Wie kann der Energiebedarf der Menschheit langfristig gedeckt werden?

[ralfkannenberg]

die Frage, ob es eine Illusion ist, die Kernfusion jemals technisch nutzen zu können oder ob einfach der Durchbruch noch nicht erreicht ist, scheint mir eher eine Frage für Spezialisten, die kann ich nicht wirklich beantworten.

Was sich aber z.B. beantworten lässt, ist wieviel Energie sich aus einer Kernfusionsreaktion maximal gewinnen lässt, falls sie technisch nutzbar, zuverlässig und nicht zu teuer ist. Und zwar aus der Verfügbarkeit des Brennstoffs.

Der Eindruck, dass Kernfusion eine praktisch unbegrenzte Energiequelle darstellt, ist nicht immer zutreffend.

Die mit Abstand einfachste Fusions-Reaktion (mit positiv geladenen Kernen) ist offenbar D+T.
Deuterium (D) ist im Meerwasser in mehr als ausreichender Menge enthalten und die Gewinnung ist billig. 300 € soll ein Liter schweres Wasser heute kosten, das Deuterium kostet also bestenfalls 1500 €/kg.
Die Schwierigkeit in der Brennstoffbeschaffung liegt hier im Tritium (T). Das ist heute sehr teuer und wird nur in geringen Mengen gewonnen. Außerdem zerfällt es rasch zu He3. Für eine Kernfusion mit D+T soll es aus Lithium gewonnen werden, durch Spaltung mittels der bei der Kernfusion erzeugten Neutronen. Vermutlich braucht man noch Be9 oder ein Bleiisotop als Neutronenvervielfacher. Die verfügbare Menge an Lithium, Blei und Be9 begrenzt die Energieproduktion. Reichen die verfügbaren Mengen aus um 1 Milliarde EJ zu produzieren?

Die anderen Kernfusionsreaktionen sind viel schwerer zu erreichen.

Wenn wir D+D schaffen und das einigermaßen preiswert, sind wir tatsächlich durch, denn das Deuterium ist im Meerwasser mehr als ausreichend vorhanden.

Bei D+He3 ist es schon schwieriger, da es an He3 mangelt. Auch die populäre Vorstellung He3 aus dem Sonnenwind auf dem Mond abzubauen funktioniert nicht richtig, da nur wenige Millionen Tonnen He3 auf dem Mond vorhanden sind.
In den Atmosphären der 4 Gasplaneten ist sehr viel He3 vorhanden. Fragt sich nur, wie man es herausbekommt. Hier hat Bynaus etwas dazugeschrieben:
https://www.final-frontier.ch/helium...lohnt-sich-das
siehe auch die Kommentare.

Hallo UMa,

danke für Deine ausführlichen Antworten; ich hatte betreffend Kernfusion eigentlich an die einfachste Variante gedacht, wie sie auch in den Sternen vorkommt, d.h. wir wissen, dass sie funktioniert, und dies seit mehreren Milliarden Jahren.

Das wäre die Proton-Proton-Reaktion, die sich auch auf der Wikipedia findet.

Bei den erneuerbaren Energien ist eine Unterscheidung wichtig, da sehr unterschiedliche Energieformen wie Windenergie, Biomasse, Sonnenenergie, Geothermie oder Wasserkraft zusammengefasst werden.

Hier hatte ich eigentlich an die Nutzung aller "sinnvollen" gedacht, d.h. eine Kombination, also nicht nur an eine einzige.

Nehmen wir als Beispiel die Wasserkraft in Deutschland. Gegenwärtig erzeugen wir ungefähr 600 TWh an elektrischer Energie pro Jahr, davon 21 TWh aus Wasserkraft. Würden wir die Heizung und den Verkehr elektrifizieren würden wir nahezu 1600 TWh benötigen. Könnten wir das alles durch Wasserkraft erzeugen, so wie in Norwegen?

