Wissenschaftsjahr 2010: Geschichte und Zukunft der Energie - PowerPoint PPT Presentation

Loading...

PPT – Wissenschaftsjahr 2010: Geschichte und Zukunft der Energie PowerPoint presentation | free to download - id: 59f44b-OTE3M



Loading


The Adobe Flash plugin is needed to view this content

Get the plugin now

View by Category
About This Presentation
Title:

Wissenschaftsjahr 2010: Geschichte und Zukunft der Energie

Description:

... 1 Joule [J] = 1 Wattsekunde [Ws] = 1 VAs = 1 Nm = 1 kg m2/s2. ... Epot + Ekin = Egesamt = konstant. Demnach kann man kein Perpetuum Mobile erster Art bauen, ... – PowerPoint PPT presentation

Number of Views:0
Avg rating:3.0/5.0
Date added: 11 May 2020
Slides: 49
Provided by: Fre125
Category:

less

Write a Comment
User Comments (0)
Transcript and Presenter's Notes

Title: Wissenschaftsjahr 2010: Geschichte und Zukunft der Energie


1
Wissenschaftsjahr 2010 Geschichte und Zukunft
der Energie
Seniorenstudium der Universität Leipzig
Eröffnungsveranstaltung am 30.03.2010 Prof. Dr.
Dieter Freude www.energie-grundlagen.de
Herzlichen Dank an Dr. Christine Nieke und Yvonne
Weigert für die Einladung zu diesem Vortrag
2
Das Wissenschaftsjahr 2010 Geschichte und
Zukunft der Energie
Seniorenstudium der Universität Leipzig,
Eröffnungsveranstaltung am 30. März 2010 Prof.
Dr. Dieter Freude, www.energie-grundlagen.de
3
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 Lexikon nicht zu finden, siehe
    Conversationslexikon Leipzig, 9. Auflage 1844.

4
Wissenschaftliche Fundierung in der Neuzeit
  • Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646-1716), einer
    der berühmtesten Studenten 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. 

5
Der Energiesatz
Julius Robert von Mayer James
Prescott Joule Hermann von
Helmholtz (1814-1878)
(1818-1889)
(1821-1894)
  • Energie kann nicht erzeugt, sondern nur von der
    einen Form in die andere umgewandelt werden.
  • Das Wort "lebendige Kraft" anstelle von "Energie"
    gebrauchend, formulierten Julius Robert von
    Mayer, James Prescott Joule und Hermann Ludwig
    Ferdinand von Helmholtz diese Erkenntnis in den
    Jahren 1842-1847.

6
Einführung des Begriffs "Energie"
Thomas Young Lord Kelvin
William J. M. Rankine
(1773-1829)
(1824-1907)
(1820-1872)
  • Thomas Young hat 1800 erstmals das Wort "Energie"
    in der Physik verwendet. Aber die Einführung des
    für alle Bereiche der Physik gültigen Begriffs
    "Energie" erfolgte erst 1851-1852 durch William
    Thomson (Lord Kelvin) und William J. M. Rankine.

Thomas Young wurde mehr dadurch bekannt, dass er
durch Interferenzversuche mittels Beugung am
Spalt die noch heute gültigen Auffassungen über
die Wellennatur des Lichtes begründet hat.
7
Energie um 1900
  • 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 (siehe rechts) wird Energie
in heute noch übliche Gruppen eingeteilt
  • Mechanische Energie,
  • Wärme,
  • elektrische und magnetische Energie,
  • chemische und innere Energie,
  • strahlende Energie.

8
Einsteins Äquivalenz von Energie und Masse
  • Bewegt sich ein Körper mit der Ruhe-Masse m0 mit
    einer sehr hohen Geschwindigkeit v unterhalb der
    Lichtgeschwindigkeit c, dann wirkt anstelle der
    Ruhemasse m0 die relativistische Masse m (v) m0
    (1 v2/c2)-1/2. Ist v/c ltlt 1, kann man die
    Wurzel im Nenner der Gleichung in einer 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
9
Das Maß für die Energie
  • Die Einheit der Energie wurde 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).
  • Leistung ist Energie geteilt durch die Zeit und
    hat die nach James Watt benannte Einheit Watt.
    Einige Energieeinheiten entstehen aus der
    Leistung 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 verwendet man
Steinkohleeinheiten (SKE) oder Öleinheiten (RÖL).
1 tSKE entspricht 29,3076 GJ und 1 tRÖL
entspricht 41,868 GJ. Verbrennung von 1 kg
Steinkohle erzeugt die gleiche Wärme wie Heizung
mit ca. 8 kWh. Ein Jahr lang mit 1 kW heizen (1
kWa) gleicht Verbrennung von ca. 0,75 Tonnen
Rohöl.
10
Täglicher Energiebedarf des Menschen
  • Pro Tag braucht der Mensch seit jeher etwa 3 kWh
    für Nahrung und noch 3 kWh für Heizung. In
    Europa waren die Menschen des Mittelalters
    bereits gut gekleidet und bauten große Häuser.
    Dafür brauchten sie 24 kWh. Von den heutigen 150
    kWh pro Tag entfallen nur 6 kWh auf reine
    Nahrung, aber mehr als 12 kWh auf deren Transport
    und Zubereitung.

