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Wörterbuch

Europäische Energietechnologie

Die Vereinigten Staaten haben eine uneinheitliche Energiegeschichte. Nachfolgende politische Schwankungen zwischen Demokraten und Republikanern haben dazu geführt, dass eine Denkweise den Fortgang der anderen Denkweise in regelmäßigen Abständen entgleite. Dies führt zu inkonsistenten Anlagestrategien und einem Markt, der starken Interessengruppen aus Lobbygruppen ausgesetzt ist.

Geothermie ist Wärmeenergie, die in der Erde erzeugt und gespeichert wird. Wärmeenergie ist die Energie, die die Temperatur der Materie bestimmt. Die geothermische Energie der Erdkruste stammt aus der ursprünglichen Entstehung des Planeten und aus dem radioaktiven Zerfall von Materialien (in etwa gleichen Proportionen). Der geothermische Gradient, der der Temperaturunterschied zwischen dem Kern des Planeten und seiner Oberfläche ist, treibt eine kontinuierliche Wärmeleitung in Form von Wärme vom Kern zur Oberfläche an.

  • Martin O. Saar, ETH Zürich
  • «Unkonventionelle Geothermie für die Schweiz: Petrothermie und Alternativen.» Prinzipiell könnte die Menschheit mit geothermischer Energie dauerhaft mit Wärme und Strom versorgt werden. Doch um sie nutzen zu können, muss die Energie nahe der Erdoberfläche vorhanden und der Untergrund durchlässig genug sein, um ihm Wärme mit einer Flüssigkeit entziehen zu können. Dies ist in der Schweiz leider nicht überall gegeben. Um auch in weniger idealen Gebieten Erdwärme nutzen zu können, bedarf es unkonventioneller geothermischer Methoden. Zu diesen gehört die Petrothermie, die Verwendung – und gleichzeitige Untergrundlagerung – von CO2, aber auch das Zusatzerwärmen von geothermisch vorgewärmten Flüssigkeiten (Wasser, CO2). Das Referat behandelt diese unkonventionellen geothermischen Methoden für die Schweiz.


  • Florentin Ladner, Geo-Energie Suisse AG
  • «Geospeicher als Alternative zum Aquiferspeicher.» Bei der Strom- und Wärmeerzeugung (z.B. durch Holzheizkraftwerke, Kehrichtverbrennungsanlagen, Gas- und Dampfkraftwerken) sowie bei industriellen Prozessen (z.B. Abwasserreinigunsanlagen) entsteht ungenutzte Abwärme. Bislang steht noch keine attraktive Technologie zur Speicherung dieser Abwärme zur Verfügung. Vor diesem Hintergrund entwickelt die Geo-Energie Suisse AG einen geothermischen Energiespeicher im Fels (Geospeicher), der eine saisonale Speicherung und Nutzung zur Einspeisung der Wärme in ein Fernwärmenetz erlaubt.


  • Mischa Schweingruber, Erdwerk GmbH (D)
  • «Unterföhring: Fernwärme und Fernkälte mit der ersten Doppeldublette Deutschlands.» Die Gemeinde Unterföhring im Norden Münchens betreibt die erste geothermische Doppeldublette zur Versorgung mit Fernwärme – und neu auch Fernkälte zur Verbesserung des Wärmeabsatzes im Sommer. Das Projekt ist ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der Tiefengeothermie in der Region und erlaubt, Erfolgskonzepte auszubauen und zu bestätigen. Die Anwendung dieser Konzepte und die Analyse vergangener Bohrprojekte ermöglichen ein risikominimiertes und letztlich kostengünstiges Tiefbohren im bayerischen Molassebecken.


  • Jörg Uhde, Stadtwerke Bad Waldsee (D)
  • «Geothermie – Option auch für kleinere Stadtwerke?» Um einen Beitrag zur Dekarbonisierung der Energieversorgung zu leisten, setzt die 20’000 Einwohnerinnen und Einwohner zählende deutsche Stadt Bad Waldsee auch auf Geothermie zur Nahwärmeversorgung. Ziel ist die Erschliessung von Thermalwasser. Die Erdwärme wird über ein neu aufzubauendes Nahwärmenetz verteilt. Öffentliche Einrichtungen (u.a. Rathaus, Stadthalle, Rehakliniken), Gewerbebetriebe und Privathäuser sollen mit regenerativer Wärme versorgt werden. Für das Projekt stehen Fördermittel aus einem EU-Programm sowie des Landes Baden-Württemberg zur Verfügung.


