Zukunftsenergie

Zwänge, Trends, Hoffnungen

3a.

3a. Übersicht Zukunftsenergien

.1 Fossile Kraftwerke im zweiten und letzten Frühling

.11 Ausgangslage : Stromerzeugung: Hoher Ersatz und Neubaubedarf .12 Strategie für die weitere Entwicklung der „fossilen“ Sromerzeugung .121 Horizont 1: Einsatzfähige technik : state of the art .122 Horizont 2: Weiterentwicklung der Kohlekraftwerkstechnik .123 Horizont 3: Kraftwerke mit CO2 Sequester. „CCS“

.2 Kernenergie – ungeliebter Retter vor dem Klimaschock ?

.21 Stromerzeugung aus Atomkraft : Derzeitiger Stand .22 im Bau, geplant, visioniert .23 auch in Deutschland spricht man noch über Kernkraft [ z.B. auf der Jahrestagung der Physiker (DPG)]

.3 Kernfusion , die Sonne auf der Erde

.4 Sonnenenergie thermische Solarenergie, PV, Biomasse, Wind

Fossile Kraftwerke im zweiten und letzten Frühling

.1

Stopp:

Vor dem 2. kommt der 1. Frühling, in unserem Falle:

Wichtige Grundlagen der Technischen Thermodynamik

Wer Technische Thermodynamik endlich mal richtig, gründlich und gut verständlich lernen will, dem empfehle ich das Lehrbuch:

Erich Hahne: „Technische Thermodynamik“, 3.A.,Oldenbourg Verlag München 2000, ISBN=3-486-25397-2, 529 Seiten, viele und gut durchdachte Abbildungen

Und natürliche viele andere Lehrbücher und InternetVorlesungen zu diesem Grundlagenfach.

Eine kurze, unvollständige und eklektische Auffrischung der wichtigsten Zusammenhänge zum Verständnis von Kraftwerksprozessen in V3aa_TT-Ueberblick.ptt

Entwicklungslinien der Energietechnik 2004Expertenforum der VDI-Gesellschaft Energietechnik

am 7./8. September 2004 an der Ruhr-Universität BochumThemengebiete

Kraftwerkstechnik und CO2-AbtrennungErneuerbare Energien

EnergiesystemeBrennstoffzellen und neue Antriebe

Rationelle Energieverwendung

Wir werfen einen Blick auf das, was den mainstream der Experten (VDI-GET) bewegt:

Beachte: 1. die Reihenfolge, 2. Keine Kernenergie, keine Fusionsenergie ( political correct ). 3. Hohe, sogar eigenständige Bedeutung der FuelCells (werden nicht unter „Rationelle Energieverwendung“ subsummiert)

Quellen:/VDI-GET_2004Bochum / = Kongress: Entwicklungslinien der Energietechnik 2004 Expertenforum der VDI-Gesellschaft Energietechnik am 2004_0907 an der Ruhr-Universität Bochum:

Insbesondere: / ~ _Ewers/ = Dr. Johannes Ewers, RWE Power AG, Essen, Vortrag „ Fortschrittliche Kohlekraftwerkstechnik heute und morgen“

Quelle: /VDI-GET_2004Bochum_Ewers/ “Fortschrittliche Kohlekraftwerkstechnik heute und morgen“

Ausgangslage:

1. Steigender Strombedarf weltweit 2. Bestehende Kohle Kraftwerke (weltweit) mit

sehr unterschiedlichem Wirkungsgrad

Perspektive:

1. es gibt noch Entwicklungspotential für höhere Wirkungsgrade

2. Das Zauberwort:

CCS = Carbon Capture and Storage

also die Vision des CO2-Sequester

Ausgangslage :

Stromerzeugung: Hoher Ersatz und Neubaubedarf

Quelle: /VDI-GET_2004Bochum_Ewers/ “Fortschrittliche Kohlekraftwerkstechnik heute und morgen“, Folie 5

.11

UrQuelle: /VDI-GET_2004Bochum_Ewers/ , Teil von Folie 4. Eigener Kommentar

Unser Stand vor vielleicht 30 Jahren

Unser Stand vor vielleicht 50 Jahren

Ausgangslage:

