Arbeitsblatt: Kernenergie

Energie Stromversorgung Kernenergie Auftrag 1. Du informierst dich anhand folgender Unterlagen/Broschüren über dieEnergie, Stromproduktion und Kernenergie: Stromversorgung in der Schweiz Von der Nutzung der Wasserkraft bis zur Anwendung der Kernenergie Wie funktioniert ein Kernkraftwerk Kernenergie Radioaktive Strahlung Ablauf AKW-Unglück in Japan 2. Du fasst die Informationen zusammen (ca. 4 Seiten A4) 3. Im Anschluss an die Arbeit kannst du über folgende Fragen Auskunft geben: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) m) n) o) p) q) r) s) t) u) v) w) Du kannst erklären, wie ein elektrischer Generator funktioniert. Du weisst, welche Funktion eine Turbine bei der Stromproduktion übernimmt. Du weisst, wie bei Kernkraftwerken die Turbinen angetrieben werden. Du weisst, durch welche Energieträger Wärmekraftmaschinen angetrieben werden. Du weisst, warum die Kernenergie eine willkommene Alternative ist/war. Du weisst, was bei der Spaltung von Atomkernen geschieht. Du weisst, welche Atome für die Erzeugung der Kernenergie verwendet werden. Du weisst, wodurch radioaktive Strahlung entsteht und welcher radioaktiven Strahlung der Mensch in Natur und Technik ausgesetzt ist. Du weisst, in welcher Masseinheit die Strahlenbelastung gemessen wird. Du weisst, welche Folgen zu hohe Strahlenbelastung für den Menschen hat. Du kannst den Begriff Halbwertszeit erklären. Du kannst die Funktion eines Kernreaktors erklären und weisst welche Funktion die Brennelemente und die Steuerstäbe haben. Du weisst welche Gefahr besteht, wenn der Zulauf frischen Kühlwassers unterbrochen wird oder der Wasserstand im Reaktorbehälter abfällt. Du weisst, wann es zu einer Kernschmelze kommen kann und was die Folge davon ist. Du kannst den Ablauf des AKW-Unglücks in Japan erklären. Du weisst, wann Kühltürme bei AKWs zur Anwendung kommen. Du weisst, welche Sicherheitsmassnahmen beim Bau von Kernkraftwerken einzuhalten sind. Du weisst, wie und wo die Abfälle der Kernkraftwerke entsorgt werden. Du weisst, womit und zu welchen Teilen der schweizerische Energiebedarf gedeckt wird. Du kannst Vor- und Nachteile der Kernenergie aufzählen. Du weisst, womit der steigende Energiebedarf gedeckt werden kann. Du kannst erneuerbare Energien aufzählen. Du weisst, woraus Energie gewonnen werden kann. 4. Du überprüfst deine gesammelten Informationen unter www.kernenergie.ch Beurteilung a) Zusammenfassung (Umfang, Inhalt, Richtigkeit, Verständlichkeit, Rechtschreibung) b) Test zu obenstehenden Fragen Stromversorgung in der Schweiz Zunahme des Stromverbrauchs Die Strommenge, die jede Schweizerin und jeder Schweizer konsumiert, nimmt laufend zu. Mit 60% Verbrauchsanteil sind Industrie, Gewerbe und Dienstleistungsunternehmen die Hauptstromnutzer in der Schweiz. Rund 10% unseres Stroms benötigt der öffentliche Verkehr. Durch den Ausbau des öffentlichen Verkehrs sparen wir Energie und schonen das Klima, doch wir benötigen auch mehr Strom. Bisher konnte der steigende Strombedarf durch Bezüge aus Langfristverträgen mit Frankreich sowie Effizienzsteigerungen in der Erzeugung und beim Verbrauch aufgefangen werden. Unter Experten ist aber klar, dass der Zeitpunkt gekommen ist, Entscheide über den Kraftwerkspark und den Netzausbau des Landes zu treffen. Schweizerische Energieversorgung Ohne die Energie aus in- und ausländischen Grosskraftwerken ist eine Vollversorgung der Schweiz mit Strom undenkbar. Grosskraftwerke sind tragende