In Uran steckt gewaltig viel Energie – Schlumpfs Grafik, Folge 24

In Uran steckt gewaltig viel Energie – Schlumpfs Grafik, Folge 24

Die Energiedichte von Uran ist enorm: Es braucht den Jahresertrag von 2100 Quadratmeter Solarpanel, um gleich viel Strom zu erhalten wie von einem Kilogramm Uran in einem Atomkraftwerk. Und bei Atomstrom entsteht erst noch weniger CO₂ als bei Solarstrom.

image
von Martin Schlumpf am 13.12.2021, 13:30 Uhr
Enorme Energiedichte: Kernkraftwerk Gösgen. Bild: Keystone
Enorme Energiedichte: Kernkraftwerk Gösgen. Bild: Keystone
Vor dreissig Jahren plante ich den Bau einer Fotovoltaik-Anlage auf dem Dach des Hauses meiner Frau, in das ich gerade eingezogen war. Ich war fasziniert von der Idee, mich damit einer unerschöpflichen und kostenlosen Energiequelle anschliessen, und so meinen Beitrag zu einer neuen «grünen» Energiewelt leisten zu können. Und keine Frage: Diese beiden Vorzüge – Rohstoff ohne Grenzen und ohne Kosten – sind immer gute Argumente für eine Solaranlage. Aber es sind lange nicht die einzigen, und deshalb ich bin heute froh darüber, dass die Gemeinde damals unser Gesuch wegen dem Schutz der Dorf-Kernzone abgelehnt hat.
Ich habe diese Geschichte erzählt, weil ich hier darauf eingehen will, aus welchen Quellen die Stromerzeugung aus Fotovoltaik-Anlagen (PV) einerseits und Kernkraftwerken (KKW) andererseits eigentlich gespeist wird. Denn Energie wird physikalisch ja nicht neu erzeugt, sondern aus Primärenergie in Nutzenergie umgewandelt. Dabei besteht die Primärenergie bei den PV-Anlagen aus Strahlungsenergie der Sonne, und bei den KKW aus Energie, die bei der Spaltung von Uran-Atomen frei wird.

Was leistet ein Kilogramm Uran?

Uran kommt überall in der Erdkruste, aber auch in gewaltigen Mengen in den Ozeanen vor. Bei uns in der Schweiz findet es sich vor allem in den Alpen. Aber auch wir Menschen haben Spuren von Uran in uns. Uran ist also Teil der Natur. Für die Verwendung in einem Atomkraftwerk muss dieses Natururan aufbereitet werden: In einem Konzentrationsprozess, bei dem das Volumen stark verkleinert wird, entsteht angereichertes spaltbares Uran, das als «Brennstoff» in Kernkraftwerken eingesetzt werden kann.
Dieses Uran ist sehr energiedicht. Das heisst, aus wenig Rohstoff wird viel Energie erzeugt. In einem Grafikkalender zur Lage der Nation «Wo steht die Schweiz?» hat Lukas Rühli von Avenir Suisse 2016 einen Grafikbeitrag publiziert (siehe hier), den ich hier leicht modifiziert verwende. Die Grafik geht vom Stromertrag aus einem Kilogramm angereichertes Uran aus, und sie zeigt, welche Menge an Rohstoff (gleich Primärenergie) bei den wichtigsten anderen Energieträgern nötig wäre, um denselben Stromertrag zu erzielen.

image
Quelle: Avenir Suisse

  • Schlumpf Grafik 24.png

80'000 Kilogramm Kohle für 1 Kilogramm Uran

Erstaunlich ist, dass ein Kilogramm angereichertes Uran (links oben) physisch einem Würfel mit einer Kantenlänge von nur 4,5 Zentimetern entspricht. Daraus erzeugt ein Atomkraftwerk den Strom für 80 Vier-Personen-Haushalte für ein ganzes Jahr – rund 320'000 Kilowattstunden. Wenn wir beim Gewicht bleiben, braucht ein Kohlekraftwerk also 80'000 mal mehr Rohstoff als Uran, um den gleichen Ertrag zu erzeugen. Erdöl würde 56'000 und Erdgas 39'200 mal mehr als Uran brauchen. In der Grafik sind diese Verhältnisse beim Öl in Liter und beim Gas in Kubikmeter umgerechnet. Allein aus diesem Vergleich mit den Fossilen bekommt man ein gutes Gefühl für die enorme Energiedichte des Atombrennstoffs Uran.

