Schneller Brüter

Der schnelle Brüter ist ein Kernreaktortyp (Kernkraftwerk) zur Stromerzeugung und Plutoniumgewinnung, der als Spaltstoff (Kernspaltung) Plutonium verwendet, das mit schnellen Neutronen gespalten wird.

Uran-238 dient als Brutstoff. Im Brutmantel, der den Reaktorkern (Kernreaktor) umgibt, entsteht aus Uran 238 durch Neutroneneinfang Plutonium 239 (Brutvorgang) Der schnelle Brüter. kann so mehr Plutonium erzeugen, als er verbraucht, wodurch die begrenzten Uranreserven um den Faktor 60 gestreckt werden sollen (Energiereserven).

Da Plutonium in der Natur nicht vorkommt, muss die Erstfüllung durch Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente von Leichtwasserreaktoren (Kernkraftwerk) gewonnen werden. Als Kühlmittel wird wegen guter Wärmeabfuhr und Nichtabbremsen der Neutronen Natrium verwand. Der schnelle Brüter besitzt keinen Moderator (Kernreaktor).

Die Wiederaufarbeitung von schnellern Brüter-Brennelementen verlangt spezielle Anlagen. Wegen der größeren Störfallgefahr ist der Kernreaktor von einem doppelten Sicherheitsbehälter umgeben, und ein Core-Catcher soll beim größten Störfall den geschmolzenen Reaktorkern aufnehmen, kühlen und eine Plutoniumkettenreaktion (Kernspaltung) verhindern.

Umweltbelastung: Im Normalbetrieb werden, verglichen mit Leichtwasserreaktoren (LWR), höhere Emissionen radioaktiver Edelgase (Krypton, Xenon, Argon) und geringere an radioaktivem Iod erwartet. Die größte Gefahr geht von Stör- und Unfällen aus. Prinzipiell gilt der schnelle Brüter als gefährlichster Kernreaktortyp, was Wahrscheinlichkeit und Ausmaß von Unfällen angeht. Ob dieses Gefahrenpotential durch zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen kompensiert werden kann, ist umstritten.

Sicherheitstechnische Besonderheiten des schnellen Brüters.:

Das Kühlmittel Natrium stellt eine besondere Gefahr als Störfallauslöser dar, da es mit Wasser und Luft heftig reagiert.
Bei einem Störfall mit Kühlmittelverlust zeigt der schnelle Brüter im Gegensatz zum LWR keine Selbststabilisierung, vielmehr steigt seine Leistung sogar an. Es bleibt erheblich weniger Zeit, um den Reaktor mittels Schnellabschaltung abzuschalten.
Wegen der hohen Plutoniumkonzentration kann es beim schnellen Brüter im Gegensatz zum LWR zu einer begrenzten nuklearen Explosion (atombombenähnlich) kommen. Ob der Reaktordruckbehälter dem standhält, ist umstritten.
Der größtmögliche Störfall (Bethe-Tait-Störfall, vgl. Super-Gau) tritt ein, wenn die Kühlung ausfällt und die Reaktorschnellabschaltungen versagen. Folge: Leistungs- und Temperaturanstieg, Schmelzen der Brennelemente (30 % aus Plutonium). Dabei kann es mehrfach zur Bildung einer kritischen Masse (Kernspaltung), nuklearen Explosionen mit evtl. Bersten des Reaktordruckbehälters und Freisetzung extrem großer Mengen Radioaktivität kommen.

Folgen eines solchen schweren Unfalls, der sich alle ca. 100000 Reaktorjahre ereignen kann, berechnet für den schnellen Brüter in Kalkar: 1.400 Soforttote, 52000 bis 2,7 Million Folgetote; etwa eine Million Menschen müssen umgesiedelt werden, auf einer Fläche von 260 km mal 260 km ist Jahrhunderte lang keine Landwirtschaft mehr möglich, eine Fläche von 90 km mal 90 km muss oberflächlich abgetragen werden.

Die Auswirkungen liegen um das 2 bis 5 Fache höher als beim Super-Gau eines LWR. Weitere Gefahr: Mit dem Betrieb von S: gelangen große Mengen des hochgiftigen Plutoniums in Umlauf. Das erbrütete Plutonium ist wegen seiner Reinheit waffentauglich.

In Frankreich und anderen Staaten wurde es zum Atomwaffenbau verwandt.
1973 wurde mit dem Bau der schnelle Brüter in Kalkar begonnen, Kenndaten: Elektrische Leistung 295 MW, Reaktorkern konzipiert für 850 kg Plutonium. 1986 erklärte der Hersteller Interatom den schnellen Brüter für betriebsbereit. Das Land NRW erteilte jedoch keine Genehmigung zur Einlagerung der Brennelemente. 1991, noch bevor der schnelle Brüter jemals am Netz war, verkündete das BMFT das endgültige Aus für den schnellen Brüter. Die Baukosten beliefen sich, ohne Forschungsgelder, auf 7,5 Mrd DM.

In Frankreich ist der Vorzeige-schnelle Brüter Superphenix seit 1990 wegen diverser Pannen stillgelegt. Frankreich hat nach den Erfahrungen mit dem Superphenix von der ursprünglich geplanten Serienfertigung großer schneller Brüter Abstand genommen. Die USA haben bereits unter Carter die schnellen Brüter-Entwicklung eingestellt. Weltweit konnte der S. nicht zu einer kommerziellen Reife gebracht werden. Ohne schnellen Brüter stellen aber auch konventionelle Kernkraftwerke aufgrund der begrenzten Uranvorräte keine langfristige Option dar (Energiereserven).

Alternativen: regenerative Energiequellen.

Schallschirm

Ein S. ist eine frei stehende Wand, die als Hindernis die Schallausbreitung beeinflußt.