Wirkungsgrad von Kohlekraftwerken (weltweit)

CO2–Emissionen von

Kohlekraftwerken

[Gt /a]

Quelle: /VDI-GET_2004Bochum_Ewers/ “Fortschrittliche Kohlekraftwerkstechnik heute und morgen“, Folie 2

.12

.121

Quelle: /VDI-GET_2004Bochum_Ewers/ “Fortschrittliche Kohlekraftwerkstechnik heute und morgen“, Folie4

Quelle: /VDI-GET_2004Bochum_Ewers/ “Fortschrittliche Kohlekraftwerkstechnik heute und morgen“, Folie 11

.122

Quelle: /VDI-GET_2004Bochum_Ewers/ “Fortschrittliche Kohlekraftwerkstechnik heute und morgen“, Folie 16

Quelle: /VDI-GET_2004Bochum_Ewers/ “Fortschrittliche Kohlekraftwerkstechnik heute und morgen“, Folie 17

Quelle: /VDI-GET_2004Bochum_Ewers/ “Fortschrittliche Kohlekraftwerkstechnik heute und morgen“, Folie 18

.123

Quelle: /VDI-GET_2004Bochum_Ewers/ “Fortschrittliche Kohlekraftwerkstechnik heute und morgen“, Folie 21-oberer Teil

Merkt euch das Zauberwort:

CCS = Carbon Capture and Storage

ausführliche Spezialbehandlung in der Vorlesungseinheit 2.5 (V2.5*.ppt)

Kernenergie – ungeliebter Retter vor dem

Klimaschock ?

.2

.21 Stromerzeugung aus Atomkraft : Derzeitiger Stand .22 im Bau, geplant, visioniert

.23 auch in Deutschland spricht man noch über Kernkraft [ z.B. auf der Jahrestagung der Physiker (DPG)]

.21 Stand

Link zum Original im AKE-Archiv Quelle: J.U.Knebel: „Neue Kernreaktoren der Generation 4 .“ Vortrag auf der Jahrestagung der DPG, Berlin2005

RWE NUKEM • 15. März 2005

Kernenergie in Zahlen (weltweit)1)

1) Stand: Dezember 2004

Quelle: RWE NUKEM GmbH, Januar 2005

Kommerzieller Betrieb: 440 Leistungsreaktoren mit 359,9 GWe (net) in 31 Ländern

Im Bau: 37 Leistungsreaktoren mit 34,0 GWe (net) in 13 Ländern

In der Planung: 58 Projekte mit 56,9 GWe (net) in 12 Ländern

Strom aus Kernkraftwerken: In 2004 ca. 16% der weltweiten Stromproduktion

2

BezugsQuelle: Vortrag 15. März 2005 in Berlin von Dr. Arthur Max, RWE NUKEM GmbH, Alzenau, Folie 2

Kernenergie international keineswegs aufgegeben

.22 Vision

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

Forschungszentrum Jülich GmbHInstitute for Safety Research and Reactor Technology

Der Hochtemperaturreaktor Der Hochtemperaturreaktor ––Sicherheitseigenschaften und ProjekteSicherheitseigenschaften und Projekte

von

Peter-W. PhlippenForschungszentrum J ülich GmbH

I nstitut f ür Sicherheitsforschung und Reaktortechnik

67. Physikertagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaf t

Hannover, 24. – 28. März 2003

.23 Kernenergie als Thema

Link zum AKE-Archiv: Energievorträge der 67. Physikertagung Hannover 2003

Link zum Original im AKE-Archiv Quelle: P.W. Philippen: „Der Hochtemperaturreaktor- Sicherheitseigenschaften.“ ;67.Physikertagung,Hannover 2003

DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR

Forschungszentrum Jülich GmbHInstitute for Safety Research and Reactor Technology