Im Jahr 2006 liegt der durchschnittliche tägliche
Energieverbrauch (per capita) in Indien bei 12
und in den USA bei 268, der Weltdurchschnitt bei
58 kWh. Würden im Jahre 2050 zehn Milliarden
Menschen den heutigen Energieverbrauch der USA
erreichen, müsste sich die Bereitstellung von
Primärenergie gegenüber 2006 fast verzehnfachen.
http//www.eia.doe.gov/pub/international/iealf/tab
lee1c.xls
11
Die mechanische Energie
  • Zur mechanischen Energie gehört die 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 entsteht
    durch Bewegung einer Masse m mit der
    Geschwindigkeit v
  • Ekin ½ m v2.
  • Auch ein rotierender Körper enthält kinetische
    Energie, und die elastische Verformung eines
    Körpers enthält potenzielle Energie.
  • Wenn keine mechanische Energie in eine andere
    Energieform umgewandelt wird, gilt der
    mechanische Energieerhaltungssatz
  • Epot
    Ekin Egesamt konstant.
  • Demnach kann man kein Perpetuum Mobile erster Art
    bauen, das kontinuierlich Arbeit leistet und
    dauernd in Bewegung bleibt.

12
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.
13
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. Die heutigen Formulierung
ist Die Entropie S kann 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)
14
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 die
    Industrie und an Dienstleister.

Zwischen Kraftwerk und Steckdose sind
Übertragungsleitungen und Umspanner, z. B. von
10 kV beim Erzeuger hoch auf 400 kV für
Übertragung und zuletzt runter auf 230 V für
Verbraucher. Die elektrische Leistung ist das
Produkt aus Spannung U und Stromstärke I
Pel U I. Für
die ohmschen Verluste der Übertragungsleitungen
mit dem Widerstand R gilt
PVerlust R I2. Vermeidbare
elektrische Verluste in der Wohnung entstehen zum
Beispiel durch den stand-by-Betrieb
elektronischer Geräte (3 Milliarden in
Deutschland) und den Gebrauch von Glühlampen
anstelle von Sparlampen.
15
Elektromagnetische Energie
Die elektrische Feldenergie ist durch das
Volumenintegral ihrer Energiedichte wel ½ E D
gegeben. E bezeichnet hier die elektrische
Feldstärke und D die dielektrische Verschiebung.
In einem mit der Spannung U aufgeladenen
Kondensator der Kapazität C beträgt die
gespeicherte Energie Eel ½ C U2. Für die
magnetische Feldenergie ist wmag ½ H B. Hier
ist H die magnetische Feldstärke und B die
Induktion. Für eine vom Strom I durchflossene
Spule gilt Emag ½ L I2 (L ist die
Selbstinduktivität der Spule). Eine
elektromagnetische Feldenergie entsteht
bei bewegten elektrischen Ladungen, also auch bei
allen Strahlungen. Es ist wel-mag ½ ED ½ HB.
16
Chemische Energie
Die in chemischen Verbindungen gespeicherte
chemische Energie ist die bei einer Reaktion von
Substanzen frei werdende Bindungsenergie. Vor
allem kennen wir sie als Verbrennungsenergie bei
Kraftmaschinen. Hingegen wird beim Akkumulator
erst elektrische Energie in chemische Energie
umgewandelt, dann gespeichert und zuletzt wieder
in elektrische Energie zurückverwandelt.
Bilder aus Energiewelten
17
Kernenergie
Bei Kernspaltung und Kernfusion ergibt sich ein
Massendefekt ?m. Der Energiegewinn ist E ?m c2
mit c als Lichtgeschwindigkeit.
Kernspaltung
Kernfusion
Bilder aus Brockhaus Multimedia
18
Energie aus Kernspaltung
  • Ende 2008 waren weltweit 438 Kernspaltungs-Kraftwe
    rke in Betrieb, 42 im Bau, 80 in der Planung und
    weitere 130 im Gespräch. Deutschland erzeugt
    derzeit ein Viertel seiner Elektroenergie durch
    Kernspaltung. Andere Länder liegen zwischen 0
    wie Neuseeland und 76 wie Frankreich.