Pfeiler in der Stromversorgung von heute. Deshalb basiert die aktuelle Vier-Säulen-Strategie des Bundesrats zur Energieversorgung neben Energieeffizienz, erneuerbaren Energien und Energieaussenpolitik auch auf Grosskraftwerken. Zu den Grosskraftwerken zählen Kernkraft-, Wasserkraft-, Gas- und Kohlekraftwerke. Neben der Wasserkraft mit 54 spielen in der inländischen Stromproduktion auch die Kernkraftwerke mit einem Anteil von 41% eine wichtige Rolle. In der Schweiz speisen fünf Kernkraftwerke (Mühleberg, Gösgen, Beznau 1 und 2, Leibstadt) und gegen 500 Grosswasserkraftwerke Strom ins Netz, damit er uns jederzeit zur Verfügung steht. Zusätzlich profitiert unser Land von langfristigen Beteiligungsverträgen mit französischen Kernkraftwerken. Denn vor allem im Winter deckt die Schweizer Stromproduktion den Bedarf nicht jederzeit. In der Schweiz werden die erneuerbaren Energien ausgebaut und die Energieeffizienz wird stetig gesteigert. Dennoch: Ab dem Winterhalbjahr 2018 erwartet der Bundesrat eine Stromknappheit. Um das Jahr 2020 beginnen die langfristigen Stromlieferverträge mit Frankreich stufenweise auszulaufen. Gleichzeitig ist das Ende der Betriebsdauer der Kernkraftwerke Beznau und II sowie Mühleberg absehbar. Deswegen muss die Schweiz ihren Kraftwerkspark optimieren. Neue Kernkraftwerke? Auch wird in der Schweiz der Bau von zwei neuen Kernkraftwerken ins Auge gefasst. Als Übergangslösung, bis diese ihren Betrieb aufnehmen könnten, steht ein Gaskombikraftwerk zur Diskussion. Gas zur Stromproduktion ist nicht unumstritten, da bei der Verbrennung des Erdgases CO2-Emissionen wie in Gasheizungen entstehen. Kernenergie dagegen ist wie Wasserkraft praktisch CO2-frei und klimaneutral. Wie die knappe Zustimmung der Berner Stimmberechtigten zum Rahmenbewilligungsgesuch für den Ersatz des Kernkraftwerks Mühleberg vom 13. Februar 2011 aufzeigte, steht die Bevölkerung AKWs äusserst kritisch gegenüber. Die aktuellen Ereignisse in Japan dürften diese kritische Haltung noch verstärkt haben. Strommix Jede Technologie hat ihre Vor- und Nachteile. Wirtschaftliche, ökologische und gesellschaftliche Aspekte müssen miteinander abgewogen werden. Am sinnvollsten ist es für die Schweiz deshalb, eine Sowohl-als-auch-Strategie zu verfolgen: sowohl Förderung der Energieeffizienz und der erneuerbaren Energien als auch Inbetriebnahme neuer Grosskraftwerke. Eine besondere Bedeutung kommt den erneuerbaren Energien zu. Diese sind jedoch häufig witterungsabhängig (Sonnenschein, Wind). Dies erschwert zwar eine planbare, dem Bedarf entsprechende Versorgung der Stromnetze, aber die Schweizer Stromversorger unterstützen die Förderung dieser neuen erneuerbaren Energien. Schliesslich tragen diese zu einem breit abgestützten Schweizer Strommix bei. Was ist ein intelligenter Strommix? Hier scheiden sich die Geister. Sicher ist: Eine unterbruchsfreie und wirtschaftliche Landesversorgung mit Strom ist vital für die Schweiz. Abhängigkeiten von Einzeltechnologien sind gefährlich und sollten vermieden werden. Auch in absehbarer Zukunft wird es sie nicht geben – die perfekte Energiequelle. Jeder Energieträger hat seine Vorzüge, aber auch seine Nachteile. Es gibt heute keine Idealtechnologie, die alle gewünschten Kriterien wie Umweltfreundlichkeit, Sicherheit und Bezahlbarkeit vollumfänglich erfüllen. Es wäre riskant, die Landesversorgung von einer einzigen Stromquelle abhängig zu machen. Die Schweiz braucht deshalb sowohl weitere erneuerbare