S. werden sowohl in Innenräumen z.B. als Schall- und Sichtschutz in Großraumbüros oder im Freien eingesetzt. S. bilden auf der Seite, die von der Schallquelle abgewendet ist, einen Schatten. Die Abschattung der Schallwellen bewirkt eine Verminderung der Schallenergie, da der Schall nicht mehr direkt, sondern nur noch über Reflexion, Transmission und Beugung in den Bereich des Schattens gelangt.

Als S. wirken natürliche und künstliche Hindernisse, z.B. Geländeerhebungen wie Böschungen, Gebäude, Bewuchs, Erdwälle usw. Hauptsächlich werden S. zum Schutz der Wohnbebauung gegen Verkehrs- und Industrielärm eingesetzt. S. bewirken eine Schallpegelminderung von etwa 12-13 dB (Dezibel, Schallbewertung). Die Errichtung von S. führt nicht selten zu einem gravierenden Eingriff in die Landschaft.

Rationelle Energienutzung

Primaerenergie

Nutzenergie

Nickel-Cadmium-Akkumulatoren

N. sind eine besondere Form von Akkumulatoren.

Sie sind hauptsächlich in Bauformen normaler Primärzellen (Batterien) erhältlich. Die Kapazität von N. ist vergleichbar mit der von Zink-Kohle-Batterien und viermal geringer als die von Alkali-Mangan-Batterien. Ein N. hat eine etwa 20 Prozent geringere Spannung als vergleichbare Primärzellen, hält diese aber praktisch über die gesamte Entladezeit kostant, während bei anderen primärzellen die Spannung allmählich abfällt.

N. enthalten das gifte Cadmium und sind daher mit Iso-Symbol 70000/1135 gekennzeichnet. Sie müssen daher am Lebensende separat entsorgt werden. In einem optimalen Lade-/Entlade-Zyklus können sie bis zu 1.000mal wieder aufgeladen werden und verringern damit erheblich das Abfallvolumen und machen ein Recycling wegen der hohen Metallgehalte lohnenswert.

Da N. bei langer Lagerung Energie verlieren, ist ein Ersatz in elektrischen Geräten erst dann sinnvoll, wenn im Schnitt häufiger als alle drei Wochen ein Batteriewechsel (von Zink-Kohle-Batterien) nötig ist.

Netzverlust

In den Übertragungsleitungen (Stromnetzen) "verlorener" Strom.

Durch den Ohmschen Widerstand in den Übertragungsleitern werden diese erwärmt. Dies führt zu Netzverlusten/ Übertragungsverlusten.
Um die N. so gering wie möglich zu halten, wird eine hohe Spannung gewählt.
Die N. nehmen mit der Distanz der Übertragungsleiter zu. Dies ist ein großes Problem für Projekte, wie z.B. das Desertec-Projekt, da so der Energietransport aus der Wüste zu den Verbrauchern ineffizient ist (Problematik langer Wegstrecken).

Netzausbau

Im Zuge der Energiewende beschlossener Ausbau der Stromnetzinfrastruktur

Bis 2050 soll die Energieversorgung überwiegend durch erneuerbare Energien gewährleistet werden. Das Stromnetz in Deutschland ist allerdings für eine zentrale Energieversorgung durch einzelne Großkonzerne, die größtenteils auf fossile und nukleare Energiegewinnung setzten, ausgerichtet.

Durch den gewünschten Umbau, weg von fossiler und nuklearer Stromerzeugung hin zu regenerativer Energie, muss auch das Stromnetz erneuert, umgebaut und ausgebaut werden. Hierbei müssen verschiedene Probleme beachtet werden:

die stetigen und leistungsfähigen Stromerzeuger (Atom- und Kohlekraftwerke) fallen weg, daher muss der durch die erneuerbaren Energien gewonnene Strom diesen Wegfall ausgleichen und zu den Verbrauchern transportiert werden.
Die Versorgungssicherheit muss in ganz Deutschland gewährleistet sein, so dass z.B. aus Offshore-Anlagen produzierter Strom auch in den Süden Deutschlands gelangt. Kapazität und Leistungsfähigkeit des Stromnetzes sollen daher ausgebaut werden.
Das Übertragungsnetz muss an die Stromversorgung durch erneuerbare Energien (wetter- und naturabhängige Stromerzeugung, unsichere Versorgungskontinuität) angepasst werden. Da es vorkommen kann, dass lokal mehr Energie erzeugt als verbraucht wird, sollte diese überschüssige Energie gespeichert oder abtransportiert und an anderen Stellen eingespeist werden.

Mineralöl

Sammelbezeichnung für aus mineralischen Rohstoffen wie Erdöl, Braunkohle und Steinkohle, Holz und Torf gewonnene flüssige Destillationsprodukte, die v.a. aus Gemischen von gesättigten Kohlenwasserstoffen bestehen.

Bei der Verschmutzung von Haut und Kleidern mit unreinem M. können Paraffinkrätze, Akne und Hautkrebs auftreten. Durch Einatmen von M. tritt eine Reizung der oberen und tieferen Luftwege und evtl. M.-Pneumonien auf. M. gelten als wassergefährdende Stoffe.
M.-Lager: Lagertank

Siehe auch: Braunkohle, Kohlenwasserstoff

Methan

M. (CH₄) ist ein farbloses, geruchloses, ungiftiges Gas, das zu Kohlendioxid und Wasser verbrennt. Methan gehört zu den klimarelavanten Treibhausgasen.

Methan kann als Brenn- und Heizgas z.B. in Brennstoffzellen verwendet werden. Seine Umweltrelevanz ergibt sich aus dem Ozonabbau von Methan und als klimarelevantes Spurengas beim Treibhauseffekt. Nach Kohlendioxid ist Methan mit einem Anteil von knapp 20 Prozent wichtigster Verursacher des Treibhauseffekts. Die weltweiten Methanemissionen werden auf 500 Mio. Tonnen/Jahr geschätzt, davon gehen rund 70 Prozent auf menschliche Aktivitäten zurück. 1994 wurden in Deutschland rund 833.000 Tonnen Methan emittiert.