  • Andreas Hurni, Verband Fernwärme Schweiz
  • «Die Rolle der Geothermie beim Ausbau der Fernwärme in der Schweiz.» Die Fernwärme wird künftig immer wichtiger. Bis 2050 können bis knapp 40 Prozents des Wärmebedarfs der Schweiz mit Fernwärme abgedeckt werden. Es gilt, mit Fernwärme vermehrt erneuerbare Wärmequellen und Abwärme zu nutzen, so z.B. von Kehrichtverbrennungs-, Abwasser- und Industrieanlagen sowie Oberflächenwassern, Holz und Geothermie. Die Geothermie kann via Fernwärme die Wärmeversorgung vieler Gebiete sicherstellen, die nicht bereits durch andere Quellen vorteilhafter versorgt werden können. Daneben wird sie sicher auch eine entscheidende Aufgabe bei der saisonalen Wärmespeicherung und der Wärmeversorgung individuell beheizter Gebäude übernehmen.


  • Nathalie Andenmatten, Kanton Genf
  • «Nach dem Ja zur Energiestrategie 2050: Was das für Wärmeprojekte bedeutet.» Für geothermische Wärmeprojekte im mitteltiefen oder tiefen Untergrund gibt es bis anhin keine finanziellen Anreize. Das ändert mit der neuen Energiestrategie. Die neuen Instrumente ermöglichen, vermehrt fossile Heizungen durch Erdwärme zu ersetzen und so einen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten. Welchen Nutzen die neuen Fördermöglichkeiten für das Programm «GEothermie 2020» des Kantons Genf bringt, wird hier dargelegt.


  • Peter Meier, CEO Geo-Energie Suisse AG
  • «Nach dem Ja zur Energiestrategie 2050: Was das für Stromprojekte bedeutet.» Geothermische Stromprojekte werden mit dem neuen Energiegesetz von besseren Fördermöglichkeiten profitieren. Das Referat vermittelt einen kurzen Überblick über die neuen Förderinstrumente, speziell aber über die Voraussetzungen und die Verfahren. Die neuen Erkundungsbeiträge senken die finanzielle Hürde beim Einstieg in die Geothermie drastisch – für kleinere und mittelgrosse Energieversorgunsunternehmen ein enormer Vorteil.


  • Gabriele Butti, Conim AG
  • «Nach dem Ja zur Energiestrategie 2050: Wie sich Geothermie-Projekte rechnen.» Die Instrumente der Energiestrategie 2050 erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass Geothermie-Projekte zur Stromproduktion und/oder Wärmebereitstellung rentabilisiert werden können. Lässt sich die Wärme, die nicht zur Stromproduktion benötigt wird, nutzen und verkaufen, erhöht sich die Wirtschaftlichkeit der Projekte zusätzlich. Im Referat wird die Wirtschaftlichkeit von Geothermie-Projekten mit und ohne Energiestrategie 2050 skizziert.


  • Gunter Siddiqi, Bundesamt für Energie
  • «Nach dem Ja zur Energiestrategie 2050: Was nun rechtlich gilt.» Mit der Energiestrategie 2050 stehen der Geothermie weiter ausgebaute und neue Instrumente zur Verfügung: Erkundungsbeiträge, umfassendere Geothermie-Garantien, eine spezielle Einspeisevergütung für petrothermale Projekte oder auch eine Unterstützung für Wärmeprojekte. Im Referat wird gezeigt, wie diese Instrumente funktionieren und aufeinander abgestimmt sind.

    Geothermal

    Fusion ist eine Kernreaktion, die, wie der Name schon sagt, schmilzt zwei Atomkerne zu einem zusammen.

    Fusion ist die Reaktion, die in Sternen zu beobachten ist, einschließlich unserer Sonne, mit dem Ergebnis der Freilassung enorme Menge an Energie, die wir als Wärme und Licht erleben. Die meisten Fusion in unserer Sonne ist die Bildung von Helium (Atomgewicht 4) aus Wasserstoff (Atomgewicht 1). Allerdings gibt es zwei Isotope von Wasserstoff: Deuterium (Atomgewicht 2) und Tritium (Atomgewicht 3). Diese schwereren Isotopen sind in den Fusionsexperimenten verwendet.

