Energie-Grundlagen Sonntagsvorlesung der Physikalischen Institute am 27. November 2005 Prof. Dr. Dieter Freude, Dr. Jens Gabke und Axel Märcker

Was ist Energie?

Energie im Altertum Aristoteles lebte 384-322 v. Chr. Den Begriff "Enérgeia", zu deutsch "Wirksamkeit" verwendete er als Wirkkraft, durch die Mögliches in Seiendes übergeht. Noch in der Mitte des 19. Jahrhunderts ist "Energie" im Conversationslexikon (Leipzig, 9. Auflage 1844) nicht zu finden.

Wissenschaftliche Fundierung in der Neuzeit Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646-1716), der berühmte Student der Universität Leipzig, hat bereits 1686 Vorstellungen entwickelt, die unseren heutigen Begriffen von kinetischer und potenzieller mechanischer Energie weitgehend entsprechen. Das Wort "Energie" verwendete er aber nicht. 

Der Energiesatz Julius Robert von Mayer (1814-1878) James Prescott Joule (1818-1889) Hermann von Helmholtz (1821-1894) Energie kann nicht erzeugt, sondern nur von der einen Form in die andere umgewandelt werden. Diese Erkenntnis etablierten in den Jahren 1842-1847 (mit Gebrauch des Wortes "lebendige Kraft" für das was erst zehn Jahre danach als Energie bezeichnet wurde) die Wissenschaftler Julius Robert von Mayer, James Prescott Joule und Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz.

Einführung des Begriffs "Energie" Thomas Young (1773-1829) Lord Kelvin (1824-1907) William J. M. Rankine (1820-1872) Thomas Young hat 1800 erstmals das Wort "Energie" in der Physik verwendet. Die Einführung des für alle Bereiche der Physik gültigen Begriffs "Energie" erfolgte 1851-1852 durch William Thomson (Lord Kelvin) und William J. M. Rankine. Thomas Young wurde eher dadurch bekannt, dass er durch Interferenzversuche mittels Beugung am Spalt die noch heute gültigen Auffassungen über die Wellennatur des Lichtes begründet hat.

Energie um 1900 Mechanische Energie, Wärme, Im Brockhaus-Konversations-Lexikon von 1898 gibt es schon eine halbe Seite über "Energie", die so beginnt: Im 1893 gedruckten Lehrbuch "Chemische Energie" von Wilhelm Ostwald (Bilder rechts) werden die Formen der Energie in fünf Gruppen eingeteilt: Mechanische Energie, Wärme, Elektrische und magnetische Energie, Chemische und innere Energie, Strahlende Energie.

Einsteins Äquivalenz von Energie und Masse Bewegt sich ein Körper, der im Ruhezustand die Masse m0 hat, mit einer sehr hohen Geschwindigkeit v, die mit der Lichtgeschwindigkeit c vergleichbar ist, dann wirkt anstelle der Ruhemasse m0 die relativistische Masse m (v): Ist v/c << 1, kann man die Wurzel im Nenner obiger Gleichung in eine Reihe entwickeln und nach dem zweiten Glied abbrechen. Man erhält Albert Einstein (1879-1955) Der Quotient m0v2/2 im rechten Summanden entspricht der durch die hohe Geschwindigkeit gewonnenen kinetischen Energie E. Die zur Ruhemasse zusätzliche Masse m ist also gleich E/c2. Solche Überlegungen führten Einstein 1905 zu einem Postulat, das einen Grundpfeiler seiner speziellen Relativitätstheorie darstellt: E = m c2

Das Maß für die Energie Die internationale Einheit der Energie ist nach James Prescott Joule benannt: 1 Joule [J] = 1 Wattsekunde [Ws] = 1 VAs = 1 Nm = 1 kg m2/s2. Die Energieeinheiten und die elektrische Leistung Watt haben als Faktoren Kilo (k=103), Mega (M=106), Giga (G=109), Tera (T=1012), Peta (P=1015), Exa (E=1018). Die Leistung Watt wird Energie durch Multiplikation mit Sekunde [s], Stunde [h] oder Jahr [a] . Mit 1 J kann man auf der Erde einen 102 g schweren Apfel um 1 m anheben. Zum Beispiel ist 1 kWh [Kilowattstunde] = 3,6 MJ. Mit 1 kWh kann man etwa 10 Liter Wasser von 20 °C auf den Siedepunkt erhitzen. In der Energiewirtschaft werden Steinkohleeinheiten (SKE) verwendet. 1 kg SKE entspricht gemäß Definition 8,141 kWh. Verbrennung von 1 kg Steinkohle erzeugt die gleiche Wärmemenge wie Heizung mit 8,141 kWh. Oder: 1 kWa (ein Jahr lang mit 1 kW heizen) entspricht der Verbrennung von 1,075 t Steinkohle.