Dagegen wären selbst 1600 TWh pro Jahr in Deutschland durch Photovoltaik mit heutiger Technik zu erzeugen kein Problem. 1700 GW an Photovoltaikanlagen würden ausreichen und nur einen geringen Anteil der Landfläche benötigen. Das Problem liegt hier in der zeitlichen Verteilung der Stromerzeugung. Im Winter ist der Strombedarf höher. Und ob man die Module recyceln kann.

Warum hast Du Dich nicht über die Windenergie geäussert ? Wenn ich durch Deutschland fahre kann ich überall diese wunderbaren Windmühlen, die mir persönlich wirklich sehr gut gefallen und zumindest für mich ein Zeichen von ganz konkretem Umweltschutz darstellen, sehen.

Was ist mit fossilen Brennstoffen? Die heute bekannt Mengen reichen natürlich nicht. Was aber wenn man wesentlich mehr finden würde?

Du meinst, wenn es gelingen würde, die Anlagen so zu bauen, dass ihre Schadstoff-Emission so stark minimiert wird, dass sie keine Belastung mehr für die Umwelt darstellen ? - Das könnte durchaus ein ganz valables Thema sein, aber auch nur für eine Übergangsfrist.


Was wir noch gar nicht angesprochen haben ist die chemische Nutzung von Wasserstoff, d.h. nicht Kernfusion, sondern chemische Reaktionen mit Wasserstoff, bei denen Energie frei wird und bei denen unschädliche Produkte (z.B. Wasser) entstehen.


Freundliche Grüsse, Ralf

[UMa]

Hallo Ralf,

die Proton-Proton-Reaktion in einem Umfang der nennenswerte Mengen Energie erzeugt, werden wir nicht hinbekommen können.
Das ist ja keine normale Fusion zweier Protonen zu einem Diproton=He2, denn das ist nicht stabil. Sie erfordert die Umwandlung eines Protons in ein Neutron mittels schwacher Wechselwirkung. Dafür ist der Wirkungsquerschnitt vielleicht um den Faktor 10 hoch 20 geringer. Das dauert selbst in Sternen wie der Sonne viele Milliarden Jahre bis so ein Proton mit einem anderen fusioniert. Da helfen auch höhere Temperaturen nicht sehr viel weiter. Vielleicht müsste man größere Mengen an Wasserstoff auf die Dichte von Neutronensternen komprimieren, um dann eine pep-Reaktion auszulösen oder so. Ich glaube, das können wir vergessen.

Wenn das so einfach ginge, gäbe es keine Sterne.
Also nur Kernfusionsreaktionen mit Erhaltung der Protonen- und Neutronenzahl kommen in Frage.
https://de.wikipedia.org/wiki/Kernfusion
Die Proton-Proton-Reaktion sollten wir der Sonne überlassen.


Die einzelne Betrachtung ermöglicht es Energieformen zu erkennen, die keinen größeren Beitrag zur Gesamtmenge leisten können.

Die Wasserkraft war ein Beispiel, wie sich das Potential abschätzen lässt.
Bei der Windkraft ist es sehr schwer zu entscheiden, ob sie die erforderliche Leistung bringen kann.

Bei fossilen Brennstoffen: Sagen wir, wir fangen mit CCS das CO2 auf und speichern es anstelle des Erdgases in der Erde.
Würde das funktionieren, wenn wir nur genügend Erdgas finden? Könnten wir so 1 Milliarde EJ Energie erzeugen?

Wo willst du Wasserstoff abbauen? Auf der Erde? Auf einem Gasplaneten, ihn zur Erde schaffen und dann verbrennen?
Sonst musst du ihn erst unter Energieaufwand herstellen und dann ist er nur ein Energiespeicher.

Grüße UMa

@pauli: Was ist mit Sonnenenergie?

[pauli]

@pauli: Was ist mit Sonnenenergie?

Ich weiß es nicht, denke mir aber, da nicht halb Afrika mit Sonnenkollektoren bedeckt ist scheint es auch Nachteile zu haben.

@edit
Gerade nachgelesen: der Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen scheint recht klein zu sein, hohe Wirkungsgrade erfordern aufwändigere Herstellung weil (das war mir garnicht bekannt) mehrere Schichten übereinander gestapelt werden müssen da jede Schicht nur eine beatimmte Wellenlänge umwandeln kann.

