Benutzer:Dr.cueppers/Fusionsenergie alt

Mit Fusionsenergie wird die bei Kernfusionen durch den Massendefekt frei gesetzte Energie bezeichnet. Auf Fusionsenergie beruht alle von Sternen abgestrahlte Energie und somit auch die Strahlungsenergie unserer Sonne. Die Menschheit verdankt der Fusionsenergie letztendlich die bisher von ihr genutzten Energiequellen Kohle, Erdöl, Gas, Wind, Wasserkraft und Sonnenlicht. Auf der Erde ist sie bei Fusionsversuchen im kleinen Maßstab schon häufig freigesetzt worden, wodurch ihre Entstehungsbedingungen sehr gut bekannt sind. Für diese auf allgemeine Forschungsergebnisse und nicht auf die Gewinnung von Fusionsenergie abzielenden Versuche wurde jeweils mehr Energie verbraucht als bei der Fusion entstand. Für ihre Gewinnung – zumal im großtechnischen Maßstab – sind andere Methoden erforderlich, die seit vielen Jahren mit dem Ziel der Stromproduktion in Kernfusionsreaktoren in Entwicklung sind; das wird aber auch noch viele Jahre dauern.

Die physikalischen Abläufe und der Stand der Forschung zur Gewinnung von Fusionsenergie werden im Artikel Kernfusionsreaktor behandelt.

Überlegungen zur Nutzung

Schon heute gibt es weltweit Überlegungen, wo Fusionsenergie zur Stromerzeugung politisch gewollt oder aus Umweltschutzgründen erwünscht sein könnte und ob sie dort wirtschaftlich wäre. Falls Kernfusionsreaktoren überhaupt die technische Reife zur Stromerzeugung erreichen sollten, ist ihr Einsatz dafür nicht vor 2040 oder 2050 zu erwarten. Entscheidungen hierüber sind erst wenige Jahre zuvor möglich und werden auch von Land zu Land – wie schon der Bedarf an einer solchen Grundlastversorgung – sehr unterschiedlich sein: Die dann örtlich geltenden Vor- und Nachteile gegenüber anderen Stromerzeugungsmethoden, ihre Bau- oder Importkosten (je nach technologischem Entwicklungsstand), die Aufwendungen für Finanzierung, Betrieb und Rückbau sowie der erzielbare Strompreis sind nicht längerfristig verlässlich genug vorhersagbar.

Nachteilig wären die sehr hohen Investitionskosten. Fusionsenergie würde sich deshalb und wegen der komplexen Technologie – ähnlich wie die Kernspaltung – nur für hoch entwickelte Länder eignen. Wie bei anderen technologischen Großprojekten ist zu erwarten, dass eine – zumindest teilweise – staatliche Finanzierung notwendig ist.

Möglicher Einsatz nur zur Grundlastversorgung

Weil bei Fusionskraftwerken die Bau- und Finanzierungskosten den wesentlichen Anteil an den Gesamtaufwendungen darstellen und die Brennstoffkosten dagegen vernachlässigbar sind, wären Volllast-, Teillast- und Stillstandszeiten praktisch gleich teuer. Außerdem benötigen Fusionsreaktoren zum Hochfahren Fremdstrom und (bei noch ungeladenen supraleitenden Magnetspulen) viel Zeit und wären nur einen kleinen Bereich zwischen Voll- und Teillastbetrieb regelbar. Aus diesen Gründen wären Fusionskraftwerke nur als Grundlastkraftwerke einsetzbar. Sie hätten aber gegenüber Stromerzeugung auf fossiler Brennstoffbasis die Vorteile einer völligen Emissionsfreiheit und eines billigen, fast unerschöpflichen Brennstoffvorrats, ein wesentlicher Vorteil auch im Vergleich zu auf der Kernspaltung basierenden Kernkraftwerken. Weitere Vorteile wären eine höhere Anlagensicherheit sowie die Vermeidung von Abfall in Form sehr langlebiger radioaktiver Spaltprodukte, die ein wesentliches Problem konventioneller Kernkraftwerke darstellen. Ihre Eignung für einen dauerhaften Grundlastbetrieb wurde jedoch allerdings 1984 wegen häufig vermuteter Abbrüche der Fusion und damit der Energiefreisetzung schon bei kleinsten Störungen des Plasmas – in Frage gestellt.