Täglicher 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 = 4  1020 Joule, d.h. bei einer Weltbevölkerung von etwa 6 Milliarden etwa 18,5 kWh pro Mensch und Tag. Wenn die Weltbevölkerung erwartungsgemäß auf 10 Milliarden ansteigt und alle Länder wunschgemäß zu den Industriestaaten aufrücken, würde sich der Weltenergiebedarf verzehnfachen.

Die mechanische Energie Mechanische Energie ist einerseits potenzielle oder Lageenergie, z. B die Energie Epot einer Masse m, die im Schwerefeld der Erde gegen die Fallbeschleunigung g um die Höhe h angehoben wurde, Epot = m g h. Kinetische Energie oder Bewegungsenergie enswteht durch eine Bewegung der Masse m mit der Geschwindigkeit v : Ekin = ½ m v2. Potenzielle Energie steckt auch in der elastischen Verformung eines Körpers und kinetische Energie enthält auch ein rotierender Körper. Wenn keine mechanische Energie in eine andere Energieform umgewandelt wird, gilt der mechanische Energieerhaltungssatz Epot + Ekin = Egesamt = konstant.

Perpetuum Mobile erster Art Ein experimenteller Beweis des mechanischen Energieerhaltungssatzes ist die Unmöglichkeit, ein Perpetuum Mobile (lat. "dauernd beweglich") erster Art zu bauen, das heißt eine Maschine, die ohne Energiezufuhr von außen dauernd Arbeit verrichtet. Links ist das etwa tausend Jahre alte Prinzip zur Konstruktion eines sich ständig drehenden Rades durch einen Nachbau dargestellt, der sich in dem Museum des Instituts für Geschichte der Arabisch-Islamischen Wissenschaften an der Universität Frankfurt a.M. befindet. Die rechts abgebildete nachgebaute Uhr (Quelle unbekannt) ist 1815 von David Geiser in Neuchatel als Perpetuum Mobile vorgeführt worden.

Optische Täuschung Wasserfall, Lithographie von M.C. Escher, 1961, Escher Foundation, Haags Gemeentemuseum

Wärmenergie In der Wärmelehre entspricht die Wärmemenge Q einer Energieform, die als thermische oder Wärmeenergie der ungeordneten Bewegung mikroskopischer Teilchen zuzuordnen ist und mit zunehmender Temperatur T steigt. R. Mayer fand 1842 den 1. Hauptsatz der Thermodynamik, der heute so formuliert wird: Führt man einem System die Wärmemenge dQ zu und verrichtet die äußere Arbeit dW, so nimmt die Zustandsgröße innere Energie U um dU zu, und es gilt dU = dQ + dW. Die Umsetzung thermischer Energie in Arbeit wird durch den 2. Hauptsatz der Thermodynamik eingeschränkt, den Sadi Carnot bereits im Jahre 1824 gefunden hatte. In der heutigen Formulierung kann die Entropie S in einem abgeschlossenen thermodynamischen System nur zunehmen oder (bei reversiblen Prozessen) höchstens gleich bleiben: dS  dQ/T. Demnach kann man keine Maschine bauen (Perpetuum Mobile zweiter Art), die kontinuierlich Arbeit leistet, indem sie einem System Wärme entzieht. Sadi Carnot (1796-1832)

Elektrische Energie Jährlich schicken die Kraftwerke in der Welt etwa 50 EJ bzw. etwa 14 Billiarden kWh an die Verbraucher. Etwa ein Achtel der eingesetzten Primärenergie (400 EJ) kommt also aus der Steckdose. Der größte Teil davon geht an Industrie und Dienstleister. Zwischen Kraftwerk und Steckdose sind Übertragungsleitungen und Umspanner, z. B. von 10 kV beim Erzeuger auf 400 kV für die Übertragung und runter auf 230 V für die Verbraucher. Die elektrische Leistung ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke : Pel = U I. Für die ohmschen Verluste der Übertragungsleitungen mit dem Widerstand R gilt PVerlust = R I2. Die wichtigsten vermeidbaren elektrischen Verluste in der Wohnung sind aber "stand-by" (3 Milliarden € Stromkosten in Deutschland) und "Glüh"-lampen.

