Die Zukunft unserer Energieversorgung: Eine Analyse aus mathematisch-naturwissenschaftlicher Sicht

350 Pages·2014·6.38 MB·German

by  Dietrich Pelte (auth.)

Dietrich Pelte
Die Zukunft unserer
Energieversorgung
Eine Analyse aus mathematisch-
naturwissenschaftlicher Sicht
2. Auflage
Die Zukunft unserer Energieversorgung
Dietrich Pelte
Die Zukunft unserer
Energieversorgung
Eine Analyse aus
mathematisch-naturwissenschaftlicher
Sicht
2. Auflage
Prof.Dr.DietrichPelte
PhysikalischesInsitut
UniversitätHeidelberg
Heidelberg,Deutschland
ISBN978-3-658-05814-2 ISBN978-3-658-05815-9(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-05815-9
DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;de-
tailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
SpringerVieweg
©SpringerFachmedienWiesbaden2010,2014
DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtaus-
drücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Dasgilt
insbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspei-
cherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen.
DieWiedergabe vonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkbe-
rechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinneder
Warenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann
benutztwerdendürften.
Lektorat:DanielFröhlich,AnnettePrenzer
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier.
Springer ViewegisteineMarkevonSpringerDE.Springer DEistTeilderFachverlagsgruppeSpringer
Science+BusinessMedia
www.springer-vieweg.de
Vorwort zur 2. Auflage
„WiesiehtdieZukunftunsererEnergieversorgungaus?“EineAntwortaufdieseFrageent-
scheidetauchdievielallgemeinereFrage:„WiesiehtunsereZukunftaus?“InderTat,die
Energie ist eine der wichtigsten Größen, die entscheidend für unsere Zukunft sein wer-
den.DabeiistEnergiekeineswegseineGröße,derenBedeutung,jenachGeschmackund
Laune,sichvonunsverändernundderenVerwendungsichbeliebigmanipulieren ließe.
SondernEnergieisteinewohldefinierte physikalischeMessgröße,dieinvielfacherForm
inphysikalischenGesetzenauftritt,undderenEigenschaftendurchebendieseGesetzebe-
stimmt werden. Diese Gesetze sind wiederum selbst ein Abbild der Natur, sie stellen in
mathematischerFormdiemessbareNaturdar,wiesiesichausderVergangenheitinihren
gegenwärtigenZustandentwickelthat,undwiesiesichinZukunftentwickelnwird.
InsofernistdieFragenachderZukunftunsererEnergieversorgungzuallerersteinephy-
sikalische Frage, und zu ihrer Beantwortung sollten physikalische Methoden verwendet
werden. Insbesonders sind die benötigten physikalischen Grundlagen so gesichert, dass
keinRaumfürbisheuteunbekannteEnergieformenoderähnlicheSpekulationenbesteht.
AufderanderenSeitewäreeineDarstellungvonEnergieproblemensicherlichunvollstän-
dig,wenndiesenurimRahmenphysikalischerGesetzeerfolgte.Esmachtgeradedieun-
geheureBedeutungderphysikalischenGrößeEnergieaus,dasssieinalleAspekteunseres
Lebens eingreift, insbesondere auch in den Teil, der allgemein mit den Begriffen Wohl-
standundLebensstandardumschriebenwird.DiesessindBegriffederÖkonomieundoft,
aber vollständigunberechtigt, wird daher auch die Energie als eineökonomischeGröße
angesehen.WennindiesemBuchdieBedeutungderEnergiemöglichstumfassendbehan-
deltwerdensoll,dannmüssenökonomischeFragenwenigstensansatzweiseauchbehandelt
werden.DerAutordiesesBuchsistkeinÖkonom,abervieleökonomischeProblemelassen
sichmitMethodenbehandeln,welcheauchinderPhysikgebräuchlich sind.Diesistbe-
sondersdannwichtig,wennesumzukünftigeEntwicklungen geht.Undinsofernwendet
sichdiesesBuchnichtalleinandieLesermitnaturwissenschaftlich-technischemInteres-
se,sondernallgemeinanalleLeser,diesichmitderFragebeschäftigen,welchenWegdie
EntwicklungdermenschlichenGesellschaftinZukunftnehmenkönnte.
UmallenLeserngerechtzuwerden,behandeltdiesesBuchdaherdasProblemderEner-
gieversorgungaufzweiEbenen.DaistzunächstdieEbene,welchedieTatsachenundih-
re Zusammenhänge schildert und darstellt, welche Folgerungen daraus abzuleiten sind.
