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Im Rahmen der Vortragsreihe zur Ausstellung "Leipzig – Stadt der Energetik" Dieter Freude, 14. April 2007 Perspektiven der Energieversorgung.

Kopien: 1
Vorlesung im Schlüsselqualifikationsmodul "Energie und Umwelt", SQ 15 Dieter Freude, 25. und 29. Januar 2007 Perspektiven der Energieversorgung.

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1 im Rahmen der Vortragsreihe zur Ausstellung "Leipzig – Stadt der Energetik" Dieter Freude, 14. April 2007 Perspektiven der Energieversorgung

2 Die Optimisten: Aus "Energien für das neue Jahrtausend", Autoren der RAG Aktiengesellschaft und ihrer Teilkonzerne STEAG AG, RAG Saarberg AG und RAG Coal International AG sowie der Deutschen Steinkohle AG (DSK) und des Gesamtverbandes des deutschen Steinkohlenbergbaus GVSt)

3 Das Problem: Energiebedarf des Menschen Etwa 3 kWh verbraucht der Mensch seit jeher durch seine Nahrung. Heizung erhöht den Tagesbedarf auf 6 kWh. Mitteleuropäer brauchten vor 500 Jahren schon 24 kWh und sind jetzt im täglichen Mittel bei 150 kWh angelangt. Der durchschnittliche tägliche Energieverbrauch eines Inders liegt heute noch unter 10 kWh. China bemüht sich um den Anschluss an Mitteleuropa innerhalb der nächsten fünfzig Jahre. Zur Jahrtausendwende war der jährliche Weltenergiebedarf etwa 400 EJ = Joule, d.h. bei einer Weltbevölkerung von etwa 6 Milliarden etwa 18,5 kWh pro Mensch und Tag. Wenn die Weltbevölkerung erwartungsgemäß bis 2050 auf 10 Milliarden ansteigt und alle Länder wunschgemäß zu den Industriestaaten aufrücken, würde sich der Weltenergiebedarf verzehnfachen.

4 Ressourcen fossiler Energierohstoffe von Temperatur- erhöhung durch Treibhauseffekt Bild aus K. Heinloth: Die Energiefrage, Vieweg 2003

5 Weltweiter Bedarf an Energie bis 2050 Aus dem Strategiepapier zum Forschungsbedarf in der Wasserstoff-Energietechnologie, München, im Januar Dieser Bericht wurde im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) von der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. in Zusammenarbeit mit den Mitgliedern des Strategiekreises Wasserstoff des BMWA erstellt und vom Projektträger Jülich (PtJ) des BMWA im Rahmen des Vorhabens ET 6903 M finanziert. Als Quellen für obige Abbildung wurde angegeben: WEC, IIASA, IEA/OECD 2001/2002.

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7 Deutschland hält sich fast an das Kyoto-Protokoll: Oben aus: Klimaschutz und Energieversorgung in Deutschland , Eine Studie der Deutschen Physikalischen Gesellschaft e. V., September Rechts aus: EEA Report No 9/2006, Greenhouse gas emission trends and projections in Europe 2006

8 China im Aufschwung

9 Dritte Welt im Aufschwung Energy Information Administration, International Energy Outlook, June 2006

10 Globale Emission verteilt sich um COMMISSION OF THE EUROPEAN COMMUNITIES, Brussels, , COM(2005) 35 final, COMMUNICATION FROM THE OMMISSION TO THE COUNCIL, Winning the Battle Against Global Climate Change, {SEC(2005) 180}http://ec.europa.eu/environment/climat/pdf/futureclimatememo.pdf

11 Im Jahr 1896 rechnete Svante Arrhenius erstmals vor, dass eine Verdoppelung des CO 2 -Gehalts der Atmosphäre zu einer Tem- peraturerhöhung um 4-6 ºC führen würde [Svante Arrhenius "On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground "Philosophical Magazine 41, 237 (1896), Extract from a paper presented to the Royal Swedish Academy of Sciences, 11th December, Communicated by the Author]. Abbildungen aus UBA-Thesen 2005 mit Angabe folgender Quellen: IPCC – Intergovernmental Panel on Climate Change (Hrsg.) (2001): Climate Change 2001: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press. Summary for policymakers. PrognosePrognose Falls Interesse an einer detaillierteren Darstellung besteht, kann noch die Datei Fuessel_Cost-of_Inaction06.pdf vorgeführt werden.