2’100 Quadratmeter Fotovoltaik für den kleinen Uranwürfel

Schauen wir nun, wie es bei der Sonne (unten Mitte) aussieht. Die Grafik zeigt hier, dass ein Solarpanel von einem Quadratmeter Grösse während 2100 Jahren einspeisen müsste, um den Strom aus einem Kilogramm Uran zu egalisieren. Da wir beim Uranmodell aber von der Jahreseinspeisung ausgegangen sind, ist es einleuchtender, den Vergleich über den Flächenbedarf zu illustrieren: Die gleiche Menge Strom, die im Verlauf eines Jahres aus einem Uranwürfel mit 4,5 Zentimeter Kantenlänge gewonnen werden kann, würde eine PV-Anlage mit einer Fläche von 2100 Quadratmetern erfordern. Diese Berechnung wurde anhand der Produktionszahlen der damals grössten Schweizer PV-Anlage (Migros Neuenhof) gemacht, die 150 Kilowattstunden pro Quadratmeter lieferte.

Die achtzig Haushalte, die mit Atomstrom perfekt versorgt werden könnten, hätten in der Nacht und im Winter keine Freude, wenn sie ausschliesslich von der PV-Anlage der Migros abhängig wären.


Aber Achtung – wie früher schon mehrfach angesprochen – führt uns eine solche Jahresgesamtrechnung bei der Fotovoltaik aufs Glatteis: Die achtzig Haushalte, die mit Atomstrom perfekt versorgt werden könnten, hätten in der Nacht und im Winter keine Freude, wenn sie ausschliesslich von der PV-Anlage der Migros abhängig wären. Und pikanterweise hat es vorhin bei uns gerade zu schneien begonnen: Im Falle der Abhängigkeit von PV hiesse das: Hahn zu für Sonnenstrom.

Wie effizient sind Fotovoltaik und Kernkraftwerke?

Nun stellt sich die Frage nach dem Wirkungsgrad eines KKW oder einer PV-Anlage, also wieviel Nutzenergie kann aus der Primärenergie gewonnen werden. Ein Kritiker meines ersten Atom-Beitrages (siehe hier) hat auf mein Argument der schlechten Arbeitsauslastung von Solaranlagen eingewendet, dass auch Atomstrom nicht effizient sei, «nur ein Drittel der erzeugten Energie wird genutzt (Rest verpufft als Wärme in den Kühltürmen)». Ja, er hat recht, der Wirkungsgrad von Atomkraftwerken liegt bei 35 Prozent. Aber wie steht es bei den PV-Anlagen (darüber schreibt der Kritiker nichts)? Diese wandeln heute etwa 20 Prozent der Strahlungsenergie in Strom um. Gerade gestern habe ich im Empa-Newsletter gelesen, dass es einer Forschergruppe gelungen sei, den Wirkungsgrad von flexiblen Polymer-Solarzellen auf einen neuen Rekord von 21,4 Prozent zu erhöhen.

Wirkungsgrad bei Fotozellen ist schlechter als bei Atomkraftwerken

Es ist also zwar richtig, dass Kernkraftwerke gegenüber fossilen Werken beim Wirkungsgrad im Hintertreffen sind – ein modernes Gas-Kombikraftwerk erreicht Werte bis gegen 60 Prozent –, sie sind aber auch in diesem Vergleichspunkt der PV-Technologie überlegen. Das ist deshalb wichtig, weil Kritiker der Atomkraftwerke sehr oft monieren, diese seien sehr ineffizient, zwei Drittel der Energie verpuffe als Wärme. Das ist aber eine irreführende Ablenkungsstrategie: Man nimmt ein richtiges Argument, lässt den Vergleichszusammenhang weg, und benutzt es als Totschlag-Argument.

image
Nationalrat Roger Nordmann, Fraktionschef der SP

Fotovoltaik erzeugt 2,5 mal mehr CO₂-Emissionen als Atomkraft

Was heisst das alles nun in Bezug auf die Klimaauswirkungen, zu dem es in der Grafik auch Angaben gibt? Avenir Suisse stützt sich dabei auf Lebenszyklus-Analysen bis 2015 ab. Vergleicht man die Gramm-Angaben von CO₂ pro Kilowattstunde, ergibt sich für die PV-Anlage ein 3,5 mal höherer Wert als für ein KKW. Sicher kann man hier in Rechnung stellen, dass sich die Solarzellen-Technologie in dieser Hinsicht noch verbessert. Die von mir in einem früheren Beitrag (siehe hier) besprochene Empa-Studie geht bei ihrer Analyse bis 2050 von einem Wert von 50 Gramm CO₂ pro Kilowattstunde aus, das ist aber immer noch 2,5 mal mehr als bei Atomkraftwerken.

