BAND 3 SEHEN HÖREN MITMACHEN Energie

Transkript

1 BAND 3 Energie SEHEN HÖREN MITMACHEN

2 Inhalt Energie und Gesellschaft Was ist Energie? 4 Wie misst man Energie? 5 Wie misst man Leistung? 6 Was versteht man unter Primärenergie? 6 Wie gewinnt man Energie? 7 Wer verbraucht die meiste Energie? 8 Wann sind die Energiequellen der Erde verbraucht? 10 Gehen in hundert Jahren die Lichter aus? 10 Fossile Energie ein Zeitalter geht zu Ende Woher kommen Kohle, Öl und Erdgas? 12 Wie funktioniert ein Kraftwerk? 14 Auf den Wirkungsgrad kommt es an 16 Belasten Öl und Kohle die Umwelt? 17 Kernenergie Wie ist ein Atom aufgebaut? 20 Radioaktivität Kernspaltung Kettenreaktion Wie funktioniert ein Kernkraftwerk? 24 Ist die Kernenergie gefährlich? 26 Die Sonne unsere Zukunft Warum scheint die Sonne? 28 Wie viel Energie schickt die Sonne zur Erde? 28 Was ist ein Sonnenkollektor? 29 Was ist ein Solarkraftwerk? 30 Was ist eine Solarzelle? 32 Welche Vorteile und Anwendungsgebiete haben Solarzellen? 33 Wasser, Wind und Biomasse Was sind erneuerbare Energien? 34 Was versteht man unter Biomasse? 34 Was sind Energiepflanzen? 35 Wie kann man Gas aus Gülle gewinnen? 36 Was ist Wasserkraft? 37 Was ist Windkraft? 38 Hat die Windkraft eine Zukunft? 39 Was sind Offshore-Anlagen? 39 Kann man die Energie der Vulkane anzapfen? 41 Wasserstoff Energieträger des 21. Jahrhunderts? Steckt im Wasserstoff Energie? 42 Wie speichert man Wasserstoff? 43 Kann man Wasserstoff mit Sonnenenergie erzeugen? 44 Wo werden Brennstoffzellen eingesetzt? 44 Wird der Wasserstoff das Benzin ersetzen? 46 Ist die Kernfusion die Lösung aller Energieprobleme? 46 Glossar und Index 48

3 Kernenergie Wie ist ein Atom aufgebaut? In der Natur gibt es verschiedene chemische Grundstoffe, aus denen alle Dinge und auch wir Lebewesen aufgebaut sind. Zu den Grundstoffen gehören Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen. Das kleinste Eisenteilchen nennt man Eisenatom, das kleinste Wasserstoffteilchen Wasserstoffatom. Früher glaubte man, die Atome seien nicht mehr teilbar (griechisch atomos, unteilbar). Das stimmt jedoch nicht. Man kann zum Beispiel ein Sauerstoffatom zertrümmern. Seine Bestandteile sind dann nur kein Sauerstoff mehr. Dasselbe gilt für alle anderen chemischen Grundstoffe oder Elemente. Wasser ist kein chemischer Grundstoff. Seine kleinsten Teilchen, die Wassermoleküle, bestehen aus AUF DIE PROTONEN KOMMT ES AN Wasserstoff Helium Kohlenstoff Neutron Proton Elektron Die Zahl der Protonen im Atomkern entscheidet, zu welchem Element dieser Kern gehört. Wasserstoffatome haben zum Beispiel 1 Proton, Heliumatome 2 Protonen, Kohlenstoffatome 6 und Uranatome 92 Protonen im Kern. Kernkraftwerke wie hier in Biblis (Hessen) liefern rund 10 Prozent der in der Welt verbrauchten Energie und 17 Prozent des Stroms. 20

