In Uran steckt gewaltig viel Energie

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.

Lesen Sie meinen Beitrag original im Nebelspalter (mit Bezahlschranke) oder vollständig auch in meinem Blog “Schlumpf-Argumente”.

Lesen Sie in diesem Zusammenhang auch die folgenden vorausgegangenen Beiträge:

Solarstrom bedeutet Ressourcenverschleiss

Solarstrom vergrössert die Winterstromlücke um das Dreifache

Atomkraft ist zuverlässiger als Sonnenenergie

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 im “Nebelspalter” zentralen Aspekten von Atomstrom nach, wie Speicherung, Sicherheit, Strahlung, Abfälle und Kosten – und illustriert diese wie immer mit einer einschlägigen Grafik.

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21 thoughts on “In Uran steckt gewaltig viel Energie”

  1. Martin,
    irgend etwas ist da in Deinen Berechnungen schief gegangen. Gemäss meinen Analysen aus dem Jahre 2018 und dies unter Berücksichtigung von 7 Ansätzen (Studien) von Flächenertrag PV (wobei die extreme weggelassen wurden), braucht es folgende PV Flächen, um in unseren Breitengraden in einem Jahr so viel netto Energie zu erzeugen, wie dies mit einem kg Uran getan werden könnte:
    * notwendige Freifläche, Panels 45 Grd Neigung, Schattenwurf berücksichtigt: ca. 230’000 m2
    * Dachfläche, Dachneigung 45 Grd (gegen Süden gerichtet): ca. 170’000 m2 (= Panelfläche).
    Berücksichtigt dabei ist auch Panel Fouling (0.5 % pro Jahr) und die Kompensation von Hydro- Speicherverlusten (20%). Man muss bezüglich Endprodukt gleiches mit gleichem vergleichen.
    Bitte korrigiere Deinen Eintrag beim Nebelspalter entsprechend, es sind doch Grössenordnungen daneben.

    1. Lieber Emanuel
      Meine Zahlen sind abgestützt auf die Berechnungen von Lukas Rühli von Avenir Suisse, was den Stromertrag von 1 kg Uran betrifft. Wichtig dabei: es handelt sich um angereichertes Uran. Seine Berechnungen haben ergeben, dass daraus rund 320’000 kWh Strom erzeugt werden können. Das ergibt dann die 2’100 m2 Panelfläche.
      Wo liegt jetzt die massive Differenz zu Deinen Berechnungen?

  2. Martin,
    der untere Heizwert von U235 beträgt 86’400’000’000 [kJ/kg]. Bei einem Kernkraftwerk der Gen II / III (PWR) können damit rund 28’512’000 [MJ/kg] Energie (Strom) erzeugt werden. Bei einem Kernkraftwerk der Gen IV liegt der entsprechende Wert bei 44’928’000 [MJ/kg] (=44’923’000’000 [kJ/kg]! Somit ist zumindest die Differenz der Grössenordnung geklärt. Herr Rühli hat sich da wohl verrechnet.

    1. Wenn ich 28 Millionen MJ/kg in kWh (die CH-KKW sind aber ja noch eine Generation früher?) umwandle ergibt das 7’917’000 kWh, das wären also 25 mal mehr als bei Avenir Suisse. Stimmt diese Umrechnung?

      1. Martin,
        Deine Umrechnung der Dimensionen [MJ/kg] in [kWh/kg] ist korrekt. Betr. Avenir Suisse Berechnungen kann ich soweit nicht kommentieren, ich kenne deren Ausganslage / Annahmen nicht.
        Zudem, die CH Kernkraftwerke gehören der Gen. II an.

        1. Lieber Manuel
          Es hängt offenbar alles von einer Frage ab: Werden in Schweizer KKW aus 1 kg Uran etwa 320’000 kWh Strom erzeugt (wie von Avenir Suisse berechnet)? Ist das die richtige Grössenordnung? Stimmt das?