Roger Nordmann lässt die Solar-Emissionen verschwinden

Interessant ist in diesem Zusammenhang, wie Roger Nordmann, Fraktionschef der SP, in seinem Buch «Sonne für den Klimaschutz» die CO₂-Emissionen in seinem Solarplan für die Schweiz behandelt. Obwohl er einen 25-fachen Ausbau der Solaranlagen vorsieht, rechnet er in der Bilanz seines Basisszenarios – das dem Vernehmen nach von Frau Sommaruga favorisiert wird – schlicht und einfach mit Null CO₂-Emissionen aus der PV-Stromerzeugung.

Uran ist gut lagerbar, und weil seine Mengen überschaubar sind, kann ein Notvorrat problemlos über längere Zeit angelegt werden.


Und schliesslich: Bedeutet die Abhängigkeit vom Uran nicht Ausgeliefertsein an fremde Mächte? Birgt Uran nicht die Gefahr von Ressourcenknappheit? Zuerst einmal ist Uran gut lagerbar, und weil seine Mengen überschaubar sind, kann ein Notvorrat problemlos über längere Zeit angelegt werden. Kurzzeitige Preisschwankungen, wie bei fossilen Primärenergien, muss man so nicht fürchten.

Genügend Uran für mindestens 250 Jahre

Weiter muss man unterscheiden zwischen Reserven und Ressourcen. Als Reserven werden diejenigen Vorkommen bezeichnet, die nach heutigem Stand der Technik wirtschaftlich abbaubar sind. Nach der international renommiertesten Quelle, «Uranium 2020, Resources, Production and Demand» (siehe hier), reichen diese bei einem Weltbedarf von 2019 noch für mindestens 135 Jahre. Würde man auch noch auf die Ressourcen zugreifen – also diejenigen Vorkommen, die bekannt, aber bei heutigen Marktpreisen nicht rentabel abbaubar sind – dann wäre der Nuklearbetrieb sogar für mindestens 250 Jahre gesichert.

image
Blick ins Becken mit den Brennstäben im (inzwischen stillgelegten) KKW Mühleberg. Foto: Keystone

Versuchen wir ein Fazit: Solaranlagen einerseits haben den bestechenden Vorzug der kostenlosen und unerschöpflichen Primärenergiequelle. Das Uran der Atomkraftwerke andererseits hat die grösste Energiedichte, braucht deshalb nur sehr wenig Platz, kostet vergleichsweise wenig und ist in genügenden Mengen vorhanden. Beim Wirkungsgrad der Primärenergieumwandlung und bei den CO₂-Emissionen aus den Lebenszyklen schneiden die Kernkraftwerke aber besser ab.

Atomkraft versus Fotovoltaik

In der Schweiz sollen Atomkraftwerke durch Fotovoltaik-Anlagen ersetzt werden. Daraus ergeben sich zahlreiche Probleme für die Netzstabilität und die Versorgungssicherheit beim Strom – insbesondere im Winter. Um nicht in einen Blackout zu laufen, müssen die Vor- und Nachteile von Atom und Solar gegeneinander abgewogen werden. Martin Schlumpf geht in einer Reihe von Beiträgen zentralen Aspekten von Atomstrom nach, wie Speicherung, Sicherheit, Strahlung, Abfälle und Kosten – und illustriert diese wie immer mit einer einschlägigen Grafik.
Atom 1: Atomkraft ist zuverlässiger als Sonnenenergie: siehe hier
Atom 2: Solarstrom vegrössert die Winterstromlücke um das Dreifache: siehe hier
Atom 3: Solarstrom bedeutet Ressourcenverschleiss: siehe hier

Mehr von diesem Autor

image

Die Entsorgung radioaktiver Abfälle ist technisch gelöst – Schlumpfs Grafik, Folge 27

Martin Schlumpf17.1.2022comments

Ähnliche Themen