Elektromagnetische Energie In der Elektrizitätslehre ist die elektrische Feldenergie durch das Volumenintegral seiner Energiedichte wel = ½ E · D gegeben. Die in einem auf die Spannung U aufgeladenen Kondensator der Kapazität C gespeicherte Energie beträgt Eel = ½ C · U2. Die magnetische Feldenergie ist wmag = ½ H · B bei der magnetischen Feldstärke H und der Induktion D. Für eine vom Strom I durchflossene Spule mit der Selbstinduktivität L gilt Emag = ½ L · I2 . Haben wir ein System bewegter elektrischer Ladungen, entsteht eine elektromagnetische Feldenergie wel-mag =½ E·D + ½ H·B, die auch bei allen Lichterscheinungen auftritt. Eine Ausbrei-tung von Feldenergie ist auch ohne Trägermedium möglich. Polarlicht von Harald Wochner www.nachtwunder.de

Chemische Energie Die in chemischen Verbindungen gespeicherte chemische Energie ist die bei einer Reaktion der Verbindungen frei werdende Bindungsenergie. Beim Akkumulator wird die zugeführte elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt, gespeichert und wieder in elektrische Energie zurückverwandelt. Bilder aus: Energiewelten

Kernenergie Bei Kernfusion und Kernspaltung ergibt sich ein Massendefekt m. Der Energiegewinn ist E = m c2 mit c als Lichtgeschwindigkeit. Kernspaltung Kernfusion Bilder aus: Brockhaus Multimedia

Energietechnik In der Technik der Energieerzeugung und Energieversorgung ist Ausgangspunkt die Primärenergie, die in natürlichen Energieträgern wie Kohle, Erdöl, Erdgas, Kernbrennstoffen u.a. deponiert ist und in Sonnenstrahlung, Wasser, Wind u.a. ständig angeboten wird. Durch technische Umwandlung wird daraus mit unterschiedlichen Wirkungsgraden Sekundärenergie gewonnen, die in erster Linie als elektrische, aber auch als mechanische, thermische oder chemische Energie vorliegt. Abbildung aus K. Heinloth: Die Energiefrage, Vieweg 2003

Primärenergie in Deutschland 2004

Dampfmaschine und Stirlingmotor Robert Stirling (1790-1878) James Watt (1736-1819) James Watt baute 1782 die erste zweiseitig betriebene Niederdruckdampfmaschine mit Drehbewegung und Robert Stirling patentierte 1816 und baute 1818 den Heißgasmotor.

Stirlingmotor Der Heißgasmotor arbeitet ohne Ventile mit einer konstanten Gasmenge (Helium). Auf der unteren Zylinderseite wird das Gas erwärmt, auf der oberen gekühlt. Dazwischen bewegt sich ein voluminöser (den Zylinder nicht dicht abschließender) Kolben als Wärmespeicher (Regenerator), der dem hoch strömenden Gas Wärme entzieht und an das rückströmende Gas wieder abgibt. Der Arbeitskolben schließt dicht ab. Vorteil des Stirlingmotors ist die äußere Wärmezufuhr, die Erwärmung durch Sonnenlicht oder kontinuierliche Verbrennung von Brennstoffen bei hohem Luftüberschuss möglich macht. Wesentlicher Nachteil ist das ungünstige Leistungsgewicht. Koicho Hirata, see http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/indexe.htm BSRsolar's low-temperature Stirling engine is powered by unconcentrated solar radiation. The first application is the solar-thermal pumping system SUNPULSETM water from Lörrach . The displacer moves with a frequency of 0.5 to 1.0 Hz; the pressure inside the engine fluctuates between ± 100 mbar exerting a force of 1,000 kg on the 1 square meter power piston. The absorber surface of about 3 square meters converts the solar radiation into heat of about 100 °C inside the engine at the hot end whereas the temperature at the cold side is kept at about 30°C. Thus, according to the Law of Carnot, the engine can ideally achieve the efficiency of 19% of which it realizes about 70%, thus achieving an efficiency of 13%. See http://www.bsrsolar.com/brochures/