Energien als auch Grosskraftwerke und Investitionen sowohl in Forschung und Entwicklung als auch in Stromimporte aus Nachbarländern. Erneuerbare Energien Die Schweiz belegt innerhalb Europas einen Spitzenplatz im Hinblick auf ihren Anteil erneuerbarer Energien an der Stromproduktion. Dies hat sie der Wasserkraft zu verdanken. Neue Kleinwasserkraftwerke werden zu den neuen erneuerbaren Energien gezählt. Alle neuen Erneuerbaren zusammen steuern lediglich 2% zur Stromproduktion bei, wobei der Löwenanteil aus Kehrichtverbrennungs- und Abwasserreinigungsanlagen stammt. Wind, Biomasse und Sonne allein tragen heute nicht mehr als 0,26% zur Schweizer Stromproduktion bei. Die Strategie des Bundesrats lautet, die neuen erneuerbaren Energien bis zum Jahr 2035 so auszubauen, dass sie 7 bis 10% zur Stromproduktion des Landes beitragen. Mit vereinten Kräften ist der Ausbau erreichbar. Insgesamt können die neuen erneuerbaren Energien zwar einen Beitrag zur Deckung des Strombedarfs leisten, sie sind jedoch nicht allein in der Lage, die Kapazitätsengpässe zu beheben. Sonnenenergie Die unerschöpfliche Kraft der Sonne kann auf vielfältige Weise genutzt werden. Sonnenkollektoren auf dem Hausdach erzeugen beispielsweise einen Teil der Heizwärme oder des Warmwassers. Die Solarwärme ist schon heute sehr effizient und erlebt ein starkes Wachstum. Bei der Fotovoltaik wird das Sonnenlicht direkt in Strom umgewandelt. Diese Technologie ist komplex und verhältnismässig jung, weshalb noch Forschungsbedarf besteht. Wollte man das Kernkraftwerk Mühleberg, dessen Betriebsende absehbar ist, allein mit Sonnenergie ersetzen, müssten ca. 3000 Fotovoltaikanlagen von der Grösse der Anlage auf dem Dach des Stade de Suisse gebaut werden. Auch die moderne Architektur setzt immer mehr auf die natürliche Energie der Sonne, um die Energieeffizienz von Gebäuden zu verbessern. Der in der Schweiz verbreitete Baustandard Minergie trägt massgeblich zu dieser Entwicklung bei. Windenergie Die Windenergie wächst rasant dank gezielter Fördermassnahmen in zahlreichen Ländern. Anders als in den europäischen «Windländern» Deutschland und Spanien sind geeignete Standorte in der kleinräumigen Schweiz allerdings nur beschränkt gegeben. Für einen wirtschaftlichen Betrieb von Windkraftwerken sind zwei Voraussetzungen notwendig: geeignete Flächen und vor allem durchschnittliche Windgeschwindigkeiten von über 5 Metern pro Sekunde. Diese finden sich hierzulande vor allem auf den Jurahöhen, in den Alpen sowie teilweise im Mittelland. In der Schweiz gibt es gegenwärtig über 30 Windkraftwerke mit einer installierten Gesamtleistung von rund 14 Megawatt. Sie produzieren zusammen Strom für 5700 Haushalte pro Jahr oder 0,025% der gesamten Schweizer Stromversorgung. Die Windenergie überzeugt ökologisch und immer stärker auch ökonomisch. Holzenergie und Energie aus Abfällen Holz in allen Formen, Grün- und Speiseabfälle, Gülle und Mist vom Bauernhof sowie Abwasser aus Kläranlagen haben eines gemeinsam: Sie alle sind organische Biomasse, aus der man Energie in Form von Wärme, Treibstoff oder Strom gewinnen kann. Weit verbreitet ist die Verbrennung von Holzschnitzeln oder Holzpellets zum Heizen. Letztere kommen beispielsweise bei Ein- und Mehrfamilienhäusern zum Einsatz. Holzabfallprodukte wie Holzschnitzel können in Heizzentralen via Nahwärmeverbunde grössere Überbauungen oder ganze Quartierteile mit Wärme versorgen. Verbreitet ist auch die Vergärung von Biomasse