Physik der Energiegewinnung

Transkript

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

2 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 H. Podlech 2

3 Aus der Presse H. Podlech 3

4 Bevölkerung - Energiebedarf H. Podlech 4

5 H. Podlech 5 Entspricht t Steinkohle

6 H. Podlech 6 Entspricht t Steinkohle

7 Energieverbrauch und Einkommen nergiegewinnung Physik der En Gapminder.org H. Podlech 7

8 Googles Energieverbrauch kwh ng Physik der En nergiegewinnu 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 H. Podlech 8

9 Vergleich China-USA nergiegewinnung Physik der En H. Podlech 9

10 Energieverbrauch Prognose nergiegewinnung Physik der En H. Podlech 10

11 nergiegewinnung Physik der En OECD/IEA Prognose ohne Energiewende H. Podlech 11

12 Brennstoffbedarf von Kohlekraftwerken Elektrische Leistung 1923 MW (5 Blöcke) ng Physik der En nergiegewinnu Brennstoffbedarf pro Stunde: 575 Tonnen Brennstoffbedarf f pro Jahr: 4.5 Millionen Tonnen Kraftwerk Staudinger H. Podlech 12

13 Globale Temperatur seit 1860 nergiegewinnung Physik der En H. Podlech 13

14 Elektrofahrzeuge ng nergiegewinnu Physik der En? H. Podlech 14

15 Elektrofahrzeuge Problem: Speichertechnologie (Akkus) ng nergiegewinnu Physik der En 1 KWh Speicherkapazität benötigt 1.5 kg Lithium 70 ps (51 kw) 2St Stunden Betrieb ti b 102 kwh Speicher 150 kg Lithium Förderung t/a: Fahrzeuge/a (z.t. ca. 50 Millionen/a) Zur Zeit abbauwürdige Vorkommen: 4 Millionen t H. Podlech 15

16 Zeitliche Verfügbarkeit von Energie H. Podlech 16

17 Solare Deckung (Photothermik) nergiegewinnung Physik der En H. Podlech 17

18 Installierte Photovoltaikleistung nergiegewinnung Physik der En Vergleichen Sie Zahlen!! GWh entspricht der Energiemenge, die 2.5 Kernkraftwerke in einem Jahr liefern H. Podlech 18

19 Solare Deckung (Photovoltaik) nergiegewinnung Physik der En H. Podlech 19

20 Solare Deckung (Photovoltaik Akkus) nergiegewinnung Physik der En Sonnenkonto24.de H. Podlech 20

21 Elektrische Solarspeicher Akkus auf Blei oder Lithium-Basis Blei Gel Lithium Ionen Polymer ng Physik der En nergiegewinnu Nennkapazität (kwh) Entladetiefe (%) Nutzbare Kapazität (kwh) Vollzyklen Wirkungsgrad (%) Preis ( ) Entnahme gesamt (kwh) Kosten/kWh (ct/kwh) Beispiel: IBC Solarspeicher Stand H. Podlech 21

22 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. ng Physik der En nergiegewinnu Eine Erhöhung des Strompreises um einen -Cent pro Kilowattstunde t 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. Erhöhung der Öko-Umlage um 1 ct/kwh auf 6.4 ct/kwh ab Mrd /Jahr in D H. Podlech 22

23 EEG Umlage nergiegewinnung Physik der En H. Podlech 23

24 Zusammenhang zwischen Energieverbrauch und Wirtschaftsleistung 2001 Primärenergieeinsatz in Deutschland 485 Mt SKE = 4000 Mrd kwh ng Physik der En nergiegewinnu Bruttoinlandsprodukt 2000 Mrd Energie/BIP = 2 kwh/ 50% davon für Wertschöpfung: 1kWh/ H. Podlech 24

25 Physik und Technik der Energieerzeugung Ressourcen und Potenziale Diskussionen Vorlesung Politische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen Prognosen und zeitl. Entwicklungen H. Podlech 25

26 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 Bevölkerungsentwicklung) Verkehr Landwirtschaft Fossile Energieträger (Öle, Kohlen, Gase) Vorkommen, Entstehung, Abbau, Transport, Umwandlungsformen Energieumwandlung Wärmekraftmaschienen, Wirkungsgrad, Kraftwerke Umweltbelastungen Künstlicher und natürlicher Treibhauseffekt Kohlenstoffkreislauf 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 Nukleare Energieformen 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 Energiebilanzen Radioaktive Belastungen, Sicherheitskonzepte Zukünftige Entwicklungen (ADS, Nuclear Waste Transmutation) Energiespeicherung (kurz- und langfristig) Speicherkraftwerke, Brennstoffzellen Transport von Energie Risikobegriff Diskussion zur Vorlesung H. Podlech 26

27 Ein bisschen Bürokratie Die Vorlesung hat 4 CP 2 SWS Vorlesung 1 SWS Übung (3 Ü-Blätter), 50% Modulabschlussprüfung Mündlich nach Absprache H. Podlech 27