Die auf die Erdatmosphäre auftreffende Sonnenenergie beträgt jährlich 1,56 · 1018 kWh, was knapp dem 12.000fachen des Primärenergieverbrauchs der Menschheit im Jahr 2005 (1,33 · 1014 kWh/Jahr) entspricht.[24] Von dieser Energie erreicht etwa die Hälfte die Erdoberfläche,[25] womit sie potentiell für die photovoltaische Energiegewinnung nutzbar ist.

Das ist also schonmal gut

[mac]

Hallo,

Desertec ist schon eine Weile 'tot', aber die grundsätzliche Idee weltweit offensichtlich noch lange nicht.

https://elib.dlr.de/84673/2/Effizien...ranz_Trieb.pdf
https://elib.dlr.de/84673/
und ein Youtube Video: Franz Trieb u. Harald Lesch zur regelbaren Solarthermie und Strompipeline (600 kV Gleichstrom)

Herzliche Grüße

MAC

[mac]

Hallo UMa,

Hallo MAC,

an eine Expansion außerhalb der Erde, habe ich eigentlich weniger gedacht.

OK.
Nur hattest Du selber mit Deiner Aussage auf ScienceBlogs

Nehmen wir an, der Energieverbrauch stabilisiert sich über dem heutigen Niveau und die Menschheit lebt ähnlich lange, wie sie schon existiert, etwa 1 Million Jahre. (200.000-300.000 Jahre für Homo sapiens, 2-3 Millionen Jahre für Gattung Homo.))

einen entsprechend großen Zeitrahmen vorgegeben, der nur in einem sehr unwahrscheinlichen Spezialfall einen solch stabilen menschlichen Energiebedarf generieren würde.

Herzliche Grüße

MAC

[JensU]

Wenn ich meine Meinung dazu beitragen darf.
Die Kernfusion befindet sich noch im Forschungsstadium und ist deshalb nicht verfügbar.
Über die Kernfusion habe ich mir in meinem Konzept auf der iENA2019 Gedanken gemacht.
Die Funktionsskizze mit Beschreibung gibt es auf Anfrage und Email.

Ich kann mir dazu Solarthermische Kraftwerke in der Wüste mit Abwärmenutzung vorstellen,
die synthetischen Treibstoff aus Wasserstoff und CO2 für die Welt produzieren.
Dieser wird dann möglichst effizient für die Mobilität und in BHKW verwendet.

Gruß,
Jens

[pauli]

Dieser wird dann möglichst effizient für die Mobilität und in BHKW verwendet.

Ich glaube in FCKW lässt es sich deutlich effektiver verwenden

[UMa]

Hallo MAC,

ich hatte wenige Zeit, deswegen antworte ich erst jetzt.
Bei einer Expansion außerhalb der Erde, die den Energiebedarf der Erde übertrifft, müsste man nochmal neu überlegen.
Doch das halte ich erst mal für spekulativ.

Eine exakte konstanter Energieverbrauch ist nicht notwendig. Es würde für die Energieformen, die auf Vorräten basieren (Kernfusion, -spaltung, fossile Brennstoffe, ...) reichen den gesamten Energieverbrauch zu kennen, den ich mal mit einer Milliarde EJ festgelegt habe. Der jährliche Energieverbrauch könnte auch größeren langfristigen Schwankungen unterliegen.

Meine von dir zitierte Aussage auf Scienceblogs diente nur der Motivation der Angaben zum Energieverbrauch. Ich wollte damit die Szenarien Menschheit stirbt rasch aus oder fällt nach wenigen Jahrhunderten oder Jahrtausenden dauerhaft auf ein vorindustrielles Niveau ausschließen. In diesen Fällen wäre der kumulierte Energieverbrauch deutlich geringer.

