Elektrische Energie

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Elektrische Energie
Wo kommt der Strom her?
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Inhalt

• Definition einer Einheit zur Energieerzeugung in
  großem Maßstab
• Ein Beispiel für Energierzeugung aus Wasserkraft
  Niagara hydropower facility
• Balance zwischen elektrischem und touristischem
  Wirkungsgrad
• Energie Erzeugung in Deutschland
• Anmerkungen zu den Energieträgern

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Earthlights
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Earthlights und Energie

• Die Karte zeigt Aufnahmen verschiedener Regionen
  zu ihrer Nachtzeit, zu einem Bild zusammengesetzt
• Das Aussehen der Erde hat sich im Laufe der
  letzten 150 Jahre offensichtlich verändert
• Damals wäre, außer einigen Buschfeuern, nichts zu
  sehen gewesen
• Die weltweite Beleuchtung erfordert elektrische
  Energie
• Elektrische Energie in dieser Größenordnung
  entsteht bei Umwandlung von kinetischer-,
  potentieller-, Bindungs-Energie zwischen Atomen
  oder Kernbausteinen oder Strahlungsenergie mit
  von Menschen ersonnener Technik
• Die Wahl des Energieträgers hängt von der
  Bewertung der Umstände ab, z. B. der
  Verfügbarkeit und der Gefahren beim Umgang
• In jedem Fall wird in die Natur eingegriffen im
  Gleichgewicht mit der Natur ist es in der Nacht
  finster, so wie es die letzten 20 Milliarden
  Jahre war

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Im Folgenden verwendete Einheit für Leistung in
großem Maßstab 2,4 GW aus Wasserkraft an den
Niagara-Fällen
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Niagara hydropower facility

• Niagara is the biggest electricity producer in
  New York State, generating 2.4 million
  kilowattsenough power to light 24 million
  100-watt bulbs at once!
• This low-cost electricity saves the state's
  residents and businesses hundreds of millions of
  dollars a year.

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Niagara hydropower facility

• To balance the need for power with a desire to
  preserve the beauty of Niagara Falls, the United
  States and Canada signed a treaty in 1950 that
  regulates the amount of water diverted for
  hydroelectricity production.
• On average, more than 200,000 cubic feet per
  second (cfs) flow from Lake Erie into the Niagara
  River.
• The 1950 pact requires that at least 100,000 cfs
  of water spill over the Falls during the daylight
  hours in the tourist season, April through
  October.
• This flow may be cut in half at night during this
  period and at all times the rest of the year.
• Quelle http//www.nypa.gov/facilities/niagara.htm
  

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• This flow was once cut completely

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Energieflussbild 2004 für Deutschland, in Mio. t
SKE (Quelle AG-Energiebilanzen) (1 SKE29,31 MJ)
Angaben in GW oder Niagara Einheiten sinnvoll!
Quelle http//www.umweltbundesamt.de/dux/en-inf.h
tm_ftnref1
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Quellen elektrischer Energie in Deutschland
PS Daten aus 1999 mit 552,5 TWh Bruttostromerzeugung und 488,7 TWh Nettostromverbrauch,  davon 27 Private Haushalte, 47 Industrie und 26 Handel, Gewerbe und Dienstleistungen. Quelle Energie für Deutschland, Fakten Perspektiven und Positionen im globalen Kontext, 2000, World Energie Council.   
Mittlere Leistung 63 GW
Quelle http//huegelland.tripod.com/strom.htm
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Ein Bild für den Leistungsbedarf in Deutschland
26 Niagara-Fälle zu je 2,4 GW 62,4 GW
26 Niagara-Fälle würden benötigt, um aus
Wasserkraft die in Deutschland benötigte
elektrische Leistung von ca. 63 GW zu erbringen
Bei 82 Millionen Einwohnern Leistungsbedarf pro
Mensch ca. 800 W
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Welcher Energieträger ist sinnvoll?

• In Deutschland gibt es keine den Niagarafällen
  entsprechende Wasserquellen
• Windkraft und Solarenergie sind als Ergänzungen
  sinnvoll. Ziel der derzeitigen Regierung Ausbau
  auf 20 Anteil, aber
• Diese Energiegewinnung hängt vom Wetter ab
• Unbekannte Langzeit-Wirkung des Energie-Entzugs
  aus bodennahen Luftströmungen auf das lokale
  Klima und das Wachstum von Pflanzen. Wind ist
  nicht nur Energieträger, sonder bewirkt massiven
  Materialaustausch, verteilt die Samen von
  Pflanzen usw.
• Woher kommen die restlichen 80?