          1. Avenir Suisse hat einen grossen Fehler gemacht. Das Resultat stimmt nicht. Man sollte übrigens immer U-235 schreiben.
            1. 1 kg U-235 hat einen Energiewert (Wärme) von 23 x 10^6 kWh
            2. Mit einem Reaktorwirkungsgrad von 33% erhält man
            23 x 10^6 x 0.33 = 7.59 x 10^6 kWh (Elektrizität)
            3. Einige Literturquellen geben für 1 kg U-235 einen Energiewert von 24 x 10^6 kWh (Wärme). Somit erhält man mit dem Reaktor Wirkungsgrad von 33% das folgende Resultat:
            24 x 10^6 x 0.33 = 7.9 x 10^6 kWh (Elektrizität).

      2. Definition der kWh:
        1 kWh = 1000 W x 3600 s = 3’600’000 J = 3.6 MJ

        1. Der von Emanuel zitierte Energiewert von 1 kg U-235 ist richtig:
        8.64 x 10^13 J (Wärme!)
        2. Emanuel rechnet oben mit einem Reaktorwirkungsgrad von 33% (Reaktoren der Generation II und III). Das ist realistisch.
        3. Emanuel rechnet mit einem Wirkungsgrad von 52% für Reaktoren der Generation IV. Das ist meines Erachtens zu optimistisch.
        4. Die obige Umwandlung von Martin ist korrekt: 7’917’000 kWh (Elektrizität!)

        1. Danke Arturo,
          Ich habe dem in der Sache nichts zusätzliches anzufügen.
          Ich möchte nur noch an die Ausgangslage dieser Diskussion erinnern: Die 2’100 [m2] PV Fläche, welche gemäss Artikel von Martin in einem Jahr soviel Energie generieren sollen wie dies aus 1 [kg] Uran getan werden kann, ist um mehrere 10-er Potenzen zu gering!
          Martin sollte darum bemüht sein, dies im Nebelspalter zu berichtigen, reale Werte siehe oben in meinem ersten Kommentar.
          Noch ein Tipp für Martin: Versuch jeweils auch, Rechenresultate mit Plausibilitätsbetrachtungen zu verifizieren. 2’100 [m2] PV Fläche sind nicht viel – Fläche eines grösseren CH Gartens – deswegen einen “reisserischen” Artikel zu verfassen ist m. E. nicht angebracht. Oder umgekehrt betrachtet, dies ergäbe einen so hohen PV Flächenertrag, welcher diese Technik attraktiv machen würde – also man spielt der Solarlobby einen Steilpass zu.

  3. Eine Präzisierung zu oben. Die Grundlagen für den von Lukas Rühli von Avenir Suisse berechneten Stromertrag aus 1 kg U-235 stammen aus einem Faktenblatt des Nuklearforums Schweiz “Rohstoff Uran”: 20 Tonnen Uran sind nötig um den Jahresstromertrag des KKW Gösgen zu erbringen. So können aus 1 kg 400’000 kWh Strom gewonnen werden. Dann hat Rühli noch eine andere Quelle gehabt, die nur 320’000 kWh ergab, worauf er (und mit ihm auch ich) den konservativeren Wert genommen hat.
    Im nun neu revidierten Faktenblatt ist nur noch von 200 Tonnen Natururan die Rede (das ergibt aber, nachdem, was ich darüber gelesen habe, auch wieder in etwa 20 Tonnen angereichertes Uran).
    Soweit ich sehe haben wir also einen Konflikt zwischen den Angaben des Nujkearforums (und nicht von Avenir Suisse) und denjenigen von Emanuel und Arturo.
    Ich habe den Angaben des Nuklearforums vertraut – werde aber auf jeden Fall dort nachfragen, um den Konflikt aufzulösen.
    Nicht unwichtig: Mein “Nebelspalter”-Artikel könnte also wesentlich zu “zahm” gewesen sein, die Uran-Energiedichte ist noch viel grösser: immerhin das Gegenteil von “reisserisch”, lieber Emanuel.
    Sobald das alles geklärt ist – ich muss jetzt meinen neuen Beitrag fertigstellen – werde ich veranlassen, dass beim “Nebelspalter” die nötigen Korrekturen publiziert werden.

