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Klimaschutz - kann Kernenergie einen Beitrag
leisten
Tel.: (49) 0681/ 302-2737; Fax /302-4676 e-mail: Luther.Gerhard@vdi.de luther.gerhard@mx.uni-saarland.de (für größere Dateien)
Homepage: http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/
Dr. Gerhard LutherUniversität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie
c/o Technische Physik – Bau E26D-66041 Saarbrücken
EU - Germany
V_Rotary_AKW-Vk2009.0909.ppt
1. Der Problemdruck - Warum müssen wir handeln Ein Entwicklungsproblem , Ein Energieproblem , Ein Klimaproblem
2. Die Kernenergie in der weltweiten Stromerzeugung
3. Atomkraftwerke (Funktionsweise)
4. Wo punktet die Kernenergie (Strompreis, CO2-frei, kleine Massenströme
5. Vorbehalte zum regulären Weiterbetrieb der AKW
6. Was bringt die Zukunft: Reaktoren der Generation IV (?), Kernfusion (???)
1. Der Problemdruck - Warum müssen wir handeln Ein Entwicklungsproblem
Ein Energieproblem (Endlichkeit der Ressourcen; Lieferengpässe : Preise)
Ein Klimaproblem nur 2 ganz besonders wichtige Bilder zeigen:
1.
Wilfried Endlicher und Friedrich-Wilhelm Gerstengarbe (Hrsg.)
Der Klimawandel - Einblicke, Rückblicke und AusblickeISBN 978-3-9811871-0-6
Herausgeber:Potsdam Institut für Klimafolgenforschung e.V.
PF 60120314412 Potsdam
www.pik-potsdam.deGesamtredaktion und Gestaltung:
Humboldt-Universität zu BerlinGeographisches InstitutRudower Chaussee 16
12489 Berlinwww.geographie.hu-berlin.de
.
Sehr empfehlenswerte Literatur, Texte und Vortragsbilder,frei zugängliches Seminar der Humboldt-Universität BerlinLink:
http://edoc.hu-berlin.de/miscellanies/klimawandel/
Jahre vor heute Jahre vor heute
CO
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17501750
200200
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320320
360360
160160
380380
00100'000100'000200'000200'000300'000300'000400'000400'000500'000500'000600'000600'000
Dome Concordia ice core data: Siegenthaler U Dome Concordia ice core data: Siegenthaler U et al.et al. (2005) Science 310:1313 (2005) Science 310:1313Vostoc ice core data: Petit JR Vostoc ice core data: Petit JR et al.et al. (1999) Nature 399:429 (1999) Nature 399:429
20062006
Heute Heute 380 ppm380 ppm
BQuelle: C.Körner :“Wälder als Kohlenstoffspeicher..“ http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2006F/Links_AKE2006F.htm#AKE2006F_05
Quelle: „Stern Report“, Folie 4: http://www.hm-treasury.gov.uk/media/987/6B/Slides_for_Launch.pdf
costs
Falling -1 bis -3%/a
Im Klartext:
Wir dürfen jetzt keine Zeit mehr verlieren,sonst lässt sich auch das Ziel 550 ppm CO2equ
nicht mehr erreichen
Was tun
Ansatzpunkte zur Wende1. CO2-freie Energiequellen • Erneuerbare Energien ( RE =Renewable Energies) Wasserkraft, Wind, Biomasse, Sonne (thermisch, Strom)• Kernenergie ( Generation IV) ; Kernfusion?• Geothermie (Oberflächennah, Tiefe Geothermie)
2. CO2 Sequester und GeoEngineering • CCS= Carbon Capture & Storage: in geologischen Schichten, im Meer?
• ? Eisendüngung zum Algenwachstum, Aufforsten • ? Sulfat in die Stratoposhäre
3. Rationelle Energieverwendung (2000 W –Gesellschaft) • Gleiche Energiedienstleistung mit geringerem Energieeinsatz• Höhere Wirkungsgrade bei Kraftwerken, Motoren etc.• Gebäude isolieren, Passivhaus
4. Verhaltensänderung • Leben mit weniger Energiedienstleistungen, aus Knappheit oder Bescheidenheit• Ernährung: „Weniger Fleisch“
Die Kernenergie in der weltweiten Stromerzeugung
2.
Strombedarf 2005 und 2030 und seine Erzeugung
Quelle: VGB Powertec 2009: Zahlen und Fakten zur Stromerzeugung 2008; http://www.vgb.org/daten_stromerzeugung.html Speicher: VGB2008_Zahlen-undFakten-zuirStromerzeugung_28ppt.pdf
Quelle:: VGB Powertec 2009: Zahlen und Fakten zur Stromerzeugung 2008
Quelle:: VGB Powertec 2009: Zahlen und Fakten zur Stromerzeugung 2008
Atomkraftwerke
3.
