurve ist die Summe der Beiträge einer großen Anzahl von Radionukliden mit einer ebenso großen Streuung der Halbwertszeiten. Man beachte, dass beide Skalen logarithmisch sind. Quelle:Halliday e.a.: „Physik“, Wiley ,Weinheim , ISBN 3-527-40366-32003, p. 1301, Abb.44-6

  37. 5. Weitere Entwicklung Reaktoren der Generation IV Kernfusion (???)

  38. Link zum Original im AKE-Archiv Quelle: J.U.Knebel: „Neue Kernreaktoren der Generation 4 .“ Vortrag auf der Jahrestagung der DPG, Berlin2005

  39. Link zum Original im AKE-Archiv Quelle: J.U.Knebel: „Neue Kernreaktoren der Generation 4 .“ Vortrag auf der Jahrestagung der DPG, Berlin2005

  40. Link zum Original im AKE-Archiv Quelle: J.U.Knebel: „Neue Kernreaktoren der Generation 4 .“ Vortrag auf der Jahrestagung der DPG, Berlin2005

  41. Kernfusion: kurz vor der Zündung

  42. n (14,6 MeV) He (3,6 MeV) D T Prinzip der Fusion * bei hinreichend kleinen Abständen zwischen dem Deuterium und dem Tritium Kern kommt es zu Fusionsreaktionen * in einem heißen Plasma (100-200 Mio °) werden bei Stößen diese Abstände „regelmäßig“ erreicht * bei einer ausreichenden Isolierung kann das Plasma seine hohe Temperatur allein durch die Heizenergie der a-Teilchen aufrecht erhalten

  43. Das Lawson Kriterium: Tripelprodukt Zur Zündung müssen : ausreichend viele Teilchen [Plasmadichte n ]oft [Energieeinschlusszeit E ] und heftig genug [Temperatur T ] miteinander zusammenstoßen. Zündkriterium (Lawson):n *E * T >= 6* 1016 [cm-3 s MK ] Praktische Zündbedingungen: Plasmadichte ca. 1014 Teilchen pro cm3Energieeinschlusszeit 1- 2 [s]Plasmatemperatur 100-200 [M K] Quelle:Milch,I.:“Die Sonne auf die Erde holen“, PhiuZ 26 (1995),Heft 2,p.69-74; p7; und IPP 1995; Kernfusion- berichte aus der Forschung; p.9; IPP_Kernfusion1995.ppt

  44. MAST Progress • Huge strides in physics, engineering, technology • JET: 16 MW of fusion power ~ equal to heating power. • Ready to build a Giga Watt-scale tokamak:ITER – expected to produce 10 x power needed to heat the plasma • [Pi =pressure in plasma; • τE = (energy in plasma)/(power supplied to keep it hot)] Quelle: Chris Llewellyn Smith :The Path to Fusion Power, AKE2008F-Heraeus,http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2008F-Heraeus/Vortraege/AKE2008F_E9_LlewellynSmith_Path-toFusionPower.ppt

  45. ITER • Aim - demonstrate integrated physics and engineering on the scale of a power station • Key ITER technologies fabricated and tested by industry • 5 Billion Euro construction cost (will be at Cadarache in southern France) • Partners house over half the world’s population

  46. Schlussbemerkung

  47. Bilanz: Klimawandel , Bevölkerungswachstum, Peak Oil : Engpass bei Energiequellen, insbsondere bei Erschließung von CO2- freien Energiequellen Einsatz an allen Fronten: Erneuerbare Energien, rationelle Energieanwendung CCS(Carbon Capture and Storage) Kernenergie vorerst beibehalten

  48. Germany (world polluting rank 33) has a 63% higher per capita CO2 emission than France(world rank 66) • France in first-order discards fossile-fueled systems for electricity production • Nuclear Power 78%, Hydro 13% • The electricity prize for a private household ...... (6,6 cts/kWh – 10,8 cts/kWh taxes included) Strompreis in BRD: glatt doppelt so teuer well…. Zitat aus dem Vortrag eines französischen Kollegen , Alex Mueller, CNRS, Paris: • as a physicist I try to use only "hard" numbers • But of course some rely on assumptions • as "citoyen" I am of course influenced by my own environment • Germany (world polluting rank 33) has a 63% higher per capita CO2 emission than France (world rank 66) • France in first-order discards fossile-fueled systems for electricity production • Nuclear Power 78%, Hydro 13% • The electricity prize for a private household depends of course of the installed power, type of abonnement (0.066 cts/kWh – 0.108 cts/kWh taxes included) • France constructs a new nuclear powerplant (3rd generation EPR) at Flamanville • France has a law that forces the research organisations to work on nuclear waste management • France spents 0.3 G€/y on natural Uranium, but for roughly the same energy 46 G€/y on fossile fuel in 2006, possibly 100 G€ in 2008 Energy Supply and Climate Change,Bad Honnef, Germany, May 26-29 2008 UrQuelle: AKE2008F_Heraeus

  49. Reste

  50. Ansatzpunkte zur Wende • 1.CO2-freie Energiequellen • Erneuerbare Energien ( RE =Renewable Energies) • Wasserkraft, Wind, Biomasse, Sonne (thermisch, Strom) • Kernenergie( Generation IV) ; Kernfusion? • Geothermie (Oberflächennah, Tiefe Geothermie) • 2. CO2 Sequester und GeoEngineering • CCS= Carbon Capture & Storage: in geologischen Schichten, im Meer? • ? Eisendüngung zum Algenwachstum, Aufforsten • ? Sulfat in die Stratoposhäre • 3. Rationelle Energieverwendung (2000 W –Gesellschaft) • Gleiche Energiedienstleistung mit geringerem Energieeinsatz • Höhere Wirkungsgrade bei Kraftwerken, Motoren etc. • Gebäude isolieren, Passivhaus • 4. Verhaltensänderung • Leben mit weniger Energiedienstleistungen, aus Knappheit oder Bescheidenheit • Ernährung: „Weniger Fleisch“

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