    1. Ich habe noch Johannis Nöggerath angefragt.
      Sein Resultat: Für die Jahresstromproduktion von Leibstadt braucht es rund 1 Tonne U-235. Das ergäbe dann bei einer Jahresmenge aus Leibstadt von 9 TWh einen Ertrag aus 1 kg Uran von 9’000’000 kWh – sogar noch etwas mehr als von Dir, Emanuel, berechnet (7’920’000 kWh).
      Damit wäre ich im Artikel um das 20- bis 25-fache zu tief gelegen (!).
      Ich warte nun noch auf die Erklärung des Nuklearforums.

  4. Lorsque j’ai lu cet article (avant la tempête de commentaires ci-dessus), j’ai voulu faire une vérification des chiffres.
    Il en résulte le tableau Excel ci-joint (le télécharger ici).
    Chacun peut encore mieux y glisser “ses” chiffres.
    Dans la comparaison avec le PV, aucune matière première n’est utilisée (à part la fusion de l’hydrogène sur le soleil) et le facteur limitant est l’espace nécessaire au sol.
    Pour le vent, le volume d’air n’est pas non plus une matière première limitante. Mais le moulin à vent projette une empreinte sur le sol où, en général, les vaches ne devraient pas brouter.
    Dans ces deux cas, on calcule la durée pendant laquelle un mètre carré au sol “produit” la même quantité d’électricité qu’un gramme d’uranium (enrichi à 4% en U-235).

  5. Die Streitfrage ist meiner Meinung nach gelöst (nach einem Telefon mit Johannis Nöggerath):
    Es besteht ein Unterschied zwischen dem Begriff “U-235” und dem Begriff “angereichertes Uran”, das aus nur 3-4% U-235 und einem Rest aus U-238 besteht (Arturo hat auch schon darauf hingewiesen). Dabei ist angereichertes Uran etwa 20-mal schwerer als U-235 allein. Entsprechend kann aus 1 kg angereichertem Uran etwa 20-mal weniger Strom erzeugt werden, als aus 1 kg U-235.

    Im “Nebelspalter”-Artikel, den Emanuel hier kritisiert hat, habe ich mit dem Begriff angereichertes Uran operiert, und deshalb sind alle Zahlen dort den Grössenordnungen nach richtig. Hätte ich spezifisch mit 1 kg U-235 argumentiert, hättest Du, Emanuel, recht gehabt. Ich finde es für einen öffentlichen Beitrag aber besser, von der gesamten Masse des angereicherten Urans auszugehen, als von der spezifischen Komponente U-235.

    Wie auch immer, ich habe einiges dazugelernt, und bedanke mich dafür.

    1. Hier scheint immer noch etwas nicht zu stimmen. Der Satz “Dabei ist angereichertes Uran etwa 20-mal schwerer als U-235 allein” erscheint mir wenig plausibel. Angesichts der sonst so fundierten Artikel von Martin Schlumpf möchte ich dringend raten, vor weiteren Äußerungen auch dieses Thema in der gewohnten inhaltlichen Tiefe zu recherchieren.

  6. Bleiben wir bitte beim Kern der Sache!
    Emanuel hat in seinem ersten Kommentar (14.12.) geschrieben, dass für den Strom, der aus 1 kg Uran gewonnen werden kann, 170’000 bis 230’000 m2 PV-Panelfläche notwendig seien.
    In meinem “Nebelspalter”-Artikel heisst es, dass für den Strom, der aus 1 kg angereichterem (!) Uran gewonnen werden kann, 2’100 m2 PV-Panelfläche notwendig seien.
    Die Klärung kommt von Johannis Nöggerath (nach Rücksprache mit dem Brennstoff-Fachmann in Leibstadt):
    Das Kernkraftwerk Leibstadt, KKL, braucht pro Jahr 29 Tonnen Schwermetall U235/238. Das ist das, was ich als angereichertes Uran bezeichnet habe.
    Bei einer durchschnittlichen Jahresproduktion von 9 TWh ergibt sich für das KKL eine Stromproduktion pro kg angereichertem Uran von 310’000 kWh.
    Meine “Nebelspalter”-Rechnung ist von 320’000 kWh ausgegangen. Somit ist alles, was ich im “Nebelspalter”-Artikel geschrieben habe, richtig.
    Bestätigt wird das auch mit der auf der Webseite des KK Gösgen angegebenen (und auch vom Nuklearforum übernommenen) Angabe von 20 Tonnen angereichertem Uran für die Jahresprodukrion Gösgen. Nach den Berechnungen Nöggerath ergäben sich für Gösgen etwa 24 Tonnen – aber die Grössenordnungen sind alle übereinstimmend.
    Emanuel ist fälschlicherweise von reinem U-235 ausgegangen, was hier keine Rolle spielt. Deshalb ist seine Kritik, ich läge um Grössenordnungen daneben, unberechtigt.