Es gibt drei Atomkerne, die man zur Energieerzeugung spalten kann:
Uran 235 (0,7% Anteil im Natururan)
Plutonium 239 ( erbrütbar aus Uran 238 (99% Anteil)
Uran 233 ( erbrütbar aus Thorium)
U_Gießen_Düren_Vorlesung Kernphysik4_Vorlesung5: Kernenergie „
Quelle:Halliday e.a.: „Physik“, Wiley ,Weinheim , ISBN 3-527-40366-32003, p. 1300, Abb.44-5
Dampfkraftwerk mit Druckwasser-Reaktor
„nur“ rund 300 °C und 150 bar
I- Wärmeerzeugung-I
Wo punktet die Kernenergie:
1. Strompreis
2. CO2 – frei
3. kleine Massen („heimische Bevorratung“)
4.
- - S.18 All rights are reserved, see liability notice.
AREVA NP Quelle: R.Tarjanne & A. Kivistö, 2008Lappeenranta University of Technology
1. Wirtschaftlichkeit Kostengünstige Stromerzeugung
- - S.19 All rights are reserved, see liability notice.
AREVA NP
2. KlimaschutzSpezifische Emissionen im Vergleich
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Erdöl 550 950
Photovoltaik 80 220
Wind 10 - 40
Wasser 4 - 35
Braunkohle 840 1230
Steinkohle 750 1080
Erdgas 400 640
Kernenergie 5 - 35
Referenzwert IER Stuttgart
g (CO2-äq.)/kWh
Quellen: DAtF, IER, UBA, Kearney, PSI, Öko-Institut
CO2-Vermeidung weltweit
Kohle; 7.012 TWh (40 %)
Öl; 1.172 TWh (7 %)
Gas; 3.427 TWh (20 %)
Kernenergie; 2.745 TWh (16 %)
Wasserkraft; 2.815 TWh (16 %)
Biomasse/Abfall 175 TWhGeothermie, Sonne, Wind, Meeresenergie 140 TWh
Kernenergie weltweit: 50 % der CO2-freien Stromerzeugung
16 % der Stromerzeugung
6,5 % der PrimärenergieErneuerbare Energien in Zahlen – nationale und internationale Entwicklung Bundesumweltministerium 2007
BQuelle: Areva
Kernkraftwerke vermeiden bereits heute
weltweit jedes Jahr rund 2,5 [Gt] CO2
bei einem globalen Gesamtausstoß von
rund 11 [Gt ] CO2 aus der Stromerzeugung.
Quelle: Dr. Walter Hohlefelder, Präsident des Deutschen Atomforums e. V.Jahrestagung Kerntechnik, 12.- 14. Mai 2009, Dresden
http://kernenergie.de/r2/documentpool/de/Unsere_Position/Reden/ansprache_drhohlefelder_jk2009.pdf
CO2 Mehremission bei vorzeitigen Atomausstieg in Deutschland
• 160 Mt/a CO2 ersparten die AKW‘s 2004 im Vergleich zur „historischen Alternative“ =„hätte man seinerzeit Kohlekraftwerke statt AkW‘s gebaut und damit den gleichen Stom produziert“)
• 112 Mt/a CO2 Mehremission bei Ersatz durch StromMix mit 40%Gasanteil
Der vorzeitige Atomausstieg kostet uns
10% -Punkte CO2-Einsparung
Quelle: DPG-Studie 2005
Wenn sich mit dem amtlichen Szenario bei Priorität AtomAusstieg 40 % weniger CO2 in 2020 zu 1990 verwirklichen lässt, dann lässt sich bei Abkehr von dieser Priorität auch ein 50+% CO2-Einsparziel bis 2020 erreichen.
3. VersorgungssicherheitGroße Uranvorkommen, Ressourcenschonung
Quelle: BGR, Kurzstudie Reserven, Ressourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen 2007
Betrachtung ohne Wiederaufarbeitung, die Reichweiten noch weiter vergrößert
Vorbehalte zum regulären Weiterbetrieb der AKW
1. Reaktorsicherheit „keine Verschlechterung, da innerhalb der technischen Lebensdauer“
kerntechnische Kompetenz muss bewahrt werden
2. Entsorgung Hochaktive Abfälle proportional zu den Betriebsjahren
Beim Rückbau anfallende Abfallmengen bleiben gleich
3. Uranvorräte noch unkritisch
4. Proliferation die hohen gesetzlichen und politischen Barrieren in der BRD werden nicht tangiert .
5.