Methan ist Hauptbestandteil von Erdgas, Biogas, Deponiegas und Klärgas. Methan entsteht bei allen organischen Gär- und Zersetzungsprozessen, wie z.B. in Sümpfen, Nassreisfeldern und Massenviehhaltung (der Verdauungstrakt von Wiederkäuern produziert Methan). Die Tierhaltung verursacht rund 39 Prozent aller landwirtschaftlichen Methanemissionen, größtenteils durch Rinder. Der Nassreisanbau ist mit ca. 17 Prozent an den weltweiten Methan-Emissionen beteiligt.
In reiner trockner Luft findet man ca. 2 ppm Methan.

Des weiteren gelangt Methan durch Lecks in Erdgasleitungen und durch Bodenversauerung in die Umwelt. Methan entsteht bei der Abwasser- und Klärschlammbehandlung sowie bei der Klärschlammausbringung in der Landwirtschaft. Methan entsteht auch in geringen Mengen (0,6 bis 1,6 Prozent des enthaltenen Kohlenstoff werden in Methan umgewandelt) bei der Verbrennung von Biomasse bzw. fossilen Brennstoffen.

Kurzumtriebsplantagen

Die Kurzumtriebsplantage (KUP) zeichnet sich durch eine extensive Landwirtschaftsbenutzung aus, in der schnell wachsende Baumarten für die Holzproduktion angebaut werden.

In Form von Hackschnitzeln oder Holzpellets wird der nachwachsende Rohstoff Holz vor allem für die Wärmeerzeugung genutzt. Die steigende Nachfrage nach Energie, gekoppelt mit den steigenden Preisen für fossile Energieträger und dem Ausbau erneuerbarer Energien, macht Holz als nachwachsenden Energieträger (erneut) immer populärer. Überlegungen, diesen steigenden Bedarf durch Kurzumtriebsplantagen zu decken, werden zurzeit nachgegangen.
KUPs zeichnen sich dadurch aus, dass sie durch schnell wachsende, hochproduktive Baumarten, die in hoher Dichte angepflanzt und regelmäßig geerntet werden (1-20 Jahre), in verhältnismäßig kurzer Zeit viel Holz (für z.B. die Energieerzeugung) liefern. (vgl. Rösch/Jörissen 2012: 194) Eine stoffliche Verwertung (Zellstoff-, Papier- und Holzwerkstoffindustrie) ist nach längeren Umtriebszeiten (etwa 10 Jahre) auch möglich. (vgl. NABU o.J.). Laut BUND (2010: 6) verringert sich das Stockausschlagvermögen nach mehren Ernten. "Meist wird mit einer mindestens 20jährigen Nutzungsdauer gerechnet, allerdings gibt es hierzu in Deutschland noch keine Erfahrungswerte" (BUND 2010:6).

Die Merkmale dieser Baumarten sind:
- schnelles Jugendwachstum,
- schnelle Vermehrbarkeit,
- gutes Stockausschlagevermögen,
- vegetative Vermehrbarkeit,
- Dichtstandsverträglichkeit,
- Resistenz
(vgl. Rösch/Jörissen 2012:195)

KUPs besitzen geringere Beeinträchtigungen für Klima und Umwelt gegenüber anderen - hauptsächlich für die Biogaserzeugung angebauten - 'Energiepflanzen':

Geringere Dünge- und Planzenschutzmitteleinsatz (u.a. geringerer Bedarf an Stickstoffdünger, dessen Herstellung viel Energie benötigt)
CO₂-neutraler Energiequelle
Geringere Treibhausgasemissionen
Für unterschiedliche Standorte geeignet (auch auf Flächen, die für den Ackerbau nicht ge-eignet sind). Dadurch besteht auf diesen Flächen keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion.
Keine Umwandlung in Biogas nötig, sondern direkt als Energieträger nutzbar

Positive Effekte durch KUPs sind u.a.:

eine Rekultivierung durch KUPs ist möglich, da die Bäume die oberen Bodenschichten lo-ckern und viel Kohlenstoff speichern (vgl. Rösch/Jörissen 2012:195-196).
Erhöhung der Strukturvielfalt in ackerbaudominierten Gebieten (wichtig für den Lebensraum von Pflanzen und Tieren)
Erosionsgefährdete Standorte werden geschützt
geringerer Produktionsdruck für einheimischen Wäldern (KUPs als Alternative zur starken Abholzung der einheimischen Wälder)
Beschränkung des Holzimports für Energiezwecke
Qualität des Grundwassers wird verbessert (durch hohe Nährstoffbindung der KUPs)

Negative Auswirkungen:

Rückgang der Sickerwassermenge (Beeinträchtigung des Wasserhaushaltes, z.B. Grundwas-serabsenkung und verringerte Grundwasserneubildung ist möglich)
Meist Monokulturen
Konkurrenz zu Naturschutzflächen, z.B. wenn Brachflächen und Grünflächen als KUP genutzt werden und somit ein Verlust der biologischen Vielfalt droht (vgl. BUND 2010:7)
Gefahr des Anbaus von gentechnisch veränderten Bäumen oder von invasiven Baumarten
hohe Holzerträge nur auf leistungsfähigen Böden. Dies kann zu Flächenkonkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion führen.

Obwohl Kurzumtriebsplantagen in letzter Zeit an Bedeutung und Aufmerksamkeit gewinnen, werden erst 4.000 Hektar als KUPs (vgl. Rösch/Jörissen 2012:195) in Deutschland genutzt. Allerdings sind die Flächenpotenziale sehr hoch. Weiterhin werden KUPs im Rahmen der GAP und des
EEG gefördert.

Lit.

