Elektrische Energie
Wo kommt der Strom her?
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
Earthlights
„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
Im Folgenden verwendete Einheit für Leistung in großem
Maßstab: 2,4 GW aus Wasserkraft an den Niagara-Fällen
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.
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 half at night during this period
and at all times the rest of the year.
• Quelle: http://www.nypa.gov/facilities/niagara.htm
• This flow was once cut completely
Energieflussbild 2004 für Deutschland, in Mio. t SKE (Quelle: AG-Energiebilanzen)
(1 SKE=29,31 MJ)
Quelle: http://www.umweltbundesamt.de/dux/en-inf.htm#_ftnref1
Quellen elektrischer Energie in Deutschland
PS: Daten aus 1999 mit 552,5 TWh Bruttostromerzeugung und 488,7 TWh Nettostromverbrauch,
davon 27 % Private Haushalte, 47 % Industrie und 26 % Handel, Gewerbe und Dienstleistungen.
Quelle: Energie für Deutschland, Fakten Perspektiven und Positionen im globalen Kontext,
2000, World Energie Council.
Quelle: http://huegelland.tripod.com/strom.htm
Mittlere Leistung: 63 GW
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
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%?
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.
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
Masse, die der in Deutschland in einem Jahr benötigten
Energie entspricht
Einheit
E  P t
1J
E  210
18
m  E / c2
m  21
1 kg
Energieverbrauch in einem Jahr in
Deutschland: 2 Exajoule,
Mittlere Leistung von
P  62,4 109 W
t  365 24 3600s
Masse, äquivalent zu der in
Deutschland in einem Jahr
benötigten Energie: 21 kg
E  mc
2
c  0,3 109 m/s
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
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
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
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.hamburgerbildungsserver.de/welcome.phtml?unten=/klima/energi
e
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 der Anlagen auf die
Lebensqualität sind bei keiner Art des
Energieträgers vernachlässigbar
• Sinnvoll ist Energieerzeugung aus
unterschiedlichen, der Region angepassten
Quellen

2 Exajoule