Umwelt- und Sicherheitsaspekte

Fusionskraftwerke würden solche auf Basis von Kernspaltung und fossilen Brennstoffen ersetzen und hätten

• im Gegensatz zu herkömmlichen Kraftwerken auf der Basis von Kohle, Öl oder Gas
  • keinen Ausstoß von Abgasen, insbesondere von Treibhausgasen wie CO₂;
  • auf sehr lange Zeit keine Probleme mit der Brennstoffversorgung, während die fossilen Brennstoffe in absehbarer Zeit zur Neige gehen;

• im Gegensatz zu Kraftwerken auf der Basis Kernspaltungsreaktoren
  • keine Reaktion, die überkritisch werden, also außer Kontrolle geraten kann. Die Zündbedingungen müssen im Gegenteil mit großem Aufwand aufrechterhalten werden, da das Plasma schon bei kleinen Störungen erlischt und die Energiefreisetzung sofort abbricht, was diese inhärente Sicherheit demonstriert.
  • kein langlebiges radioaktives Material aus der Fusionsreaktion zur Folge: Das Reaktionsprodukt ist nicht radioaktives Helium.
  • kaum Sicherheitsprobleme mit mobilen radioaktiven Stoffen außer geringe Mengen von Tritium, einem radioaktiven Betastrahler, der mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren zu stabilem ³He zerfällt. Das im Blanket erbrütete radioaktive Tritium wird innerhalb der Anlage extrahiert und wieder verbraucht. Ein Vorrat für einen einwöchigen Betrieb läge bei einer 1-GW-Anlage höchstens bei wenigen Kilogramm. Zur Vermeidung von Gasaustritt bei Störfällen könnte es aus Sicherheitsgründen nicht gasförmig, sondern an Metall gebunden (vgl. Metallhydrid) gespeichert werden. Räume, in denen es gasförmig austreten könnte, bräuchten spezielle Absaugablagen dafür. Im Plasmagefäß befindet sich ständig rund 1 Gramm Tritium; es kann bei einem Leck nicht austreten, weil Außenluft einströmt. Davon erlischt das Plasma sofort und der erste eindringende Sauerstoff oxidiert alles zu einigen Gramm nicht radioaktivem schwerem und radioaktivem überschwerem Wasser. Das mobile radioaktive Inventar ist also weit geringer als etwa das bei der Katastrophe von Tschernobyl freigesetzte oder im Vergleich zu den durch Kernwaffentests in die Atmosphäre geratenen über 600 kg Tritium.
  • keine Transporte radioaktiven Brennstoffs nötig außer zur einmaligen Erstversorgung mit einem Tritium-Vorrat von ca. einem kg. Da bei Unfällen gasförmig freigesetztes Tritium infolge seiner geringen Dichte sofort in höhere Schichten der Lufthülle aufsteigt und dabei zu überschwerem Wasser oxidiert wird, was in den irdischen, vom Menschen genutzten Wasserkreislauf gerät, würde auch dessen Transport als Hydrid erfolgen. Die Einsatzstoffe Lithium und Deuterium sind nicht radioaktiv.

• ähnlich wie bei Kernspaltungsreaktoren
  • Neutronenaktivierung von Anlagenteilen, Kühlmitteln und Strukturmaterial zur Folge. Die Menge des aktivierten Materials wäre vergleichbar mit der eines Spaltreaktors und würde den größten Teil des radioaktiven Inventars der Anlage ausmachen;
  • Anlagenteile, die so starker Neutronenstrahlung ausgesetzt sind, dass sie regelmäßig getauscht und zwischengelagert werden müssen. Bei herkömmlichen Kernreaktoren werden insbesondere die Brennelementhüllen, in denen sich der Uran-Brennstoff befindet, zusammen mit dem Brennstoff getauscht, bei Fusionsreaktoren wären dies insbesondere Teile des Divertors und des Blankets.