Deutschland ist Windkraft-Weltmeister Von der 2003 in der Welt installierten Leistung von 40 GW Windkraftanlagen entfielen 38 % auf Deutschland. Ende 2004 waren 48 GW installiert, für 2005 wird ein Zuwachs auf 60 GW erwartet. Danach wird die Leistung in Europa langsamer ansteigen. In Deutschland hat Ende 2004 die Windenergie einen Anteil von über 4 % an der Elektroenergie-erzeugung und hat damit die Wasserkraft überholt. Bild aus M. Heimann, Handbuch der Regerativen Energiequellen in Deutschland Bilder aus Energiewelten

Die jährliche Neuinstallation

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 http://www.windatlas.dk/

5-MW-Windkraftanlage Pressemitteilung, Hamburg, 02. 11. 2005: In Cuxhaven erhält das Windenergie-Unternehmen REpower Systems AG im DEWI-OCC-Testfeld einen Standort für den Betrieb ihrer Windkraftanlage des Typs REpower 5M. Die 5M-Anlage, deren Rotor einen Durchmesser von 126 Metern hat, wird in Cuxhaven mit einer Nabenhöhe von 117 Metern errichtet werden. Bisher steht in Brunsbüttel (Schleswig-Holstein) ein Prototyp dieser für den Offshore-Betrieb konzipierten Anlage. Die 5M in Cuxhaven wird voraussichtlich im Oktober 2006 errichtet sein und im November ans Netz gehen. Text, Bilder ubnd Video von http://www.repower.de/

Vestas V 66 1,75 MW Im Jahre 2004 wurden in Deutschland 1156 Windkraftanlagen in Betrieb genommen, die eine mittlere Leistung von 1,75 MW hatten. Rotordurchmesser: 66 m Betriebsintervall: 10,5-24,4 U/min Turmnabenhöhe 7010 m Einschaltwindgeschwindigkeit: 4 m/s Nennwindgeschw. (1.750 kW): 16 m/s Abschaltwindgeschwindigkeit: 25 m/s entnommen aus: http://www.vestas.de/pdf_ls/V66_UK.pdf

Windenergiegehalt entnommen aus Energiewelten

Windleistung, Windgeschwindigkeit entnommen aus Energiewelten

Windenergienutzung entnommen aus Energiewelten

Nutzleistung entnommen aus Energiewelten

Leistungsbeiwert entnommen aus Energiewelten

Das Windproblem Der Wind weht oft zu schwach. Im Jahresmittel wird auf dem Land kaum 20 % der installierten Leistung erreicht. Dieses Problem hat bereits Busch beschrieben: Abbildung aus K. Heinloth: Die Energiefrage, Vieweg 2003 entnommen aus Energiewelten

Energie aus Kernspaltung 440 Kernkraftwerke mit 362 GW gab es Ende 2004 (+30 waren im Bau): 103+1 in USA, 59 in Frankreich, 53+3 in Japan, 30+6 in Russland, 27 in GB, 19+1 in Südkorea, 18 in Deutschl., 14+9 in Indien, 9+2 in China. 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. Beim Betrieb eines 1-GW-KKW fallen pro Jahr einige radio-aktive Abfälle an, darunter 300 kg des a-Strahlers Plutonium, der eine Halbwertszeit von ca. 24 000 Jahren hat. Alternativen zur Endlagerung in Gorleben wie Wiederaufarbeitung und Transmutation (Beschuss mit Neutronenstrahlen) langlebiger Spaltprodukte sind noch in der Entwicklungsphase. 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.