Zwei Risiken haben die friedliche Nutzung der
Kernspaltung unbeliebt gemacht
Erstens Beim Betrieb eines 1-GW-KKW fallen pro
Jahr einige radio-aktive Abfälle an, darunter 300
kg des a-Strahlers Plutonium, das eine
Halbwertszeit von ca. 24 000 Jahren hat.
Das Bild rechts zeigt das KKW Gundremmingen. Die
zwei 1,3-MW-Blöcke des KKW decken etwa 30 der
Stromerzeugung in Bayern und ersparen der Umwelt
in Deutschland 2,5 der gesamten
Kohlendioxid-Emissionen.
Zweitens Das kann schmelzen!
Probleme könnten jedoch beim Siedewasserreaktor
auftreten, falls es bei einer Katastrophe auch
zum Ausfall der Nachwärmeabfuhr kommt. Das kann
ein Aufheizen des Brennstoffs verursachen und
Kernstrukturen zum Schmelzen bringen. Im
schlimmsten Fall kommt es zu einer Zündung von
entstandenem Wasserstoff und einer Detonation,
die das Fundament zerstört und eine
Grundwasserverseuchung bewirkt. Ein solches
früher fast für unmöglich gehaltenes Szenarium
ist durch terroristische Bedrohungen stärker ins
Blickfeld gerückt.
19
Zukünftige Kraftwerke für Kernspaltung
  • Kernkraftwerke der nächsten Generation bringen
    zwar noch keinen Fortschritt bei der Entsorgung,
    erschweren aber eine Kernschmelze. Nach dem Jahr
    2020 sollen Hochtemperaturreaktoren (engl. very
    high temperature reactor, VHTR) auch
    Kugelbettreaktor (engl. pebble bed reactor, PBR)
    genannt, zum Einsatz kommen. Die USA, Japan, und
    China entwickeln Reaktoren dieses Typs.

Der Kugelbettreaktor zeichnet sich durch einen
geringen Uranverbrauch und Einsatz zur
Fernwärmenutzung aus. Die Verwendung von
Heliumgas als Kühlmittel und Graphit als
Moderator erlaubt Temperaturen von 300 bis 950
C. Die mit 8 spaltbarem Material
angereicherten Brennstoffkerne haben einen
Durchmesser von nur 0,5 mm. Sie sind mit drei
Schichten aus Siliziumcarbid und pyrolytischem
Graphit ummantelt, die ein extrem großes
Rückhaltevermögen für Spaltprodukte bis zu sehr
hohen Temperaturen (1600 C) haben. Die kleinen
Kugeln sind in eine Brennelement-Graphitmatrix
von 6 cm Durchmesser eingepresst, siehe obige
Abbildung. Dieses Brennmaterial schmilzt auch
nach Verlust der Kühlung kaum.
20
Kernfusion
  • Bei der Fusion eines Deuterium- und eines
    Tritium-kerns entstehen ein Alpha-Teilchen, ein
    Neutron und 17,6 MeV Energie. Die rechte
    Abbildung zeigt die Fusionsreaktion
  • 2H 3H ?4He n 17,6 MeV.
  • Hauptproblem bei der Fusion auf der Erde ist die
    extreme Reaktionstemperatur. Bei mehr als hundert
    Millionen Grad muss das Reaktionsplasma auf einer
    stabilen Position fern von jeglichem Material
    bleiben.

Von zukünftigen Fusionskraftwerken erwartet man
im Gegensatz zu Kernspaltungs-kraftwerken keine
Probleme mit Beschaffung und Entsorgung von
Brennstoffen. Abfälle, wie zum Beispiel der
Reaktor selbst nach Ablauf der Nutzungsdauer,
strahlen zwar auch, aber 99 des strahlenden
Materials hat eine Halbwertszeit von weniger als
10 Jahren. Das erste technische Fusionskraftwerk 
wird aber kaum noch vor dem Jahre 2030 erwartet.
21
Qualität des Fusionsprozesses
  • Die Qualität eines Fusionsprozesses kann durch
    den Quotienten Q aus durch Fusion erzeugter Wärme
    durch die zur Aufrechterhaltung der hohen
    Temperatur zugeführte Wärme betrachtet werden.
    Bis Ende des vergangenen Jahrhunderts war mit JET
    (Joint European Torus) Q 0,5 erreicht. Es wurde
    also doppelt soviel Energie verbraucht, als
    gewonnen werden konnte.
  • Seit 2005 wird in Cadarache im Rahmen eines von
    den USA, Russland, Japan, China, Südkorea und
    Euratom getragenen 10-Milliarden-Projekts ITER
    (International Thermo-nuclear Experimental
    Reactor) ein Fusions-Reaktor für 0,5 GW und 500 s
    Impulslänge aufgebaut. Das Ziel ist, einen Wert
    von Q 10 zu erreichen. Die aktuelle
    Zielstellung (von Ende 2009) ist, dass der
    Betrieb 2018 mit Wasserstoff aufgenommen wird,
    und 2026 eine Deuterium-Tritium-Reaktion
    realisiert werden kann.

