Physik der Energiegewinnung - Linac-AG - Goethe
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Physik der Energiegewinnung Prof. Dr. Holger J. Podlech Institut für Angewandte Physik (IAP) Goethe-Universität Frankfurt am Main H. Podlech 1 Warum eine Vorlesung zur Energie? Die Bereitstellung von Energie wird das wichtigste Problem der Menschheit im 21. Jahrhundert. Wohlstand, Wasserversorgung, Klima, Nahrung Überraschende Zusammenhänge, Komplexe Lösungen H. Podlech 2 Aus der Presse H. Podlech 3 Bevölkerung - Energiebedarf H. Podlech 4 Entspricht 16.000.000.000 t Steinkohle H. Podlech 5 Entspricht 17.000.000.000 t Steinkohle H. Podlech 6 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Physik der En nergiegewinnung Energieverbrauch und Einkommen Gapminder.org H. Podlech 7 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Googles Energieverbrauch Physik der En nergiegewinnung 2.5·109 kWh Dabei wurden 1.46 Mio t CO2 generiert 100 Suchanfragen benötigen eine Energie, mit der eine 60 W Glühbirne 28 min leuchtet Das Internet benötigt z.Z. ca 25 GW H. Podlech 8 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Physik der En nergiegewinnung Vergleich China-USA H. Podlech 9 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Physik der En nergiegewinnung Energieverbrauch Prognose H. Podlech 10 IAP • Goethe Universität Frankfurt Physik der En nergiegewinnung LINAC AG • OECD/IEA H. Podlech Prognose ohne Energiewende 11 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Brennstoffbedarf von Kohlekraftwerken Elektrische Leistung 1923 MW (5 Blöcke) Physik der En nergiegewinnung Brennstoffbedarf pro Stunde: 575 Tonnen B Brennstoffbedarf t ffb d f pro Jahr: J h 4.5 4 5 Milli Millionen T Tonnen Kraftwerk Staudinger H. Podlech 12 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Physik der En nergiegewinnung Globale Temperatur seit 1860 H. Podlech 13 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Elektrofahrzeuge Physik der En nergiegewinnung ? H. Podlech 14 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Elektrofahrzeuge Problem: Speichertechnologie (Akkus) Physik der En nergiegewinnung 1 KWh Speicherkapazität benötigt 1.5 kg Lithium 70 ps (51 kW) Æ 2 St Stunden d B Betrieb t i b Æ 102 kWh S Speicher i h 150 kg Lithium Förderung 93000 t/a: 620000 Fahrzeuge/a (z.T. ca. 50 Millionen/a) Zur Zeit abbauwürdige Vorkommen: 4 Millionen t H. Podlech 15 Zeitliche Verfügbarkeit von Energie H. Podlech 16 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Physik der En nergiegewinnung Solare Deckung (Photothermik) H. Podlech 17 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Physik der En nergiegewinnung Installierte Photovoltaikleistung Vergleichen Sie Zahlen!! Æ 19000 GWh entspricht der Energiemenge, die 2.5 Kernkraftwerke in einem Jahr liefern H. Podlech 18 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Physik der En nergiegewinnung Solare Deckung (Photovoltaik) H. Podlech 19 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Physik der En nergiegewinnung Solare Deckung (Photovoltaik Æ Akkus) Sonnenkonto24.de H. Podlech 20 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Elektrische Solarspeicher Physik der En nergiegewinnung Akkus auf Blei oder Lithium-Basis Blei‐Gel Lithium‐Ionen‐Polymer Nennkapazität (kWh) 8 6.4 Entladetiefe (%) 50 90 Nutzbare Kapazität (kWh) 4 5.7 Vollzyklen 2700 5000 Wirkungsgrad (%) 85 95 Preis (€) Preis (€) 8500 11500 Entnahme gesamt (kWh) 9180 27075 Kosten/kWh (ct/kWh) 92 42 Beispiel: IBC Solarspeicher Stand 10.2013 H. Podlech 21 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Physik der En nergiegewinnung • Eine Erhöhung des Barrel-Ölpreises um 1 $ entspricht weltweit einer Zusatzbelastung der Wirtschaft von 31 Milliarden Dollar im Jahr bei einem Verbrauch von 85 Millionen Barrel/Tag. • Eine Ei Erhöhung E höh d des St Strompreises i um einen i € C t pro Kilowattstunde €-Cent Kil tt t d entspricht weltweit einer zusätzlichen Belastung von 180 Milliarden Euro pro Jahr. • Für Deutschland bedeutet eine Strompreiserhöhung um 0,1 Cent/kWh eine volkswirtschaftliche Mehrbelastung von jährlich 380 Millionen Euro. Æ Erhöhung der Öko-Umlage um 1 ct/kWh auf 6.4 ct/kWh ab 1.1.2014 Æ 24 Mrd €/Jahr in D H. Podlech 22 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Physik der En nergiegewinnung EEG Umlage H. Podlech 23 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Zusammenhang zwischen Energieverbrauch und Wirtschaftsleistung Physik der En nergiegewinnung 2001 Primärenergieeinsatz in Deutschland 485 Mt SKE = 4000 Mrd kWh Bruttoinlandsprodukt 2000 Mrd € Energie/BIP = 2 kWh/€ 50% davon für Wertschöpfung: 1kWh/€ H. Podlech 24 Ressourcen und Potenziale Physik und Technik der Energieerzeugung Diskussionen Vorlesung Politische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen H. Podlech Prognosen und zeitl. Entwicklungen 25 Struktur der Vorlesung • Grundlagen zur Energie (Einheiten, Umwandlung, Erntefaktoren, • Primär-, Nutz- und Endenergie, Arten der Energiequellen) • Energieverbrauch (Zeitliche Entwicklung, Prognosen, regionale Analyse) • Energiebedarf und Rahmenbedingungen (Wirtschafts– und • • • • • • • • • • • Bevölkerungsentwicklung) Verkehr Landwirtschaft Erneuerbare Energieformen Windkraftanlagen Solarenergie (Photovoltaik, Photothermik, Aufwindanlagen…) Biomasse (Biogas, fl. Kraftstoffe, feste Brennstoffe) Wasserkraft (Gezeiten-, Wellen-, Durchflusskraftwerke…) Geothermie Potenzial der einzelnen Energiequellen (Verfügbarkeit, Erntefaktoren) Prinzip und Wirkungsweise Kosten, Umweltaskpekte • • • • • H. Podlech • • • • • • • Fossile Energieträger (Öle, Kohlen, Gase) • • • • • • • • • • Nukleare Energieformen g Vorkommen, Entstehung, Abbau, Transport, Umwandlungsformen Energieumwandlung Wärmekraftmaschienen, Wirkungsgrad, Kraftwerke Umweltbelastungen Künstlicher und natürlicher Treibhauseffekt Kohlenstoffkreislauf Kernspaltung Kernfusion Reaktortypen Fission (LWR, SWR, PWR, Brüter, HTR, EPR) Reaktortypen Fusion (Stellarator, Tokamak, HIF, LASER Fusion) Gewinnung und Potenzial der Primärbrennstoffe (Li, U, Th,…) Aufarbeitung Brennstoffzyklus Aufarbeitung, Energiebilanzen Radioaktive Belastungen, Sicherheitskonzepte Zukünftige Entwicklungen (ADS, Nuclear Waste Transmutation) Energiespeicherung (kurz- und langfristig) Speicherkraftwerke, Brennstoffzellen… Transport von Energie Risikobegriff Diskussion zur Vorlesung 26 Ei bi Ein bisschen h Bürokratie Bü k ti Die Vorlesung hat 4 CP Æ 2 SWS Vorlesung g Æ 1 SWS Übung (3 Ü-Blätter), 50% Æ Modulabschlussprüfung Æ Mündlich nach Absprache H. Podlech 27