12 Energiepotenziale in Deutschland Rects uns oben aus M. Heimann, Regenerative Energiequellen in Deutschland, HEA, 2004, links unten BMU: Erneuerbare Energien in Zahlen, Stand: Mai 2006

13 BMU: Erneuerbare Energien in Zahlen, Stand: Mai in Deutschland genutzte Energien Der Strompreis

14 Szenario des Bundesumweltministers BMU: Erneuerbare Energien in Zahlen, Stand: Mai 2006

15 Szenario des Bundesumweltministers BMU: Erneuerbare Energien in Zahlen, Stand: Mai 2006

16 Szenario des Bundesumweltministers BMU: Erneuerbare Energien in Zahlen, Stand: Mai 2006

17 Perspektiven für Forschung und Entwicklung Emissionsarme und hocheffiziente Stromerzeugung Hochtemperatur-Werkstoffe und Komponenten für Kraftwerke mit 70 % Wirkungsgrad für kombinierte Gas- und Dampfturbinen Prozesse und 60 % Wirkungsgrad für kohlebasierte Prozesse Werkstoffsysteme und Verfahrenstechnik für Brennstoffzellen als hocheffiziente und kostengünstige Energiewandler im dezentral stationären und mobilen Einsatz Membransysteme, u.a. für Abtrennungsstrategien des CO 2 aus fossilen Kraftwerksprozessen Erschließung umweltschonender Primärenergiequellen und neuer Energieträger Photovoltaische Materialforschung, Photonenmanagement und großflächige Abscheidetechnologie bei niedrigen Temperaturen für kostengünstige Dünnschicht-Solarzellen auf der Basis von ökologisch unbedenklichem Silizium Wesentliche Beiträge in Plasmaphysik und -technik zur Verwirklichung der internationalen Großprojekte ITER und Wendelstein 7 X mit den Schwerpunkten Plasmadiagnostik, Plasma-Wand-Wechselwirkung und Materialforschung Effiziente Bereitstellung und Speicherung von Wasserstoff Aus: Das Forschungszentrum Jülich, Ziele und Visionen für die kommenden zwei Dekaden, ENERGIE, Jülich, den 20. Oktober 2005 Das FORSCHUNGSZENTRUM JÜLICH, ein Zentrum der Energieforschung in Deutschland, konzentriert sich auf folgende Forschungsgebiete:

18 Die Perspektive für Wasserstoff Vision der European High Level Group zur Wasserstoff-Energiewirtschaft in Europa. Aus dem Strategiepapier zum Forschungsbedarf in der Wasserstoff-Energietechnologie, München, im Januar Dieser Bericht wurde im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) von der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. in Zusammenarbeit mit den Mitgliedern des Strategiekreises Wasserstoff des BMWA erstellt und vom Projektträger Jülich (PtJ) des BMWA im Rahmen des Vorhabens ET 6903 M finanziert.

19 Die Perspektive fürs Wasserstoffauto Aus Corradini, R.; Krimmer, A.: Systemvergleich alternativer Antriebstechnologien – Primärenergetische Analyse der Herstellung und Nutzung alternativer Antriebstechnologien im Vergleich zu konventionellen Systemen für den PKW-Bereich, Perspektiven einer Wasserstoff-Energiewirtschaft Teil 4, Koordinationsstelle der Wasserstoff-Initiative Bayern (wiba), München, 2003

20 Bild von Adam Opel AG / GM Die Brennstoffzelle auf der Autobahn Opel / GM erzielten mit Hydrogen (auf Zafira-Basis) 15 Geschwindigkeits und Distanz-Weltrekorde für Brennstoffzellen-PKW.

