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Klimaschutz - kann Kernenergie einen Beitrag

leisten

Tel.: (49) 0681/ 302-2737; Fax /302-4676 e-mail: [email protected] [email protected] (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

mailto:[email protected]



http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/

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

CO

22-K

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ratio

n (

pp

m)

-Ko

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tion

(p

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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

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

http://www.vgb.org/daten_stromerzeugung.html





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


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.



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.


> 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

http://www.bfs.de/kerntechnik/ereignisse/ines.html

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

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

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

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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.

Klimaschutz - kann Kernenergie einen Beitrag leisten Tel.: (49) 0681/ 302-2737; Fax /302-4676...

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