V
VI Vorwortzur2.Auflage
DieseEbeneistfürdennormalenLeserdiewichtigere Ebene,dennsiegibtdieAntwor-
tenaufdiefürunswichtigen FragenbezüglichderEnergieversorgung.AberdieseEbene
istzunächstauchdieweniger objektiveEbene,dennwelcheAntwortengegeben werden,
scheint von persönlichen Einstellungen und Voreingenommenheiten abzuhängen. Jeder
magzueineranderen,seinerpersönlichenAntwortgelangen.Erstinderzweiten Ebene,
derphysikalischenEbene(genanntP-Ebene),wirddieNotwendigkeitderindiesemBuch
gewähltenAntwortdargelegt,undeswirdgezeigt,wiesichdieseAntwortausdenGesetz-
mäßigkeitenderNaturergibt.DieP-EbenebenutztanvielenStelleneineandere,nämlich
diemathematischeSprache.Deswegen magfürvieleLeserdieseEbenewenigertranspa-
rentundverständlicherscheinen.SiebildetaberdasFundamentfürdieersteEbene,die–
sohofftderAutordiesesBuchs–fürjedenLeserverständlichist.Dasbedeutetnicht,dass
aufdieserEbenedieWeltderZahlenvollständigausgeblendet,oderaufFormulierungen
mithilfevonGleichungenverzichtetwerdenkann.MankanndieGrößederWeltbevölke-
rungnurdurcheineZahlangeben,undderEnergiebedarf dieserBevölkerungkannnur
durch eine Zahl spezifiziert werden. Ebenso ist es z.B. wesentlich einfacher, die Bezie-
hungzwischenEnergieundEntropiemithilfeeinerGleichunganzugeben,alssiemitvielen
Wortenzuumschreiben.BeiderDiskussion,welcheAbhängigkeitenzwischenZahlenwer-
ten sich aus diesen Gleichungen ergeben, werden grafischeDarstellungen benutzt. Dem
naturwissenschaftlich-technischInteressiertengenügtmeistensschondieGleichungselbst,
umdieentsprechendenFolgerungenzuziehen.Diesgeschiehtinderzweiten,derphysi-
kalischen Ebene. Damit beide Ebenen sich auch optisch unterscheiden, ist die P-Ebene
gekennzeichnetdurcheinedreistelligeKapitelangabe,alsozumBeispielderAbschn.4.5.1:
„ZurPhysikdesErdklimas“gehörtzurP-Ebene.
JedemessbareGrößekannmithilfeeinerZahlspezifiziertwerden.Dassdiesalleinnicht
ausreicht,sonderndassauchdieMaßeinheitfürdieseGrößemitangegebenwerdenmuss,
damitwerdenwirunsinAbschn.2.1.1beschäftigen.Darüberhinausisteswichtigfürdie
GenauigkeitdesZahlenwerts,dassdieQuellezuverlässigist,derdieZahlentnommenwur-
de.WirwerdenindiesemBuchnichtjedesmaldieQuellefürdenZahlenwertangeben.Die
meistenderindiesemBuch zitierten ZahlenstammenausstatistischenÜbersichten, die
ohneKostenfürjedermannüberdasInternetzugänglichsind.Dieamhäufigstenbenutzten
Quellen(alleinEnglisch)sind:
• EnergyInformationAdministration(www.eia.doe.gov)
• BritishPetroleumCompany(www.bp.com)
• InternationalEnergyAgency(www.iea.org)
InformationenüberregenerativeodererneuerbareEnergienfindetmanzumBeispielbei
• BundesministeriumfürUmwelt,NaturschutzundReaktorsicherheit(www.erneuerbare-
energien.de)
• WorldEnergyCouncil(www.worldenergy.org(inEnglisch))
Vorwortzur2.Auflage VII
WeiterhinsindInformationenausfolgendenBüchernindenInhaltdiesesBuchseingeflos-
sen:
• J.Fricke&W.L.Borst:Energie(R.OldenbourgVerlag,München1981)
• M.Kaltschmidt&A.Wiese:ErneuerbareEnergien(SpringerVerlag,Heidelberg1997)
• W.Roedel:PhysikunsererUmwelt(SpringerVerlag,Heidelberg1994)
BeidenthermodynamischenAspektenderEnergiewardasenglischsprachigeBuch
• P. Richet: The Physical Basis of Thermodynamics (Kluwer Academic/Plenum Publis-
hers,NewYork2001)
sehrhilfreich.