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Öl, Kohle und Gas

• Öl, Kohle und Gas sind leicht zu handhaben, aber
  ihre Verbrennung erzeugt CO2 , das Klima kann
  beeinflusst werden
• Hohe Materialumsätze (etwa 400t 10 Güterwagen
  Kohle pro Stunde werden für ein 1,2 GW Kraftwerk
  benötigt) führen zu hohem Transportaufkommen und
  erhöhten Unfallrisiken bei Transport und
  Gewinnung (z. B. Unfälle im Kohlebergbau)
• Bleibt zur Groß-Erzeugung die Kernkraft. Die
  Leistung eines mittleren Kernkraftwerks ist mit
  der Leistung des Niagara-Kraftwerks (2,4 GW)
  vergleichbar.

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Wie steht es mit der Kernkraft?

• Für Kernkraft spricht
• um etwa den Faktor 105 höhere Energiedichte des
  Brennstoffs (Masse wird über Emc2 in Energie
  verwandelt) gegenüber chemischer Verbrennung
• Keine gasförmigen Verbrennungsprodukte (CO2)
• ? wenige, dafür riskante Transporte (Castor)
• Aber Problem der Endlagerung

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Masse, die der in Deutschland in einem Jahr
benötigten Energie entspricht
Einheit
1 J Energieverbrauch in einem Jahr in Deutschland 2 Exajoule, Mittlere Leistung von
1 kg Masse, äquivalent zu der in Deutschland in einem Jahr benötigten Energie 21 kg
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Abschätzung des Materialbedarfs für den
Jahresbedarf an elektrischer Energie für
Deutschland, 2 Exajoule

• Umsatz von 1 kg angereichertem Uran (Anreicherung
  an U 235 auf 3,3) bringen im Kraftwerk etwa 30
  1012 J, bei Tausch der Brennelemente nach
  Verbrauch von 2/3 des vorhandenen U 235 zum
  Vergleich Brennwert von 1 kg Steinkohle 25 106
  J
• Zur Erzeugung von 2 1018 J sind daher
• (2 1018)/(30 1012) 7 105 kg, etwa 700 t
  angereichertes Uran erforderlich

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Transport zum Kraftwerk

• Die hohe Energiedichte reduziert das
  Transportaufkommen
• In 12 Castor Behältern werden jährlich etwa 144 t
  abgebranntes Material transportiert,
• das entspricht dem Abbrand der Kernkraftwerke in
  Deutschland (30 Anteil der Kernenergie)
• Vergleich mit Steinkohle Transportaufkommen etwa
  das 106 fache

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Anreicherung

• Bei der vollständigen Verbrennung von 1 kg
  Uran 235 wird 1 g im Energie umgewandelt
• Natururan kann nur in wenigen Reaktortypen
  eingesetzt werden, die meisten benötigen auf ca.
  4 mit Uran 235 angereichertes Material.
• Anreicherung von 0,7 auf 3,5 erfordert die
  5-fache Menge Natururan, für 700 t angereichtes
  Material werden 3 500 t Natururan verarbeitet

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Abschätzung des Bedarfs an Uranerzen

• Abbau der Erze zur Urangewinnung ab mindestens
  0,1 bis 0,5 Uran im Gestein
• 1 kg Natururan sind in ca. 1000 kg Erz enthalten.
• Um 3 500 t Natururan zu gewinnen, müssen etwa
  3,5 106 t Erz gefördert werden.
• Information zu Energie-Fragen
• http//www.hamburger-bildungsserver.de/welcome.pht
  ml?unten/klima/energie

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Anmerkung zur Energiediskussion in Deutschland

• Leistung von 63 GW (entsprechend 26 Niagara-Fall
  Kraftwerke) ist unabhängig vom Energieträger
  nicht auf sanfte Weise zu erhalten
• Risiken und Wirkung der Anlagen auf die
  Lebensqualität sind bei keiner Art des
  Energieträgers vernachlässigbar
• Sinnvoll ist Energieerzeugung aus
  unterschiedlichen, der Region angepassten Quellen