DT-Fusionsreaktoren wären demnach keineswegs frei von Radioaktivitätsproblemen. Sie wären jedoch bezüglich Sicherheit und Umweltverträglichkeit ein Fortschritt gegenüber herkömmlichen Kernreaktoren. Kritiker geben zu bedenken, dass manche dieser Fragen erst in ferner Zukunft zu beantworten sind, wenn ein vollständig entwickeltes Konzept vorliegt.

Machbarkeit

Noch ist nicht erwiesen, dass Fusionsreaktoren überhaupt einen nutzbaren Energieüberschuss liefern können, der zur kommerziellen Stromerzeugung taugt. Die enormen technischen Probleme wurden in der Vergangenheit jedoch regelmäßig unterschätzt. Seit Jahrzehnten bereits wird von einem Zeithorizont von 30 bis 40 Jahren ausgegangen, weshalb in Anspielung auf die Erdölkonstante ironisch von „Fusionskonstante“ gesprochen wird. Um wirtschaftlich zu sein, müssten Fusionskraftwerke nach dem aktuellen Stand der Forschung eine Mindestgröße zwischen 1000 und 2000 MW pro Block aufweisen, vergleichbar der neuerer Kernspaltungskraftwerke bzw. geringfügig größer.

Aussichtsreichste Kandidaten für eine Realisierung sind derzeit (Mai 2013) Tokamaks und Stellaratoren. Die bisher nach diesen beiden Konzepten gebauten Versuchsanlagen waren noch zu klein, um mit Zuheizung Temperaturen für eine Fusionsrate zu erreichen, bei der mehr Energie gewonnen wird, als zum Betrieb nötig war, geschweige denn, das Lawsonkriterium dauerhaft zu erfüllen.

Stromgestehungskosten

Die Kosten eines Kernfusionskraftwerks setzen sich zusammen aus den Investitions- und Kapitalkosten, den Betriebs- und Brennstoffkosten sowie den Kosten für den Abbau der Anlage und die Lagerung von deren verbleibenden radioaktiven Resten. Sämtliche Prognosen für die Zeit Mitte des Jahrhunderts sind jedoch noch äußerst unsicher und spekulativ.

Eine detaillierte Kostenstudie wurde 1999 vom Energy research Centre of the Netherlands veröffentlicht, das die verschiedenen Arten der Stromerzeugung erforscht und bewertet. Es wurde untersucht, welche Rolle die Fusionsenergie im Energiemarkt Europas spielen könnte unter der Annahme, dass die Technik bis 2050 ausgereift ist. Wird die Kernspaltungs-Energiewirtschaft nicht weiter ausgebaut und sollen die CO₂-Emissionen weiter verringert werden, so könnten Fusionskraftwerke zukünftig die Grundlastversorgung übernehmen. Betrachtet wurden Tokamak-Kraftwerke mit je 1 Gigawatt elektrischer Leistung. Unter Berücksichtigung der für technische Projekte typischen Erfahrungslernkurven sollten die Stromkosten der zehnten Anlage dieser Art zwischen 12 und 20 Pf/kWh liegen. Der Berechnung wurden folgende Annahmen zugrunde gelegt:

• 75 % jährliche Auslastung
• 30 Jahre Lebensdauer
• 5 % jährlicher Kapitalzins

Die Kosten teilen sich folgendermaßen auf:

• 62 % aus Investition für die Anlage
• 30 % Austausch von Verschleißteilen (Blanketteile, Divertorplatten) während der Betriebsdauer
• 8 % laufender Betrieb, Wartung, Brennstoff und Entsorgung

Auf Basis dieser Aufstellung und mit den unten auf 6 Mrd € geschätzten Investitionskosten würden sich 73.650 € Stromentstehungskosten je (Erlös bringender) Stromerzeugungsstunde ergeben (bei 75 % Auslastung sind das 6570 Stunden/Jahr).

Die Kosten werden in den folgenden Kapiteln detailliert; diese Abschätzungen sagen jedoch nichts über die Mitte des Jahrhunderts geltende Kosten- und Ertragssituation aus und werden dann – ebenso wie die vorstehende prozentuale Aufteilung – Makulatur sein.

