New Mobility – New NUC

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💡 Zusammenfassung (Abstract). Untersucht werden die infrastrukturellen Anforderungen im Zusammenhang mit der allenthalben beabsichtigten Elektromobilität. Ferner wird eine Überbrückung der Engpässe entlang der deutschen Autobahnen angegeben und durchgerechnet: Es handelt sich um ein autarkes Gleichstrom-Netz für Supercharger an den Tank- und Rastanlagen, das von kernenergetischen Reaktoren der 4. Generation, den Dual Fluid Reaktoren, angetrieben wird.
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Mit „New Nuc“ ist hier die Generation 4 der Spaltreaktoren gemeint
z.B. Dual Fluid Reaktor DFR

Im Januar 2012, also noch lange vor der „AG Energetik“, schrieb ich den Blogbeitrag „Energiewende – Elektromobilität ade!“, dem ich (damals ein Novum!) eine fundierte energetische Berechnung zugrunde legte und zwar: Anhand des durchschnittlichen Verbrauchs aller PKW in Deutschland (seinerzeit gut 1000 Liter/s 😯) errechnete ich über den Canot-Prozess eine durchschnittliche Stromlast bei 100% Elektromobilität in Höhe von 20 GW. Trotz einer klaren Bestätigung dieser Zahl durch eine einfache Gegenrechnung ➡ erlebte ich in den letzten Jahren immer wieder ein hartnäckiges Leugnen und Bestreiten dieses doch so klaren Sachverhaltes. So vermochte z.B. jemand, der für Verbreitung von EE-Märchen nicht ganz unbekannt ist, diese Zahl auf 5 GW zu reduzieren. Und wie? Na mittels Car-Sharing😀. Und dass diese 5 GW ausschließlich mit den „Erneuerbaren“ funktionieren, versteht sich da schon von selbst…

Selbstverständlich werden wir hier die Diskussion um die 20 GW Stromlast (und womöglich 40 GW in der Spitze!) für die Elektromobilität nicht führen, denn dies ist nun einmal ein fundamentaler physikalischer Zwang. Was uns vielmehr interessiert, ist die Frage, ob man denn diese Last auch schultern kann. Denn, als ob es nicht schon schwer genug wäre, 20 oder gar 40 Kraftwerksblöcke hochzufahren, kommt noch erschwerend hinzu, dass die Energie gerade im Falle von Elektroautos stets an den Ort und zu diesem Zeitpunkt geliefert werden muss, wo/wenn die Elektromobilisten bereit sind, ihre Autos aufzuladen. Wie wir spätestens aus den AG’s über EROI etc. wissen, ist Energie, die zur Unzeit kommt (etwa EE-Strom) schlicht Energiemüll. Aber auch eine am falschen Ort erzeugte Energie kann. u.U. minderwertig sein, wenn sie etwa monströse Netze erfordert. Dies ist beispielsweise bei den Ladestationen an den Autobahnen der Fall, wie wir gleich sehen werden.

➡ lt. Kraftfahrtbundesamt lag die PKW-Kilometerleistung 2017 bei 730 Milliarden km. Bei einem elektrischen Verbrauch von 0.2 kWh/km ergibt dies 146 TWh ➡, also knappe 17 GW durchschnittliche Last, wohl gemerkt nur für reine PKW und ohne Bedarfsschwankungen; dazu gleich mehr.
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➡ Dies bedeutet jedoch nicht, dass es sich bei den 150 TWh um zusätzlichen Strom für Elektroautos handelt. Denn was man gegenrechnen muss, ist jener Strom, den die Verbrenner abermals verbrauchen. Und alleine in der Raffinerie „kostet“ 1 Liter Sprit – je nach Zumessung grauer Energie – bis zu 1.6 kWh. Bei einem 10 Liter-Verbrauch ergäbe dies 16 kWh/100km und würde somit den Verbrauch eines Tesla Modell 3 vollständig aufheben (tut es nicht ganz, wie wir aus der AG „Elektromobilität energetisch betrachtet“ wissen). Dieser Aufhebungseffekt funktioniert allerdings nicht bei der Ladeleistung, wie wir gleich sehen werden.
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Werbefoto von Tesla für die eAutos mit Fotovoltaik
Quelle © tesla.com

Angesichts solch fundamentaler Sachzwänge, insbesondere Zahlen, drängt sich dann doch die Frage auf, wie denn solche Mythen 🙄 entstehen und vor allem, wie sie sich so verfestigen konnten… Denn Geschichten von wegen „100% eAuto aus 100% EE“ werden uns ja längst nicht mehr nur von irgendwelchen durchgeknallten Bloggern und Youtubern erzählt, sondern durchaus von Persönlichkeiten mit Rang und Namen, die evtl. wichtige Funktionen bzw. Ämter bekleiden.

