LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Physik der Energiegewinnung Prof. Dr. Holger J. Podlech Institut für Angewandte Physik (IAP) Goethe-Universität Frankfurt am Main H. Podlech 1 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Literatur • „Energie“, K. Heinloth, Teuber-Verlag, 1997 • „Die Energiefrage“, K. Heinloth, Vieweg-Verlag, 2003 • „ABC-Energie“, M. Bockhorst, Books on demand, 2002, • „Accelerator Driven Subcritical Reactors“, S. David u. A., Institute of Physics, 2003 • „Regenerative Energiesysteme“, V. Quaschning, Hanser-Verlag, 2003 • „Brennstoffzellen“, S. Karamanolis, Vogel-Verlag, 2003 • „Energieerzeugung Energieerzeugung und Klimaschutz“ Klimaschutz , M. M Mach Mach, TU Berlin Berlin, 2003 • „Regenerative Energiequellen“, M. Meliß, Springer-Verlag, 1997 • „Physik unserer Atmosphäre“, W. Roedel, Springer-Verlag, 2000 • „Erneuerbare Energien“, M. Kaltschmitt u. A., Springer-Verlag, 2003 •„Kraftwerkstechnik“, K. Strauß, Springer-Verlag,1998 H. Podlech 2 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Der physikalisch bessere Name: Physik der Energieumwandlung Physik der Energienutzung H. Podlech 3 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Weltenergiebedarf anschaulich Weltenergieverbrauch: 17 Mrd t SKE davon 12 Mrd t SKE fossile Energieträger 17000 GW Durchschnittliche Weltleistung H. Podlech 4 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt spiegel.de i ld 1% der BIP weltweit notwendig, um Klimaerwärmung entgegen zu wirken Æ 270 M Mrd d €/Jahr €/J h 2. Hälfte 21. Jahrhundert: 20% des Welt-BIP für Folgen g der Klimaänderung Æ 5500 Mrd €/Jahr H. Podlech 5 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt • Durch die Einspeisevergütung werden die Kosten auf die Allgemeinheit umgelegt umgelegt. • Für die PV-Anlagen, die bis 2010 gebaut sind müssen die Stromkunden bis 2020 mehr als 77 Mrd € aufbringen. aufbringen • Einspeisevergütung: 2012 14 Mrd 2012: M d€ 2013: 19 Mrd € 2014: 24 Mrd € • 2013 betrug der PV-Anteil an der Stromproduktion 5% H. Podlech 6 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt • Energie: griechisch: en-ergon = innere Arbeit (nicht physikalisch) • Energie ist eine fundamentale Größe • Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet werden (Titel der Vorlesung!!) g ) • Energieerhaltung (Noether-Theorem, Symmetrie der Natur) • Einheit der Energie g ist das Joule H. Podlech 7 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Umrechnung verschiedener Energieeinheiten J eV Cal kWh kgSKE J 1 6*1018 0.24 2.8*10-7 3.3*10-8 eV 1.6*10-19 1 4*10-20 4.4*10-26 5*10-27 Cal 4 185 4.185 2 5*10 2.5 1019 1 1 2*10 1.2 10-66 1 4*10 1.4 10-77 kWh 3.6*106 2*1025 1 0.12 kgSKE 30*106 1.8*1026 7*106 8.5 1 H. Podlech 8.6*105 8 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Große Energieeinheiten 1 Peta-Joule (PJ) = 1015 J 1 PJ ≈ 280 Mio kWh ≈ 33000 tSKE Verbrauch D/Jahr: ≈14500 PJ 1 Exa-Joule (EJ) = 1018 J 1 EJ ≈ 280 Mrd kWh ≈ 33 Mio tSKE Verbrauch Welt/Jahr: ≈ 500 EJ ≈ 17 Mrd tSKE Energieverbrauch: Primärenergie H. Podlech 9 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Fundamentaler Zusammenhang zwischen Masse und Energie Umwandlung mÆE Kern: MeV/GeV Atom: eV/GeV Energieinhalt in 1 kg Materie: entspricht dem Energiebedarf Deutschlands in zwei Tagen H. Podlech 10 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt 1.1 Erscheinungsformen der Energie • Arbeit • Wärme • Mechanische Bewegungsenergie • Mechanische Ruheenergie (potentielle Energie) • Energie elektrischer Ströme