4 WINZIG UND NOCH TEILBAR Wie klein Atomkerne sind, kann man sich folgendermaßen klarmachen: Ein Wassertropfen besteht aus Atomen. So winzig ein einzelnes Atom ist, sein Kern ist noch viel kleiner. Er füllt nur 1/ des Raumes aus, der dem gesamten Atom zusteht! Trotzdem besitzt der Kern fast die ganze Masse des Atoms, ähnlich wie die Sonne fast die ganze Masse des Sonnensystems besitzt. einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Ein Atom ist so ähnlich aufgebaut wie unser Sonnensystem. Bei diesem kreisen um die massereiche Sonne in großem Abstand die Planeten. Beim Atom befindet sich der kleine massereiche Atomkern im Zentrum. Um diesen kreisen in riesigem Abstand winzige leichte Teilchen, die Elektronen. Der Kern ist elektrisch positiv geladen, die Elektronen sind negativ. Positive und negative Ladungen ziehen sich bekanntlich an. Die Elektronen werden also durch die elektrische Anziehungskraft des Kerns auf ihrer Bahn festgehalten, ähnlich wie die Sonne ATOM SONNENSYSTEM Saturn Mars mit ihrer Anziehungskraft die Planeten an sich bindet. Stellt man sich den Atomkern als Kirsche vor, so sind die Elektronenbahnen in diesem Maßstab so groß wie ein Fußballstadion. Jupiter Kern Sonne Elektron Merkur Venus Erde Im Sonnensystem kreisen die Planeten um die Sonne. Beim Atom kreisen die Elektronen um den Atomkern, der elektrisch positiv geladen ist und die negativ geladenen Elektronen anzieht. Atomkerne bestehen wiederum aus zwei Arten von noch kleineren Teilchen, den Protonen und Neutronen. Beide sind etwa gleich schwer und haben jeweils rund mal mehr Masse als ein Elektron. Das Neutron hat keine elektrische Ladung, das Proton dagegen ist elektrisch positiv geladen. Seine Ladung ist so groß wie die negative Ladung des Elektrons, nur eben positiv und damit wird der ganze Atomkern positiv. Protonen und Neutronen werden oft als Nukleonen oder Kernbausteine bezeichnet. Nach außen ist ein Atom elektrisch neutral. So kreist beim Wasserstoffatom ein Elektron um den Kern, der ein Proton enthält. Beim Kohlenstoffatom, das im Kern 6 Protonen hat, kreisen 6 Elektronen um den Atomkern. Diese gleichen nach außen die positive Ladung des Kerns aus. 21

5 RADIOAKTIVITÄT KERNSPALTUNG KETTENREAKTION Eigentlich müsste ein RADIOAKTIVITÄT Kohlenstoffatomkern sofort zerplatzen. In ihm befinden sich ja 6 positive Protonen, und positive Ladungen stoßen sich ab. Zwischen den Kernbausteinen wirkt jedoch eine andere, viel größere Kraft, die sogenannte Kernkraft. Sie wirkt nur bei kleinem Abstand. Bei den Protonen im Kern ist dies der Fall. Sie werden normalerweise von der Kernkraft zusammengehalten. Nicht alle Kerne sind jedoch so stabil wie der Kohlenstoffkern. Manche zerfallen plötzlich, indem sie mit großer Wucht kleine Teilchen ausschleudern. Diese Erscheinung nennt man Radioaktivität, die ausgesandten Teilchen bilden die radioaktive Strahlung. RADIOAKTIVITÄT Krypton-90 Heliumatomkern Alpha-Strahlung Elektron Beta-Strahlung Quanten Gamma-Strahlung freies Neutron Energie KERNSPALTUNG freies Neutron Uran-236 Uran-236 Uran-235 langsames Neutron Es gibt drei Arten von radioaktiver Strahlung. Alpha-Strahlung besteht aus Heliumatomkernen, die wiederum aus je zwei Protonen und Neutronen zusammengesetzt sind. Bei der Beta-Strahlung werden dagegen Elektronen abgegeben. Die Gamma-Strahlung schließlich besteht aus sogenannten Quanten, wie wir sie auch beim Licht oder bei der Röntgenstrahlung finden. Die Gamma-Quanten sind jedoch viel energiereicher als Röntgen- oder Lichtquanten. Radioaktive Barium-144 Strahlung ist sehr gefährlich und kann zu schweren Gesundheitsschäden oder zum Tod führen, da sie die Zellen, aus denen wir aufgebaut sind, schädigt oder zerstört. Beschießt man einen U-235-Atomkern mit einem nicht KERNSPALTUNG zu schnellen Neutron, so spaltet dieses den Kern. Dabei entsteht ein Zwischenkern U-236, der in mehrere Bruchstücke zerplatzt, zum Beispiel in einen Barium-144- Kern, einen Krypton-90-Kern und 2 neue Neutronen. Diese Bruchstücke haben etwas weniger Masse als der beschossene Kern und das Geschoss. Es geht also Masse verloren, die aber in einen großen Energiebetrag, die Kernenergie, umgewandelt wird. Schon der große Physiker Albert Einstein hatte entdeckt, dass man aus Masse riesige Energiemengen herstellen kann. Bei der Spaltung von einem Gramm U-235 kann man kwh Energie gewinnen! Mithilfe dieser Energie könnten helle Glühbirnen eine Stunde lang brennen. Man kann leicht verstehen, dass die Menschen vor 50 Jahren von den unglaublichen Möglichkeiten der Kernenergie fasziniert waren. Die Ernüchterung kam schnell: Die bei der Spaltung entstandenen mittelschweren Atomkerne sind meist stark radioaktiv und senden gefährliche Strahlen aus. Diese Stoffe können, wie 22