in Biogas- oder Kompogasanlagen. Aus Grüngut, Gülle oder Klärschlamm wird dabei Biogas gewonnen. Erdwärme Nahezu 99% der Erdmasse sind heisser als 1000 C. Im Grunde schlummert unter unseren Füssen also ein erhebliches Potenzial für unsere Energieversorgung. Gemäss Bundesamt für Energie könnte die Tiefengeothermie theoretisch 3 bis 5% des Schweizer Strombedarfs decken. Derzeit gibt es allerdings noch zahlreiche technische Hürden und offene Fragen. Heute schon sehr erfolgreich ist die Geothermie mit geringer Bohrtiefe, wie sie die Erdsondenwärmepumpen nutzen. Dabei wird Erdwärme aus bis zu 300 Meter tiefen Bohrlöchern gewonnen. Die zum Heizen noch zu geringe Wärmeenergie wird in einer Pumpe verdichtet und dadurch auf Heizwärmeniveau erhöht. Diese Heizmethode nimmt in der Schweiz zu: Ende 2008 standen bereits über 140 000 Wärmepumpen in Betrieb. Auch Wärmepumpen brauchen Strom – allerdings lediglich als Betriebsenergie. Die Wärmepumpentechnik gilt als sehr effiziente und umweltfreundliche Heizmethode. Mit einer Einheit Strom können vier Einheiten Wärme produziert werden. Alle Wärmepumpen zusammen benötigen heute lediglich 1,56% des Stromverbrauchs der Schweiz. Kleinwasserkraftwerke Ein regelrechter Aufschwung erleben derzeit die Kleinwasserkraftwerke. In der Schweiz gibt es mehr als 1000 Wasserkraftwerke mit einer Leistung von weniger als 10 Megawatt – viele von ihnen stammen noch aus der Gründerzeit der Elektrizitätsgewinnung. Kleinwasserkraftwerke sind generell eine kostengünstige Technologie und können einen Beitrag zur Deckung des künftigen Energiebedarfs unseres Landes leisten. Das Bundesamt für Energie schätzt das realisierbare Potenzial von Kleinwasserkraftwerken in der Schweiz auf 4 bis 6% des jährlichen Stromverbrauchs. Mit der kostendeckenden Einspeisevergütung (KEV) werden sie gefördert. Zentral ist dabei eine sinnvolle Balance zwischen lokalem Umweltschutz, etwa in Form von Fischtreppen, und weiteren ökologischen Massnahmen sowie der notwendigen wirtschaftlichen Nutzung des Wasserkraftpotenzials. Wasserkraft Rund 26% des hierzulande erzeugten Stroms stammen aus Flusskraftwerken und rund 28% aus Stauseen. Die Wassermenge der Stauseen kann ganz nach aktuellem Strombedarf über eine Druckleitung abgelassen werden. Im Tal treibt die Kraft des Wassers Turbinen an, die über Generatoren Strom erzeugen. Speicherkraftwerke sind gut steuerbar. Auf sinkenden oder steigenden Strombedarf, kann sofort reagiert werden. Deswegen werden Speicherkraftwerke bevorzugt zu Zeiten starker Nachfrage zur Deckung der Spitzenlasten eingesetzt. Eine Besonderheit sind die Pumpspeicherwerke: Sie bestehen aus einem höher und einem tiefer gelegenen See. Wenn der Strombedarf zum Beispiel zur Schlafenszeit sinkt, produzieren die europäischen Grosskraftwerke weiterhin Energie. Dieser Strom wird zum Betrieb von Pumpen genutzt, die Wasser aus dem tiefer gelegenen in den höher gelegenen See fördern. Steigt der Strombedarf in Spitzenlastzeiten an, wird das Wasser via Druckleitung und Turbinen wieder in den unteren See geleitet und produziert dabei Strom. Kernkraftwerke Kernkraftwerke zählen zu den thermischen Kraftwerken. Bei diesen wird mit Hilfe von Wärme elektrische Energie produziert: Durch Hitze wird Wasserdampf erzeugt. Der Dampf treibt eine Turbine an, und Stromgeneratoren wandeln die mechanische Energie in Elektrizität um. Im Falle der Kernkraftwerke wird die Wärme für die Dampfproduktion durch die kontrollierte Spaltung