21 Deutschland ist Windkraft-Weltmeister Bild aus M. Heimann, Handbuch der Regerativen Energiequellen in Deutschland Am waren in Deutschland Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von 20,6 GW installiert. Die in der Welt installierte Leistung beträgt etwa 70 GW war Deutschlands relativer Anteil noch größer, siehe rechte Graphik. Bilder aus Energiewelten In Deutschland hat Ende 2005 die Windenergie mit GWh einen Anteil von etwa 5 % an der Elektroenergieerzeugung und hat damit die Wasserkraft überholt.

22 Wo weht der Wind wie stark? Die Karten zeigen die in 50 m Höhe gemessenen Windstärken links an Land und rechts auf See. Im gelben Bereich ist die Aufstellung von Windkraftanlagen unter gegenwärtigen Bedingungen wirtschaftlich. Für rot und lila wird es deutlich besser. Karten des Wind Energy Department at Risø National Laboratory in Roskilde, Denmark, see

23 5-MW-Windkraftanlage5-MW-Windkraftanlage Das Windenergie-Unternehmen REpower Systems AG meldet am 22. August 2006: "Premiere geglückt, die Installation der ersten "off shore"-5M-Anlage ist abgeschlossen. 25 Kilometer von der schottischen Nordseeküste entfernt wurde die insgesamt 900 Tonnen schwere Anlage auf die Jacketstruktur montiert." Zwei weitere off-shore-Windenergieanlagen wurden vor Jahresende auf dem Testgelände des DEWI- OCC in Cuxhaven erfolgreich errichtet und in Betrieb genommen sollen mindestens 6 weitere Riesen-WEA in Betrieb gehen. Text, Bilder und Video von

24 Neuinstallationen in der Welt (oben) und in Deutschland (rechts) Die jährliche Neuinstallation

25 KernenergieKernenergie Bilder aus: Brockhaus Multimedia Bei Kernfusion und Kernspaltung ergibt sich ein Massendefekt m. Der Energiegewinn ist E = m c 2 mit c als Lichtgeschwindigkeit. KernspaltungKernfusion

26 Energie aus Kernspaltung Am waren in 31 Ländern 442 Kernkraftwerksblöcke mit einer installierten elektrischen Nettoleistung von rund 370 GW in Betrieb und in 15 Ländern sind 33 Blöcke mit insgesamt 28 GW im Bau. Der in Deutschland verbrauchte Strom wird zu etwa einem Drittel aus Kernspaltung gewonnen. Kernspaltung hat überschaubare Rohstoffprobleme, ist relativ billig und ergänzt sich mit Windkraft bei einer emissionsarmen Stromproduktion. Zwei Risiken haben die friedliche Nutzung der Kernspaltung unbeliebt gemacht. Das kann schmelzen! Die zwei Blöcke des KKW Gundremmingen decken etwa 30 % der Stromerzeugung in Bayern und haben der Atmosphäre seit Inbetriebnahme im Vergleich zur Stromerzeugung in Kohlenkraftwerken rund 400 Millionen Tonnen Kohlendioxid erspart. Beim Betrieb eines 1-GW-KKW fallen pro Jahr einige radio- aktive Abfälle an, darunter 300 kg des -Strahlers Plutonium, der eine Halbwertszeit von ca Jahren hat. Alternativen zur Endlagerung in Gorleben wie Wiederaufarbeitung und Transmutation (Beschuss mit Neutronenstrahlen) langlebiger Spaltprodukte sind noch in der Entwicklungsphase.