und Ladungen • Energie elektromagnetischer Strahlung und Felder • Chemische (Bindungs)-Energie • Nukleare N kl (Bi (Bindungs)-Energie d )E i Problem: Nutzbarmachung der Energie Verschiedene „Wertigkeit Wertigkeit“ H. Podlech 11 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Arbeit Allgemein: Arbeit=Kraft x Weg H. Podlech 12 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Wärme Mit Q bezeichnet Energieinhalt der ungeordneten Bewegung von Atomen u. Molekülen Q [J, Cal, kWh] Bei mehratomigen Strukturen zusätzlich Rotation und Vibration Jeder Freiheitsgrad trägt mit E=0.5kT pro Molekül bei Wertigkeit: Niedrig H. Podlech 13 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Mechanische Bewegungsenergie Ekin, T: [J, eV] Wichtig für Wind- und Wasserkraft Translation und Rotation Wertigkeit: hoch/mittel H. Podlech 14 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Mechanische Ruheenergie Epot: [J, eV] Wichtig für Wasserkraftwerke Wertigkeit: Mittel/hoch H. Podlech 15 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Energie der elektromagnetischen Strahlung E: [J, eV] Schlecht zu speichern Wertigkeit: mittel H. Podlech 16 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Energie des elektrischen Stroms E: [J, Ws, kWh] Schlecht zu speichern Wertigkeit: hoch H. Podlech 17 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Chemische Energie E: [J, eV] g g der Atome und Moleküle Bindungsenergie Massendefekt klein C+O2ÆCO2+4.2eV Bei der Verbrennung g von 1 kg g Kohlenstoff ((5x1025 Atome)) werden 2.1x1026 eV=3.4x107 J frei 9.4 kWh 1 kg Steinkohle entspricht 8 8.5 5 kWh = 1 kg SKE Gut zu speichern H. Podlech Wertigkeit: mittel 18 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Nukleare Energie E: [J, MeV] 3 4 Frei werdende Bindungsenergie der Atomkerne H. Podlech 19 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Nukleare Energie Eisen S lt Spaltung F i Fusion H. Podlech 20 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Nukleare Energie durch Kernspaltung Beispiel: Spaltung von U-235 durch langsame Neutronen U235 + n Æ A + B + 2-3 n + 220 MeV Spaltung von 1 kg Uran-235: E=5.6x1032 eV = 9x1013 J = 2.5x107 kWh Vergleich: E(Kern)/E(Chemisch)=3x106 Gut zu Gu u spe speichern c e H. Podlech 21 Wertigkeit: g mittel LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Nukleare Energie durch Kernfusion D+T Æ He-4 + n + 17.6 MeV Fusion von 1 kg D-T-Gemisch: E=2x1033 eV = 3.4x1014 J = 9.5x107 kWh Spezifische Energieausbeute 4 mal so hoch als bei der Spaltung • Fusionsreaktionen • Primärbrennstoff (z.B. Lithium) • Einschluss Einschl ss (Magnet (Magnet- u. Trägheitsfusion) Trägheitsf sion) • Plasmaparameter • Lawson-Kriterium H. Podlech 22 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt 1.2 Erhaltung der Energie und Rahmenbedingungen bei der Energieumwandlung Der Energieinhalt in einem abgeschlossenen System kann nicht verändert werden. Die Energie oder ein Teil von ihr kann von einer Form in eine andere überführt werden. Die einzelnen Umwandlungsschritte können verlustbehaftet sein oder es kann prinzipiell nur ein Teil umgewandelt werden (z.B. Wärme in Arbeit). H. Podlech 23 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Einige Bemerkungen zur Thermodynamik 1. Hauptsatz Die Summe über alle Energieformen eines abgeschlossenen Systems bleibt erhalten Es gibt kein Perpetuum Mobile 1. Art H. Podlech 24 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Einige Bemerkungen zur Thermodynamik Exergie: In Arbeit umwandelbarer Teil