Zur Solarthermie, nicht zum heizen, sondern zur Stromerzeugung, also konzentrierter Sonnenenergie (CSP):
Die funktioniert im Unterschied zur Photovoltaik, die auch das gestreute Licht mit ausnutzt, nur mit direktem Sonnenlicht.
Das scheint für bewölkte Gegenden weniger geeignet. Schlimmer noch, was passiert bei einem Ausbruch eines Supervulkans in der Größenordnung des Toba von vor 74000 Jahren? Dann dürfte die CSP Stromproduktion für Jahre nahezu komplett einbrechen. Oder?

Grüße UMa

[mac]

Hallo Uma,

ich hatte wenige Zeit, deswegen antworte ich erst jetzt.

kommt mir sehr entgegen! ��

Bei einer Expansion außerhalb der Erde, die den Energiebedarf der Erde übertrifft, müsste man nochmal neu überlegen.
Doch das halte ich erst mal für spekulativ.

schwer zu sagen – besonders wenn wir an Rohstoffgrenzen stoßen (z.B. Phosphor)

Eine exakte konstanter Energieverbrauch ist nicht notwendig. Es würde für die Energieformen, die auf Vorräten basieren (Kernfusion, -spaltung, fossile Brennstoffe, ...) reichen den gesamten Energieverbrauch zu kennen, den ich mal mit einer Milliarde EJ festgelegt habe. Der jährliche Energieverbrauch könnte auch größeren langfristigen Schwankungen unterliegen.

Ja.

Meine von dir zitierte Aussage auf Scienceblogs diente nur der Motivation der Angaben zum Energieverbrauch. Ich wollte damit die Szenarien Menschheit stirbt rasch aus oder fällt nach wenigen Jahrhunderten oder Jahrtausenden dauerhaft auf ein vorindustrielles Niveau ausschließen. In diesen Fällen wäre der kumulierte Energieverbrauch deutlich geringer.

Ja.

Zur Solarthermie, nicht zum heizen, sondern zur Stromerzeugung, also konzentrierter Sonnenenergie (CSP):
Die funktioniert im Unterschied zur Photovoltaik, die auch das gestreute Licht mit ausnutzt, nur mit direktem Sonnenlicht.

Was aber nur so lange eine zentrale Rolle spielt, wie die gewonnene Energie nur lokal verteilbar ist. Das ist aber schon lange nicht mehr der Fall.

Das scheint für bewölkte Gegenden weniger geeignet. Schlimmer noch, was passiert bei einem Ausbruch eines Supervulkans in der Größenordnung des Toba von vor 74000 Jahren? Dann dürfte die CSP Stromproduktion für Jahre nahezu komplett einbrechen. Oder?

Dafür genügt Energie und Wohnraumisolation alleine nicht. Ein erheblicher Teil der landwirtschaftlichen Produktion müßte mit Kunstlicht betrieben werden.

Wenn man dann auch noch tatsächlich die Transportmittel nur auf Strom und Akkumulatoren umgestellt haben sollte, haben wir auch ganz schnell noch ein Transport- und Versorgungsproblem.

Nun, das würde im Gegenzug recht schnell auch den weltweiten Energiebedarf drastisch senken.

So weit wie ich die Energiekonzepte bisher wahrgenommen habe, sehe ich als einen möglichen Weg zur Energienutzung die Sonnenenergie in all ihren natürlichen und technischen Umsetzungen, Ferntransport durch Gleichspannungsleitungen direkt als Strom und auch durch Kohlenwasserstoffe (gewonnen aus H2O und CO2) insbesondere für die Vorratshaltung und Verbrennung in Kraftwerken und Transportmitteln.

Herzliche Grüße

MAC

[JensU]

Ich glaube in FCKW lässt es sich deutlich effektiver verwenden

Nein. Synthetischer Treibstoff in flüssiger Form halte ich für besser.
Die vorhandene Infrastruktur wie Tankstellen und Tankschiffe kann übernommen werden
Solarthermische Kraftwerke kann man sofort bauen.
Bei einer hohen Umgebungstemperatur am Tag reduziert sich der Wirkungsgrad durch die geringere Temperaturdifferenz im Carnotprozess.
Die Kühlung muss deshalb unabhängig der Umgebungstemperatur erfolgen.

Gruß,
Jens