Rösch, Christine/ Jörissen, Juliane (2012): Hoffnungsträger Kurzumtriebsplantagen? – Perspektiven und Herausforderungen im Überblick. – In: GAiA, 2012, Nr. 3, S.194-201.
BUND (2010): Kurzumtriebsplantagen für die Energieholzgewinnung – Chancen und Risiken. [Stand:28.02.2013]
NABU: Kurzumtriebsplantagen. [Stand: 28.02.2013]
Dr. habil. Röhricht (2008): Anbauergebnisse mit schnellwachsenden Baumarten. [Stand: 28.02.2013]

Kühlturm

In Kraftwerken fallen ca. 65% der erzeugten Wärme als Abwärme an, die an die Umwelt abgeführt werden muß.

Da die direkte Kühlung mit Flußwasser zu einer starken Aufheizung der Flüsse führt, wird heute bei Großkraftwerken dieAbwärme zusätzlich über K. an die Umgebungsluft abgegeben. Man unterscheidet zwischen Naß- und Trocken-K.. Im Naß-K. gibt das zu kühlende Wasser einen Teil seiner Wärme durch Verdunstung an die Luft ab, bevor es in den Fluß geleitet wird. Dabei gelangen in ihm enthalteneDesinfektionsmittel und Salze in den Fluß. Naß-K. haben den größtenWirkungsgrad, beeinflussen aber das Kleinklima durch Schwadenbildung negativ.

Diese werden bei den Trocken-K. vermieden. In Trocken-K. wird der geschlossene Kühlwasserkreislauf wie beim Autokühler mittels durchströmender Luft gekühlt und eine Belastung von Flüssen vermieden. Trocken-K. haben besonders bei warmem
Wetter einen schlechteren Wirkungsgrad, beeinflussen dafür aber mit Ausnahme ihres wuchtigen Erscheinungsbildes die Umgebung kaum. Trocken-K. sind nur bis zu einer Kraftwerksleistung von 300 MW elektrisch einsetzbar und werden bislang fast ausschließlich bei kleineren industriellen Kraftwerken eingesetzt, wo mit ihnen beträchtliche Wasserkosten gespart werden können. Bei großen Kraftwerken sind Trocken-K. größer und teurer in der Anschaffung als Naß-K..

Hier bietet sich eine Kombination aus Trocken- und Naß-K. an (Hybrid-K.). Sinnvoller wäre die Vermeidung von Großkraftwerken und eine Dezentralisierung der Energiegewinnung (Kraft-Wärme-Kopplung). Naß-K. werden in manchenKohlekraftwerken auch als Schornstein für Rauchgase mitgenutzt. Die Wasserdampfschwaden tragen die Rauchgase in große Höhen.

Siehe auch: Kraftwerk, Abwärme

Kraftwerk

Kraftwerke sind Anlagen, die aus verschiedenen Energieträgern Strom gewinnen.

Die meisten Kraftwerke arbeiten als Dampfkraftwerken. In Dampfkraftwerken wird durch Verbrennung fossiler Brennstoffe, Spaltung von Uran(Kernkraftwerk) oder Sonnenenergie(Solarkraftwerk) Wasser zu Wasserdampf erhitzt. Der Wasserdampf treibt zur Stromerzeugung Turbinen an und kondensiert schließlich wieder zu Wasser. Wird die in Kraftwerken zwangsläufig anfallende Abwärme als Fernwärme genutzt, spricht man von Kraft-Wärme-Kopplung und nennt eine solche AnlageHeizkraftwerk.

Dampfkraftwerke wandeln ca. 40 Prozent der eingesetzten Energie in Strom um, die restliche Energie geht als Abwärme verloren und belastet die Umwelt (Abwärme, Kühlturm). Bei der Stromverteilung treten zusätzliche Energieverluste auf (Hochspannungsleitung). In Heizkraftwerken werden 80-90 Prozent der Energieausgenutzt (Kraft-Wärme-Kopplung). Neben Dampfkraftwerken gibt es Kraftwerke, die ohne Erhitzung von Wasser Strom erzeugen. Bei Blockheizkraftwerken und Notstromdieselaggregaten wird ein Generator von einem Verbrennungsmotor betrieben. Wasserkraft- und Windkraftanlagen (Windenergie) nutzen die mechanische Energie von Wasser bzw. Wind zum Antrieb eines Generators.

Bei Gasturbinen treiben die Verbrennungsgase Turbine/Generator an. Besonders hohe Wirkungsgrade haben Kombikraftwerke, die Gas- und Dampfturbinen koppeln. Schließlich gibt es noch Photovoltaik-Kraftwerke, die Sonnenlicht direkt in Stromumwandeln (Solarzellen).

Durch den Einbau von Rauchgasentschwefelungsanlagen,Rauchgasentstickungsanlagen und Rauchgasentstaubungsanlagen konnten die Kraftwerksemissionen in den letzten Jahren deutlich reduziert werden (Großfeuerungsanlagenverordnung).

Kombikraftwerk

K. sind Kraftwerke Kraft-Wärme-Kopplung, bei denen Gas- und Dampf-Prozesse gekoppelt sind.

Dabei treiben die unter Druck stehenden Verbrennungsgase direkt eine Gasturbinean. Die in den Verbrennungsgasen verbleibende Wärme wird nach Austritt aus der Gasturbine zur weiteren Stromerzeugung in einer Dampfturbine genutzt, entweder durch direkte Dampferzeugung oder bei der Nutzung des Abgases als Verbrennungsluft. K. erreichen bei Erdgas- oder Heizöl-Feuerung elektrische Wirkungsgrade von über 50%, was deutlich über denen konventioneller Kraftwerke (30-40%) liegt.

Mit integrierter Vergasung können auch feste Brennstoffe, wie z.B. Kohle, Torf,

Holzoder Klärschlamm , im K. genutzt werden (Kohlevergasung). Kohle-K. sollen gegenüber konventionellen Kohlekraftwerken eine Reihe von Vorteilen aufweisen: höherer Wirkungsgrad der Stromerzeugung (45% statt ca. 35%), Schwefel kann im Brenngas als Schwefelwasserstoff abgeschieden und in elementaren Schwefelumgewandelt werden (kein Gipsanfall, Rauchgasentschwefelungsanlage),Stickoxidemissionen sollen bei nur 100 mg/m3 liegen. Erste Pilotanlagen sind in Deutschland in Planung.