Nun, verantwortlich hierfür dürfte eine optische Täuschung sein, wie dieses Webfoto von Tesla nebenan zeigt. Ein (im sonnigen Kalifornien? 😉) frei stehendes Haus, dazu noch mit einer hauseigenen PV-Anlage, dürfte mit seinen 1-2 Elektroautos alles, bloß nicht das Stromnetz überfordern. Außerdem ist die Kilometerleistung auf dem Lande sehr überschaubar und wird mit relativ moderaten Geschwindigkeiten zurückgelegt. Ferner sind die Verkehrs- bzw. Ladedichte ➡ ebenfalls gering, also haben wir – so scheint’s – eigentlich gar kein Problem… Wirklich??

➡ Unter „Ladedichte“ verstehen wir im Folgenden die auf das Straßennetz bezogene Dichte der bereitgestellten Ladekapazitäten.
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Denn was dabei übersehen wird, ist die Tatsache, dass all diese begünstigenden Faktoren bereits auf eine Kleinstadt nicht mehr ohne weiteres extrapolierbar sind. Aktuelles Beispiel: ein Bekannter von mir, der in einer Wohnanlage mit 9 Wohneinheiten Hausmeister macht, fragte mich neulich, ob ich denn nicht eine IT-technische Lösung wüsste, wie er den Strom rationieren kann. Der Grund: wie der Zufall so will, besitzen die Bewohner sage und schreibe 5 Elektroautos. Wenn die gleichzeitig, z.B. nachts, mit 3.7 kW aufladen, „fliegt uns der Sicherungskasten nur so um die Ohren“.👿 Nun ja…

Vorliegend lassen wir die spezielle Problematik der Klein- und Großstädte außer Betracht und gehen gleich zu einem besonders kritischen Bereich über und zwar sind es die 13.000 km deutsche Bundesautobahnen. Denn die 220 Mrd PKW-km per anno (lt. Kraftfahrtbundesamt) werden mit überdurchschnittlichen Geschwindigkeiten zurückgelegt und man hat kaum Zeit zum Aufladen, so quasi „über Nacht“. Demzufolge bedarf es einer hinreichenden Ladedichte entlang der Autobahnen, es braucht „Supercharger“, um das Trademark von Tesla ➡ zu verwenden.

➡ Elon Musk erkannte von Anfang an, dass seine Teslas nicht viel wert sind, wenn damit keine Langstrecken, insb. Autobahnfahrten, möglich sein sollten. So war das kontinuierliche Abzwacken von Gewinnen zugunsten der Supercharger-Infrastruktur die wohl meist missverstandene Unternehmensstrategie – auch und gerade unter den Profi-Marktanalysten (das sind jene, die eine Pleite von Tesla jeweils zum Quartalsende prophezeien 😉), aber auch in den Führungsetagen der Automobilhersteller! Denn es ist unzutreffend, wenn behauptet wird, die deutschen Automobilhersteller hätten das eAuto verschlafen. Was die Herrschaften verschlafen haben (und es bis dato weiterhin tun 👿), ist eben die Lade-Infrastruktur. Und wenn der Chef eines Premiummarken-Herstellers diese Problematik allen Ernstes bei einem Empfang der Partei B’90/Grüne erörtert, so fällt einem hierzu lediglich G. Oggers „Nieten in Nadelstreifen“ ein…
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Tesla Supercharger rund um Frankfurt/M, platziert stets an den Autobahnen.
Stand 2019. Quelle © Googlemaps, Tesla

Was bedeuten dann die 220 Milliarden PKW-Kilometer im Jahr, gefahren wie gesagt mit überdurchschnittlichen Geschwindigkeiten? Nun, nach Dreisatz-Rechnung ergeben sich 5 GW durchschnittliche Stromlast, wohl gemerkt ohne Kleintransporter, LKW, Omnibusse etc. Berücksichtigt man diese sowie Bedarfsschwankungen (Tag/Nacht, Wochen-/End, saisonal), ergeben sich locker 10 GW. Wenn wir jetzt mit der niedrigeren Zahl weiter rechnen werden, so hat es in erster Linie den Grund, dass wir angesichts der sich abzeichnenden Zahlen nicht gleich depressiv werden möchten 😯. Denn im Hinterkopf wollen wir schon behalten, dass 5 GW bereits mit gewaltigen Abstrichen verbunden sind, insbesondere bei der ohnehin nicht sehr realistischen eAuto-Quote von 100% !

Nun hören sich 5 GW zunächst einmal nicht dramatisch an, denn es sind ja „nur“ 10 mittlere Kraftwerksblöcke à 500 MW bzw. 5 größere à 1 GW, evtl. mehr. Das scheint machbar angesichts einer Gesamtstromlast von derzeit 80 GW. Die Besonderheit im Falle von den Autobahnen besteht jedoch darin, dass wir diese Leistung nicht in der breiten Fläche sondern an einigen wenigen Bereitstellungspunkten – den Chargern – abzuliefern haben. Da stellt sich doch die Frage, ob es Sinn macht, einen Umweg über das gesamte für die breite Fläche gedachte Stromnetz zu nehmen?