der Energie Anergie: Nicht in Arbeit umwandelbare Energie Eges=Exergie+Anergie 2. Hauptsatz p Selbst bei reversiblen Prozessen kann Energie nicht vollständig in Exergie umgewandelt werden Es gibt kein Perpetuum Mobile 2. Art Die Entropie in einem abgeschlossenen System kann nicht abnehmen. H. Podlech 25 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Einige Bemerkungen zur Thermodynamik: Beispiel Carnot-Prozess 1824: Maximaler Wirkungsgrad, den eine Wärmekraftmaschine überhaupt besitzen kann Mehr bei Wärmekraftmaschinen Wichtig für Wärmekraftmaschinen, die mechanische Arbeit (Strom) aus Wärme gewinnen Æ Wirkungsgradsteigerungen H. Podlech 26 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Erzeugung g g von (Nutz)-Energie ( ) g ist verbunden mit: Emissionen E i i Verbrauch von Ressourcen Aus K. Strauß,, Kraftwerktechnik,, Springer p g • Luft (2.3 Mio m3/h) • Wasser (2000 t/h) • Kohle (240 t/h) • Kalkstein (12 t/h) • Kalk (880 kg/h) • Ammoniak (700 kg/h) • Salzsäure (240 kg/h) • Eisenchlorid (140 kg/h) • Natronlauge (90 kg/h) • Schwefelsäure (40 kg/h) • Sonstiges (2 kg/h) H. Podlech 740 MW Steinkohlekraftwerk 27 • Rauchgas (2.4 Mio m3/h) • Verdunstung (1000 t/h) • Abwasser (700 t/h) • Gips (17 t/h) • Flugstaub (16 t/h) • Schlacke (1500 kg/h) • Strom (740 MW) LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Erzeugung g g von (Nutz)-Energie ( ) g ist verbunden mit: Emissionen Verbrauch von Ressourcen Emissionen durch 100% Kohlestrom während 75 Jahren pro Person Abfälle durch 100% Atomstrom während 75 Jahren pro Person • 700000 kkg CO2 • 300 g Spaltprodukte • 5500 kg SO2 • 10 kg Strukturmaterial • 17000 kg Asche Aus K. Strauß, Kraftwerktechnik, Springer H. Podlech 28 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt 1.3 Wichtige Begriffe: Primär-, End- und Nutzenergie Primärenergie: Angebot an Energie vor jeglicher Umwandlung, z.B. Energieinhalt von Kohle, Uran, Öl, Ö usw. Endenergie: g Energie nach der vom Nutzer bestimmten Energieumwandlung, z.B. Energieinhalt des Benzins einer Raffinerie, Energie des Stroms aus einem Kraftwerk Nutzenergie: Energie die der Verbraucher wirklich nutzen kann Energie, kann, zz.B B Teil der Heizenergie, die tatsächlich zur Raumerwärmung genutzt wird. H. Podlech 29 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Primär-, End- und Nutzenergie Es gilt für D, EU, Welt: Primärenergie 3 H. Podlech : Endenergie : Nutzenergie 2 30 1 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Wirkungsgrad η Verhältnis der nutzbaren Energie nach der Energiewandlung zu der eingesetzten g Energie g vor der Energiewandlung g g n η = ∏ηi i =1 Wi k Wirkungsgradkette dk tt H. Podlech 31 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Wi k Wirkungsgrad d η einer i Leuchtstofflampe L ht t ffl M Bockhorst M. Bockhorst, abc abc-Energie, Energie S S. 511 H. Podlech 32 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Energieerntefaktor ε Der Wirkungsgrad beschreibt nur die Effizienz der Umwandlung g selbst. Es werden keine Aussage zur Effizienz des Gesamtsystems gemacht. • Bau und Betrieb einer Anlage • Förderung und Transport von Brennstoffen • Veredelung von Energieträgern • Umweltschutzmaßnahmen • Entsorgung von Abfällen • Abriss der Anlage H. Podlech 33 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Energieerntefaktor ε Leider eine sehr „weiche“ Größe Globalwirkungsgrad g g Für den Grenzwert sehr kleiner Erntefaktoren Erntefaktoren, wird δ durch ε bestimmt. bestimmt H. Podlech 34 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt E t f kt Erntefaktoren ε = 8 für Kohleverstromung 300 MW Kohle-KW 1 GW KKW Gesamtwirkungsgrad als Funktion des Erntefaktors H. Podlech 35 K. Heinloth, Energie, g S. 405 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Zusammenhang zwischen Energieverbrauch und Wirtschaftsleistung Primärenergieeinsatz in Deutschland 485 Mt SKE = 4000 Mrd kWh Bruttoinlandsprodukt 2000 Mrd € Energie/BIP = 2 kWh/€ 50% davon für Wertschöpfung: 1kWh/€ H. Podlech 36 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Benötigte Energie pro erwirtschafteten Euro K. Heinloth, Die Energiefrage, S.117 D. Spreng, Graue Energie, Energiebilanzen von Energiesystemen Teubner-Verlag, 1995 H. Podlech 37 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Entwicklung des Rohölpreises bereinigt 2005 2006 Golfkrieg 1 H. Podlech 38 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Zusammenhang Ölpreis-Wirtschaftswachstum Ölpreis Wirtschaftswachstum USA H. Podlech 39 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Entwicklung von Photovoltaikanlagen: Neu-Installationen Neu Installationen H. Podlech 40 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Entwicklung von Photovoltaikanlagen: Preise Preise pro kWp H. Podlech 41 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Förderung von Photovoltaikanlagen H. Podlech 42 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Windkraft: Entwicklung des Preise als Funktion der Leistung H. Podlech 43 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Windkraft: Entwicklung der installierten Leistung in D H. Podlech 44 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Windkraft: Entwicklung der installierten Leistung Welt H. Podlech 45 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Regenerative Energien: Einspeisevergütung 53,0 2014 H. Podlech 46 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt 1.4 Allgemeine Randbedingungen der Energieproduktion • Ausreichender Primärenergievorrat • Kosten pro kWh, Wirtschaftlichkeit • Umweltaspekte, Risikopotential • Transportfähigkeit • Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit • Speicherung • Akzeptanz H. Podlech 47 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt 2. Unser Umgang mit Energie Die physikalischen Einheiten der Energie: J, Ws, kWh, eV, ... Energiestatistiker verwenden: STEINKOHLENEINHEIT (SKE) Anschauliche Größe: 1 kg g SKE ca. 1 kg g Steinkohle 1 kg SKE = 8.5 kWh = 30 MJ 1 Mt SKE = 30 P(eta)J = 30x1015 J 1 Gt SKE = 30 E(xa)J = 30x1018 J Weltenergieverbrauch/a: 17 Gt SKE Weltenergieverbrauch/d: 48 Mt SKE Z mitit 20m Zug 20 llangen, 50t b beladenen l d W Waggons: 17000 km k Lä Länge !! H. Podlech 48 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt 2.1 Zeitliche Abhängigkeit des Energieverbrauchs Zeitliche Entwicklung des Verbrauchs wird bestimmt durch: • Bevölkerung • Energieverbrauch pro Person Gilt auch für Prognosen Grundsätzlich gilt: Energieverbrauch g hängt g von Personenzahl ab Aber: Verbrauch pro Person kann sehr verschieden sein (i di id ll und (individuell d iim Mitt Mittel) l) H. Podlech 49 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Entwicklung des Energieverbrauchs seit 1880 weltweit H. Podlech 50 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Entwicklung der Weltbevölkerung und des Energieverbrauchs seit 1880 K. Heinloth, Energie, S.31 H. Podlech 51 LINAC AG • IAP • Goethe Universität Frankfurt Energieverbrauch - Wirtschaftsleistung H. Podlech 52
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