22
International Thermo-nuclear Experimental Reactor
ITER
  • Die Abbildung aus www.iter.org zeigt einen
    Schnitt des Plasmarings. Die supraleitenden
    Spulen müssen auf die Temperatur von 4 K
    abgekühlt werden und befinden sich deshalb in
    einem mit flüssigem Helium gefüllten Kryostat.

50 Meter
23
Erhöhung des Wirkungsgrads von Dampfmaschinen
  • James Watt baute 1782 die erste zweiseitig
    betriebene Niederdruckdampfmaschine mit
    Drehbewegung.

James Watt (1736-1819)
Der Wirkungsgrad einer Dampfmaschine bezeichnet
den Anteil an Wärmeenergie, der in mechanische
Energie umgeformt werden kann. Den höchsten
Wirkungsgrad hat der Carnot-Prozess mit
h (Th -
Tc) / Th. Es ist also eine möglichst hohe
Temperatur Th des heißen Dampfes anzustreben.
Die Kühltemperatur Tc von etwa 300 K kann kaum
verändert werden. Die Watt'sche
Niederdruckdampfmaschine arbeitete mit einer
Dampftemperatur Th unterhalb 400 K und einem nur
geringen Überdruck von etwa 0,3 bar. Der geringe
Wirkungsgrad von 3 war durch geringe
Temperaturdifferenz, Abweichung vom
Carnot-Prozess und hohe Reibungsverluste der
Maschine verursacht.
24
Dampfturbinen heute
  • In Kraftwerken, betrieben mit fossilen und
    nachwachsenden Brennstoffen, Kernreaktionen oder
    Solarthermie, werden Gas- und Dampfturbinen
    eingesetzt. Bessere Materialeigen-schaften lassen
    800 C als obere Temperaturgrenze erwarten. Damit
    wird in der  Zukunft ein Anstieg des
    Wirkungsgrads der Turbinen im Einzelbetrieb von
    40 auf 50 möglich.

Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke dienen
überwiegend der Stromerzeugung, wobei
Gasturbinen- und Dampfturbinenprozess miteinander
kombiniert werden. Links ist ein Schnitt durch
eine SIEMENS-150-MW-Dampfturbine dargestellt.
Rechts wird die Montage einer 340-MW-Gasturbine
gezeigt. Im GuD-Kraftwerk wird mit ein bis drei
Gasturbinen und einer Dampfturbine Elektrizität
erzeugt. Die heißen Abgase der Gasturbinen werden
in einem Abhitze-Dampfkessel zur Erzeugung von
Wasserdampf verwendet. Aus der Kombination beider
Turbinenarten ergeben sich sehr hohe
Kraftwerks-Wirkungsgrade, derzeitig bis 60 .
25
Wärmepumpen
  • Links unten wird gezeigt, wie innerhalb eines
    Kühlschranks dem Inneren Wärme entzogen und nach
    außen abgegeben wird. Bei der Heizungs-Wärmepumpe
    rechts wird die Wärme von einem äußeren Medium
    ins Innere des Gebäudes gepumpt.

Die Energieeinsparung bei Heizung mit Wärmepumpen
lässt sich mit dem Carnot-Prozess erklären. Th -
Tc ist wiederum proportional zur mechanischen
Energie, die nun allerdings die durch die Pumpe
aufgewendete Energie darstellt. Tc bezeichnet die
Kühltemperatur, während Th die Heiztemperatur
ist. Der Wirkungsgrad ist mit

Th / (Th - Tc) wesentlich größer als eins .
26
Brennstoffzellen
Schematischer Aufbau einer Brennstoffzelle, wobei
Wasserstoff durch Methan oder Methanol und der
reine Sauerstoff durch Luft (20 O2) ersetzt
werden können. An der Anode läuft die
Oxidationsreaktion (Elektronenabgabe) 2 H2  ?  4
H 4 e- , an Kathode die Reduktionsreaktion
(Elektronenaufnahme) O2 4 H 4 e-  ?  2 H2O.
Insgesamt entsteht als Abgasprodukt Wasser durch
2 H2 O2 ?  2 H2O.
27
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
28
Deutschland als Windkraft-Weltmeister
  • Ende 2008 waren in Deutschland etwa 20 000
    Windkraftanlagen mit einer Gesamt-Leistung von
    etwa 24 GW in Betrieb. Nur 2 GW mit einer
    durchschnittlichen Nennleistung von reichlich 2
    MW pro Anlage waren  2008 dazugekommen, während
    der Zuwachs in den USA über 8 GW betrug. Seitdem
    liegen die USA (25 GW) an erster und Deutschland
    an zweiter Stelle bei der Elektroenergieerzeugung
    durch Wind, die in Deutschland etwa 8 des
    Gesamtstrombedarfs deckt.
  • 80 der in Deutschland 2008 hergestellten
    Anlagen wurden exportiert.