    Die Physiker haben sehr viel Mühe und Geld in den Versuch investiert, Fusion eine tragfähige Energiequelle für die Erzeugung von Strom zu machen Das Hauptproblem ist nicht, wie die Fusion anzuzünden, sondern wie man die enorme Hitze sie erzeugt gehalten kann. Dies ist das Containment Problem.

    Viele Konstruktionen von Haltekammern werden vorgeschlagen. Das erste Tritium-Experiment: Die erste erfolgreiche kontrollierte Freisetzung von Fusionsenergie wurde im Jahr 1991, an der Joint European Torus-Anlage (JET), England.

    JET operations control room
    JET (Joint European Torus) Vorläufige Tritium Experiment, England. Im Jahr 1991 erzielte dieses Experiment die weltweit erste kontrollierte Freisetzung von Fusionsenergie.

    Aktuelle experimentelle Designs gehören die Tokamak und die Trägheitsfusion Laser. Diese Experimente produzieren noch nicht genug Energie, um wirtschaftlich rentabel zu sein.

    Ein Heliumkern hat eine geringere Masse als die zwei leichtere Kerne zusammen. Während der Fusion von Deuterium und Tritium zu einem Heliumatom, wird die fehlende Masse in Energie umgewandelt, gemäß Einsteins berühmter Gleichung: E = mc2

    Kernfusion
    Die Fusion von Deuterium und Tritium zu Helium gibt 17,6 MeV Energie frei

    Allerdings, für die Wasserstoffprotonen zu verbinden um einen Heliumkern zu bilden, erfordert die Uberwindung der elektrostatischen Kräfte (gleiche Ladungen abstoßen) zwischen der beiden positiven Protonen, so dass die stärke Kernkraft die beiden Proton zusammenhalten kann. Die starke Kernkraft ist viel mächtiger als die elektrostatischen Kräfte, sondern arbeitet nur über sehr kurze Entfernungen. Über diese effektive Reichweite, ist die elektrostatische Kraft dominant, und bildet eine Coulomb-Barriere.

    Daher wird eine große Menge an Energie benötigt, um Fusion zu bewirken. Diese Energie kann kinetische sein, wie durch einen Teilchenbeschleuniger erhalten. Oder es kann durch Wärme bereitgestellt werden. Die Wärme streift das einzelne Elektron vom Wasserstoffatom ab - Ionisierung. Die Wolke von Ionen, mit getrennten Elektronen, ist das Plasma genannt. Die Ionen sind steuerbar, weil sie positiv geladen sind. Indem man sie in einem Magnetfeld platziert, können sie positioniert und in Position gehalten werden, während sie unter Druck erhitzt werden.

    21H + 31H → 42He + 10ν

    Die Fusion von Deuterium und Tritium zu Helium gibt 17,6 MeV Energie frei.

    Viel wurde in verschiedenen Reaktortypen investiert, ob verschiedene Brennstoffen zu erforschen, oder die neue Generation von Reaktoren zu entwickeln, mit neuen Technologien die bisher unbekannt waren, oder als unpraktisch angesehen wurden.

    Die Kernkraft, die seit den 1950er Jahren verwendet wurde, nutzt die Spaltung von Uran: großen Uranatomen, eine Mischung aus den 235 und 238-Isotope. Eine Masse von Uranbrennstoff wird in eine kontrollierte Kettenreaktion eintreten, einige Uranatome zerfallen in kleinere Atome, mit Freisetzung von Neutronen und Wärme. Ein kleiner Teil der Masse wird in Energie umgewandelt, nach Einsteins berühmter Gleichung E = mc2, wobei E die freigesetzte Energie ist, m die Massendefizit zwischen der Anfangsmasse von Uran und den Endprodukten, und c die Lichtgeschwindigkeit, 3.0 × 108 m/s.

    Nukleare Brennstoffe

    Eine große Anzahl von Brennstoffen wird in den verschiedenen Typen von Kernreaktoren verwendet. Die häufigste Brennstoff ist Uran, wobei die natürlich reichlich U-238 teilweise angereichert zum mehr spaltbares U-235 wird.