Kollektoranlage

Kollektor

Kohleverflüssigung

K. ist ein Verfahren zur Kohleumwandlung.

Bei der in Deutschland schon im Zweiten Weltkrieg angewandten Hydrierungstechnik werden die wasserstoffarmen Kohlenstoffverbindungen der Kohle bei 400 Grad C und 300 bar in kleinere Einheiten aufgespalten und anschließend durch Zugabe von Wasserstoff zu langkettigen Kohlenwasserstoffen aufgebaut. Endprodukte sind:Benzin, Diesel, Heizöl und Aromate für die chemischeIndustrie.

Die in Bottrop betriebene Pilotanlage zur K. (Durchsatz 200t Steinkohle pro Tag) wurde inzwischen umgestellt auf die Hydrierung (Hydrolyse) von Abfällen (Lacke,Lösungsmittel, Kunststoffe, Bitumen und PCB-haltige Schlämme). Ursprünglich geplante großtechnische Folgeprojekte wurden aus Kostengründen storniert.

Siehe auch: Kohleumwandlung

Kohleveredlung

Kohleumwandlung

Unter K. - auch Kohleveredlung genannt - versteht man neben der Verkokung (Kokerei) alle Verfahren, durch die Kohle in flüssige oder gasförmige Energieträger umgewandelt wird.

Hierzu gehören Kohleverflüssigung undKohlevergasung. In
Deutschland lassen sich Brennstoffe wieGas oder Benzin durch K. auf absehbare Zeit nicht wirtschaftlich erzeugen bzw. ersetzen. Aus diesem Grunde wurden trotz erheblicher öffentlicher Mittel in den 70er- und 80er Jahren bislang keine großtechnischen, kommerziellen Anlagen zur K. realisiert. Die Kohleverflüssigung wurde komplett eingestellt, während dieKohlevergasung als integraler Bestandteil von Kombikraftwerken durchaus Zukunftschancen besitzt.

Wichtigste Umweltprobleme bei der K.:

- Schlechter Wirkungsgrad: Nur 50-60% der Energie der eingesetzten Kohle sind in den K.-Produkten enthalten.
- Emission von Schadstoffen: Bei der K. entsteht eine Vielzahl von festen, flüssigen und gasförmigen Nebenprodukten. Eine besondere Gefahr geht bei einigen Verfahren von den polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, z.B.Benzopyren, aus. Sie sind z.T. stark krebserregend und werden vonMikroorganismen schlecht abgebaut. Wegen fehlender Erfahrung mit großtechnischen K.-Anlagen ist bisher nur ungenügend bekannt, welche umweltbelastenden Stoffe bei K. auftreten und in welchem Umfang sie in die Umweltgelangen. Tendenziell entstehen bei der K. weniger Schwefeldioxid und Stickoxideals bei der Verbrennung von Kohle in Kraftwerken, dagegen erheblich mehrKohlenwasserstoffe.

Kohlepfennig

Ausgleichsabgabe für die Stromerzeugung aus heimischer Steinkohle, die seit 1974 jeder Stromverbraucher in den alten Bundesländern in Form eines prozentualen Aufschlags auf die Stromrechnung zu entrichten hat.

Mit dem K. werden die Energieversorgungsunternehmen dafür entschädigt, daß sie sich im sog. Jahrhundertvertrag dazu verpflichteten, deutsche Steinkohle zu verstromen. 1990 zahlten die Stromverbraucher durchschnittlich 8,25% ihrer Stromrechnung für den K., die Stromerzeuger erhielten umgekehrt etwa 5,3 Mrd DM. Der K. soll Ende 1995 abgeschafft werden.
Wiederholt wurde vorgeschlagen, analog zum K. einen "regenerativen Pfennig" zur verstärkten Markteinführung regenerativer Energiequellen zu verabschieden.

Kohlekraftwerk

In Kohlekraftwerken wird zur Stromerzeugung Braun- oder Steinkohle verbrannt (Kraftwerk, Kohle).

Kohlekraftwerke gehören immer noch zu den größten Luftverschmutzern in Deutschland (Schwefeldioxid, Stickoxide,Kohlendioxid). In Kohlekraftwerken ohne Abgasreinigung erzeugt Steinkohle bei gleicher Leistung mehr Schadstoffe als rheinische Braunkohle:

- SO₂: Wegen des höheren Schwefelgehalts der Steinkohle und der schlechteren Schwefeleinbindung in die Asche bis zum Zweifachen.
- NO_x: wegen der höheren Verbrennungstemperatur, v.a. bei der Schmelzfeuerung, bis zur zweifachen Menge.

Im Gegensatz zur rheinischen Braunkohleist die Braunkohle aus den neuen Bundesländern besonders schwefelhaltig.
Kohlekraftwerke können heute nicht mehr ohne aufwendige Abgasreinigung betrieben werden, da die Auflagen der Großfeuerungsanlagen-Verordnung und Folgebeschlüsse (Großfeuerungsanlagenverordnung) einzuhalten sind.

Braun- und Steinkohle-Kohlekraftwerke benötigen Rauchgasentstaubungs- undRauchgasentschwefelungsanlagen; während Braun-Kohlekraftwerke mit Hilfe von sogenannten Primärmaßnahmen die geforderten Stickoxidgrenzwerte z.T. unterschreiten (Stickoxidminderung), müssen Stein-Kohlekraftwerke stets auch über eine Abwärme an und belasten die Umwelt (Kühlturm). Um die Umsetztung der eingesetzten Primärenergie zu verbessern, kann die Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt werden. Hierbei wird die anfallende Abwärme zum Beispiel als Nah- oder Fernwärme verwendet und dadurch die Wirkungsbilanz deutlich verbessert.