Übliche Durchmesser von Windrädern sind 50 m bei
einer installierten Leistung von 1 MW und 126 m
bei einer 5-MW-WKA. Letztere wird vor allem auf
dem offenen Meer (off shore) eingesetzt. Die
installierte Leistung oder auch Nennleistung
einer Windkraftanlage entspricht der abgegebenen
elektrischen Leistung bei der Nenngeschwindigkeit
zwischen 12 und 16 m/s, also bei optimalen
Windbedingungen. Im Binnenland kann im
Jahresmittel eine Auslastung von 23 erreicht
werden. Dieser Wert erhöht sich auf 28 an der
Küste und auf 43 für Off-Shore-Anlagen.
29
Die dritte Potenz der Windgeschwindigkeit
Windenergie ist die kinetische Energie der
bewegten Luft. Die kinetische Energie einer
Masse m mit der Geschwindigkeit v ist
Die Luftmasse m kann man aus der Luftdichte ? und
dem Luftvolumen V gemäß m ? V bestimmen.
Damit erhalten wir
Die Leistung ist Energie geteilt durch Zeit. Wir
betrachten einen kleinen Zeitabschnitt Dt, in dem
die Luftteilchen die Wegstecke s Dt v
durchströmen . Multipliziert man s mit der
Rotorfläche A des Windrads, ergibt sich ein
Volumen von DV A v Dt, das während dieses
kleinen Zeitabschnitts das Windrad antreibt. Als
Windleistung haben wir
Damit steigt die Leistung einer WKA zwischen 3
m/s und 15 m/s um den Faktor 125.
30
Das Windproblem im Energienetz
Abbildung aus K. Heinloth Die Energiefrage,
Vieweg 2003
Wind weht unterschiedlich. Im Binnenland werden
maximal 23 der installierten Leistung
erreicht. Überlandleitungen und
Kompensations-Elektrizitäts-Kraftwerke müssen
jedoch für 100 der installierten Leistung
bereit gestellt werden.
Aus der Mühle schaut der Müller, der so gerne
mahlen will, stiller wird der Wind und stiller,
und die Mühle stehet still. So gehts immer wie
ich finde, ruft der Müller voller Zorn, hat man
Korn so fehlt's am Winde, hat man Wind so fehlt's
am Korn. (Wilhelm Busch)
31
Solarzellen
Solarzellen sind elektrische Bauelemente, die
Sonnenlicht direkt in elektrische Energie
umwandeln. Grundlage ist der photovoltaische
Effekt an einem Übergang vom  positiv zum negativ
dotierten Bereich eines halbleitenden Materials.
Das Wort Photovoltaik (PV) steht für den Einsatz
von Solarzellen zur Elektroenergiegewinnung.
Das Bild zeigt einen polykrystallinen Waver mit
10 cm Kantenlänge. Der als "Dickschicht"
bezeichnete Si-Waver ist 250 µm dick und erreicht
Wirkungsgrade um 20 . Dünnschicht-Zellen haben
eine Dicke von etwa 10 µm und werden aus
kristallinem oder aus amorphen billigerem
Material (Wirkungsgrad etwa 10 ) hergestellt.
Die wirtschaftliche Amortisierung von PV-Anlagen
ist schwer zu beurteilen. Die energetische
Amortisationszeit in Jahren, in der die PV-Anlage
soviel Energie erzeugt, wie für die Herstellung
der Anlage aufgewandt wurde, ist für
Dünnschichtmodul-Anlagen 23 Jahre, für
polykristalline Zellen 35 Jahre, für
monokristalline Zellen 46 Jahre. Dazu muss die
Sonne wie in Afrika kräftig scheinen. In Leipzig
ist mit den doppelten Zeiten zu rechnen.
32
40-Megawatt-PV-Anlage Waldpolenz
Derzeit weltgrößte Anlage, Kosten ca. 130 Mio
Euro, Modulfläche ist 400.000 m², 550.000 Module
des Typs CdTe-Dünnschicht, ca. 40 Millionen kWh
pro Jahr, was 4,6 MW Durchschnittsleistung (24 h
an 365 Tagen) entspricht.
33
Solarthermik
Solarthermik, auch Solarthermie genannt,
bezeichnet die Umwandlung von Sonnenenergie in
technisch nutzbare Wärme. Die über ein Jahr
gemittelte Leistung der Sonnenstrahlung variiert
auf der Erde zwischen 50 und 250 Watt pro m².
34
Sonnenwärmekraftwerk
Die Sahara-Wüste bietet sich für ein
Sonnenwärmekraftwerk an (Solarwärmekraftwerk,
solarthermisches Kraftwerk oder thermisches
Solarkraftwerk sind Synonyme). Dabei wird die