Zur Sicherheit in AKW
Waas – Sicherheitskonzept deutscher Anlagen – 2006-05-17> AREVA NP •
Grundelemente des Sicherheitskonzepts
> Isolation der radioaktiven Stoffe gegenüber der Umwelt durch ein System von mehreren umschließenden Barrieren → Barrierenkonzept
> Gewährleistung der ausreichenden Integrität und Funktion der Barrieren bei allen zu unterstellenden Zuständen und Ereignissen durch ein System gestaffelter Maßnahmen → Konzept der Sicherheitsebenen
> Konstruktion des Reaktorkerns derart, dass die Energie-erzeugung durch die Kettenreaktion ein selbststabilisie-rendes Verhalten aufweist → inhärente Stabilität
> Technische Lösungen für Sicherheitseinrichtungen, die auch bei unterstellten Fehlern (technischem oder menschlichem Versagen) den Schutz von Barrieren gewährleisten → Auslegungsprinzipien für Sicherheitseinrichtungen
Quelle: AREVA Waas 2006
Waas – Sicherheitskonzept deutscher Anlagen – 2006-05-17> AREVA NP •
Barrierenkonzept
Einschluss der radioaktiven Stoffe durch> Brennstoffkeramik > Brennstabhüllrohre> druckdichtes Reaktorkühlsystem> Sicherheitsbehälter> den Sicherheitsbehälter umgebende Stahlbetonstruktur
Wirkung:
> Wird die Zerstörung der ersten Barrieren (Kristallgitter in der Keramik des Brennstoffs, Brennstabhüllrohre) verhindert, ist Freisetzung von radioaktiven Stoffen in gefährlichem Umfang physikalisch unmöglich.Zerstörung aber nur möglich, wenn Reaktorkern stark überhitzt wird. Vereinfacht: Reaktorkern mit Wasser bedeckt/gekühlt, → keine Freisetzung von gefährdenden Mengen radioaktiver Stoffe in die Umgebung
> Weitere Barrieren im realisierten Barrierensystem → keine gefährdende Freisetzung, selbst wenn die ersten
Barrieren weitgehend unwirksam geworden sind.
Quelle: AREVA Waas 2006
Waas – Sicherheitskonzept deutscher Anlagen – 2006-05-17> AREVA NP •
Gestaffelte Sicherheitsebenen
Grundgedanke:
> Maßnahmen auf einer Ebene, um Fehler und Ausfällemindestens unwahrscheinlich zu machen.
> Weitere Maßnahmen auf der nächsten Ebene, um dennochunterstellte („postulierte“) Fehler und Ausfälle zu beherrschen.
Quelle: AREVA Waas 2006
> AREVA NP <
Das Sicherheitskonzept deutscher Anlagen – international richtungweisend
Aachen, 2006.05.17
Ulrich WaasAREVA NP GmbH, NRA1-G
Weitere Details: siehe diesen Vortrag von Ulrich Waas
Statistik der tatsächlichen Ereignisse
The International Nuclear Event Scale (INES)User’s Manual, 2001 Edition
Quelle:http://www-news.iaea.org/news/inesmanual/INES2001.pdf Speicher: IAEA2001_INES-UserManual_102p.pdf
Quelle: http://www.bfs.de/kerntechnik/ereignisse/ines.html
Systematik der internationalen Bewertungsskala
(INES) :
Deutschland:In den letzten 15 Jahre
wurden 2198 Ereignisse gemeldet, davon lagen 3 Ereignisse bei Stufe 2 (Störfall) ->
2 % bei Stufe 1 (Störung)
und 98 % bei Stufe 0 .