    1. Ich habe mir die Analyse aus einem etwas anderen Blickwinkel angesehen .. die folgenden Überlegungen beziehen sich nur auf den SWR (KKL) – kenne die Details des DWR viel zu wenig …
      Ich erlaube mir vorzuschlagen Ihren Satz «Das KKL braucht pro Jahr 29 Tonnen Schwermetall U-235/238» leicht umzuformulieren in «Der Reaktorkern des KKL wird jedes Jahr mit frischen Brennelementen (BE) beladen deren Gesamtgewicht ca. 29 Tonnen Schwermetall (SM) U-235/238 enthält». Dies entspricht durchschnittlich ca. 130 – 140 BE’s – ca. 20 % des Kerns, der insgesamt aus 648 BE’s besteht.
      Neue BE enthalten eine mittlere Anreicherung von ca. 4.5 % U-235 (typischer Wert). Während des Betriebes befinden sich im Kern nebst diesen neuen BE’s auch die in früheren Jahren in den Kern eingesetzten BE’s mit 2, 3, 4 evtl. sogar 5, 6 Betriebszyklen (ich kenne die KKL BE-Zyklusplanung nicht). Man darf annehmen, dass der über den Kern gemittelte Anreicherungswert (über die 648 BE’s) während eines Betriebszykluses ca. 3 – 3.5% U-235 beträgt.
      Nimmt man ein durchschnittliches mittleres BE Gewicht von ca. 210 kg SM/BE an so ergibt sich bei 3.5% mittlerer Kern-Anreicherung ein U-235 Gewicht von ca. 7.35 kg U-235/BE also bei 648 BE’s ein totales U-235 Kerngewicht von ca. 4’763 kg U-235. Diese 4’763 kg U-235 produzieren die gesamten 9 TWh ! U-238 hat überhaupt «keine» Bedeutung bzgl. der produzierten Leistung im Kern da diese praktisch ausschliesslich durch die Spaltung der U-235 Kerne erfolgt. Dies bedeutet, dass pro kg U-235 eine Leistung von ca. 1’890 MWh produziert wird !
      U-238 gewinnt eine untergeordnete Rolle bei der Wärmeerzeugung als f(Zeit) da über die BE Standzeit/Abbrand der BE’s gesehen nicht spaltbares U-238 (durch thermische Neutronen) in «thermisch» spaltbares Pu-238 umgewandelt wird. Der Pu-238 Wärmeproduktionanteil in einem BE liegt aber auch am Ende der BE-Einsatzzeit bei einem Wert kleiner 10%.
      Die Frage stellt sich also ob man bei der energetischen Bewertung von Uran für einen thermischen Reaktor nur das spaltbare U-235 oder auch das praktisch nicht spaltbare U-238 (das «keinen» Beitrag leistet) in die Berechnung einbeziehen will ? Mein Bauchgefühl sagt mir eher Nein.

        1. Besten Dank für Ihren Vorschlag der Umformulierung: Ihre Version trifft den Sachverhalt sicher präziser.
          Alles, was Sie dann schreiben, stimmt mit doch aber mit dem überein, was ich auch geschrieben habe.
          Das Thema meines “Nebelspalter”-Artikels (von dem ja alles ausging) war jedoch ein Gewichts-/Flächen-Vergleich der Brennstoffe verschiedener Energieträger. Und da muss man bei den KKW doch das gesamte angereicherte Uran nehmen (also die 29 Tonnen beim KKL) und daraus berechnen, wieviel Strom erzeugt wird. Denn sie können die Brennelemente ja nicht mit reinem U-235 füllen.

