Physik der Energiegewinnung - Linac-AG - Goethe

Physik der Energiegewinnung
Prof. Dr. Holger J. Podlech
Institut für Angewandte Physik (IAP)
Goethe-Universität Frankfurt am Main
H. Podlech
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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
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2
Aus der Presse
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Bevölkerung - Energiebedarf
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Entspricht 16.000.000.000 t Steinkohle
H. Podlech
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Entspricht 17.000.000.000 t Steinkohle
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LINAC AG •
IAP •
Goethe Universität Frankfurt
Physik der En
nergiegewinnung
Energieverbrauch und Einkommen
Gapminder.org
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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
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LINAC AG •
IAP •
Goethe Universität Frankfurt
Physik der En
nergiegewinnung
Vergleich China-USA
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LINAC AG •
IAP •
Goethe Universität Frankfurt
Physik der En
nergiegewinnung
Energieverbrauch Prognose
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IAP •
Goethe Universität Frankfurt
Physik der En
nergiegewinnung
LINAC AG •
OECD/IEA
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Prognose ohne Energiewende
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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
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LINAC AG •
IAP •
Goethe Universität Frankfurt
Physik der En
nergiegewinnung
Globale Temperatur seit 1860
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LINAC AG •
IAP •
Goethe Universität Frankfurt
Elektrofahrzeuge
Physik der En
nergiegewinnung
?
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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
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Zeitliche Verfügbarkeit von Energie
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LINAC AG •
IAP •
Goethe Universität Frankfurt
Physik der En
nergiegewinnung
Solare Deckung (Photothermik)
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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
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LINAC AG •
IAP •
Goethe Universität Frankfurt
Physik der En
nergiegewinnung
Solare Deckung (Photovoltaik)
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LINAC AG •
IAP •
Goethe Universität Frankfurt
Physik der En
nergiegewinnung
Solare Deckung (Photovoltaik Æ Akkus)
Sonnenkonto24.de
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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
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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
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LINAC AG •
IAP •
Goethe Universität Frankfurt
Physik der En
nergiegewinnung
EEG Umlage
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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/€
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Ressourcen und
Potenziale
Physik und Technik
der Energieerzeugung
Diskussionen
Vorlesung
Politische und
wirtschaftliche
Rahmenbedingungen
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Prognosen und
zeitl. Entwicklungen
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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
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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
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•
Fossile Energieträger (Öle, Kohlen, Gase)
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•
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
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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
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