27 Kernschmelzen bei Leichtwasserreaktoren Nach Abschalten oder Havarie plus Ausfall der Nachwärmeabfuhr kommt es bei Leichtwasserreaktoren zum Verdampfen des Restwassers im Kernbereich sowie zum Aufheizen des Brennstoffs und der Kernstrukturen bis zum Schmelzen. Gleichzeitig bilden sich durch Reaktion des Zirkons der Brennstabhüllen mit Wasserdampf große Wasserstoffmengen unter Freisetzung von zusätzlicher exothermer Reaktionswärme. Nach etwa einer Stunde kann unter ungünstigen Bedingungen der Kern zerstört sein und sich ein 2500 °C heißes sog. Corium-Gemisch (geschmolzenes UO 2, ZrO 2, Stahl, Spaltprodukte) in der Bodenkalotte des Reaktordruckbehälters ansammeln. Kurz danach würde dann auch der Boden des Reaktordruckbehälters durchschmelzen und das heiße Corium - bis zu 300 t - ins Reaktorgebäude abstürzen. Danach kann eine Beschädigung des Reaktor-Containments eintreten. Hier baut sich ein hoher Störfalldruck auf, der nach etwa vier Tagen zum Überdruckversagen führt. In deutschen Anlagen ist inzwischen für diesen Fall die Öffnung eines Entlastungsventils mit Abgabe über ein Filtersystem und den Kamin vorgesehen. Feste Spaltprodukte und Aerosole würden hier weitestgehend zurückgehalten, nur die gasförmigen Spaltprodukte würden entweichen. Der entstandene Wasserstoff könnte nach Zündung und evtl. Detonation ebenfalls zur Beschädigung des Containments führen. Inertisierung sowie Wasserstoffabbau über geeignete Rekombinatoren sind gezielte Gegenmaßnahmen. Die heiße Kernschmelze mit Nachwärmeerzeugung kann nach rund vier Tagen den Betonboden des Containments durchdringen und eine Grundwasserverseuchung bewirken. Aus: K. Kugeler; Physikalische Blätter 57 (2001) Heft 11, 33-38

28 Der unschmelzbare Hochtemperaturreaktor Aus: K. Kugeler; Physikalische Blätter 57 (2001) Heft 11, Helium dient als Kühlgas, Graphit als Moderator und alleiniges Strukturmaterial im Kernbereich. Der Kernbrennstoff wird in Form sehr kleiner UO 2 -Partikeln (0,5 mm Durchmesser), die mit mehreren Schichten aus pyrolytischem Graphit und Silizumcarbid umgeben sind, eingesetzt. Die Heliumtemperaturen erreichen 700 °C. Die Leistungsdichte des Cores ist aus Sicherheitsgründen mit 3 MW/m 3 relativ gering. Die Leistung modularer HTR beträgt 200 bis 400 MW thermisch. Im angeschlossenen Dampferzeuger wird Heißdampf (530 °C bei 200 bar) erzeugt, der Dampfturbinenprozess arbeitet mit einem Wirkungsgrad von über 40 %. Bei Gasturbinenprozessen und Anhebung der Heliumtemperatur auf 900 °C werden Wirkungsgrade von 45 % möglich.

29 Wieso unschmelzbar? Die 8 % angereicherten Brennstoffkerne ( 0,5 mm) sind mit drei Schichten ummantelt, die ein extrem großes Rückhaltevermögen für Spaltprodukte bis zu sehr hohen Temperaturen (1600 °C) haben. Die coated particies sind in eine Brennelement-Graphitmatrix eingepresst (Kugeln 6 cm). Dieses Brennmaterial kann nach Verlust der Kühlung niemals schmelzen. Aus: K. Kugeler; Physikalische Blätter 57 (2001) Heft 11, 33-38

30 Durch Neutronenbestrahlung umgeben- der Metalle fällt nach Betriebsende eine gleiche Menge radioaktiver Abfälle an wie bei konventionellen Kernkraftwerken. Davon haben aber 99 % eine Halbwerts- zeit von weniger als 10 Jahren. Turbulente Vorgänge im Plasma führen zu Energie- und Teilchenverlusten und verringern die Energieeinschlusszeit, in der das Plasma stabil gehalten werden kann. Deshalb sind optimistische Voraussagen der 60er Jahre über Fusionskraftwerke noch nicht realisiert. T 10 8 K Welches Material hält das aus? Fusionskraftwerk?Fusionskraftwerk? Keine Probleme mit Besorgung und Entsorgung von Brennstoffen, jedoch: Abbildung aus: H.-S. Bosch und A. Bradshaw; Physikalische Blätter 57 (2001) Heft 11, 55-60

