Physik der Energiegewinnung

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1 Physik der Energiegewinnung Prof. Dr. Holger J. Podlech Institut für Angewandte Physik (IAP) Goethe-Universität Frankfurt am Main H. Podlech 1

2 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 und Klimaschutz, M. Mach, TU 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

3 Der physikalisch bessere Name: Physik der Energieumwandlung Physik der Energienutzung H. Podlech 3

4 Weltenergiebedarf anschaulich Weltenergieverbrauch: 17 Mrd t SKE davon 12 Mrd t SKE fossile Energieträger GW Durchschnittliche Weltleistung H. Podlech 4

5 spiegel.de 1% der BIP weltweit notwendig, um Klimaerwärmung entgegen zu wirken 270 Mrd /Jahr 2. Hälfte 21. Jahrhundert: 20% des Welt-BIP für Folgen der Klimaänderung 5500 Mrd /Jahr H. Podlech 5

6 Durch die Einspeisevergütung werden die Kosten auf die Allgemeinheit umgelegt. Für die PV-Anlagen, die bis 2010 gebaut sind müssen die Stromkunden bis 2020 mehr als 77 Mrd aufbringen. Einspeisevergütung: 2012: 14 Mrd 2013: 19 Mrd 2014: 24 Mrd 2013 betrug der PV-Anteil an der Stromproduktion 5% H. Podlech 6

7 Energie: griechisch: en-ergon = innere Arbeit (nicht physikalisch) Energie ist eine fundamentale Größe Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet werden (Titel der Vorlesung!!) Energieerhaltung (Noether-Theorem, Symmetrie der Natur) Einheit der Energie ist das Joule H. Podlech 7

8 Umrechnung verschiedener Energieeinheiten J ev Cal kwh kgske J 1 6* * *10-8 ev 1.6* * * *10-27 Cal * * * kwh 3.6*10 6 2* * kgske 30* * * H. Podlech 8

9 Große Energieeinheiten 1 Peta-Joule (PJ) = J 1 PJ 280 Mio kwh tske Verbrauch D/Jahr: PJ 1 Exa-Joule (EJ) = J 1 EJ 280 Mrd kwh 33 Mio tske Verbrauch Welt/Jahr: 500 EJ 17 Mrd tske Energieverbrauch: Primärenergie H. Podlech 9

10 Fundamentaler Zusammenhang zwischen Masse und Energie Umwandlung m E Kern: MeV/GeV Atom: ev/gev Energieinhalt in 1 kg Materie: entspricht dem Energiebedarf Deutschlands in zwei Tagen H. Podlech 10

11 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 (Bindungs)-Energie i Problem: Nutzbarmachung der Energie Verschiedene Wertigkeit H. Podlech 11

12 Arbeit Allgemein: Arbeit=Kraft x Weg H. Podlech 12

13 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

14 Mechanische Bewegungsenergie E kin, T: [J, ev] Wichtig für Wind- und Wasserkraft Translation und Rotation Wertigkeit: hoch/mittel H. Podlech 14

15 Mechanische Ruheenergie E pot : [J, ev] Wichtig für Wasserkraftwerke Wertigkeit: Mittel/hoch H. Podlech 15

16 Energie der elektromagnetischen Strahlung E: [J, ev] Schlecht zu speichern Wertigkeit: mittel H. Podlech 16

17 Energie des elektrischen Stroms E: [J, Ws, kwh] Schlecht zu speichern Wertigkeit: hoch H. Podlech 17

18 Chemische Energie E: [J, ev] Bindungsenergie g der Atome und Moleküle Massendefekt klein 2 2 C+O 2 CO eV Bei der Verbrennung von 1 kg Kohlenstoff (5x10 25 Atome) werden 2.1x10 26 ev=3.4x10 7 J frei 9.4 kwh 1 kg Steinkohle entspricht 8.5 kwh = 1kgSKE Gut zu speichern Wertigkeit: mittel H. Podlech 18

19 Nukleare Energie E: [J, MeV] 3 4 Frei werdende Bindungsenergie der Atomkerne H. Podlech 19

20 Nukleare Energie Eisen Fusion Spaltung H. Podlech 20

21 Nukleare Energie durch Kernspaltung Beispiel: Spaltung von U-235 durch langsame Neutronen U n A + B n MeV Spaltung von 1 kg Uran-235: E=5.6x10 32 ev = 9x10 13 J = 2.5x10 7 kwh Vergleich: E(Kern)/E(Chemisch)=3x10 6 Gut zu speichern e Wertigkeit: mittel H. Podlech 21

22 Nukleare Energie durch Kernfusion D+T He-4 + n MeV Fusion von 1 kg D-T-Gemisch: E=2x10 33 ev = 3.4x10 14 J = 9.5x10 7 kwh Spezifische Energieausbeute 4 mal so hoch als bei der Spaltung Fusionsreaktionen Primärbrennstoff (z.b. Lithium) Einschluss ss (Magnet- u. Trägheitsfusion) sion) Plasmaparameter Lawson-Kriterium H. Podlech 22

23 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

24 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

25 Einige Bemerkungen zur Thermodynamik 2. Hauptsatz Exergie: In Arbeit umwandelbarer Teil der Energie Anergie: Nicht in Arbeit umwandelbare Energie E ges =Exergie+Anergie 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