Emissionen von Kohlekraftwerken im Vergleich: Kraftwerk, Fernwärme
Wiederholt wurde behauptet, daß von Kohlekraftwerken eine radioaktive Belastung ausgehe. Tatsächlich enthält Kohle in geringen Mengen radioaktive Substanzen (Uran, Thorium und Kalium; natürliche
Strahlenbelastung), die nach derVerbrennung mit der Flugasche in die Umwelt gelangen und sich am Bodenablagern. Da sich die Konzentrationen der radioaktiven Substanzen in Boden undFlugasche kaum unterscheiden, geht von der Flugasche jedoch keine zusätzliche radioaktive Belastung aus.

Etwa die Hälfte des deutschen Stromes wird aus Kohle gewonnen, Steinkohle undBraunkohle sind dabei in etwa gleich stark vertreten. Die heute bekannten Lagerstätten und Technologien haben eien Reichweite von etwa 300 Jahren.

Der Wirkungsgrad von modernen Kohlekraftwerken liegt bei etwa 40-45 Prozent, die hohe Zahl gilt für Kraftwerke, die mit modernen Dampfturbinen ausgestattet sind, deren Dampfeinlaßtemperatur 600 Grad erreicht. Das heißt: Mehr als 55 % der eingesetzten Energie in Form von Wärme können nicht genutzt werden und gehen über den Kühlturm verloren.

Ein höherer Wirkungsgrad kann durch die Erzeugung von heißem Gas aus einer Gasturbine erreicht werden.
Solche aus Gas- und Dampfturbine bestehenden Kraftwerke nennt man daher auch GuD-Kraftwerke (Gas- und Dampf-Kraftwerke).

Klärgas

Kernspaltung

Bei der Spaltung schwerer Atomkerne in zwei leichte Kerne werden große Mengen Energie in Form von Wärme frei.

Von besonderem Interesse sind Spaltstoffe wie Uran und Plutonium. Sie lassen sich durch Neutronen unter Energieabgabe spalten und geben gleichzeitig mehrere Neutronen ab, die neue K. auslösen können (Kettenreaktion). Die kleinste Spaltstoffmasse, die eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion in Gang setzt, ist die kritische Masse, bei Uran-235: ca. 50kg, bei Plutonium-239: ca. 5kg. Durch technische Maßnahmen kann die kritische Masse verringert werden.
Spaltstoffe werden in Atomwaffen (Kettenreaktion) und Kernreaktoren inKernkraftwerken (kontrollierte K.) eingesetzt.

Die bei der K. entstehenden Spaltprodukte sind radioaktiv und zerfallen unter Aussendung von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung (Radioaktivität). Insgesamt entstehen etwa 200 künstliche Radionuklide. Bei der K. von 1g Uran-235 wird dieselbe Energie frei wie bei der Verbrennung von 3t Steinkohle. Technische Nutzung und Umweltauswirkungen: Kernkraftwerk, Hochtemperaturreaktor, Schneller Brüter, Brennstoffkreislauf . Das Gegenteil der K. ist die Kernfusion.

Kernreaktor

Anlage, mit deren Hilfe sich Kernspaltungen einleiten, aufrechterhalten und steuern lassen. Hauptbestandteil ist der Reaktorkern mit in Brennelementen angeordnetem Spaltstoff, meist Uran-235, in dem die Kernspaltungen ablaufen.

Durch einen Moderator werden die bei der Spaltung erzeugten schnellen Neutronen abgebremst, da langsame Neutronen Uran-235 besser spalten können. Regelstäbe steuern den Neutronenfluß.

Die bei der Spaltung erzeugte Wärme wird von einem unter Druck stehenden Kühlmittel abgeführt (Kernschmelzen). Der Reaktorkern ist umgeben von dem Reaktordruckbehälter, der allen Belastungen durch Druck, Temperatur und Strahlung standhalten soll (Berstschutz, GAU). Außen schließt sich eine Beton-Abschirmung an, die die Umgebung vor Gamma- und Neutronenstrahlung schützt. Kommerziell betrieben werden K. in Kernkraftwerken.

Umweltbelastungen: Kernkraftwerk, GAU
Spezielle K.: Schneller Brüter, Hochtemperaturreaktor

Siehe auch: Kernspaltungen, Brennelementen, Spaltstoff

Kernkraftwerk

Kernkraftwerke gewinnen die zur Stromerzeugung notwendige Prozesswärme nicht durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe oder durch Sonnenenergie, sondern durch Kernspaltung.

Allgemeine Funktionsweise

Die beim Zerfall radioaktiver Stoffe entstehende Hitze wird dazu genutzt, um überhitzten Dampf (also gasförmiges Wasser) zu erzeugen, der dazu genutzt wird eine oder mehrere Turbinen anzutreiben. An die Turbine gekoppelt ist ein Generator, der den Strom erzeugt.

Reaktortechnik

Weltweit vorherrschend ist der Leichtwasserreaktor (LWR, als Druckwasser- oder Siedewasser-Reaktor realisiert), weitere Reaktortypen sind der Schnelle Brüter, der Hochtemperatur- und der Druckröhrenreaktor (Reaktortyp inTschernobyl). Die Kernspaltung läuft imKernreaktor ab, der aus Sicherheitsgründen i.d.R. von einem Sicherheitsbehälter (Containment) und einer Stahlbetonkuppel umgeben ist. Der LWR verwendet als Kühlmittel und Moderator (Neutronenbremse) normales Wasser, das beim Druckwasserreaktor unter so hohem Druck steht, dass es trotz Aufheizung auf ca. 325 Grad C im Primärkühlkreis nicht verdampft. Die bei der Kernspaltungfreigesetzte Wärme wird von einem Primärkühlsystem aufgenommen und über Wärmetauscher an einen Sekundärkreislauf abgegeben, in dem Wasserdampf Turbinen zur Stromerzeugung antreibt.