31 Magnetischer Einschluss im Tokamak Überlagerung dreier Felder: Magnetfeld des rosa Plasmastroms, Magnetfeld der blauen Toroidspule Rote Transformatorspulen in der Mitte stabilisieren Plasmastrom Das Tokamak-Experiment JET (Joint European Torus) des gemeinsamen Europäischen Fusionsprogramms, darunter auch dem Max- Planck-Institut für Plasmaphysik ist seit 1983 in Culham, England im Betrieb. Heute ist das JET- Plasma nur noch um den Faktor fünf von der Zündbedingung entfernt. Untenstehendes Bild vom Juli 2005 zeigt Octant 2 Port, die neuen Poloid-Teile. тороидальная камера в магнитных катушках

32 Fusionsprodukt und Energieeinschlusszeit Das Fusionsprodukt nT bestehend aus Temperatur T, Teilchendichte n und Energie- einschlusszeit liegt für JET nur noch um einen Faktor 5 unter dem Zielwert für ein Kraftwerk war eine Fusionsleistung von 12 MW über die Dauer von 1 s erreicht. Damit wurde etwa die Hälfte der angewendeten Heizleistung durch die Kernfusion zurück gewonnen, Q 0,5. Bei der Fusion eines Deuterium- und eines Tritiumkerns entstehen ein Alpha- Teilchen, ein Neutron und 17,6 MeV Energie. Letztere sollte das Plasma auf Reaktionstemperatur halten, damit ständig austretende Neutronen, die 80 % der Fusionsenergie tragen, Wasser erhitzen und letztlich Dampfturbinen antreiben. Um das Plasma zu zünden, muss das das Fusionsprodukt nT bestehend aus Temperatur T > 10 8 K, Teilchendichte n > Teilchen pro m 3 ) und Energieeinschlusszeit den Wert 3 x keV m 3 s erreichen. Der Wert ist definiert als Verhältnis der eingeschlos- senen thermischen Energie zur Leistung, die zugeführt wird, um die Temperatur zu erhalten. Siehe

33 International Thermo-nuclear Experimental Reactor (ITER) Das Projekt ITER ist seit 1988 von USA, Russland, Japan, China, Südkorea und Euratom für 0,5 GW und 500 s Impulslänge geplant. Es wird seit 2005 in Cadarache aufgebaut, soll 2016 in Betrieb gehen und in den Bereich Q > 1 bis Q 10 vordringen. Konstruktionskosten sind mit 10 Milliarden veranschlagt, weitere 5 Milliarden sollen der 20-jährige Betrieb kosten (www.iter.org).

34 SolarzellenSolarzellen In Solarzellen, meist aus Silizium, werden unter Zufuhr von Licht oder Wärme positive und negative Ladungsträger freigesetzt (Photoeffekt) und so Gleichstrom erzeugt, der direkt Motoren antreiben oder Akkus aufladen kann. Soll Sonnenenergie auch zum Betrieb von Verbrauchern mit 230 Volt Wechselspannung genutzt oder ins öffentliche Netz eingespeist ("verkauft") werden, wird ein Wechselrichter benötigt. Wirkungsgrad einer Solarzelle aus monokristallinem Silizium: etwa 24 % (Labor) bzw.14 bis 17% (Produktion) Wirkungsgrad einer Solarzelle aus polykristallinem Silizium: etwa 18 % (Labor) bzw. 13 bis 15% (Produktion) Wirkungsgrad einer Solarzelle aus amorphem Silizium: etwa 13 % (Labor) bzw. 5 bis 7 % (Produktion) siehe Deutschland produzierte 2006 ein Viertel aller Zellen und fast die Hälfte aller Wechselrichter. Aber: die vorwiegend eingesetzten Module aus kristallinem Silizium sind zu teuer. Ausweg: Dünnschicht-SolarzellenDünnschicht-Solarzellen