26 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 Wirkungsgradsteigerungen H. Podlech 26

27 Erzeugung g von (Nutz)-Energie ist verbunden mit: Emissionen i Verbrauch von Ressourcen Aus K. Strauß, Kraftwerktechnik, Springer Luft (2.3 Mio m 3 /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) 740 MW Steinkohlekraftwerk Rauchgas (2.4 Mio m 3 /h) Verdunstung (1000 t/h) Abwasser (700 t/h) Gips (17 t/h) Flugstaub (16 t/h) Schlacke (1500 kg/h) Strom (740 MW) H. Podlech 27

28 Erzeugung g von (Nutz)-Energie ist verbunden mit: Emissionen Verbrauch von Ressourcen Emissionen durch 100% Kohlestrom während 75 Jahren pro Person kg CO kg SO kg Asche Abfälle durch 100% Atomstrom während 75 Jahren pro Person 300 g Spaltprodukte 10 kg Strukturmaterial Aus K. Strauß, Kraftwerktechnik, Springer H. Podlech 28

29 1.3 Wichtige Begriffe: Primär-, End- und Nutzenergie Primärenergie: Angebot an Energie vor jeglicher Umwandlung, z.b. Energieinhalt von Kohle, Uran, Öl, usw. Endenergie: 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, z.b Teil der Heizenergie, die tatsächlich zur Raumerwärmung genutzt wird. H. Podlech 29

30 Primär-, End- und Nutzenergie Es gilt für D, EU, Welt: Primärenergie : Endenergie : Nutzenergie H. Podlech 30

31 Wirkungsgrad η Verhältnis der nutzbaren Energie nach der Energiewandlung zu der eingesetzten Energie vor der Energiewandlung g η n = i= 1 η i Wirkungsgradkette H. Podlech 31

32 Wirkungsgrad η einer Leuchtstofflampe t M. Bockhorst, abc-energie, S. 511 H. Podlech 32

33 Energieerntefaktor ε Der Wirkungsgrad beschreibt nur die Effizienz der Umwandlung 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

34 Energieerntefaktor ε Leider eine sehr weiche Größe Globalwirkungsgrad gg Für den Grenzwert sehr kleiner Erntefaktoren, wird δ durch ε bestimmt. H. Podlech 34

35 Erntefaktoren ε = 8für Kohleverstromung 300 MW Kohle-KW 1 GW KKW Gesamtwirkungsgrad als Funktion des Erntefaktors K. Heinloth, Energie, S. 405 H. Podlech 35

36 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

37 Benötigte Energie pro erwirtschafteten Euro K. Heinloth, Die Energiefrage, S.117 D. Spreng, Graue Energie, Energiebilanzen von Energiesystemen Teubner-Verlag, 1995 H. Podlech 37

38 Entwicklung des Rohölpreises bereinigt Golfkrieg H. Podlech 38

39 Zusammenhang Ölpreis-Wirtschaftswachstum USA H. Podlech 39

40 Entwicklung von Photovoltaikanlagen: Neu-Installationen H. Podlech 40

41 Entwicklung von Photovoltaikanlagen: Preise Preise pro kw p H. Podlech 41

42 Förderung von Photovoltaikanlagen H. Podlech 42

43 Windkraft: Entwicklung des Preise als Funktion der Leistung H. Podlech 43

44 Windkraft: Entwicklung der installierten Leistung in D H. Podlech 44

45 Windkraft: Entwicklung der installierten Leistung Welt H. Podlech 45

46 Regenerative Energien: Einspeisevergütung 53, H. Podlech 46

47 1.4 Allgemeine Randbedingungen der Energieproduktion Ausreichender Primärenergievorrat Kosten pro kwh, Wirtschaftlichkeit Umweltaspekte, Risikopotential Transportfähigkeit Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit Speicherung Akzeptanz H. Podlech 47

48 2. Unser Umgang mit Energie Die physikalischen Einheiten der Energie: J, Ws, kwh, ev,... Energiestatistiker verwenden: STEINKOHLENEINHEIT (SKE) Anschauliche Größe: 1 kg SKE ca. 1 kg Steinkohle 1 kg SKE = 8.5 kwh = 30 MJ 1 Mt SKE = 30 P(eta)J = 30x10 15 J 1 Gt SKE = 30 E(xa)J = 30x10 18 J Weltenergieverbrauch/a: 17 Gt SKE Weltenergieverbrauch/d: 48 Mt SKE Zug mit 20m langen, 50t beladenen Waggons: km Länge!! H. Podlech 48

49 2.1 Zeitliche Abhängigkeit des Energieverbrauchs Zeitliche Entwicklung des Verbrauchs wird bestimmt durch: Bevölkerung Energieverbrauch pro Person Gilt auch für Prognosen Grundsätzlich gilt: Energieverbrauch hängt von Personenzahl ab Aber: Verbrauch pro Person kann sehr verschieden sein (individuell id und im Mittel) H. Podlech 49

50 Entwicklung des Energieverbrauchs seit 1880 weltweit H. Podlech 50

51 Entwicklung der Weltbevölkerung und des Energieverbrauchs seit 1880 K. Heinloth, Energie, S.31 H. Podlech 51

52 Energieverbrauch - Wirtschaftsleistung H. Podlech 52