Umweltbelastungen während des Betriebs

Nichtradioaktive Umweltbelastung: Kernkraftwerke mit ihrer hohen elektrischen Leistung (Standard 1.200 MWe, elektrisch abgegebene Leistung) und ihrem schlechten thermischen Wirkungsgrad von 35 Prozent belasten Umwelt und insbesondere Flüsse durch große Mengen an Abwärme. Ein Wirkungsgrad von 35 Prozent bedeutet, dass zur Erzeugung von 1200 MWe ca. 3500MW thermische Leistung innerhalb des Reaktors zur Verfügung gestellt werden müssen und die Differenz als Wärme abgeführt werden muss. Dies geschieht meist in einem Nasskühlturm. Eine ortsnahe Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist wegen der hohen Gefahren im Falle eines Störfalls (Radioaktivität könnte z.B. über die KWK schneller in Wohngebiete übertragen werden) und der damit verbundenen hohen Anforderungen an die Sicherheitstechnik nicht sinnvoll.

Radioaktive Umweltbelastung: Auch im störungsfreien Normalbetrieb gibt ein Kernkraftwerk ständig radioaktive Substanzen an Luft und Wasser ab, die sich in derUmwelt anreichern und über mehr als 100.000 Jahre weiter strahlen und zu schwer abschätzbaren Schäden führen kann. Innerhalb des Kraftwerks werden große Mengen radioaktiver Substanzen erzeugt. Durch die Kernspaltung entstehen etwa 200 radioaktive Substanzen (künstliche Radionuklide), die in der Natur nicht vorkommen. Durch kleinste Risse in den Brennstabhüllen (Brennelement) gelangen so vor allem die radioaktiven Edelgase Xenon und Krypton, die leicht flüchtigen Stoffe Iod und Cäsium sowie Strontium in den Primärkreislauf.

Die höchsten radioaktiven Emissionen entstehen im störungsfreien Betrieb nicht beim Kernkraftwerksbetrieb, sondern bei der Brennstoffver- und Entsorgung(Brennstoffkreislauf). Die abgebrannten Brennelemente enthalten radioaktive Substanzen: 1% Plutonium und über 3% Spaltprodukte (Kernspaltung,Wiederaufarbeitung, Atommüll). Zusätzlich fallen jährlich ca. 1.300 Fässer schwach- und 100 Fässer mittelaktiver Atommüll an. Nach einer Betriebszeit von 15-30 Jahren stehen zudem Abriss und Entsorgung des Kernkraftwerkes an (s.u.).

Durch vom Kernreaktor ausgehende Neutronenstrahlung werden weitere radioaktive Substanzen erzeugt (Tritium, Argon-41), die sich im Kühlmittel, in den Verunreinigungen des Kühlmittels (Korrosion) und in anderen Anlagenteilen finden. Entweichende Substanzen werden durch aufwendige Filter zum großen Teil zurückgehalten, der Rest gelangt über Abwasser und Abluft (Schornstein oder unkontrolliert) in die Umwelt.

Von Kernkraftwerken gehen im störungsfreien Normalbetrieb allerdings erheblich geringere radioaktive Emissionen aus als von Wiederaufarbeitungsanlagen. Die Höhe der radioaktiven Emissionen in Becquerel sagt wenig über
Strahlenbelastungund Strahlenschäden von Mensch und Umwelt aus. Diese hängen ab von: Halbwertszeiten der radioaktiven Stoffe, Art und Energie der von ihnen ausgehenden ionisierenden Strahlung (Radioaktivität und Strahlung, Maßeinheiten), ihrer Ausbreitung in der Umwelt und ihrer Anreicherung in Boden, Pflanzen, Tieren und Menschen. Infolge dessen gelangen die radioaktiven Stoffe in die Nahrungsmittelkette.

Risiken

Kernkraftwerke zeichnen sich durch ein mit konventionellen Energieversorgungsarten und –technologien unvergleichlich höheres Gefährdungs- / Risikopotenzial aus. Unfälle oder Störfälle infolge von technischen Pannen, menschlichem Versagen, Erdbeben, Flugzeugabstürzen, Sabotage oder Kriegseinwirkung gehen mit hoher Wahrscheinlichkeit mit dem Austreten radioaktiverStrahlung einher, die mit dramatischen Schadwirkungen für den Menschen und dieUmwelt verbunden ist.

Strahlenbelastung

Angaben über die
Strahlenbelastung durch Kernkraftwerke beruhen auf Computersimulationen, die mit großen Fehlerquellen (z.B. hinsichtlich derAusbreitung radioaktiver Substanzen) behaftet sind. Die direkte Messung der
Strahlenbelastung ist nur für die äußere Gamma- und Betastrahlung (natürlicheStrahlung aus dem All und der Umwelt) möglich. Die besonders gefährlicheAlphastrahlung ist nur mit extremem Aufwand nachweisbar, sobald sie von Organismen aufgenommen wurde.
Die gesetzlich festgelegten Grenzwerte finden Sie auf der Webseite des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit in derStrahlenschutzverordnung . Der zulässige Höchstwert im Störfall beträgt 50mSv. Über das Jahr verteilt ist eine maximale
Strahlenbelastung von weniger als 0,3 mSv/Jahr (Milli-Sievert) effektive (tatsächliche) Strahlendosis in der Umgebung von Kernkraftwerken zulässig (vgl. Strahlenschutzverordnung § 47, Begrenzung der Ableitung radioaktiver Stoffe).