35 Klimaschutz und Energieversorgung in Deutschland 1990 – 2020, Eine Studie der Deutschen Physikalischen Gesellschaft: Weltweit haben sich inzwischen die mit der Entwicklung der solarthermischen Kraftwerkstechnik befassten Forschungseinrichtungen (in Deutschland vor allem die DLR) – unter Beteiligung interessierter industrieller Partner – im Jahr 2002 zur Global Market Initiative for Concentrating Solar Power (GMI-CSP) zusammengeschlossen [The Palm Springs Protocol for a Concentrating Solar Power Global Market Initiative, 2nd International Executive CSP Conference in Palm Springs, California, October 2003]. Diese Initiative möchte durch gemeinsame Anstrengungen geeignete Bedingungen für die weltweite Realisierung von Vorhaben zur solarthermischen Stromerzeugung schaffen. Sie hat sich das Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2015 eine solarthermische Kraftwerksleistung von MW zu installieren. SolarwärmeSolarwärme Bild von

36 CO 2 -Abscheidung Carbon capture and storage, CCS Für die nächste Welle der Kraftwerksneubauten wird CCS noch keine Rolle über Pilotprojekte hinaus spielen. Dies wird sich frühestens zwischen 2020 und 2025 ändern. Ohne klare, langfristige Rahmensetzung der Politik wird sich die Technologie im Kraftwerksbereich nicht auf dem Markt durchsetzen, da die energieintensive Abscheidung in erheblichem Maße den Wirkungsgrad des Kraftwerks reduziert.

37 Effizienzsteigerung der Kraftwerke Quelle: Ewers, Renzenbrink, VGB PowerTech 4/2005

38 CogenerationCogeneration

39 Cogeneration potential

40 GuD-KraftwerkGuD-Kraftwerk GuD-Kraftwerke, ausgeschrieben Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke, dienen überwiegend der Strom- erzeugung, wobei Gasturbinen- und Dampfturbinenprozess miteinander kombiniert werden. Im GuD- Kraftwerk wird mit ein bis drei Gasturbinen und einer Dampfturbine Elektrizität erzeugt, wobei entweder jede Turbine jeweils einen Generator antreibt (Mehrwellenanlage) oder eine Gasturbine mit der Dampfturbine (abkuppelbar) auf einer gemeinsamen Welle den Generator (Einwellenanlage). Die heißen Abgase der Gasturbinen werden in einem Abhitze-Dampfkessel zur Erzeugung von Wasserdampf verwendet. Der Dampf wird anschließend über einen herkömmlichen Dampfturbinenprozess entspannt. Es entfallen ca. 2/3 der elektrischen Leistung auf die Gasturbine und 1/3 auf den Dampfprozess. In der Schweiz und in Österreich wird dieser Kraftwerkstyp eher als Kombikraftwerk bezeichnet. Im englischen Sprachraum spricht man von "Combined Cycle Power Plant (CCPP)" oder "Combined Cycle Gas Turbine (CCGT)". Wegen ihrer Schnellstartfähigkeit erzeugen GuD- Kraftwerk in Europa im wesentlichen Mittellaststrom - z.T. auch Spitzenstrom. Aus der Kombination beider Turbinenarten ergeben sich sehr hohe Kraftwerks-Wirkungsgrade bis derzeitig 60 %.

41 Bessere Ausnutzung der Primärenergie durch höheren Wirkungsgrad Dr. Egbert Wessel, FZ Jülich, Gasturbinen, Energietag

42 Dr. Bernd Buchholz, Fachtagung Dezentrale und Erneuerbare Energien, Weiden, Das virtuelle Kraftwerk

43 Dr. Bernd Buchholz, Fachtagung Dezentrale und Erneuerbare Energien, Weiden, Das virtuelle Kraftwerk

44 Ich bedanke mich für Unterstützung bei Dr. Jan Witt Stv. Geschäftsführer des Fachverbands für Energie- Marketing und -Anwendung (HEA) e. V. beim VDEW


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