von Uranatomen erzeugt. Bei der Stromproduktion mit Kernenergie fallen radioaktive Abfälle an, welche in ein Tiefenlager verbracht werden müssen. Mit dem «Sachplan geologisches Tiefenlager» hat der Bundesrat im Oktober 2008 ein Vorgehen für die Suche nach einem geeigneten Standort für die Entsorgung festgelegt. Dabei hat die Sicherheit für Mensch und Umwelt oberste Priorität. Der Bundesrat rechnet mit einer zehnjährigen Evaluationsphase für den besten Standort. Zusammengestellt aus: Verband Schweizerischer Elektrizitätsunternehmen (www.stromzukunft.ch) 15. März 2011/René Müller AKW Unglück in Japan Funktionsprinzip Leichtwasserrektoren Das Prinzip: Die Brennelemente im Reaktordruckbehälter heizen das einem Fluss entnommene Kühlwasser auf. Der dabei entstehende Dampf treibt die Turbine zur Stromerzeugung an. Das erwärmte Wasser wird wieder in den Fluss zurückgeleitet. Gefahr besteht, wenn der Zulauf frischen Kühlwassers unterbrochen wird oder der Wasserstand im Reaktorbehälter abfällt. Dann überhitzen sich die Brennstäbe und es droht eine Kernschmelze. Störungsfrei funktionierender Reaktor Ablauf des AKW Unglücks in Japan 1. Versagen von Kühlsystem und Notstromgeneratoren Durch die automatische Abschaltung und den Ausfall der Notstromgeneratoren wird die fehlerfreie Funktion des AKWs gestört: Durch den Stromausfall pumpen die Wasserpumpen nicht länger Kühlwasser in den Reaktor. Die Brennstäbe ragen im Reaktorkessel aus dem Kühlwasser. Im Reaktorkessel wird es daraufhin immer heisser. 2. Entstehung von Wasserstoff Die metallische Ummantelung der teilweise freigelegten Brennstäbe oxidieren, wobei Wasserstoff entsteht. Reaktor, Reaktorgebäude und Sicherheitsbehälter (genannt Containment) sind zu diesem Zeitpunkt aber noch intakt. 3. Kontrollierte Druckentlastung Um den steigenden Druck innerhalb des Sicherheitsbehälters zu verringern, wird eine kontrollierte Druckentlastung vorgenommen. 4. Wasserstoffexplosion Wasserstoff vermischt sich innerhalb des Reaktorgebäudes mit Luft und das Gemisch wird durch einen Funken gezündet. Die daraus folgende Wasserstoffexplosion zerstört das Reaktorgebäude. Der Sicherheitsbehälter muss dabei jedoch noch nicht beschädigt werden. 5. Flutung des Sicherheitsbehälters Um den überhitzten Reaktor abzukühlen und eine Kernschmelze zu verhindern, wird der Sicherheitsbehälter mit Meerwasser geflutet. 6. Reaktor schmilzt durch Misslingt die Kühlung, kann der heisse Kern den Sicherheitsbehälter durchschmelzen und ins Wasser fallen. 7. Totale Kernschmelze und Dampfexplosion Fällt der heisse Kern durch das Durchschmelzen des Sicherheitsbehälters ins Wasser, hätte dies eine gewaltige Dampfexplosion zur Folge was die ganze Anlage mitsamt dem Sicherheitsbehälter in die Luft jagen würde. Dabei würde eine radioaktive Wolke entstehen, welche die Umgebung verstrahlen würde. Es ist jedoch zu hoffen, dass die heisse Masse sich beim Sturz ins Wasser abkühlt, wenn genung Zeit seit der Flutung des Sicherheitsbehälters vergangen ist. 15. März 2011/René Müller (Quelle: www.blick.ch) Radioaktive Strahlung Radioaktive Stoffe finden sich in Böden, Gesteinen, der Atmosphäre, aber auch im menschlichen Körper. Medizin, Forschung und Technik nutzen natürliche radioaktive Stoffe gezielt oder erzeugen sie künstlich. Die Einheit Sievert misst die Strahlenbelastung des Menschen. 