  7. Martin,

    Ich bin der Sache nochmals vertieft nachgegangen und habe folgende Anmerkungen zu den einzelnen in Deinem Beitrag im Nebelspalter angesprochenen Themen anzubringen:

    1. 1 kg Uran «leistet» gar nichts. 1 kg Uran hat einen nutzbaren Energie- Inhalt (physikalische Dimension z. B. [kJ/kg]). Erst über einen komplexen Prozess – Wärme, Gas- resp. Dampferverdichtung und -Erhitzung – kann über eine nachgeschaltete Apparateanlage (meistens Turbomaschine) Leistung erzeugt werden (physikalische Dimension z. B. [kW] oder [kJ/s]). Leistung ist ein zeitlicher Momentan- Zustand, Energie ist ein Potential

    2. Das Metall Uran kann 3 verschiedene kristalline Strukturen annehmen, orthorhombisch / tetragonal / kubisch. Je nach Struktur ist die physikalische Dichte leicht unterschiedlich. Die Kantenlänge eines Uran Würfels von 1 [kg] Masse beträgt 3.6 bis 3.7 [cm]. Diese Abweichung erscheint gegenüber Deinen Angaben gering. Ein Vergleich muss jedoch kubisch erfolgen, dann sind das 80% Abweichung bei leicht feststellbaren Fakten.
    3. Vorsicht mit unvollständigen resp. völlig unterschiedlichen Wirkungsgrad- Vergleichen von Umwandlungsprozessen. Im Falle des Kernkraftwerkes bezieht sich der Wirkungsgrad auf den gesamten Umwandlungsprozess vom Energieinhalt des Brennstoffes (Heizwert) zur marktgerechten Nutzenergie. Im Falle des im Text gewählten Wirkungsgrad- Ansatzes der PV Zelle jedoch nur um einen Teilschritt. Das wäre in etwa gleich, wie wenn ich beim thermischen Kraftwerk einzig den Wirkungsgrad der Turbo-Generatorgruppe beiziehen würde, das wären dann etwa 80% (Turbo) gegenüber 19% (PV)!
    Um ein marktgerechtes Produkt zu produzieren müssen im Falle des PV Systems noch die Verluste im Stromwandler, der Speicherung und des mittleren Umwandlungsverlustes über der Zeit mit eingerechnet werden. Das ergäbe dann bestenfalls einen Gesamtwirkungsgrad in der Grössenordnung von 0.19*0.98*0.8*0.95 = 0.14. Ich meine, als Energieexperte müsstest Du derartigen Sachverhalt auch unverzüglich erkennen und in einer Diskussion auch parieren.
    Zudem, Kernenergietechnik aus den 1960- er Jahren mit PV Technik von heute zu vergleichen, hinkt. Im Raum steht die Frage, welche Nukleartechnik würde zur Anwendung kommen, wenn wir endlich einen Marschhalt der Energiestrategie einlegen und uns auf machbare Lösungen fokussieren würden. Die neuen Kernkraftwerke der Generation IV arbeiten mit Wirkungsraden zwischen 44% und 50%.
    4. «Fotovoltaik erzeugt 2.5 mal mehr CO2 als Atomkraft». Auch hier Gleiches mit Gleichem vergleichen, bitte. Die Qualität des Endproduktes aus PV und aus einem Nuklearwerk ist sehr verschieden, nur mittels systemtechnischer Aufarbeitung kann PV Strom auf Nuklearniveau gebracht werden. Also muss konsequenterweise die «graue» Energie zum Bau dieser Systemkomponenten mit eingerechnet werden. Die Musik kommt dann völlig anders daher, der für PV anrechenbare CO2 Ausstoss liegt so in der Region Faktor 10 + höher als für Kernenergie!
    5. Genügend Uran? Zur Frage der «Uranreichweite» sind drei wichtige Aspekte zu berücksichtigen:
    a. Wie bei Kohlehydraten (Erdöl / Gas) hängt die Frage nach der Menge der erschliessbaren Vorräte ganz wesentlich von den Erschliessungskosten ab.