6 es die schweren Unfälle von Tschernobyl und Fukushima gezeigt haben, austreten. Hunderttausende können dadurch krank werden oder sterben. Auch ist es es ein Problem, diese radioaktiven Stoffe über Jahrtausende sicher zu lagern. In einem großen Stück Uran-235 oder Plutonium würde KETTENREAKTION sich, wenn wir es kurz mit Neutronen beschießen, in Bruchteilen von Sekunden Folgendes abspielen: Ein Kern wird gespalten und stößt 2 Neutronen aus. Diese spalten 2 weitere Kerne, welche im Schnitt 5 neue Neutronen freisetzen. Wenn vier davon Nachbaratomkerne treffen und diese spalten, so bilden sich 8 12 neue Neutronen. Diese spalten wieder Kerne, wobei jedes Mal ein großer Energiebetrag freigesetzt wird. Es entstehen noch mehr Neutronen, die wiederum Kerne treffen und spalten. Die Zahl der gespaltenen Kerne und damit die Energiegewinnung wächst in unvorstellbar kurzer Zeit lawinenartig an. Diesen Vorgang nennt man Kettenreaktion. WASSERSTOFF-ISOTOPE Normale Wasserstoffkerne bestehen aus einem einzigen Proton. Es gibt aber auch Wasserstoffkerne, die neben dem einen Proton noch ein oder zwei Neutronen im Kern haben. Die drei verschiedenen Wasserstoffarten nennt man Isotope des Wasserstoffs. Auch Uran mit seinen 92 Protonen im Kern hat verschiedene Isotope. Es gibt Urankerne mit 234 (aufgeteilt in 92 Protonen und 142 Neutronen), 235 (92 Protonen, 143 Neutronen) und 238 (92 Protonen, 146 Neutronen) Kernbausteinen. Man nennt sie U-234, U-235 und U-238. Auf die hier beschriebene unkontrollierte Art findet eine Kettenreaktion in der Atombombe statt. Dazu ist eine Mindestmasse des Kernbrennstoffs nötig, die man kritische Masse nennt. Bei Uran- 235 beträgt sie rund 23 Kilogramm, was einer Kugel von 13 Zentimetern Durchmesser entspricht. Unterschreitet man diese Massegrenze, so gehen zu viele Neutronen verloren, welche dann aus dem zu kleinen Uranstück herausfliegen, ohne einen Kern getroffen zu haben. Man kann Kettenreaktionen auch kontrolliert ablaufen lassen, indem man nur eine bestimmte Zahl von Spaltungen pro Sekunde zulässt. Genau das spielt sich in Kernkraftwerken ab. einfacher Wasserstoff Deuterium Tritium ALBERT EINSTEIN ( ) war einer der größten Physiker der Geschichte. Er fand heraus, dass man Materie in Energie verwandeln kann. Durch seine Entdeckung verstanden die Astronomen, warum die Sonne Jahrmilliarden lang leuchten kann. Sie wandelt nach Einsteins berühmter Formel E = mc 2 bei der Kernfusion Materie in Energie um (E = Energie, m = Masse, c = Lichtgeschwindigkeit). KETTENREAKTION 2. Neutronengeneration 3. Neutronengeneration 4. Neutronengeneration 1. Neutronengeneration