Sonnenenergie in thermische Energie umgeformt und
diese mit anderweitig erprobten Techniken mittels
Generatoren in elektrische Energie umgewandelt.
Die am häufigsten angewendeten Verfahren bündeln
die Sonnenstrahlung mit Reflektoren.
Parabolrinnenkollektoren, siehe rechts,
übertragen die die Wärme auf ein Rohr mit
überhitztem Wasserdampf oder Thermoöl. Im
ersteren Fall kann der Wasserdampf die Turbine
direkt antreiben, im letzteren Fall braucht man
einen Wärmeübertrager. Im Jahre 2007 ist (als
modernstes Kraftwerk dieser Art) Nevada Solar One
in der Nähe von Las Vegas im amerikanischen
Bundesstaat Nevada ans Netz gegangen. Es hat eine
Leistung von 64 MW und verwendet auf einer Fläche
von 1,4 km² fast zwanzigtausend Parabolspiegel
von je 4 m Länge, die dem Stand der Sonne
nachgeführt werden.
35
Nachhaltigkeit
Durch Gewinnung von Brennstoffen und Rohstoffen
schädigen die Menschen seit jeher ihre Umwelt.
Der Schaden kann gering gehalten werden, wenn
die Gewinnung nachhaltig erfolgt. Der Begriff
Nachhaltigkeit (engl. sustainability) wurde
erstmals 1713 vom kursächsischen
Oberberghauptmann Hans Carl von Carlowitz
eingeführt. In seiner Abhandlung über die
Baumzucht, siehe links, fordert er, "eine sothane
(hochdeutsch dergestalte) Conservation und Anbau
des Holtzes anzustellen, daß es eine
continuierliche beständige und nachhaltende
Nutzung gebe", um die Holznot im Bergbau zu
überwinden. Nachhaltiges Wirtschaften in Land-
und Forst-wirtschaft ist dadurch zu erreichen,
dass die lebenden Ressourcen nur in dem Maße
genutzt werden wie sie nachwachsen. Inzwischen
sind Begriffe ökologische Nachhaltigkeit, ökonomis
che Nachhaltigkeit, soziale Nachhaltigkeit und
sogar digitale Nachhaltigkeit im ähnlichen Sinne
definiert worden.
36
Nicht-Nachhaltigkeit und Umweltrisiken
Bodenschätze sind alle mineralischen Rohstoffe im
festen oder flüssigen Zustand (außer Wasser) und
die Erdgase auf unserem Planeten. Sie können nie
oder zumindest nicht in historischen Zeiträumen
nachwachsen. In den nächsten Jahrhunderten
werden die meisten Ressourcen verbraucht sein.
Aber die gegenwärtige Gewinnung und die Nutzung
der Bodenschätze birgt viele Umweltrisiken.
Umweltrisiken werden unterschiedlich beurteilt,
und eine genaue Voraussage der erwarteten
Umweltschäden ist nicht möglich. Über die
Risiken, wie den Treibhauseffekt, besteht aber
kein Zweifel. Die wichtigsten Treibhausgase sind
Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Stickoxide,
Ozon und Fluorkohlenwasserstoffe. Die Moleküle
wirken unterschiedlich stark und treten in
unterschiedlichen Konzentrationen auf. Zum
Beispiel verursacht ein Methanmolekühl den
25-fachen Effekt des Kohlendioxidmoleküls, aber
Methan tritt in relativ geringen Konzentrationen
auf. Eine Abschätzung des Beitrags einzelner Gase
ergibt die Reihenfolge Wasserdampf, Kohlendioxid,
Methan und Ozon, wobei die Nachfolgenden in
dieser Reihe etwa den halben Beitrag wie die
Vorhergehenden liefern.
?
Temperaturerhöhung durch Treibhauseffekt
37
Weltenergievorräte
Physikalisch betrachtet beruhen die
Weltenergievorräte fast ausschließlich auf
Kernenergie und zu einem sehr kleinen Teil aus
Gravitationsenergie. Die Gravitation bestimmt
auch die Drehung des Mondes um die Erde und damit
die Gezeiten der Weltmeere. Einige
Gezeitenkraftwerke leisten einen sehr kleinen
Beitrag zur Energieerzeugung. Die Kernenergie
hält die Erde warm. Von außen strahlt die Sonne
mit Hilfe der Kernfusion und im Inneren der Erde
wird eine Temperatur von etwa 7000 K durch
Kernspaltung aufrecht erhalten. Man kann sich die
Sonne als Fusionsreaktor und das Erdinnere als