Quelle: Ludwig Lindner, www.buerger-fuer-technik.de
Stufe / Kurz-bezeich-
nung
Aspekte Erster Aspekt: Radiologische Auswirkungen außerhalb der Anlage
Zweiter Aspekt: Radiologische Auswirkungen innerhalb der Anlage
Dritter Aspekt: Beeinträchtigung der Sicherheitsvorkehrungen
7 Katastrophaler
Unfall
Schwerste Freisetzung:
Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt in einem weiten Umfeld
6 Schwerer Unfall
Erhebliche Freisetzung:
Voller Einsatz der Katastrophenschutz-maßnahmen
5 Ernster Unfall
Begrenzte Freisetzung:
Einsatz einzelner Katastrophenschutz-maßnahmen
Schwere Schäden am Reaktorkern / an den radiologischen Barrieren
4 Unfall
Geringe Freisetzung:
Strahlenexposition der Bevölkerung etwa in der Höhe der natürlichenStrahlenexposition
Begrenzte Schäden am Reaktorkern / an den radiologischen Barrieren
Strahlenexposition beim Personal mit Todesfolge
Quelle: http://www.bfs.de/kerntechnik/ereignisse/ines.html , eigene Formatierung
Stufe / Kurz-
bezeich-nung
AspekteErster Aspekt: Radiologische Auswirkungen
außerhalb der Anlage
Zweiter Aspekt: Radiologische Auswirkungen
innerhalb der Anlage
Dritter Aspekt: Beeinträchtigung der Sicherheitsvorkehrungen
3 Ernster
Störfall
Sehr geringe Freisetzung: Strahlenexposition der Bevölkerung in Höhe eines Bruchteils der natürlichen Strahlenexposition
Schwere Kontaminationen
Akute Gesundheitsschäden
beim Personal
Beinahe Unfall
Weitgehender Ausfall der gestaffelten Sicherheitsvorkehrungen
2
Störfall
Beinahe Unfall
Weitgehender Ausfall der gestaffelten Sicherheitsvorkehrungen
StörfallBegrenzter Ausfall der
gestaffelten Sicherheitsvorkehrungen
1 Störung
Abweichung von den zulässigen Bereichen für den sicheren Betrieb der Anlage
0 Keine oder sehr geringe sicherheitstechnische Bedeutung
Quelle: http://www.bfs.de/kerntechnik/ereignisse/ines.html
Zur Endlagerung
Quelle:Halliday e.a.: „Physik“, Wiley ,Weinheim , ISBN 3-527-40366-32003, p. 1301, Abb.44-6
Die vom radioaktivem Abfall, wie er im Verlauf eines Jahrs in einem typischen Kernkraftwerk anfällt,
freigesetzte thermische Energie als Funktion der Zeit.
Die Kurve ist die Summe der Beiträge einer großen Anzahl von Radionukliden mit einer ebenso großen Streuung der Halbwertszeiten.
Man beachte, dass beide Skalen logarithmisch sind.
Weitere Entwicklung
5.
Reaktoren der Generation IV
Kernfusion (???)
Link zum Original im AKE-Archiv Quelle: J.U.Knebel: „Neue Kernreaktoren der Generation 4 .“ Vortrag auf der Jahrestagung der DPG, Berlin2005
Link zum Original im AKE-Archiv Quelle: J.U.Knebel: „Neue Kernreaktoren der Generation 4 .“ Vortrag auf der Jahrestagung der DPG, Berlin2005
Link zum Original im AKE-Archiv Quelle: J.U.Knebel: „Neue Kernreaktoren der Generation 4 .“ Vortrag auf der Jahrestagung der DPG, Berlin2005
Kernfusion:
kurz vor der Zündung
Prinzip der Fusion
D
T
n(14,6 MeV)
He(3,6 MeV)
* bei hinreichend kleinen Abständen zwischen dem Deuterium und dem Tritium Kern kommt es zu Fusionsreaktionen
* in einem heißen Plasma (100-200 Mio °) werden bei Stößen diese Abstände „regelmäßig“ erreicht
* bei einer ausreichenden Isolierung kann das Plasma seine hohe Temperatur allein durch die Heizenergie der -Teilchen aufrecht erhalten
Das Lawson Kriterium: Tripelprodukt
Praktische Zündbedingungen:
Plasmadichte ca. 1014 Teilchen pro cm3
Energieeinschlusszeit 1- 2 [s]
Plasmatemperatur 100-200 [M K]
Quelle:Milch,I.:“Die Sonne auf die Erde holen“, PhiuZ 26 (1995),Heft 2,p.69-74; p7; und IPP 1995; Kernfusion- berichte aus der Forschung; p.9; IPP_Kernfusion1995.ppt
Zur Zündung müssen :
ausreichend viele Teilchen [Plasmadichte n ]
oft [Energieeinschlusszeit ]
und heftig genug [Temperatur T ]
miteinander zusammenstoßen.
Zündkriterium (Lawson): n * * T >= 6* 1016 [cm-3 s MK ]
MAST
ProgressProgress• Huge strides in
physics, engineering, technology
• JET: 16 MW of fusion power ~ equal to heating power.