7 In einem Kernkraftwerk wird mithilfe von Kernenergie Strom erzeugt. Beim sogenannten Siedewasserreaktor wird in einem Wie funktioniert ein Kernkraftwerk? Reaktordruckbehälter die Kernenergie benutzt, um Wasser zu verdampfen. Der Behälter ersetzt also den riesigen Heizkessel eines Kohlekraftwerks. Der Dampf hat einen hohen Druck und treibt eine Turbine an. Diese wiederum setzt einen Generator zur Stromerzeugung in Bewegung. Was passiert nun genau in einem Reaktordruckbehälter? Hier befindet sich Umwälzpumpe Steuerstäbe der Reaktorkern, durch den das zu verdampfende Wasser strömt. Er enthält etwa 800 Brennelemente. In jedem von ihnen befinden sich einige Dutzend Brennstäbe. Das sind Metallrohre, die mit dem eigentlichen Kernbrennstoff gefüllt sind. Dieser besteht aus Urandioxid, einem Stoff, der in angereicherter Form spaltbares Reaktordruckbehälter Reaktordruckbehälter Brennelemente Sicherheitsbehälter (Betonabschirmung) Dampf Turbine BRUTREAKTOREN Uran-238-Atomkerne können Neutronen einfangen und sich dadurch in spaltbare Plutoniumkerne verwandeln. Diese können wie U-235 in Kernkraftwerken zur Energieerzeugung verwendet werden. In Brutreaktoren werden überschüssige Neutronen verwendet, um aus U-238-Kernen Plutoniumkerne zu machen. Der Reaktor erbrütet also neuen Brennstoff und erzeugt Energie. Da U-238 in großen Mengen vorhanden ist, kann man mit Brutreaktoren sehr viel neuen Kernbrennstoff gewinnen. Wegen der Gefährlichkeit dieser Technik wird sie in Deutschland, im Gegensatz zu anderen Ländern, zurzeit nicht weiter entwickelt. Dampferzeuger SIEDEWASSERREAKTOR Druckhalter Dampf Kühlturm Steuerstäbe Sekundärkreislauf Hochspannungsmast Strom Turbine Sog Brennelemente Generator Verrieselung Transformator Fluss Primärkreislauf Wasser Kondensator DRUCKWASSERREAKTOR Fluss