Radioaktiver Zerfall Die Halbwertszeit T1/2 eines radioaktiven Zerfalls gibt die Zeit an, in der sich die Hälfte der Kerne durch Kernreaktion umgewandelt hat. Eine Supernova-Explosion vor knapp 6 Milliarden Jahren hat die Isotope Uran-238 (T1/2 =4,5109 Jahre), Uran-235 (T1/2 =0,7109 Jahre) und Plutonium-239 (T1/2 =24103Jahre) zu etwa gleichen Anteilen erzeugt. Pu-239 war bald zerfallen, vom U-235 sind heute 0,3 % und vom U-238 sind 40 % übrig geblieben. Uran-Brennelemente erfordern eine U-235-Anreicherung auf mindestens 3 %. Gute Gesteinslagerstätten enthalten 0,3 % Uran und werden mit ca. $50 pro kg Uran gefördert, die Weltreserven liegen bei 10 Mio Tonnen Natururan. Weitere 100 106 t werden im Gestein mit Abbaukosten bis $300/kg vermutet. Sicher sind 4,2 109 t Natururan im Meerwasser mit Gewinnungskosten von $500/kg. Eine natürliche radioaktive Zerfallsreihe geht vom Uran über Protactinium und Radium zum stabilen Blei. T1/2 = 4,5 Milliarden Jahre -Strahler, 4,27 MeV T1/2 = 24,1 Tage -Strahler, 273 keV T1/2 = 1,2 min 0,16 % g-Strahlung 74 keV 99,84 % -Strahler, 2,271 MeV T1/2 = 245 Millionen Jahre -Strahler, 4,59 MeV

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 UO2, ZrO2, 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

Der unschmelzbare Hochtemperaturreaktor Helium dient als Kühlgas, Graphit als Moderator und alleiniges Strukturmaterial im Kernbereich. Der Kernbrennstoff wird in Form sehr kleiner UO2-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/m3 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. Aus: K. Kugeler; Physikalische Blätter 57 (2001) Heft 11, 33-38

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

Welches Material hält das aus? Fusionskraftwerk? Keine Probleme mit Besorgung und Entsorgung von Brennstoffen, jedoch: 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  108 K Welches Material hält das aus? Abbildung aus: H.-S. Bosch und A. Bradshaw; Physikalische Blätter 57 (2001) Heft 11, 55-60

Magnetischer Einschluss im Tokamak тороидальная камера в магнитных катушках 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 sechs von der Zündbedingung entfernt . Untenstehendes Bild vom Juli 2005 zeigt Octant 2 Port, die neuen Poloid-Teile. Überlagerung dreier Felder: Magnetfeld des rosa Plasmastroms, Magnetfeld der blauen Toroidspule Rote Transformatorspulen in der Mitte stabilisieren Plasmastrom

Stellarator im Vergleich zu Tokamak Magnetspulen und Plasma von Wendelstein 7-X, derzeit bis 2011 in Greifswald im Aufbau, Bilder auf dieser Seite von http://www.ipp.mpg.de/ Das Fusionsprodukt nTt bestehend aus Temperatur T, Teilchendichte n und Energie-einschlusszeit t, liegt für JET nur noch um einen Faktor 5 unter dem Zielwert für ein Kraftwerk. 1997 war eine Fusionsleistung von 12 MW über die Dauer von 1 s erreicht. Damit wurde etwa die Hälfte der angewendeten Heizleistung durch die Kernfusion zurückgewonnen, Q  0,5.

ITER Das Projekt ITER (International Thermo-nuclear Experimental Reactor) wird seit 1988 von USA, Russland, Japan, China, Südkorea und Euratom für 0,5 GW und 500 s Impulslänge entwickelt und wird jetzt in Cadarache, Frankreich, aufgebaut. Es soll 2016 in Betrieb gehen, in den Bereich Q > 1 vordringen und Q  10erreichen. Burning Plasma: Bringing a Star to Earth (2004), http://books.nap.edu/books/0309090822/html/73.html

Christian Friedrich Schönbein Brennstoffzelle 1838 1839 Christian Friedrich Schönbein (1799-1868) Platinelektroden und verdünnte Schwefelsäure William Grove (1811-1896) Wilhelm Ostwald (1853-1932) weist 1894 nach, dass die Effizienz der Brennstoffzelle nicht durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt ist. Erst in der zweiten Hälfte des vorigen Jahrhundert kam die Brennstoffzelle wieder in Mode.

