Physik der Energiegewinnung Prof. Dr. Holger J. Podlech Institut für Angewandte Physik (IAP) Goethe-Universität Frankfurt am Main H. Podlech 1
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
Der physikalisch bessere Name: Physik der Energieumwandlung Physik der Energienutzung H. Podlech 3
Weltenergiebedarf anschaulich Weltenergieverbrauch: 17 Mrd t SKE davon 12 Mrd t SKE fossile Energieträger 17000 GW Durchschnittliche Weltleistung H. Podlech 4
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
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
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
Umrechnung verschiedener Energieeinheiten J ev Cal kwh kgske J 1 6*10 18 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 25*10 2.5 19 1 12*10 1.2 10-6 14*10 1.4 10-7 kwh 3.6*10 6 2*10 25 8.6*10 5 1 0.12 kgske 30*10 6 1.8*10 26 7*10 6 8.5 1 H. Podlech 8
Große Energieeinheiten 1 Peta-Joule (PJ) = 10 15 J 1 PJ 280 Mio kwh 33000 tske Verbrauch D/Jahr: 14500 PJ 1 Exa-Joule (EJ) = 10 18 J 1 EJ 280 Mrd kwh 33 Mio tske Verbrauch Welt/Jahr: 500 EJ 17 Mrd tske Energieverbrauch: Primärenergie H. Podlech 9
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
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
Arbeit Allgemein: Arbeit=Kraft x Weg H. Podlech 12
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
Mechanische Bewegungsenergie E kin, T: [J, ev] Wichtig für Wind- und Wasserkraft Translation und Rotation Wertigkeit: hoch/mittel H. Podlech 14
Mechanische Ruheenergie E pot : [J, ev] Wichtig für Wasserkraftwerke Wertigkeit: Mittel/hoch H. Podlech 15
Energie der elektromagnetischen Strahlung E: [J, ev] Schlecht zu speichern Wertigkeit: mittel H. Podlech 16
Energie des elektrischen Stroms E: [J, Ws, kwh] Schlecht zu speichern Wertigkeit: hoch H. Podlech 17
Chemische Energie E: [J, ev] Bindungsenergie g der Atome und Moleküle Massendefekt klein 2 2 C+O 2 CO 2 +4.2eV 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
Nukleare Energie E: [J, MeV] 3 4 Frei werdende Bindungsenergie der Atomkerne H. Podlech 19
Nukleare Energie Eisen Fusion Spaltung H. Podlech 20
Nukleare Energie durch Kernspaltung Beispiel: Spaltung von U-235 durch langsame Neutronen U 235 + n A + B + 2-3 n + 220 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
Nukleare Energie durch Kernfusion D+T He-4 + n + 17.6 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
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
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
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
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
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
Erzeugung g von (Nutz)-Energie ist verbunden mit: Emissionen Verbrauch von Ressourcen Emissionen durch 100% Kohlestrom während 75 Jahren pro Person 700000 kg CO 2 5500 kg SO 2 17000 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
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
Primär-, End- und Nutzenergie Es gilt für D, EU, Welt: Primärenergie : Endenergie : Nutzenergie 3 2 1 H. Podlech 30
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
Wirkungsgrad η einer Leuchtstofflampe t M. Bockhorst, abc-energie, S. 511 H. Podlech 32
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
Energieerntefaktor ε Leider eine sehr weiche Größe Globalwirkungsgrad gg Für den Grenzwert sehr kleiner Erntefaktoren, wird δ durch ε bestimmt. H. Podlech 34
Erntefaktoren ε = 8für Kohleverstromung 300 MW Kohle-KW 1 GW KKW Gesamtwirkungsgrad als Funktion des Erntefaktors K. Heinloth, Energie, S. 405 H. Podlech 35
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
Benötigte Energie pro erwirtschafteten Euro K. Heinloth, Die Energiefrage, S.117 D. Spreng, Graue Energie, Energiebilanzen von Energiesystemen Teubner-Verlag, 1995 H. Podlech 37
Entwicklung des Rohölpreises bereinigt Golfkrieg 1 20 20 05 06 H. Podlech 38
Zusammenhang Ölpreis-Wirtschaftswachstum USA H. Podlech 39
Entwicklung von Photovoltaikanlagen: Neu-Installationen H. Podlech 40
Entwicklung von Photovoltaikanlagen: Preise Preise pro kw p H. Podlech 41
Förderung von Photovoltaikanlagen H. Podlech 42
Windkraft: Entwicklung des Preise als Funktion der Leistung H. Podlech 43
Windkraft: Entwicklung der installierten Leistung in D H. Podlech 44
Windkraft: Entwicklung der installierten Leistung Welt H. Podlech 45
Regenerative Energien: Einspeisevergütung 53,0 2014 H. Podlech 46
1.4 Allgemeine Randbedingungen der Energieproduktion Ausreichender Primärenergievorrat Kosten pro kwh, Wirtschaftlichkeit Umweltaspekte, Risikopotential Transportfähigkeit Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit Speicherung Akzeptanz H. Podlech 47
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: 17000 km Länge!! H. Podlech 48
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
Entwicklung des Energieverbrauchs seit 1880 weltweit H. Podlech 50
Entwicklung der Weltbevölkerung und des Energieverbrauchs seit 1880 K. Heinloth, Energie, S.31 H. Podlech 51
Energieverbrauch - Wirtschaftsleistung H. Podlech 52