Eine kurze Überlegung lässt diese Frage verneinen. Denn warum sollten wir unserem Stromnetz, das bereits anderweitig arg beansprucht wird, noch mit unseren 5 GW weiter zusetzen? Wir alle (oder zumindest die meisten von uns) wollen doch die ganze Industrie 4.0, Quantenrevolution 2.0 oder was auch immer und neben Elektroautos wollen wir unsere Wärmepumpen, PV-Anlagen etc. auch noch! Was das für das Stromnetz bedeuten würde, kann man sich auch ohne explizite Rechnung gut vorstellen. So entstand der Grundgedanke dieser AG, nämlich eine autarke ➡ Stromversorgung für elektrisch befahrene Autobahnen zu überlegen und zu rechnen.

➡ Man wird kaum das Ladenetz wirklich autark machen und sei es aus Backup-Gründen. Wir rechnen dennoch dieses Szenario so durch, weil damit die „infrastrukturellen Anforderungen“ an die Elektromobilität gut zu beleuchten sind.
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Unser Petitum lautet dabei wie folgt:

  • Die 750 Tank- und Rastanlagen in Deutschland werden an ein autarkes Gleichstrom-Netz angeschlossen, von dem sie im Schnitt knappe 7 MW Strom (bei größeren Rastanlagen wohl 10 MW oder mehr) beziehen. Dieser Strom wird an die Ladeplätze der Anlage geleitet. Selbstverständlich können wir die Ladeplätze stärker dislozieren – sowohl innerhalb der Anlage als auch an andere kleinere Parkplätze – falls die Ladedichte von 10 MW zu gefährlich erscheint.
Dual Fluid Reaktor DFR
Der mit Blei gekühlter Flüssigsalz-Reaktor für schnelle Neutronen verfügt über eine inhärente Regelbarkeit 💡 „nach Leistungsanforderung“ – dank Neutronen-Reflexion sowie dem thermonuklearen Doppler-Effekt.

Soweit so gut – es bliebe da nur noch eine „Kleinigkeit“ unser autarkes Netz bedarfsgerecht und zuverlässig mit bis zu 5 GW Gleichstrom (oder bei eAuto-Quote über 50% entsprechend mehr) zu versorgen. Dies kann man mit Fug und Recht als eine technische Herausforderung sondergleichen bezeichnen. Da wir nun mal autark fahren, können wir Last- bzw. Leistungs-Überschüsse nicht ohne Weiteres über andere Netze puffern, „Sektorkopplung“ betreiben 🙄 etc ➡. Wir können weder den Überschuss vom 1. Januar irgendwo verklappen, noch den Mehrbedarf beim Ferienende oder bei Wartungsarbeiten von unseren Kraftwerksblöcken z.B. im Ausland kaufen. Was wir vielmehr brauchen, sind kleinere Kraftwerkseinheiten, etwa der Größenordnung von 100 MW (vorzugsweise sogar wenigstens eingeschränkt mobil), die gut regelbar sind, hinunter auf 10% oder gar noch weniger.

Doch kann es ein solch wundersam regelbares Mini-Kraftwerk wirklich geben? Und dazu noch kerntechnisch, da fossile Kraftwerke den Sinn von Elektroauto irgendwie pervertieren würden? Nun, es existiert in der Tat ein Reaktorkonzept, das all die Anforderungen erfüllen und sogar übererfüllen würde. Es handelt sich um den Dual Fluid Reaktor, den DFR.

➡ Wer in diesem Zusammenhang an die sog. „Erneuerbaren Energien“ denkt, dem sei gesagt, dass er/sie bei einer „AG Esoterik“ besser aufgehoben wäre…
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Der DFR hat es wirklich in sich – nicht nur, aber auch und insbesondere für das vorliegend diskutierte Szenario. Denn laut freundlicher Auskunft des IFK (Institut für Festkörper Kernphysik) kann der Reaktor eine thermische Leistung von 300 MW – das wären eben gut 100 MW elektrisch – abliefern und das bei Kernabmessungen von 0.83 m, somit etwa so groß wie ein gewöhnlicher Backofen. Zudem kann der Reaktor bis auf einen Hot-Standby-Modus herunter gefahren werden, bei dem lediglich die Nachzerfallswärme zu einer Minimum-Leistung von ca. 1 MW thermisch führt. Auch das haben die Kollegen vom IFK gerechnet und unserer bescheidenen AG recht mühselige Arbeit erspart. Dies dürfte übrigens mit ein Grund dafür sein, dass die vorliegende AG ohne die sonst so abschreckenden mathematischen Formeln ausgekommen ist… 😀