Prinzip der Brennstoffzelle Bild von TÜV Süddeutschland: Hydrogen – a world of energy

Aufbau der Brennstoffzelle Bild von Adam Opel AG

Elektrolytmaterialien Unterschiedliche Elektrolyte, Reaktionsgase und Prozesstemperaturen kommen zur Anwendung, z. B.: Für Kfz eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM), Wasserstoff und Luft bei Temperaturen um 80 °C; In der Raumfahrt Kalilauge (alkaline fuel cell), Wasserstoff, Sauerstoff und 80 °C; In der Kraft-Wärme-Kopplung die Phosphorsäure, Erdgas und Luft zwischen 160 und 220 °C; Für zukünftige Nutzung in Kraft-Wärme-Kopplung und bei Kfz-Betrieb die oberhalb 600 °C arbeitenden Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit keramischen Festoxidelektrolyten. Bild von Adam Opel AG

Keramik-Komposit aus zwei Material-Komponenten Festkörper-NMR-Spektroskopie keramischer Festelektrolyte für Brennstoffzellen im Mitteltemperaturbereich Keramik-Komposit aus zwei Material-Komponenten Stickstoff Phosphor Sauerstoff Silizium Ammoniumpolyphosphat, als Elektrolytkomponente mit sehr hoher Protonenleitfähigkeit. Siliciumammoniumpolyphosphat, als Elektrolytkomponente die für die thermische Stabilität sorgt. Temperaturzyklische 1H MAS NMR Spektren des oben dargestellten Komposite zwischen Raumtemperatur und 530 K. Bei hohen Temperaturen (Protonenleitfähigkeiten) verschmelzen die beiden Protonensignale. Mit Hilfe der magnetischen Kernresonanzspektroskopie (NMR) mit schneller Probenrotation um den magischen Winkel (MAS) lässt sich die makroskopisch beobachtete Protonenleitung mit Abläufen auf atomarer Ebene korrelieren. Dadurch wird es möglich dynamische Phänomene, wie Austausch- und Diffusionsprozesse von Ladungsträgern, als auch strukturelle Phasenumwandlungen und chemische Prozesse temperaturabhängig zu beobachten. S. Haufe, D. Prochnow, D. Schneider, O. Geier, D. Freude, U. Stimming: Polyphosphate composite: conductivity and NMR studies. Solid State Ionics 176 (2005) 955-963. T. Uma, H.Y. Tu, D. Freude, D. Schneider, U. Stimming: Characterisation of intermediate temperature polyphosphate composites. J. Mater. Sci 40 (2005): 227-230. T. Uma, H.Y. Tu, S. Warth, D. Schneider, D. Freude, U. Stimming : Synthesis and characterization of proton conducting poly phosphate composites. J. Mater. Sci 40 (2005): 2059-2063.

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

Nicht nur Opel-Hydrogen oder Toyota-Prius: Umweltbewusste Bürger fahren auch BMW. Bild von TÜV Süddeutschland: Hydrogen – a world of energy

Ressourcen fossiler Energierohstoffe Bild 17.13 aus K. Heinloth: Die Energiefrage, Vieweg 2003  von http://www.ifm-geomar.de/ Temperatur-erhöhung durch Treibhauseffekt

Methanhydrat Methanhydrat besitzt eine kubische Kristallstruktur. Die Elementarzelle besteht aus acht Eiskäfigen, in denen die H2O-Moleküle (violett) über Wasser-stoffbrücken miteinander verbun-den sind. In den Eiskäfigen ist je ein Methanmolekül (grün) ein-gebaut, die stöchiometrische Formel lautet 8 CH4 46 H2O. Abbildung und Text aus: C. Gutt, W. Press, G. Bohrmann, J. Greinert, A. Hüller, Brennendes Eis, Methanhydrat - Energiequelle der Zukunft oder Gefahr fürs Klima?, Physikalische Blätter 57 (2001) 49-54.

Brennendes Eis Abbildung aus: C. Gutt, W. Press, G. Bohrmann, J. Greinert, A. Hüller, Brennendes Eis, Methanhydrat - Energiequelle der Zukunft oder Gefahr fürs Klima?, Physikalische Blätter 57 (2001) 49-54.

