ppt - Universität Leipzig

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
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
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.
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.
Der Energiesatz
Julius Robert von Mayer
(1814-1878)
James Prescott Joule
(1818-1889)
Hermann von Helmholtz
(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.
Einführung des Begriffs "Energie"
Thomas Young
(1773-1829)
Lord Kelvin
(1824-1907)
William J. M. Rankine
(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.
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)  Mechanische Energie,
wird Energie in heute noch
 Wärme,
übliche Gruppen eingeteilt:
 elektrische und magnetische Energie,
 chemische und innere Energie,
 strahlende Energie.
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 << 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
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.
Mit 1 J kann man auf
der Erde einen 102 g
schweren Apfel
um 1 m anheben.
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] .
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.
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/tablee1c.xls
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.
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.
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.
Sadi Carnot
(1796-1832)
Demnach kann man keine Maschine bauen (Perpetuum
Mobile zweiter Art), die kontinuierlich Arbeit leistet, indem
sie einem System Wärme entzieht.
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.
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 E·D + ½ H·B.
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
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
Energie aus Kernspaltung
Ende 2008 waren weltweit 438 Kernspaltungs-Kraftwerke 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:
Das Bild rechts zeigt das KKW
Gundremmingen. Die zwei 1,3MW-Blöcke des KKW decken
etwa 30 % der Stromerzeugung
in Bayern und ersparen der
Umwelt in Deutschland
2,5 % der gesamten
Kohlendioxid-Emissionen.
Erstens:
Beim Betrieb eines 1-GWKKW fallen pro Jahr einige
radio-aktive Abfälle an,
darunter 300 kg des
a-Strahlers Plutonium,
das eine Halbwertszeit von
ca. 24 000 Jahren hat.
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.
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 BrennelementGraphitmatrix von 6 cm Durchmesser eingepresst, siehe obige Abbildung.
Dieses Brennmaterial schmilzt auch nach Verlust der Kühlung kaum.
Kernfusion
Bei der Fusion eines Deuterium- und eines Tritiumkerns 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 Kernspaltungskraftwerken 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.
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 Thermonuclear 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.
International Thermo-nuclear Experimental Reactor
ITER
50 Meter
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.
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.
Dampfturbinen heute
In Kraftwerken, betrieben mit fossilen und nachwachsenden Brennstoffen, Kernreaktionen
oder Solarthermie, werden Gas- und Dampfturbinen eingesetzt. Bessere Materialeigenschaften 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 %.
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
η = Th / (Th − Tc)
wesentlich größer als eins .
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.
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
Deutschland als Windkraft-Weltmeister
Ende 2008 waren in Deutschland etwa 20 000 Windkraftanlagen mit einer GesamtLeistung 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.
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 ρ und dem Luftvolumen V gemäß
m = ρ V bestimmen. Damit erhalten wir
Die Leistung ist Energie geteilt durch Zeit. Wir betrachten einen kleinen Zeitabschnitt t,
in dem die Luftteilchen die Wegstecke s = t v durchströmen . Multipliziert man s mit der
Rotorfläche A des Windrads, ergibt sich ein Volumen von V = A v t, 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.
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 geht’s 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)
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 2–3 Jahre,
für polykristalline Zellen 3–5 Jahre, für monokristalline Zellen 4–6 Jahre. Dazu muss die
Sonne wie in Afrika kräftig scheinen. In Leipzig ist mit den doppelten Zeiten zu rechnen.
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.
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.
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.
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 Forstwirtschaft ist dadurch zu erreichen, dass die
lebenden Ressourcen nur in dem Maße genutzt
werden wie sie nachwachsen.
Inzwischen sind Begriffe ökologische Nachhaltigkeit,
ökonomische Nachhaltigkeit, soziale Nachhaltigkeit
und sogar digitale Nachhaltigkeit im ähnlichen Sinne
definiert worden.
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

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.
Fossile Brennstoffe
Das Wort fossil (von lat. fossilis "[aus]gegraben“)
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.
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__Vergleich__g.html
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.
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.
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.
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.
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
in 109 t Kohlenstoff, gebildet worden. Sie haben das gelöste
Kohlenstoffdioxid zu Methan
IFM GEOMAR
umgewandelt oder Biomaterial
des Meeres abgebaut.
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 Kohlenstoffdioxidspeicher zu
nutzen. Dabei soll CO2 als Hydrat am
Meeresboden gelagert werden,
während durch seine Einleitung
gleichzeitig Methan freigesetzt wird.
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".
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.
EE im Gesamtenergieverbrauch 2009
Die Grafik des BMU zeigt den Anteil erneuerbarer Energien
am Energieverbrauch in Deutschland im Jahre 2009.
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.