Die1.AuflagedesvorliegendenBuchsbauteaufVorlesungenauf,diederAutorfürStu-
dentenderPhysik,aberauchfürHörerandererFakultätenimRahmendesStudiengangs
UmweltökonomieanderUniversitätHeidelberg,indenJahren1998bis2001gehaltenhat.
AlsReferenzjahrwurdedasJahr2000gewähltunddieshatsichauchinder2.Auflagedie-
sesBuchsnichtgeändert.Natürlichsindseit2000einigeJahrevergangen,indersichdie
GegebenheitenbezüglichderglobalenEnergieversorgungveränderthabenundwohlauch
weiter verändern werden. Dies betrifft insbesonderedie Erschließung neuer Energieres-
sourcenunddieEntwicklung desglobalenEnergiebedarfs,derstärkerzugenommenhat
alserwartet.DieseVeränderungensindinder2.Auflageberücksichtigt:Eswerdenanhand
dermodifiziertenDatenneuePrognosenerrechnet,wieauchvoneinerwenigeroptimisti-
schenWirtschaftsentwicklungausgegangenwird.SchließlichhatdieWeltseitBeginndes
21.JahrhundertseinewirtschaftlicheRezessionunddieFinanzkriseerlebtundeswäretö-
richt,diesnichtzuberücksichtigen.BerücksichtigtsindaberauchdievielenKommentare
undRichtigstellungen, welche der Autor nachder 1. Auflageerhalten hatundfürdie er
sichherzlichbedankt.
Wie auch früher schon,sollen die tatsächlichen Entwicklungen mit den Vorhersagen
der2.AuflageimBegleitmanuskript„Energie3“
(imInternetunterhttp://www.physi.uni-heidelberg.de/~pelte/energie/start.htm)
verglichenwerden,umfundamentaleFehleinschätzungenzuerkennen.Allerdingshaben
sichdieSchlussfolgerungenamEndeder2.Auflagenichtwesentlichgegenüberdenender
1.Auflageverändert,wasimmerhin die Vermutung zulässt,dassderartige Fehleinschät-
zungenbishernichterkennbarsind.
Dasvorliegende Buch wendet sich auch an alle, die verwundert sindüber die wider-
sprüchlichenInformationenzumEnergiebegriffindenöffentlichenMedien.Esversucht,
dienotwendigenKenntnissezuvermitteln,umdieEigenschaftenderEnergiezuverstehen
undzuerkennen,welchefundamentaleBedeutungdieEnergiefürunsergesamtesDasein
besitzt.EsbenutztdafürphysikalischePrinzipien,aberesistnatürlichkeinLehrbuchder
VIII Vorwortzur2.Auflage
Physik.ZumVerständnisseinerBotschaftengenügtder Wissensstand,denSchüler nach
demAbschlussdergymnasialenOberstufeandeutschenSchulenbesitzensollten.Fürden
Fall, dassLeser sich darüber hinausetwas eingehender mit den physikalischen Konzep-
tenzurBeschreibungderNaturauseinandersetzenwollen,undwiedieseKonzepteineine
adäquatemathematischeFormulierungumgesetztwerden,denenempfehleichmeinLehr-
buch
• D.Pelte:PhysikfürBiologen(ISBN3-540-21162-4SpringerVerlag,Heidelberg2004)
Andersalsder Titel vermuten lässt,enthältdieses Buch eineallgemeine Darstellung der
Physik,diesichaneinbreitesPublikumwendet,dassichmitnaturwissenschaftlichenFra-
genundProblemenbeschäftigt.AberauchanderephysikalischeLehrbücherkönnendiese
Aufgabeübernehmen,wobeidannunter UmständeneineandereDarstellungsweiseund
Nomenklatur verwendet werden, als sie dieses und das oben angegebene Lehrbuch ver-
wenden.
MeinbesondererDankgiltdemPhysikalischenInstitutderRuprecht-Karls-Universität
Heidelberg,dasmirauchnachdemEndemeinerLehrtätigkeitgestattete,dieRessourcen
des Instituts weiter zubenutzen, ohnewelche die Fertigstellung dieses Buchprojekts un-
möglichgewesenwäre.IchmöchteauchdemSpringerVerlagundseinemLektorDaniel
Fröhlichdanken,derdie2.Auflageinitiiertundsorgfältigbetreuthat.