    RGPu = reactor grade plutonium (Reaktorplutonium); WGPu = weapons-grade plutonium (Waffenplutonium); MOX = Mixed Oxide Fuel (Mischoxidbrennstoff)

    KraftstoffHalbwertzeit /MJQuelle
    U-2330.159Thorium
    U-235704angereicherten natürlichen Uranerz, zwischen 0.720% und 3%
    U-238446899.27% Natururan
    Pu-2390.0241Waffen Stilllegung, Neutronenbeschuss von U-238

    Die Energie, die durch die Kernspaltung eines Uran-235-Atom freigegeben ist: E = mc2 = 3.24 × 10-11 J (83.14 TJ/kg)

    Die Halbwertzeit des U-235-Atoms ist 704 Millionen Jahren (My). Die Halbwertzeit des U-238-Atoms ist 4.468 Milliarden Jahren (By). Dieser Unterschied erklärt, warum U-238 eine natürliche Häufigkeit von 99,27% besitzt. U-235 hat seine Menge halbiert mindestens 8 Mal seit ihrer Entstehung in der Supernova, die das Sonnensystem gebildet, vor 6 Milliarden Jahren. Die Menge an U-238 ist im gleichen Zeitraum nur einmal halbiert.

    Uran kann zu höheren Zerfallraten als natürliche Raten in Kernreaktoren gebracht werden. Dies setzt große Mengen an Wärme frei, die verwendet werden können, um Elektrizität zu erzeugen. Uranium verursacht nicht die Art der Verschmutzung der fossilen Brennstoffen.

    Uran-238 Spaltung:

    10n + 23892U → 23992U + γ    →β-   23993Np     →β-   23994Pu

    Uran-235 Spaltung:

    10n + 23592U → 23692U → 14054Xe + 9438Sr + 210n

    Steuerstäbe

    Ein Kernreaktor reguliert die Rate der Kernspaltung durch zwei Elemente: der Moderator und die Steuerstäbe.

    Steuerstäbe sind aus einem Neutronenabsorbierenden Material, wie beispielsweise Bor oder Kadmium hergestellt. Sie können einem Kernreaktorkern eingesetzt oder entfernt werden, um den Grad die durch die Kettenreaktion der Kernbrennstoff erzeugten Neutronen absorbiert werden zu variieren. Wenn wenige Stäbe vorhanden sind, wird mehr Neutronen mit mehr Uranbrennstoff-Atome kollidieren, wodurch die Kettenreaktionintensität sich erhöht.

    Durch Einsetzen vollständig alle Steuerstäbe kann der Reaktor vollständig heruntergefahren werden. Wenn zu viele der Stäbe entfernt wurden, konnte der Reaktor kritisch werden, einer Zustand, bei dem die Kettenreaktion ein gefährliches Niveau erreicht.

    Reaktor-Generationen

    Atomreaktoren der Generation IV werden voraussichtlich in den 2030er Jahren in Betrieb sein. Sie bieten Verbesserungen in der Wirtschaftlichkeit, Sicherheit, Abfallverminderung und sind proliferationsbeständig.

    Generation I Reaktoren waren die frühen Prototypen in den 1950er und 60er Jahren gebaut.

    Generation II: Dies sind die Mehrheit der kommerziellen Stromreaktoren und dazu gehören LWR, PWR, BWR, CANDU, WER/RMBK.

    • PWR = pressurised water reactor
    • LWR = light-water reactor
    • BWR = boiling water reactor
    • CANDU = CANada Deuterium Uranium
    • RMBK = Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalnyy (High Power Channel-type Reactor)

    Generation III: Diese Reaktoren wurden von Mitte der 1990er Jahre bis 2010 eingeführt. Unter sie zählen fortgeschrittene LWRs, ABWR, System SO+, APeco, and EPR. Generation III + Reaktoren werden derzeit eingesetzt und sind evolutionär im Design und bieten einen besseren ROI.

    • ABWR = Advanced Boiling Water Reactor
    • EPR = Evolutionary Power Reactor

    Generation IV Reactoren:

    • VHTR = very high temperature reactor
    • MSR = molten salt reactor
    • SSR = stable salt reactor
    • SCRW = supercritical water reactor
    • GFR = gas-cooled fast reactor
    • SFR = sodium-cooled fast reactor
    • LFR = lead-cooled fast reactor

    CAESAR

    The Clean And Environmentally Safe Advanced Reactor (Saubere und umweltverträglich Erweiterte Reactor), CAESAR, ist ein Reaktordesign immer noch in Entwicklung. LEU (niedrig-angereichtes Uran) wird den Reaktor 'anzünden', aber das U-238 als Hauptbrennstoff wird eine fissile-Kettenreaktion selbständig weiter treiben. Die Neutronen werden mittels einer Dampf Moderator gesteuert.

