Energie und Energieumwandlung

1. Energie und Energieumwandlung

2. Tour d’horizon: Energie und Energieumwandlung • Zur Geschichte des Energiebegriffs • Die Systematik der Energieformen • Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachungvon Energie • Kernspaltung und Kernkraftwerk • Kernfusion und Fusionskraftwerk • Zur Brennstoffzelle

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4. I. Zur Geschichte des Energiebegriffs Abb. 1 Aristoteles (384 – 322 v. Chr.) Abb. 2 Parmenides (ca. 5. Jh. v. Chr.)

5. I. Zur Geschichte des Energiebegriffs Abb. 2 Galileo Galilei (1564 - 1642) Abb. 1 Leonardo da Vinci (1452 – 1519)

6. I. Zur Geschichte des Energiebegriffs Abb. 1 René Descartes (1596 – 1650) Abb. 2 Christian Huygens (1629 – 1695)

7. I. Zur Geschichte des Energiebegriffs Abb. 1 Augustin Jean Fresnel (1788 – 1827) Abb. 2 Immanuel Kant (1724 – 1804)

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9. II. Die Systematik der Energieformen Was ist Energie? Temperament Lebensenergie Energie Energietrunk Tatkraft Energiebündel

10. II. Die Systematik der Energieformen Was ist Energie? • Energie beschreibt die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten. • Energie ist die Fähigkeit eines Systems, äußere Wirkungen hervorzubringen. (z.B. Kraft entlang einer Strecke) Durch Zufuhr oder Abgabe von Arbeit kann die Energie eines Körpers verändert werden.

11. II. Die Systematik der Energieformen Verschiedene Formen von Energie potenzielle kinetische elektrische mechanische magnetische Energie thermische Bindungsenergie Ruheenergie chemische Strahlungsenergie Kernenergie

12. II. Die Systematik der Energieformen Strahlungsenergie Elektromagnetische Strahlung Teilchenstrahlung • Elektronenstrahlung • (β-Strahlung) • Radiowellen • Mikrowellen • Tetrahertzstrahlung • Neutronenstrahlung • Ionenstrahlung • infrarote Strahlung • α-Strahlung • sichtbares Licht • kosmische Strahlung • ultraviolette Strahlung • Röntgenstrahlung • γ-Strahlung Gravitationswellen

13. II. Die Systematik der Energieformen Zusammenfassung: Tabelle I: Systematik der Energie

14. II. Die Systematik der Energieformen „(Wie) Entsteht Energie?“ Energieerhaltungssatz: "Die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System bleibt konstant.“ klassische Mechanik: E = T + V Thermodynamik: dU = ∆Q + ∆W Zusammenfassung

15. II. Die Systematik der Energieformen Beispiele für Energieumwandlungen Tabelle I: Energieumwandlungs-Matrix Zusammenfassung

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17. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Abb. 1 CO2 Konzentration von 1750 bis 1986 Abb. 2 Berechnung des CO2 Ausstoßes Kernspaltung und Kernkraftwerk

18. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Abb.1 Werbung der Interessengruppe Deutsches Atomforum e.V. Kernspaltung und Kernkraftwerk

19. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Anteil der Kernenergie am Verbrauch der BRD Abb.1 Anteile verschiedener Energieträger am Verbrauch Kernspaltung und Kernkraftwerk

20. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie 1. Beschuss von Beryllium durch Alpha-Teilchen 2. Isotopenerzeugung durch Neutronenbeschuss Abb.1 Otto Hahn 3. Kernreaktionsgleichung Abb.2 Lise Meitner 1937

21. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Vier-Phasen-Modell der Kernspaltung

22. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Abb.1 Beispiele für Urankernspaltungen Abb.2 Häufigkeitsverteilung Spaltprodukte

23. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Zur Energiebilanz der Kernspaltung Kernreaktionsgleichung: Element Masse [u] 235U 235,0439 144Ba 143,9229 89Kr 88,9176 n 1,0087 • Massenbilanz • 235,0439 u • -143,9229 u • - 88,9176 u • 2*1,0087 u • 0,186 u

24. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie NR:  

25. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie • Massenbilanz • 235,0439 u • -143,9229 u • - 88,9176 u • 2*1,0087 u • 0,186 u Masse-Energie-Äquivalenz Berechnung des Massedefekts Der Massedefekt

26. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Abb.1 Gesamte Bindungsenergie eines Kernes als Funktion der Massenzahl A

27. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Abb.1 Massen (in u), Gesamtbindungsenergien und mittlere Bindungsenergie (in MeV) für einige Kerne

28. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Abb.1 Mittlere Bindungsenergie pro Nukleon als Funktion der Nukleonenzahl

29. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Energiebilanz einer Spaltung Abb.1 Zur Energiebilanz bei Uranspaltung Wieviele Urankerne müssen gespaltenwerden um 1 J in einem Kernkraftwerk zu gewinnen?

30. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Wieviele Urankerne müssen gespalten werden, wenn der Jahresbedarf an elektr. Energie Berlins allein aus Kernkraft gewonnen werden sollte?

31. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Abb.1 Prinzip der Kettenreaktion

32. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Abb.1 Schema eines heterogenen Druckwasserreaktors

33. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Abb.1 Windenergie zur Deckung des Energiebedarfs?

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35. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Kernfusion Fusionsreaktionen: !Energieabgabe! stabilerer Zustand weniger stabiler Zustand γ-Strahlung Verschmelzen schwere Atome leichte Atome besitzen Ekin Neutronen (n)

36. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Abb.1 Mittlere Bindungsenergie pro Nukleon als Funktion der Nukleonenzahl Fusionsreaktionen

37. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Reaktionsformel zur Entstehung eines α-Teilchens ²H + ³H -> 4He (+ 3,5 MeV) + n (+ 14,1 MeV) Abb. I: Deuterium-Tritium-Reaktion Fusionsreaktionen

38. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Proton-Proton-Reaktion in der Sonne … 3H + ³H -> 4He + 2H+ Abb. I: Proton-Proton-Reaktion Fusionsreaktionen

39. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Fusionskraftwerke/Reaktorkonzepte (i) Tokamak-Reaktor (ii) Stellarator-Reaktor ITER - International Thermonuclear Experimental Reactor, Cadarache (Südfrankreich) Wendelstein 7-X (kein Reaktor, lediglich die Hauptkomponenten!) Greifswald (Mecklenburg-Vorpommern) Baubeginn: 2008 Fertigstellung: 2018 Kosten: ca. 5 Mrd. € (Bau) ca. 5 Mrd. € (Betrieb) Baubeginn: 2007 Fertigstellung: 2014 Kosten: ??? Fusionsreaktoren

40. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie • Der Tokamak-Reaktor Fusionsreaktoren

41. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie • Der Tokamak-Reaktor Abb. I: Erzeugung eines toroidalen Magnetfeldes Fusionsreaktoren

42. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie (ii) Der Stellarator-Reaktor Abb. I: Erzeugung eines toroidalen Magnetfeldes Fusionsreaktoren

43. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie (ii) Der Stellarator-Reaktor Abb. I: Optimierter Stellarator Abb. II: Wendelstein 7-X Fusionsreaktoren

44. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie (ii) Der Stellarator-Reaktor Abb. II: Modell des Wendelstein 7-X Abb. I: Teilstück der Plasmakammer von Wendelstein 7-X Fusionsreaktoren

45. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Fazit/Vergleich Fusionsreaktoren

46. Tour d’horizon: Energie und Energieumwandlung • Zur Geschichte des Energiebegriffs • Die Systematik der Energieformen • Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachungvon Energie • Kernspaltung und Kernkraftwerk • Kernfusion und Fusionskraftwerk • Zur Brennstoffzelle

47. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Abb.1 Prinzip der Umwandlung chemischer Energie in elektrische (konv. / Brennstoffzelle)

48. III. Formen der Energieumwandlung und Nutzbarmachung von Energie Abb.1 Prinzipielle Funktionsweise einer Brennstoffzelle