💡 Unter einer inhärenten Regelbarkeit verstehen wir – analog zur inhärenten Sicherheit – eine Regelbarkeit, die nicht durch einen getrennten „Agent“ wie etwa Schaltkreis, Computerprogramm etc. gesteuert wird, sondern durch die physikalischen Sachzwänge, nach denen die Anlage ausgelegt ist; deshalb „innewohnend“ bzw. „inhärent“.
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Beispiel: Am Ferienende tun viele Urlaubsrückkehrer gleichzeitig deren Teslas laden und entnehmen dem DFR verstärkt Energie, somit auch Wärme. Dieser bereits leichte Temperaturabfall hat zweierlei zur Folge. Erstens, das flüssige Blei wird „dichter“ und reflektiert somit effektiver die Neutronen. Zweitens, die Resonanz-Querschnitte der nicht-spaltbaren Nuklide verringern sich aufgrund des abnehmenden thermonuklearen Doppler-Effektes. Beides bedeutet mehr Neutronen, also mehr Kernspaltungen. Der DFR „heizt“ mehr… und vice versa bei abnehmender Leistungsanforderung.
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Tesla Modell 3 an einer Autobahn-Ladestation mit 50 kW
In unserem Szenario müssten solche Säulen alle 100m der Autobahn stehen und wären (in den Stoßzeiten) permanent belegt.

Die AG schließt nun mit einer Überlegung, die bereits in dem FB-Hauptdiskussionsthread vorgestellt worden ist. Wir nehmen an, an einem „Tag der Blechlawine“, also Ferien-Anfang/-Ende, Brückentag etc. sind die Autobahnen gemäß „halber Tacho“-Regel belegt und der Verbrauch der Elektroautos beträgt 0.2 kWh/km ➡. Bei einer eAuto-Quote von 100% und bei voller Bestromung der gesamten Verkehrsleistung an dem besagten Tag ergäbe dies eine durchschnittliche Stromlast in Höhe von 30 GW. Bei einer eAuto-Quote von 2/3 sowie einem Bestromungsfaktor von nur 1/3 (also wir laden nur für jeden 3. Kilometer) hätten wir immer noch 7 GW somit mehr, als die anfänglich vermuteten 5 GW.

Rechnet man dieses Modell nun auf die Nord-Süd Autobahnen um – oder der Einfachheit halber auf die längste BAB, die A7 – so ergibt sich eine durchschnittliche Last von 500 MW an einem solchen kritischen Tag… alleine für die A7 😮. Dies stets vorausgesetzt, dass wir über eine Art „global trip advisor“ verfügen, der jedem Urlaubsrückkehrer seinen Ladeplatz und das dazugehörige Zeitfenster zuweist, wodurch wir eine perfekte Ausbalancierung hätten. Für die A7 bedeutet es je 30 km ein Supercharger à 15 MW, mit je 50 Ladeparkplätzen à 300 kW 😯!!!

➡ beide Annahmen, nämlich „halber Tacho“ Abstand sowie 0.2 kWh/km Stromverbrauch, haben den angenehmen Effekt, dass unsere Zahlen eine doppelte Redundanz bekommen haben und zwar wegen der weitgehenden Geschwindigkeits-Invarianz (Unabhängigkeit). Denn verringert sich die Durchschnittsgeschwindigkeit, verlängert sich die Verweildauer auf der Autobahn dementsprechend und somit die Betriebszeit von Klimaanlagen bzw. Heizungen. Gleiches gilt für den Abstand zwischen den Fahrzeugen. Die Auswirkungen sowohl auf den Stromverbrauch als auch auf die Verkehrsstärke (DTV) – und somit auf die Ladeleistung P sind somit gering:
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P = 75’000/(v/2000)⋅v[km/h]⋅0,20[kWh/km] = 30 GW
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Die AG hat eindeutig belegt, dass die infrastrukturellen Anforderungen bereits bei 2/3 eAuto-Quote enorm sind. An einem „Tag den Blechlawine“ sind bei einem Bestromungsfaktor (der gesamten Verkehrsleistung) von lediglich 1/3 sage und schreibe 5 MW Leistung je 10 km Autobahn bereitzustellen. Es kommt noch erschwerend hinzu, dass diese Leistung bereits am darauffolgenden Tag nur zu einem Bruchteil gebraucht werden wird. Diesen Anforderungen kann man nur mittels POD-Kraftwerke (power on demand) mit z.T. mobilen Ladestationen begegnen. Für ein wenigstens eingeschränkt mobiles POD-Kraftwerk ist ein Dual Fluid Reaktor bestens prädestiniert.

Facebook-Thread: https://www.facebook.com/rainer.stawarz/posts/2250129005202975

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