GliederungGliederung

Heutige Situation der Kernenergienutzung

Anforderungen an zukünf tige Kernreaktoren

HTR - Sicherheit Stabilitätskriterien

Beispiel: Thermische Stabilität

Beispiel: Nukleare Stabilität

Laufende HTR-Projekte

Nachhaltigkeit

Ausblick

Link zum Original im AKE-Archiv Quelle: P.W. Philippen: „Der Hochtemperaturreaktor- Sicherheitseigenschaften.“ ;67.Physikertagung,Hannover 2003

DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR

Forschungszentrum Jülich GmbHInstitute for Safety Research and Reactor Technology

HTR HTR –– KugelbrennelementKugelbrennelement

Werkstoff : GraphitDichte: 1,75 g/ cm3

Durchmesser: 60 mm

Schalendicke: 5 mm

Uran-Beladung: < 12 g/ BE

Coated Particle ingraphite matrix

Graphite shell

Layer structure of aCoated Particle

BufferPyrolytical carbon

Silicon carbide

Fuel kernel

1 mm

Coated Particle: TRI SO UO2-Kern: 500 m

Dichte: 10,4 g/ cm3

Anreicherung: < 10 Gew.-%

Schichten: C, PyC, SiC,PyCDicke / m: 95, 40, 35, 40Dichte / g/ cm3:

1,05/ 1,9/ 3,18/ 1,9

Link zum Original im AKE-Archiv Quelle: P.W. Philippen: „Der Hochtemperaturreaktor- Sicherheitseigenschaften.“ ;67.Physikertagung,Hannover 2003

DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR

Forschungszentrum Jülich GmbHInstitute for Safety Research and Reactor Technology

AusblickAusblick

Der Einsatz „katastrophenf reier Kerntechniken“ kann helf en, die öff entliche Akzeptanz der Kernspaltung wieder zu gewinnen.

Der HTR hält die Spaltprodukte im Core zurück, solange die Stabilitätskriterien eingehalten werden (i. w. T < 1600 °C).

Selbsttätige Nachwärmeabf uhr und selbsttätige Begrenzung der nuklearen Leistung wurden am AVR bereits demonstriert.

Eine unterirdische Bauweise bietet auch Schutz gegen extreme äußere Einwirkungen.

Kernspaltung ist eine seit langem etablierte und wirtschaf tliche Technik zur Stromerzeugung.

Daher wird Kernenergie auch weiterhin eine dominante Rolle in der CO2-f reien Stromerzeugung wahrnehmen.

Link zum Original im AKE-Archiv Quelle: P.W. Philippen: „Der Hochtemperaturreaktor- Sicherheitseigenschaften.“ ;67.Physikertagung,Hannover 2003

Link zum AKE-Archiv: Energievorträge der 68. Physikertagung München 2004

Link zum Original im AKE-ArchivQuelle: U.Krugmann: „Der EPR und sein Sicherheitskonzept“; 68.Physikertagung, München 2004

Link zum Original im AKE-ArchivQuelle: U.Krugmann: „Der EPR und sein Sicherheitskonzept“; 68.Physikertagung, München 2004

28EPR Sicherheitskonzept, München, 22. – 26. März 2004

Ausblick

Der EPR ist wirtschaftlich und konkurrenzfähig gegenüber fossilen Kraftwerken. Die finnische Bauentscheidung für den EPR basiert auf kommerziellen Überlegungen und widerlegt damit die häufig kolportierte Falschmeldung, dass Kernenergie nicht wirtschaftlich sei.

Mit dem EPR steht ein Anlagenkonzept zur Verfügung, das die Sicherheitsanforderungen an die nächste Anlagen-generation erfüllt.

Der EPR ist im wesentlichen frei von CO2-Emissionen und kann damit einen Beitrag zum Klimaschutz leisten.