Bermuda-Dreieck im Atlantik Es wird im Norden von den Bermuda-Inseln begrenzt, im Süden von Süd-Florida und im Osten von Puerto Rico. In diesem Gebiet sind über 100 Schiffe und Flugzeuge spurlos verschwunden, der größte Teil davon nach 1945. Es wurden jedoch niemals Trümmerteile gefunden und auch von den über 1000 gestorbenen Menschen wurde nie etwas gefunden. Seinen Namen erhielt das Bermuda-Dreieck am 5. Dezember 1945, als hier 5 Flugzeuge der Marine und anschließend ein sechstes, das nach ihnen suchen sollte, verschwanden. Damals hieß es noch Teufelsdreieck. Dieser Fall, bei dem gleich eine ganze Gruppe von Flugzeugen verschwand, die allesamt mit erfahrenen Piloten besetzt waren, ist sicherlich einer der spektakulärsten des Bermuda-Dreiecks. Eine nur unbe-friedigende Erklärung sind die starken Meeresströ-mungen, die in diesem Gebiet herrschen. So kommt es leicht zu starken Strudeln, die durchaus in der Lage sind, kleine Boote unter Wasser zu ziehen. Aber für größere Schiffe oder sogar Flugzeuge kommt diese Möglichkeit nicht in Frage, und sie erklärt auch nicht das Verschwinden der Wrackteile und der Besatzung.

Methanhydrat, Energiequelle oder Umweltrisiko? Ein Methanmolekül erzeugt den gleichen Treibhauseffekt wie 30 CO2-Moleküle. Gegenwärtig ist Methan in der Atmosphäre Klimafeind Nummer 3 (nach CO2 und FCKW) und wird durch Kühe und Reisanbau vermehrt. Die Atmosphäre enthält rund 3  1012 t CO2 oder rund 1012 t C. Wenn von dem geschätzten Methanvorkommen in der Erdkruste von 10  1012 t nur ein Prozent in die Atmosphäre kämen, würde Methan Klimafeind Nummer 1, und wir brauchten uns keine Sorgen mehr um den CO2-Ausstoß zu machen.  Der Anteil Klima-schädigender Gase am Treibhauseffekt auf der Erde Diagramm aus StromBASISWISSEN Nr. 104

CO2-Emmission pro Kopf und Jahr

Tendenzen der CO2-Emission

Klimaänderung Aus http://www.grida.no/

Energiepotenziale in Deutschland Aus M. Heimann, Regenerative Energiequellen in Deutschland, HEA, 2004

China im Aufschwung

Wo können wir Energie sparen? Durch Sparmaßnahmen lässt sich der Energieverbrauch eines Menschen in Europa und Nordamerika auf 1/3 des jetzigen Stands durch folgende Maßnahmen reduzieren: Energiesparlampen einsetzen und Öko-Kühlschrank verwenden, in Niedrigenergie-Häusern ohne Lift arbeiten und wohnen, gemeinsames Bad der Familie nur am Wochenende, Entfernung zwischen Wohn- und Arbeitsort mit Fahrrad bewältigen, Schuhe und Bekleidung "abtragen" bevor neue gekauft werden, Urlaub im Naherholungsgebiet verbringen.

Fazit Die verstärkte Ausschöpfung fossiler Brennstoffe wird schwieriger und riskanter. Deutschland reduziert die Nutzung der Kernenergie und verzichtet auf Einhaltung der Versprechung über CO2-Reduzierung. Neue Techniken bedürfen einer angemessenen Förderung. Vor allem die Forschung ist auf allen Gebieten der Energiegewinnung zu fördern. Enorme wirtschaftliche und wissenschaft-liche Anstrengungen sowie ein weltweit geeinter politischer Wille sind die Voraussetzung, um bis 2050 ein Drittel des Energieaufkommens aus erneuerbaren Quellen zu gewinnen.

Überlebensstrategie Energieproblem lösen statt verdrängen Wissen erweitern, um mit Sachverstand und Weitsicht engstirnige oder ideologische Widerstände überwinden zu können Risiken nicht aus dem Weg gehen, sondern sie vermindern Natur erhalten, Kultur pflegen und Wirtschaft verbessern

D. Freude, J. Gabke und A. Märcker danken Dr. B. Adams GEOMAR Norddeutscher Rundfunk Dr. J. Meusinger, Opel L. Moschkowitz D. Prager Dr. P. Rieger D. Schneider Dr. H. Weber Dr. J. Witt, HEA Das Vorlesungsskript ist ab 28.11.2005 erhältlich bei www.energie-grundlagen.de