Heidelberg,Februar2014 DietrichPelte
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 TheoretischeGrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 P-Ebene:DieAussagenderThermodynamik. . . . . . . . . . . . . . . 3
2 DerEnergiebegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 DieEnergieunddieEnergieformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 P-Ebene:DieDefinitionvonMessgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 DieUmwandlungderEnergieformen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 P-Ebene:DieExergiealswandelbarerTeilderEnergie. . . . . . . . . 15
2.3 DieWirkungsgradederEnergiewandlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1 P-Ebene:DermaximaleWirkungsgrad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4 DerNutzungsgradundderVersorgungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.1 P-Ebene:NutzungsgradundVersorgungsgrad. . . . . . . . . . . . . . 37
2.5 FragenzurEnergieversorgung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3 DerBedarfanPrimärenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1 EmpirischeDaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.1 P-Ebene:KorrelationzwischenBruttoinlandproduktundPrimär-
energiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2 Dieve-undwe-Länder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3 BedarfssektorenfürEndenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4 DieEnergieprognosen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4.1 P-Ebene:DieGrundlagenvonPrognosen . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4 DasWachstumundseineGrenzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1 DieEntwicklungderWeltbevölkerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.1 P-Ebene:DiezeitlicheVeränderungderBevölkerungszahlen. . . . 66
4.2 DieEntwicklungdesBruttoinlandprodukts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3 DieEntwicklungdesPrimärenergiebedarfs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4 DieGrenzendesWachstums. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5 DerEnergiehaushaltderErde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
IX
X Inhaltsverzeichnis
4.5.1 P-Ebene:ZurPhysikdesErdklimas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.6 DasFlächenangebotderErde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.7 Deutschland,einSonderfall?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5 DieWeltenergievorräte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.1 DiefossilbiogenenEnergien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.2 DiefossilmineralischenEnergien1:Kernspaltung. . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2.1 P-Ebene:DiephysikalischenGrundlagenderKernspaltung. . . . . 112
5.3 DieEntsorgungdesnuklearenAbfalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.1 P-Ebene:ModerneTechnikenderEntsorgung. . . . . . . . . . . . . . 132
5.4 DiefossilmineralischenEnergien2:Kernfusion . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.4.1 P-Ebene:DerFusionsreaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.5 DieRisikenderKernenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.6 DasEndederfossilenEnergieträger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.6.1 P-Ebene:DiezukünftigeEntwicklungderfossilenEnergieträger . 152
6 DieerneuerbarenEnergien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.1 DieSolarenergie:Verfügbarkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.1.1 P-Ebene:DieUmwandlungderSolarenergie . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.2 DieSolarenergie:BiomasseundAbfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.2.1 P-Ebene:DieKohlenstofffixierungdurchFotosynthese. . . . . . . . 180
6.3 DieSolarenergie:Fotovoltaik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.3.1 P-Ebene:DieEigenschafteneinerFotodiode . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.4 DieSolarenergie:Lichtkonzentratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.4.1 P-Ebene:DieoptischenEigenschaftenvonLinsenundSpiegeln. . 197
6.5 DieSolarenergie:ThermischeSolarzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.5.1 P-Ebene:PhysikalischeGrundlagenthermischerSolarzellen . . . . 204
6.6 DieStrömungsenergie:Verfügbarkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.7 DieStrömungsenergie:Windkraftanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
6.7.1 P-Ebene:DieEnergiewandlungmithilfeeinerWindkraftanlage . . 215
6.8 DieStrömungsenergie:Wasserkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.8.1 P-Ebene:PhysikalischeGrundlagenvonWasserkraftwerken . . . . 224
6.9 DieStrömungsenergie:Wellenkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
6.9.1 P-Ebene:DiephysikalischenGrundlagenvonWellenkraftwerken 228
6.10 DieStrömungsenergie:Gezeitenkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.10.1 P-Ebene:PhysikalischeGrundlagenvonGezeitenkraftwerken . . . 234
6.11 DieKernenergie:Geothermie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
6.11.1 P-Ebene:DasGesteinalsWärmespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
7 EineZukunftohneEnergie? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
8 DieEnergiespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
8.1 DieVersorgungmiterneuerbarerEnergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257