Link zum Original im AKE-ArchivQuelle: U.Krugmann: „Der EPR und sein Sicherheitskonzept“; 68.Physikertagung, München 2004

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

Link zum Original im AKE-Archiv Quelle: J.U.Knebel: „Neue Kernreaktoren der Generation 4 .“ Vortrag auf der Jahrestagung der DPG, Berlin2005

SCWR

Link zum Original im AKE-Archiv Quelle: J.U.Knebel: „Neue Kernreaktoren der Generation 4 .“ Vortrag auf der Jahrestagung der DPG, Berlin2005

SCWR

Link zum Original im AKE-Archiv:

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

Link zum Original im AKE-Archiv Quelle: J.U.Knebel: „Neue Kernreaktoren der Generation 4 .“ Vortrag auf der Jahrestagung der DPG, Berlin2005

MA=Minore Actiniden, siehe Einschub

Quelle: http://www.sgkyg.ch/projekt2003/pdf/Folien_Wydler.pdf Datei: SGK_Wydler2003_Stofflüsse_imNuklearenBrennstoffkreislauf_ppt.pdf

Einschub: Minore Actiniden

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 , die Sonne auf der Erde

.3

Bindungsenergie pro Nukleon

Quelle: /Taube 1988 : Materie, Energie..,; Hirzel Verlag; Abb. 6.14; p.235

Fusion

Spaltung

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 ]

Die zeitliche Entwicklung bei der Annäherung an die Zündbedingung

Quelle: www.IPP „Forschung“- ergänzt unter Benutzung von /Diekmann-Heinloth 97,Abb. 10.2;p291/

Japan: JT 60; JT 60U

USA: TFTR (Princeton) D III D (San Diego) Alcator (Boston)

Russland: T3; T10

Deutschland: (IPP-Garching): ASDEX; ~ upgrade Wendelsstein 7-AS, 7-X (Greifswald)

Isar

EU + Japan+Russland u.a: ITER: inVorplanung; Zündung (Internationaler Thermonuklearer Experimentalreaktor)

JET = Joint European Torus : (Culham GB)

ITER

12 m

Stand und Aussichten der Kernfusion: Zeitplan

JET ITER Advanced

ITER-Prototypen TOKAMAK ITER-FDR

Materialentwicklung IFMIF DEMO

Asdex-UpgradeWendelstein 7 AS Wendelstein 7 X ...

heute heute + 15 heute + 30

Sicherheitsforschung

Sozi-Ökonomiche Forschung

Wege zur Plasmazündung

1. Magnetischer Einschluss

Lange Einschlusszeit bei niedriger Dichte einige m3 Plasma im magnetichen Einschluss für einige Sekunden

Tokamak , Stellarator

2. Trägheitseinschluss

Kurze Einschlusszeit bei hoher Dichte Laserlicht oder Teilchenstrahlen verdichten Brennstofftröpfchen für kurze Zeit auf sehr hohe Dichte: MikroSonne

3. Schwerkrafteinschluss Sonne und Sterne

aber für irdische Verhältnisse sehr ungewöhnliche Betriebsparameter

4. Myonkatalytische Fusion ( noch sehr Phantasie bewehrt)

Hüllelektronen durch 210 mal schwerere Myonen ersetzt, dadurch kleinerer Atomdurchmesser ; „Einschnürung auf Fusionsabstände“

Quelle: /Diekmann-Heinloth 97:“Energie“,p.291 +292; 301ff;

Fusion im Himmel und auf Erden

3.1

Hinweis auf meine umfassendere Darstellung der Kernfusion , zu der wir diesmal aus Zeitgründen nicht mehr kommen:

Es folgt das Inhaltsverzeichnis der Vorlesungseinheit „Kernfusion“

3.1 Fusion im Himmel und auf Erden 3.11 Bindungsenergie und Fusionsreaktionen.

3.12 Aktueller Stand der Plamaphysik: kurz vor der Zündung 3.121 Die Zündbedingung des Plasma

3.13 Wege zur Plasmazündung (Einschluss) 3.131 Magnetischer Einschluss im Torus .1311 Tokamak .1312 weiterführende Einschlusskonzepte: Stellarator ( 3.132 Trägheitseinschluss) ( 3.133 Schwerkrafteinschluss [Sonne])

3.14 Plasma-Aufheizung

3.15 Auf dem langen Marsch zum Kraftwerk

3.16 Einige technologische Brennpunkte

3.17 Sicherheit der Fusion

3.18 Der Zwischenspurt zum ITER