8 Atomenergie Energie, die aus der Spaltung großer oder der Verschmelzung (Fusion) kleiner Atomkerne gewonnen wird. Biogas Brennbares Gas, das mithilfe von Bakterien aus Biomasse wie Jauche, Gülle oder Grünschnitt gewonnen wird. Brennstoffzelle Bauelement in dem durch die chemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff elektrische Energie erzeugt wird. Erneuerbare Energien Energiequellen wie Sonne, Wind und Wasserkraft, die sich ohne unser Zutun erneuern. Fossile Brennstoffe Abgestorbene Pflanzen- und Tierreste, aus denen sich im Laufe der Erdgeschichte Brennstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas gebildet haben. Fotovoltaik Energieerzeugung Glossar mit Solarzellen sowie deren Entwicklung, Fertigung und deren Anwendung Geothermische Energie Energie, die aus den Wärmeströmen des Erdinneren gewonnen wird. Kernenergie siehe Atomenergie Kernfusion Die Verschmelzung (Fusion) kleiner Atomkerne zu größeren unter Energiegewinn Offshore-Anlage Eine Reihe von Windkraftanlagen (= Windpark) auf offener See Solarkraftwerk Anlage, in der mit Sonnenenergie eine spezielle Flüssigkeit verdampft wird. Die im heißen Dampf enthaltene Energie dient dann zur Erzeugung von elektrischer Energie. Solarzelle Anlage, in der Sonnenenergie direkt in Strom umgewandelt wird. Sonnenkollektor Einrichtung, die Sonnenstrahlen einfängt, sie in Wärme umwandelt und an einen sogenannten Wärmeträger, zum Beispiel Wasser, abgibt. Treibhauseffekt Erwärmung der Atmosphäre durch Gase wie Kohlendioxid und Methan, welche die von der Erde abgestrahlte Wärme einfangen. Wasserkraft Energiegewinnung durch bewegte Wassermassen Wasserstoff Leichtester und im Weltall häufigster chemischer Grundstoff. Wichtiger Energieträger bei einer normalen Verbrennung und bei der Kernfusion. Windkraftanlage Vorrichtung zur Energiegewinnung durch Wind mithilfe von großen, modernen Windrädern Index A Ampere 14 Atom 20, 21 Atombombe 7, 23 Atomkern 20, 21, 22, 28, 29, 47 Atommüll 27 Atmosphäre (physikal. Einheit) 42 B Bar 42 Benzin 6, 11, 42, 46 Bewegungsenergie 4, 5, 37 Biodiesel 35 Biogas 36 Biogas-Anlage 36 Biomasse 34, 35 Blockheizkraftwerk 16, 45 Braunkohle 12, 15, 17 Brennelement 24 Brennstab 7, 24, 25, 26, 27 Brennstoff, fossiler 7, 10, 12, 15, 17, 34, 44 Brennstoffzelle 43, 44, 45, 46 Brennwert 12, 15 Brutreaktor 24 C Castor-Behälter 26, 27 Chip 33 Core-Catcher 27 D Diesel 42 Dotierung 32 Druckwasserreaktor 24, 25, 26 E Einstein, Albert 22, 23 Elektroauto 44, 46 Elektrolyse 44 Elektrolyt 44, 45 Elektron 20, 21 Elektronenvolt 8 Emissionshandel 18 Endenergie 8 Endlager 27 energeia 4 Energieeinheit 5 Energie, elektrische 4, 5, 6, 11, 14, 16, 32 Energie, geothermische 40, 41 Energie, kinetische 5 Energie, potenzielle 5 Energiepflanze 35 Energiequelle, erneuerbare 7, 9, 34, 45 Energiequelle, regenerative 7, 34 Erdgas 4, 6, 7, 8, 9, 12, 13, 15, 18, 34, 36, 42, 43, 44 Erdöl 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 17, 34, 35 Erdwärme 9 F Fermenter 36 Fotovoltaik 9, 33 Fukushima 23, 26 G Gezeitenkraftwerk 39 Gülle 36 H Halbleiter 32 Heizöl 5, 6, 8, 11, 14, 15, 35, 36 Hektopascal 42 Hochtemperaturreaktor 25 Holz 35 Hot-Dry-Rock-Verfahren 41 I Insel-Lösung 32 Island 40 Isotop 23 J Joule 5 K Kalorie 5 Kettenreaktion 22, 23, 26 Kernbrennstoff 7, 23, 24 Kernenergie 4, 5, 9, 10, 20, 22, 24, 26, 27, 28 Kernfusion 11, 29, 46, 47 Kernkraftwerk 4,7, 20, 23, 24, 25, 26, 27, 28 Kernspaltung 22, 26, 47 Kohle 4, 7, 8, 9, 10, 12, 16, 17, 18, 34, 43 Kohlekraftwerk 16, 24, 28, 30 Kohlendioxid 8, 15, 16, 18, 19, 34, 35, 36, 43, 44 Kohlenstoff 8, 15, 20, 25, 47 Kraft-Wärme-Kopplung 16 Kraftwerk 11, 14, 15, 16, 17, 47 L Langzeitwärmespeicher 30 Leistung 6 Leistungseinheit 6 Lichtenergie 5 M Methan 19, 36 Methanhydrat 19 Methanol 42 N Negawatt 11 Neutron 20, 21, 22, 23, 24, 25 Niedrigenergiehaus 10 Nutzenergie 8 O Ölkrise 38 Ölsand 17 Offshore-Anlage 39 P Parabolrinne 31 Plutonium 7, 23 Primärenergie 6, 8, 11, 16 Primärenergieträger 6 Proton 20, 21, 22, 23 R Radioaktivität 22, 26, 27 S Sauerstoff 8, 13, 20, 44, 45, 47 Sekundärenergie 6, 8 Sekundärenergieträger 6 Siedewasserreaktor 24 Silizium 32, 33 solar 31 Solarkraftwerk 30, 31, 44 Solar-Turmkraftwerk 31 Solarzelle 11, 32, 33, 45, 46 Sonnenenergie 4, 8, 9, 10, 11, 17, 18, 28, 29, 30, 32, 33, 34, 39, 44, 45, 46 Sonnenkollektor 29, 30, 44 Sonnensystem 21 Steinkohle 5, 6, 12, 15, 42 Steinkohleeinheit 5, 8 Strahlung, radioaktive 17, 22 Strom, elektrischer 6, 8, 11, 14 Supergau 26 T Torr 43 Treibhauseffekt 8, 15, 17, 18, 19 Treibhausgas 18, 19, 34, 35 Tschernobyl 26, 27 U Umweltbelastung 17 Umweltzerstörung 11, 17 Uran 4, 7, 10 Uranerz 6, 8 V Verbrennung 6, 7, 8, 14, 15, 16, 17, 18, 35, 45 Volt 14 Vulkan 40, 41 W Wärmedämmung 10 Wärmepumpe 41 Wasserkraft 7, 37, 38 Wasserkraftwerk 7, 37, 38 Wassermühle 37 Wasserstoff 8, 11, 15, 20, 23, 28, 42, 43, 44, 45, 46, 47 Wasserstoffbombe 46 Wasserstoffgas 11, 42 Wasserstoffisotop 23, 47 Watt 6 Weltbevölkerung 9 Weltenergiebedarf 10, 39 Weltstromverbrauch 9 Wiederaufbereitungsanlage 26, 27 Windenergie 4, 11, 38, 39 Windkraft 38, 39, 40 Windmühle 38 Windpark 38, 39, 40 Windrad 7, 38 Wirkungsgrad 16, 32 48