Klimaschutz - kann Kernenergie einen Beitrag leisten V_Rotary_AKW-Vk2009.0909.ppt Klimaschutz - kann Kernenergie einen Beitrag leisten Dr. Gerhard Luther Universität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie c/o Technische Physik – Bau E26 D-66041 Saarbrücken EU - Germany 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/

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 (???)

nur 2 ganz besonders wichtige Bilder zeigen: 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:

Wilfried Endlicher und Friedrich-Wilhelm Gerstengarbe (Hrsg 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 601203 14412 Potsdam www.pik-potsdam.de Gesamtredaktion und Gestaltung: Humboldt-Universität zu Berlin Geographisches Institut Rudower Chaussee 16 12489 Berlin www.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/

CO2-Konzentration (ppm) Heute 380 ppm 200 240 280 320 360 160 380 2006 CO2-Konzentration (ppm) 1750 100'000 200'000 300'000 400'000 500'000 600'000 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

Wir dürfen jetzt keine Zeit mehr verlieren, 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

Was tun

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“

Die Kernenergie in der weltweiten Stromerzeugung 2. Die Kernenergie in der weltweiten Stromerzeugung

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

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

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

3. Atomkraftwerke

Plutonium 239 ( erbrütbar aus Uran 238 (99% Anteil) 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)

U_Gießen_Düren_Vorlesung Kernphysik4_Vorlesung5: Kernenergie „

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

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

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

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

CO2-Vermeidung weltweit Kohle; 7.012 TWh (40 %) Öl; 1.172 TWh (7 %) Gas; 3.427 TWh (20 %) Kernenergie; 2.745 TWh (16 %) Wasserkraft; 2.815 TWh (16 %) Biomasse/Abfall 175 TWh Geothermie, Sonne, Wind, Meeresenergie 140 TWh Erneuerbare Energien in Zahlen – nationale und internationale Entwicklung, Bundesumweltministerium 2007 Der Anteil erneuerbarer Energien an der gesamten Stromerzeugung beträgt weltweit 17,9 % und ist seit dem Jahr 1990 (19,3 %) rückläufig. Ursächlich hierfür ist das relativ geringe Wachstum der Wasserkraftnutzung in den westlichen Industrieländern (OECD), das hinter dem Anstieg der gesamten Stromerzeugung zurück blieb. Durch die Nutzung anderer Ressourcen, wie z. B. der Biomasse oder Windenergie, konnte dies nicht kompensiert werden. Kernenergie weltweit: 50 % der CO2-freien Stromerzeugung 16 % der Stromerzeugung 6,5 % der Primärenergie Erneuerbare Energien in Zahlen – nationale und internationale Entwicklung Bundesumweltministerium 2007 BQuelle: Areva

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

CO2 Mehremission bei vorzeitigen Atomausstieg in Deutschland 160 Mt/a CO2 ersparten die AKW‘s 2004 im 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

3. Versorgungssicherheit Große Uranvorkommen, Ressourcenschonung Betrachtung ohne Wiederaufarbeitung, die Reichweiten noch weiter vergrößert Der Uranpreis macht nur ca. 5 % der Stromerzeugungskosten aus => Steigende Uranpreise haben daher keinen großen Einfluss auf den Strompreis, die Stromerzeugungskosten haben einen Anteil von ca. 20 % am Strompreis Quelle: BGR, Kurzstudie Reserven, Ressourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen 2007

Vorbehalte zum regulären Weiterbetrieb der AKW 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 .

Zur Sicherheit in AKW

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

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

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

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

Statistik der tatsächlichen Ereignisse

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

Systematik der internationalen Bewertungsskala (INES) : Deutschland: In den letzten 15 Jahre   wurden 2198 Ereignisse gemeldet , davon  lagen  3 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

Katastrophaler Unfall Stufe / Kurz- bezeich- nung Aspekte Erster Aspekt: Radiologische Auswirkungen außerhalb der Anlage Zweiter Aspekt: Radiologische Auswirkungen innerhalb der Anlage Dritter Aspekt: Beeinträchtigung der Sicherheitsvorkehrungen 7 Katastrophaler Unfall Schwerste Freisetzung: Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt in einem weiten Umfeld 6 Schwerer Unfall Erhebliche Freisetzung: Voller Einsatz der Katastrophenschutz- maßnahmen 5 Ernster Unfall Begrenzte Freisetzung: Einsatz einzelner Katastrophenschutz- maßnahmen Schwere Schäden am Reaktorkern / an den radiologischen Barrieren 4 Unfall Geringe Freisetzung: Strahlenexposition der Bevölkerung etwa in der Höhe der natürlichen Strahlenexposition Begrenzte Schäden am Reaktorkern / an den radiologischen Barrieren Strahlenexposition beim Personal mit Todesfolge Quelle: http://www.bfs.de/kerntechnik/ereignisse/ines.html , eigene Formatierung

Stufe / Kurz- bezeich- nung Aspekte Erster Aspekt: Radiologische Auswirkungen außerhalb der Anlage Zweiter Aspekt: Radiologische Auswirkungen innerhalb der Anlage Dritter Aspekt: Beeinträchtigung der Sicherheitsvorkehrungen 3 Ernster Störfall Sehr geringe Freisetzung: Strahlenexposition der Bevölkerung in Höhe eines Bruchteils der natürlichen Strahlenexposition Schwere Kontaminationen Akute Gesundheitsschäden beim Personal Beinahe Unfall Weitgehender Ausfall der gestaffelten Sicherheitsvorkehrungen 2 Störfall Störfall Begrenzter Ausfall der gestaffelten Sicherheitsvorkehrungen 1 Störung Abweichung von den zulässigen Bereichen für den sicheren Betrieb der Anlage Keine oder sehr geringe sicherheitstechnische Bedeutung Quelle: http://www.bfs.de/kerntechnik/ereignisse/ines.html

Zur Endlagerung

Man beachte, dass beide Skalen logarithmisch sind. Die vom radioaktivem Abfall, 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

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

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

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

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

Kernfusion: kurz vor der Zündung

Prinzip der Fusion n D (14,6 MeV) T He (3,6 MeV) * 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

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 cm3 Energieeinschlusszeit 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

Progress [Pi =pressure in plasma; 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)] MAST 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

ITER Key ITER technologies fabricated and tested by industry 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

Schlussbemerkung

Engpass bei Energiequellen, insbsondere 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

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 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 Energy Supply and Climate Change,Bad Honnef, Germany, May 26-29 2008 UrQuelle: AKE2008F_Heraeus

Reste

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“

Erdgeschichtliche CO2-Konzentrationen Heute 380 ppm Erdgeschichtliche CO2-Konzentrationen 200 240 280 320 360 160 380 2006 CO2-Konzentration (ppm) 1750 100'000 200'000 300'000 400'000 500'000 600'000 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

Wenn sich mit dem amtlichen Szenario bei Priorität AtomAusstieg 40 % weniger CO2 in 2020 verwirklichen lässt, dann lässt sich bei Abkehr von dieser Priorität auch ein 50+% CO2-Einsparziel bis 2020 erreichen.