Arbeiter in Kernkraftwerken sind Strahlenbelastungen von etlichen mSv jährlich ausgesetzt. Damit Fachkräfte die zulässigen Grenzwerte von 50 mSv/Jahr nicht überschreiten, werden in stark strahlenden (heißen) Zonen nukleare ‚Tagelöhner‘ eingesetzt (Dosimeter). Bei US-Atomarbeitern wurde wiederholt eine Erhöhung des Risikos für Krebserkrankungen durch somatische Strahlenschäden festgestellt; in Ausnahmefällen kann es sogar zu akuten Strahlenschäden kommen (Strahlenkrankheit, Kontamination). Eine 1992 veröffentlichte Studie des britischen Amtes für Strahlenschutz zeigt auf, dass das Risiko für Beschäftigte in Atomanlagen, an Leukämie zu sterben, wesentlich größer ist, als bis dahin angenommen. Die Studie stellt bei einem Untersuchungszeitraum von 16 Jahren und einem Probenumfang von 95.000 Beschäftigten einen klaren Zusammenhang zwischen Leukämiefällen und der Strahlendosis her, die die Betroffenen im Laufe ihres Arbeitslebens erhalten haben.

In Deutschland wurden in den letzten Jahren in verschiedenen Studien auch Schäden an der Bevölkerung sichtbar. Für Kinder unter 5 Jahren im engeren Umkreis westdeutscher Kernkraftwerke besteht nach den Ergebnissen einer 1992 veröffentlichten Studie der Universität Mainz ein erhöhtes Risiko, an Leukämie zu erkranken. Am stärksten betroffen ist die Umgebung des Kernkraftwerkes Krümmel bzw. des Atomforschungszentrums Geesthacht; hier wurde eine um das 10-15fach erhöhte Leukämierate gefunden.

Unfälle und damit verbundene Folgen

Bei Kernkraftwerk-Unfällen können sich die Belastungen für die Umgebung erheblich erhöhen. Störunfälle werden international mit der von der IAEA (International Atomic Energy Agency) von eins bis sieben reichenden festgelegten INES-Skala beurteilt. Tritt bei einem Unfall eine große Menge Radioaktivität aus, so hat dies langandauernde und weit reichende Folgen für die Umwelt.

Einige bekannt gewordene prominente Unfälle

2011: Fukushima, Japan.
INES Gefährdungsstufe 6 (aktueller Status März 2011 noch unklar, nach Ansicht von Greenpeace-Experten INES 7).
1986 -Tschernobyl, UdSSR
INES Gefährdungsstufe 7
Weitreichende Gesundheits- und Umweltbelastung. Kernschmelze mit nachfolgender Freisetzung einer hohen Strahlungsmenge durch die Explosion des Reaktorkerns.
1979 Harrisburg, Three Mile Island
INES Gefährdungsstufe 5
Kernschmelze, deren Austritt gerade noch verhindert werden konnte.
1957 Kyshtym, UdSSR
INES Gefährdungsstufe 6
Freisetzung von signifikanten Mengen radioaktiven Materials in die Umwelt, verursacht durch eine Explosion eines hochaktiven Abklingbehälters.
1957 Windscale Pile, Großbritannien
INES Gefährdungsstufe 5
Freisetzung radioaktiven Materials in die Umwelt, verursacht durch einen Brand im Reaktorkern.

Die Kernkrafttechnologie wird von Rückversicherern als unversicherbares Risiko eingestuft, da die Kosten nach einem Unfall nicht abschätzbar sind. Der Super-GAUin Tschernobyl (hervorgerufen durch einen Reaktor) verursachte Schäden in Höhe von ca. 200 Milliarden Euro. Als Vergleich: Die Rückversicherung der deutschen Kernkraftwerksbetreiber haftet bei einem Unfall bis zu einer Summe bis zu 2,5 Milliarden Euro.

Stichworte: Störfallabläufe und Auswirkung: Kernschmelzen, GAU, Super-Gau,Schneller Brüter.

Entsorgung

Die Entsorgung von Atommüll stellt den Menschen vor unlösbare Probleme, da dieser bis zu 100.000 Jahre weiter strahlt. Nicht nur die Entsorgung ausgebrannter Brennelemente bereitet Schwierigkeiten, sondern auch die Demontage eines außer Betrieb genommenen Kraftwerks, da die Bauteile nach Betriebsende weiter strahlen und nur unter hohen Sicherheitsmaßnahmen zerlegt werden können. Die Demontage eines Kraftwerks dauert oft mehrere Jahre und bedeutet eine erhöhte Belastung für die Umgebung.
Siehe auch Atommüll

Entwicklung

Anzahl der Kernkraftwerke weltweit

Im März 2011 sind weltweit 443 Kernkraftwerke mit einer Leistung von 377.750 MW in Betrieb und 158 Neubauten geplant. Deutschlandweit sind 17 Kraftwerke in Betrieb und vorerst keine Neubauten geplant. (Zahlen vgl.: World Nuclear Association)

Infolge der Reaktorunfälle in Harrisburg (1979) und Tschernobyl (1986) war die Expansion der nuklearen Energie deutlich zurückgegangen. 1992 waren weltweit 414 Reaktoren mit insgesamt 323 GW in Betrieb; 1989 waren es noch 421.

Ausblick

Mit Realisierung der Pläne der DESERTEC Foundation für die EU-MENA-Staaten (Europe Middle East North Africa) wird innerhalb des nächsten Jahrzehnts Ersatz für die überholte und unverhältnismäßig risikobehaftete Kernkrafttechnologie geschaffen. Die Sonne ist als preiswerter und permanent vorhandener Energieträger ein guter Ersatz. Die Kombination aus Wasserspeicherkraftwerken, Windenergieanlagen und solarthermischen Großanlagen im 250MW-Bereich aufwärts und ein intelligentes Energiemanagement („Smart Grid“) bilden eine solide und sichere Grundlage der zukünftigen Energieversorgung und stellen die bisher von Kernkraftwerken gebildete Grundlast dauerhaft bereit (vgl.: Artikel aus den DLR-Nachrichten und FAQ der DESERTEC Foundation zu diesem Thema). Weitere Vorteile der Technologien sind die vergleichsweise einfachere Entsorgung und die Möglichkeit, Hybridkraftwerke zu bauen, die als Unterstützung zur Dampferzeugung noch eine konventionelle Gasturbine erhalten.

Stand 03 2011, überarbeitet von Jan Niemeyer