    b. In Zukunft wird Thorium als Substitut für Uranium als Kernbrennstoff zur industriellen Anwendung kommen. Die Thorium- Vorräte der Erde sind um Grössenordnungen höher, als für Uranium.
    c. Mit den kommenden Gen IV Reaktortechniken ist der «Brennstoffabfall» aus bisherigen PWR Reaktoren weiter verwertbarer Brennstoff. Ein Forscherteam aus den USA (welches an der MSR Reaktortechnik arbeitet), hat errechnet, dass mit der Weiterverwendung der existierenden Mengen an abgebrannten Brennstäben aus PWR Reaktoren, mittels MSR Technik, der Strombedarf der Welt für über 70 Jahre gedeckt werden könnte.
    6. Und zuletzt nochmals zur Kernfrage in Deinem Nebelspalter- Artikel: Wie viel PV Oberfläche braucht man (in der CH) um innerhalb eines Jahres so viel Nutzenergie zu erzeugen, wie man mittels 1 [kg] Uran kann. Bei unserer Diskussion darüber ging es im Wesentlichen darum, welchen Uranbrennstoff man als Basis annimmt.
    Bei meinen dieser Tage durchgeführten Recherchen bezüglich dem Heizwert von Uranbrennstoff habe ich festgestellt, dass es für reines U-235 sehr kohärente Datensätze gibt, während dies für Natur- und angereichertes Uran U-238 nicht der Fall ist. Besonders aufgefallen ist mir, dass die von CH Quellen verbreiteten diesbezüglichen Daten nicht konsistent sind. In der angelsächsischen Literatur (Wikipedia, World Nuclear Association (WNA), usw.) fand ich konsistente Datensätze.
    Zudem rechnest Du mit einem PV Flächenertrag von 150kWh pro m2 und Jahr, dies gemäss Deinen Info’s nach Angaben der Migros für die Anlage Neuenhof. Dieser Wert ist sehr zu bezweifeln. Aus diversen Quellen (u.a. Ferroni et al., Hauseigentümer- Verband, EKZ, etc). lässt sich dazu ein Mittelwert von 97.5 kWh pro m2 und Jahr ermitteln. Ich nehme diesen Wert für meine untenstehenden Berechnungen, in welche ich auch Speicher- und Fouling- Verluste (Mittelwert über 20 Jahre) mit einbeziehe.
    Bei der Diskussion dieser Frage erscheint mir jedoch auch wesentlich, dass man auf das Kommende fokussiert und nicht Vergleiche macht mit Kerntechnik aus den 1960-er Jahren. Die nachstehenden Resultate sind ermittelt auf der Basis von angereichertem U-238 als Brennstoff:

    a. Oberflächen Bedarf für PV Anlagen in der CH, um jährlich dieselbe Nutzenergie zu generieren, welche aus 1 kg U-238 in einem konventionellen Leichtwasser Gen. II Reaktor (wie in der CH installiert) produziert werden kann: Dachfläche (45 Grd Neigung) 4’800 m2 / Freifläche 6’800 m2.
    b. Oberflächen Bedarf für PV Anlagen in der CH, um jährlich dieselbe Nutzenergie zu generieren, welche aus 1 kg U-238 in:
    i. Einem Reaktor der Gen IV produziert werden kann (z. B. Brüter): Dachfläche 44’700 m2 / Freifläche 63’250 m2.
    ii. Einem Hochtemperatur- Reaktor der Gen IV produziert werden kann (z. B. HTR-PM): Dachfläche 53’250 m2/ Freifläche 75’300 m2

    Letzteres ist besonders von Relevanz, denn dies wären die Vergleichswerte für zukünftige Lösungsansätze!
    Da stelle ich fest, dass tatsächlich einiges um mehrere Grössenordnungen gegenüber den von Dir suggerierten 2’100 m2 fehlen: Je nach Ansatz beträgt die Abweichung 2’100% bis 2’500% – alleweil.

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