Kernspaltungsreaktor vorstellen. Das Potenzial
dieser von den Menschen unabhängigen
Energievorräte wird noch Milliarden von Jahren
reichen. Aber die im 21. Jahrhundert geborenen
Menschen werden selbst erleben wie sich
wichtige Energiequellen erschöpfen, die die
Menschheit zweihundert Jahre lang extensiv
ausgebeutet hat.
38
Fossile Brennstoffe
Das Wort fossil (von lat. fossilis
"ausgegraben) wurde von Agricola eingeführt.
Der als Vater der Mineralogie bekannte Georgius
Agricola (1494-1555), siehe Bild links, war
1514-1518 Student in Leipzig und veröffentlichte
1546 sein berühmtes Werk "De natura
fossilium". Fossilien werden Stoffe genannt, die
in geologischer Vorzeit (zehntausend bis eine
Milliarde Jahre) aus Abbauprodukten von toten
Pflanzen und Tieren entstanden sind. Die Erdgas-
und Erdöllagerstätten sind eine Milliarde bis 100
Millionen Jahre alt. Die Entstehung der
Steinkohle liegt 500 bis 100 Millionen Jahre
zurück. Im Zeitraum von vor 100 bis 10 Millionen
Jahren ist die Braunkohle entstanden.
39
Reserven und Ressourcen von Brennstoffen
Bei den Bodenschätzen Erdöl, Erdgas, Kohle und
Uran unterscheidet man zwischen Reserven und
Ressourcen. Reserven sind einheitlich definiert
als derzeit technisch und wirtschaftlich
gewinnbare Bodenschätze. Ressourcen sind die
Mengen eines Energierohstoffs, die geologisch
erwartet oder nachgewiesen sind, aber derzeit
nicht wirtschaftlich gewonnen werden können.
http//www.bgr.bund.de/nn_330718/DE/Themen/Energie
/Bilder/Kurzstudie2009/Ene__Kurz2009__Energie__Ver
gleich__g.html
40
Reserven und Ressourcen von Erdöl
Die
Erdölreserven wachsen zwar ständig durch die
Erkundung neuer Quellen. Es besteht aber kein
Zweifel darüber, dass jetzt (Jahr 2010) die
fossilen Lager etwa zur Hälfte geleert sind, und
die Reserven insgesamt in der Mitte des laufenden
Jahrhunderts erschöpft sein werden. Die Menge
des Erdöls wird in der Volumeneinheit Barrel
gemessen. Barrel kommt vom englischen Wort für
Fass, und international wird bei  Erdöl das
US-amerikanische Barrel verwendet, das genau
158,987 Litern entspricht. Die Ende der Jahre
1988 bzw. 2008 bekannten Reserven (Studie von BP,
British Petrol) waren 998 bzw. 1258 109 Barrel.
Nach einer Studie des BGR (Bundesanstalt für
Geowissenschaften und Rohstoffe ) waren Ende 2008
Reserven von 1175 109 Barrel und zusätzlich 
Ressourcen von 666  109 Barrel vorhanden.  Im
Jahre 2008 wurden weltweit nach BP 31 109 und
nach  BGR 29 109 Barrel Erdöl verbraucht. Eine
Erschöpfung der Erdölvorräte in diesem
Jahrhundert gilt also als sicher.
41
Reserven und Ressourcen von Erdgas
Für Erdgas wird eine Erschöpfung des fossilen
Vorrats gegen Ende des jetzigen Jahrhunderts
erwartet, wobei etwa 2020 die fossilen
Lagerstätten zur Hälfte geleert sein werden. Die
erkundeten Vorräte sind von 110 1012 m3 im
Jahre 1988 auf 185 1012 m3 im Jahre 2008
gestiegen. Der Verbrauch hat sich aber weltweit
in diesem Zeitraum etwa verdoppelt und lag laut
BP im Jahre 2008 bei 3 1012 m3. Bemerkenswert
ist, dass fast ein Drittel der erkundeten
Reserven (48 von 188 1012 m3) und fast die
Hälfte der Ressourcen (106 von 239 1012 m3) in
Russland liegen.
42
Reserven und Ressourcen von Kohle
Der Kohleverbrauch (harte und weiche Sorten
zusammengefasst) von 2008 betrug weltweit knapp 7
Milliarden Tonnen (6,767 109 t). Als Reserve
werden 999 109 t und als Ressource 19770 109
t genannt. Der jährliche Verbrauch wird sicher
nach Erschöpfung von Erdöl und Erdgas
beträchtlich steigen. Die Vorräte reichen aber
noch weit bis ins nächste Jahrhundert.
43
Reserven und Ressourcen von Uran
Bei den natürlichen Uranvorräten werden Reserven