    AHWR

    AHWR, Advanced Heavy Water Reactor (fortgeschrittene Schwerwasser-Atomkraftreaktor). Eine neue Generation Kernreaktor, dessen Entwicklung könnte zu Thorium-basierten Brennstoffzyklen bis die 2040er Jahre führen.

    Für einen Bericht über das Projekt Indian Advanced Heavy Water Reactor, entworfen um Thorium-232 zu verwenden: BARC Report on AHWR development programme

    Thoriumreaktoren

    Thorium (Z = 90) ist ein radioaktives Element der Aktiniden-Reihe. Es ist ein potentieller Brennstoff für Kernreaktoren.

    Thorium ist häufiger in der Erdkruste als Uran und wird in Monazit Ablagerungen gefunden. Monacite ist Thorium Diphosphat Th(PO4)2, und Thorium kann durch einen Prozess mit Salpetersäure gewonnen werden.

    Thorium-232 kann zum U-233 durch Beschuss mit Neutronen umgewandelt werden. U-233 könnte als spaltbarem Brennstoff zur Stromerzeugung genutzt. Technische Probleme haben bisher die Verwendung dieser Alternative zu U-235 verhinderte, aber Indien hat große Reserven von Thorium, und ein Programm um dieses Potential zu entwickeln.

    Die Verwendung von Thorium würde die Mengen gefährlicher radioaktiver Abfälle reduzieren, und die Erzeugung von Plutonium umgehen, die mit der Verwendung von angereichertem Uran problematisch ist.

    Thorium ist schwach radioaktiv und hat sieben natürlich vorkommenden Isotope, von denen alle sehr instabil sind, zu unterschiedliche Grade (Halbwertzeiten variieren von 25,5 Stunden für Th-231 bis 14 Milliarden Jahren für Th-232!). Th-232 ist bei weitem das häufigsten vorkommende Th-Isotop der Erdkruste. Es ist 3 bis 4 mal so reichlich als Uran.

    Es gibt ein großes Interesse an der Verwendung Thorium als Brennstoff für Kernreaktoren, vor allem in Indien, die keine Uranressourcen, aber reichlich Thorium besitzt.

    23290Th + 10n → 23390Th + γ    →β-   23391Pa     →β-   23292U

    Wann U-233 spaltet, gibt es Neutronen frei, die auf andere Thorium-232-Kerne treffen können, wodurch der Zerfall wieder von vorne anfängt. Der Zyklus ist ähnlich dem in schnellen Brutreaktoren, die hoch-spaltbarem Pu-239 von nicht-spaltbares U-238 produziert. Th-233 hat eine Halbwertszeit von 22 Minuten und zerfällt in Pa-233 (Halbwertszeit = 27 Tage), die auf U-233 (Halbwertszeit = 160.000 Jahre) beta-zerfällt. Ein Atom U-233 löst 197,9 MeV (3.171 × 10−11 ), or 19.09 TJ/mol = 81.95 TJ/kg, an Energie währen der Kernspaltung. Die Halbwertszeit von U-233 ist 160.000 Jahre, und es alpha-zerfällt zu TH-229.

    Thorium kommt häufiger als Uran vor und bietet eine nachhaltigerer Versorgung, vor allem weil das spaltbare U-233 kann aus natürlichem Thorium-Erz "gezüchtet" werden. Die meisten Reaktoren sind 'burner' (Brenner) Art, und ihre Brennstoff ist gereichtes natürlichen vorkommenden Uran.

    Thorium hat auch den Vorteil, dass sie mit U-238 gemischt wird, und hat daher keinen waffenfähiges Potential, die nicht den Fall mit U-235 ist. Es hat auch eine höhere Neutronenausbeute, erzeugt weniger langlebigen Transuranelementen, und allgemein erhöht die Leistungspotentiel der Reaktorkernen.

    Thorium muss mit Neutronen bestrahlt werden, bevor es als Brennstoff verwendet kann, und dies stellt größere technologischen Herausforderungen. Aus diesem Grund ist es immer noch nicht im Praxis verwendet.

    Thorium-232

    Ein Bericht der Indian Advanced Heavy Water Reactor (AHWR) Projekt, die Thorium-232 nutzt: BARC Bericht über das AHWR Entwicklungsprogramm