• Ready to build a Giga Watt-scale tokamak: ITER – expected to produce 10 x power needed to heat the plasma
[Pi =pressure in plasma;
τE = (energy in plasma)/(power supplied to keep it hot)]
Quelle: Chris Llewellyn Smith :The Path to Fusion Power, AKE2008F-Heraeus,http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2008F-Heraeus/Vortraege/AKE2008F_E9_LlewellynSmith_Path-toFusionPower.ppt
• Aim - demonstrate integrated physics and engineering on the scale of a power station
• Key ITER technologies fabricated and tested by industry
• 5 Billion Euro construction cost (will be at Cadarache in southern France)
• Partners house over half the world’s population
ITERITER
Schlussbemerkung
Bilanz:
Klimawandel , Bevölkerungswachstum, Peak Oil :
Engpass bei Energiequellen, insbsondere bei Erschließung von CO2- freien Energiequellen
Einsatz an allen Fronten: Erneuerbare Energien, rationelle Energieanwendung CCS (Carbon Capture and Storage) Kernenergie vorerst beibehalten
Energy Supply and Climate Change,Bad Honnef, Germany, May 26-29 2008 48
well….
as a physicist I try to use only "hard" numbers
• But of course some rely on assumptions
as "citoyen" I am of course influenced by my own environment
• Germany (world polluting rank 33) has a 63% higher per capita CO2 emission than France (world rank 66)
• France in first-order discards fossile-fueled systems for electricity production
– Nuclear Power 78%, Hydro 13%
• The electricity prize for a private household depends of course of the installed power, type of abonnement (0.066 cts/kWh – 0.108 cts/kWh taxes included)
• France constructs a new nuclear powerplant (3rd generation EPR) at Flamanville
• France has a law that forces the research organisations to work on nuclear waste management
• France spents 0.3 G€/y on natural Uranium, but for roughly the same energy 46 G€/y on fossile fuel in 2006, possibly 100 G€ in 2008
•Germany (world polluting rank 33) has a 63% higher per capita CO2 emission than France (world rank 66)
•France in first-order discards fossile-fueled systems for electricity production
– Nuclear Power 78%, Hydro 13%
•The electricity prize for a private household ...... (6,6 cts/kWh – 10,8 cts/kWh taxes included)
Strompreis in BRD: glatt doppelt so teuer
Zitat aus dem Vortrag eines französischen Kollegen , Alex Mueller, CNRS, Paris:
UrQuelle: AKE2008F_Heraeus
Reste
Ansatzpunkte zur Wende1. CO2-freie Energiequellen • Erneuerbare Energien ( RE =Renewable Energies) Wasserkraft, Wind, Biomasse, Sonne (thermisch, Strom)• Kernenergie ( Generation IV) ; Kernfusion?• Geothermie (Oberflächennah, Tiefe Geothermie)
2. CO2 Sequester und GeoEngineering • CCS= Carbon Capture & Storage: in geologischen Schichten, im Meer?
• ? Eisendüngung zum Algenwachstum, Aufforsten • ? Sulfat in die Stratoposhäre
3. Rationelle Energieverwendung (2000 W –Gesellschaft) • Gleiche Energiedienstleistung mit geringerem Energieeinsatz• Höhere Wirkungsgrade bei Kraftwerken, Motoren etc.• Gebäude isolieren, Passivhaus
4. Verhaltensänderung • Leben mit weniger Energiedienstleistungen, aus Knappheit oder Bescheidenheit• Ernährung: „Weniger Fleisch“
Jahre vor heute Jahre vor heute
CO
CO
22-K
onz
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ratio
n (
pp
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-Ko
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ntra
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)
17501750
200200
240240
280280
320320
360360
160160
380380
00100'000100'000200'000200'000300'000300'000400'000400'000500'000500'000600'000600'000
Dome Concordia ice core data: Siegenthaler U Dome Concordia ice core data: Siegenthaler U et al.et al. (2005) Science 310:1313 (2005) Science 310:1313Vostoc ice core data: Petit JR Vostoc ice core data: Petit JR et al.et al. (1999) Nature 399:429 (1999) Nature 399:429
20062006
Heute Heute 380 ppm380 ppm
BQuelle: C.Körner :“Wälder als Kohlenstoffspeicher..“ http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2006F/Links_AKE2006F.htm#AKE2006F_05
Erdgeschichtliche CO2-Konzentrationen
Wenn sich mit dem amtlichen Szenario bei Priorität AtomAusstieg 40 % weniger CO2 in 2020 verwirklichen lässt, dann lässt sich bei Abkehr von dieser Priorität auch ein 50+% CO2-Einsparziel bis 2020 erreichen.
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