mit weniger als 40 USD pro kg Uran gewonnen,
während Ressourcen nur mir größeren Kosten
abgebaut werden können. Verwendet man den
weltweiten Uranverbrauch von 2008 mit 64615
Tonnen und die derzeit bekannten Reserven von
1,7664 106 t, reichen die Reserven nur noch bis
zum Jahr 2032. Entdeckt sind noch Ressourcen mit
einem Preis von weniger als 130 USD pro kg
Natururan und einer Masse von 3,8 106 t,
weitere 2,8 106 t werden prognostiziert und
weitere 7,8 106 t Vorräte gelten als
spekulativ. Mit dem Preis von 130 USD pro kg
Natururan wird man wahrscheinlich weiter
thermische Kernkraftwerke betreiben. Man kann
auch noch das Meerwasser als Uranquelle
betrachten, da es zu einem Gewichtsanteil von 3
10-9 Natururan enthält. Das ist aber
wirtschaftlich unsinnig. Wahrscheinlicher ist
die Verwendung schneller Brüter (Brutreaktor) zur
wesentlich effektiveren Ausnutzung des
Natururans. Damit sind zusätzliche erhebliche
Umweltrisiken verbunden. Die Erschöpfung der
Uranvorräte könnte jedoch weit in das nächste
Jahrhundert verlegt werden.
44
Metanhydrat als fossiler Rohstoff?
Unkonventionelle Energiequellen, deren Abbau mit
hohen Umweltrisiken verbunden und relativ teuer
ist, sind Ölsand und Ölschiefer und vor allem
Methanhydrat. Letzteres hat weder in die Reserven
noch in die Ressourcen Eingang gefunden, obwohl
es wahrscheinlich die größte fossile
Energiequelle ist. Das Bild links zeigt eine
Schätzung des Anteils verschiedener fossiler
Energiequellen.
Methan ist in den Ozeanen von Bakterien gebildet
worden. Sie haben das gelöste Kohlenstoffdioxid
zu Methan umgewandelt oder Biomaterial des
Meeres abgebaut.
in 109 t Kohlenstoff, IFM GEOMAR
Japan hat ein Forschungsprogramm zur
Energiegewinnung aus Methanhydratvorkommen und
stellt den Beginn der kommerziellen Förderung
nach 2018 in Aussicht.
Forschungen werden derzeit auch mit dem Ziel
durchgeführt, Gashydrate als Kohlenstoffdioxidspei
cher zu nutzen. Dabei soll CO2 als Hydrat am
Meeresboden gelagert werden, während durch seine
Einleitung gleichzeitig Methan freigesetzt wird.
45
Erneuerbare Energien
Aus Energiewelten
Die wesentlichsten als erneuerbar bezeichneten
Energiequellen sind Bioenergie (Holz, Biomasse,
Energiepflanzen), Geothermie (tief oder
oberflächennah), Solarenergie (Photovoltaik,
Solarthermie), Wasserkraft und Windenergie. Da
die täglich auf die Erde eingestrahlte
Sonnenenergie um einige Größenordnungen über dem
menschlichen Bedarf an Energie liegt, braucht man
sich um das Gesamtpotenzial der erneuerbaren
Energie keine Sorgen zu machen. Bei der
Bioenergie muss jedoch die nachhaltige Nutzung
garantiert werden. Die Bezeichnung "erneuerbare
Energien" hat den selben physikalischen Makel wie
das Wort Energiequellen, weil in der Physik der
Energieerhaltungssatz gilt. Besser wäre die die
Formulierung "Verfügbarkeit nachhaltiger Energie".
46
Erneuerbare Energien für Stromerzeugung
Die Grafik des BMU zeigt die Entwicklung der
Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in
Deutschland von 1990 bis Ende 2009. Ziel der
Bundesregierung (EEG 2009 vom 25.10.2008) ist,
dass der Anteil erneuerbarer Energien am
Bruttostromverbrauch von 15,1 im Jahre 2008 auf
mindestens 30 im Jahre 2020 steigt.
47
EE im Gesamtenergieverbrauch 2009
Die Grafik des BMU zeigt den Anteil erneuerbarer
Energien am Energieverbrauch in Deutschland im
Jahre 2009.
48
Energiemix der Zukunft
Der Wissenschaftliche Beirat der Bundesregierung
"Globale Umweltveränderungen" hat im Jahre 2003
die aus seiner Sicht erwarteten Veränderungen im
globalen Energiemix in obiger Grafik dargestellt.
About PowerShow.com