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In Uran steckt gewaltig viel Energie

Die Energiedichte von Uran ist enorm: Es braucht den Jahresertrag von 2100 Quadratmetern 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.

«Schlumpfs Grafik, Folge 24» im Nebelspalter vom 13. Dezember 2021.

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) andrerseits eigentlich gespeist wird. Denn Energie wird physikalisch ja nicht neu erzeugt, sondern aus Primärenergie in Nutzenergie umgewandelt. Dabei besteht die Primärenergie bei 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.

80’000 Kilogramm Kohle für 1 Kilogramm Uran

(Click auf Grafik vergrössert diese) 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.

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 von 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 irreführende Ablenkungsstrategie: Man nimmt ein richtiges Argument, lässt den Vergleichszusammenhang weg, und benutzt es als Totschlag-Argument.

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 Lebens-Zyklus-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.

Und schliesslich: Bedeutet die Abhängigkeit vom Uran aber 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 dann 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.

Versuchen wir ein Fazit: Solaranlagen einerseits haben den bestechenden Vorzug der kostenlosen und unerschöpflichen Primärenergiequelle. Das Uran der Atomkraftwerke andrerseits 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

Atom 2 Solarstrom vergrössert die Winterstromlücke um das Dreifache

Atom 3 Solarstrom bedeutet Ressourcenverschleiss

3 Kommentare zu “In Uran steckt gewaltig viel Energie

  1. Martin Schlumpf

    Sie haben sicher bemerkt, dass ich Sie in meinem Beitrag erwähnt habe: als Kritiker, der sagt, dass Atomstrom nicht effizient sei, «nur ein Drittel der erzeugten Energie wird genutzt (Rest verpufft als Wärme in den Kühltürmen)». Dann zeige ich, dass bei PV dieser Wirkungsgrad mit nur 20 Prozent aber noch schlechter ist (was Sie verschwiegen haben).

    SInd Sie also jetzt mit mir einverstanden, dass die PV-Technologie beim Wirkungsgrad (PV 20%, KKW 35%) fast halb so schlecht und bei der Arbeitsauslastung 8 bis 9 mal so schlecht ist, wie die Atomtechnologie?

    Wenn wir das geklärt haben, gehe ich gerne auf Ihre CO2-Märchen dieses letzten Kommentars ein.

    • Guntram Rehsche

      Einverstanden! Nur die Frage ist ja, ob diese Kennziffer überhaupt relevant ist – und das bestreite ich sogar für beide Fälle! Also, ich warte auf Ihre CO2-Argumente….

  2. Guntram Rehsche

    Das World Information Service on Energy (WISE) hat in einer Studie den CO2-Ausstoß auf 117 Gramm pro Kilowattstunde Atomstrom berechnet und dabei den gesamten Lebenszyklus berücksichtigt. Hier muss angemerkt werden: Das WISE setzt sich öffentlich gegen Atomenergie ein, ist somit nicht ganz unbefangen. Allerdings kommen auch andere Berechnungen auf ähnliche Werte, wenn der gesamte Lebenszyklus sowie Produktionsprozess berücksichtigt wird: 68-180 Gramm CO2/kWh beträgt die Spanne laut Mark Z. Jacobson, dem Direktor des Atmosphere and Energy Program der Stanford Universität, je nach Strommix bei der Urangewinnung und weiteren Variablen.
    Wie klimafreundlich ist Kernenergie im Vergleich zu anderen Energien?

    Bezieht man den gesamten Lebenszyklus eines AKW mit in die Berechnung ein, steht die Kernenergie zwar besser da als fossile Energieträger wie Kohle oder Gas. Doch der Abstand zu den erneuerbaren Energien ist beträchtlich.

    Nach neuen, noch unveröffentlichten Daten des deutschen Umweltbundesamtes sowie der WISE-Lebenszyklus-Berechnung wird bei der Kernenergie 3,5 Mal mehr CO2 pro erzeugter Kilowattstunde freigesetzt als bei Photovoltaik-Anlagen. Im Vergleich zur landbasierten Windkraft ist es 13 Mal mehr CO2 und gegenüber der Wasserkraft sogar 29 Mal mehr CO2.
    Wie stets also nicht auf dem Laufenden! Quelle: Deutsch Welle

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