1 Sievert ist bereits eine relativ hohe Dosis, üblicherweise vorkommende Werte liegen im MillisievertBereich. Nach heutigem Kenntnisstand gibt es keinen unteren Grenzwert, ab dem ein gesundheitliches Risiko ausgeschlossen werden kann. Das gesundheitliche Risiko hängt von vielen Faktoren ab: von der Art der Aufnahme (extern über die Luft oder über die Nahrung), aber auch vom Alter des Betroffenen. Für Kinder ist die Strahlenbelastung riskanter als für Erwachsene, weil sie sich im Wachstum befinden und sich ihre Zellen noch viel häufiger teilen. Sicher kann man aber sagen, dass das gesundheitliche Risiko mit zunehmender Dosis ansteigt. Sehr hohe Dosen Strahlung führen zuerst einmal zu Symptomen wie Kopfschmerz, Übelkeit oder Erbrechen. Zur akuten Strahlenkrankheit kommt es ab einer Dosis in Höhe von etwa 500 Millisievert für Erwachsene. Kinder zeigen die Symptome schon bedeutend früher, etwa ab der Hälfte dieses Werts. Nach einem Reaktorunfall wirken hohe Dosen ionisierender Strahlen auf die Körperzellen ein. Sie zerstören Zellbausteine und bringen Körperzellen zum Absterben. Die Strahlenkrankheit ist die Folge eines massiven Zellsterbens in einem Organ- oder Gewebesystem, das auf einen dauernden Zellnachschub aus dem Stammzellenvorrat des Körpers angewiesen ist. Dazu gehören insbesondere das blutbildende System (Knochenmark), die Haut und die Schleimhaut des Magen-Darmtrakts. Aber auch schon niedrigere Dosen schädigen das Erbgut (DNA). Es drohen Veränderungen der Erbinformation, die mit der nächsten Zellteilung an die Tochterzellen weitergegeben werden. Je grösser die Schäden an der DNA sind, desto höher ist langfristig das Risiko für Krebs. Zu den Symptomen eines akuten Strahlenschadens zählen unter anderem Rötungen und verbrennungsähnliche Erscheinungen der Haut, Haarausfall, Beeinträchtigung der Fruchtbarkeit und Blutarmut. Eine allgemeine Therapie existiert für diese Probleme nicht, es gibt lediglich die Möglichkeit, die zerstörte Haut durch Transplantationen zu ersetzen oder mit einer Stammzelltherapie die Funktion des Knochenmarks und damit des blutbildenden Systems wiederherzustellen. Überschreitet das Ausmass des Zelltods in einem Gewebe oder Organ ein gewisses Mass, geht es zugrunde. Bleibt die Strahlendosis unter dem Schwellenwert von etwa 500 Millisievert, dann tritt zwar kein akuter Schaden auf. Experten vermuten aber spätere Gesundheitsprobleme, darunter Tumoren, Leukämien, aber auch Herz-Kreislauf-, Magen-Darm- oder Augenleiden. Nach dem Super-Gau von Tschernobyl bekamen beispielsweise bedeutend mehr KinderSchilddrüsenkrebs. Üblicherweise erkrankt ein Kind von einer Million daran. In den am stärksten kontaminierten Regionen von Weissrussland und der Ukraine traf es danach 100 bis 150 Kinder von einer Million. Haben sich die radioaktiven Wolken verzogen und ist damit die Einwirkung der Strahlen auf den Organismus vorbei, folgt häufig ein weiteres Gesundheitsrisiko. Es besteht darin, dass Menschen über längere Zeit immer wieder kontaminierte Lebensmittel essen und belastetes Wasser trinken. Das war beispielsweise nach der Reaktorkatastrophe in Tschernobyl der Fall. Die Bewohner der betroffenen Gebiete tranken weiter die Milch der Kühe, die das verseuchte Gras assen, jagten Wild und sammelten belastete Pilze. Sie hatten keine andere Wahl, denn andere Lebensmittel gab es nicht. Hier haben die Menschen in Japan einen Vorteil: Falls es dort zum Super-Gau kommen sollte, reichen vermutlich die finanziellen Mittel aus, auf importierte Nahrungsmittel auszuweichen. 15. März 2011/René Müller (Quelle: www.focus.de)