Im Jahre 2002 veröffentlichte das Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag einen Arbeitsbericht zu den Kosten. Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass Prognosen für die Zeit Mitte des Jahrhunderts sehr unsicher und spekulativ sind. „Um solche [Kosten-]Prognosen abgeben zu können, müssen für einen 50-Jahres-Zeitraum eine Reihe von kritischen, z. T. stark fluktuierenden Parametern vorhergesagt werden, beispielsweise Energieträgerpreise, Preise für Rohstoffe (Lithium, seltene Metalle) sowie Zinssätze. Diese Faktoren haben ebenso wie z. B. die Bauzeit eines Reaktors und Prozeduren für Genehmigung und Betriebsaufsicht (z. B. Sicherheitsauflagen, Rückstellungen für Entsorgung) einen profunden Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit. …
Die Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Fusionsstrom gegenüber konkurrierenden Energieträgern und die Nennung von Stromgestehungskosten sind dagegen vor diesem Hintergrund höchst spekulativ. Allein die Geschwindigkeit des technologischen Fortschrittes und die Kostenentwicklung bei konkurrierenden, z. B. regenerativen Energiesystemen, die von immenser Bedeutung für deren Konkurrenzfähigkeit ist, entziehen sich der langfristigen Vorhersagbarkeit. Als sicher gilt, dass die Investitionen gegenüber den Betriebskosten die Stromgestehungskosten dominieren werden. Für eine Anlage mit 1.000 MW werden 5 bis 6 Mrd. Euro angegeben (Delene 1999). Fusionskraftwerke werden damit sehr kapitalintensive Großprojekte sein. Der Vergleich mit anderen Großprojekten – z. B. dem „Schnellen Brüter“ – legt nahe, dass sich die Kostenschätzungen eher am unteren Rand des Möglichen bewegen (Ziesing, nach Deutscher Bundestag 2001). Selbst die Befürworter der Kernfusionstechnologie gehen davon aus, dass die Stromgestehungskosten aus heutiger Sicht eher höher als bei konkurrierenden Technologien liegen werden (Delene 1999). Faktoren, die diese Relation zugunsten der Fusion verschieben könnten, wären zum Beispiel ein besonders hoher gleichmäßiger Bedarf an Elektrizität sowie hohe Energiepreise.“

In einer Veröffentlichung aus dem Jahr 2006 beziffert die Helmholtz-Gemeinschaft die Kosten – einschließlich Brennstoffgewinnung, Bau, Betrieb und Abbau des Kraftwerks sowie Lagerung der Rückstände – erst bei der zehnten Anlage ihrer Art zwischen 5 und 10 Cent pro erzeugter Kilowattstunde, betont jedoch, dass die Stromgestehungskosten der Fusion sich vorerst nur mit großen Unsicherheiten angeben lassen. Die dabei verwendete Datenbasis stammt aus 1996, 2001 sowie 2002 und bezieht sich direkt auf die damals gültige Kostenbasis des Testreaktors ITER. Die späteren Kostensteigerungen des ITER-Projektes blieben somit unberücksichtigt.

In den Medien wurden schon 1999 die Unsicherheiten solcher Kostenschätzungen angesprochen. So wurden die Kosten des Fusionsexperimentes ITER bei Projektbeginn im Jahr 2006 mit fünf Milliarden Euro angegeben. In 2010 wurden die geplanten Gesamtkosten des Projektes bereits mit über 15 Milliarden angesetzt. Die Frankfurter Allgemeine Zeitung berichtete 2010 unter Bezugnahme auf Untersuchungen einer interdisziplinären Wissenschaftlergruppe des MIT über „eine globale Kostenexplosion und eine dramatische Eskalation der Kosten sämtlicher großen Industrieprojekte, bei denen Ingenieurleistungen gefragt sind.“

Investitions- und Kapitalkosten

Nach dem Kenntnisstand vom März 2002 wird für eine Anlage mit 1.000 MW von 5 bis 6 Mrd € Investitionskosten ausgegangen. Die Kapitalkosten für 6 Mrd € summieren sich bei Rückführung über die angedachten 30 Jahre Laufzeit bei 5 % Zinsen auf insgesamt 4,5 Mrd € (jährlich durchschnittlich 150 Mio €); hinzu kommt die Tilgung mit jährlich durchschnittlich 200 Mio €. Das wären täglich rund eine Million € und je Stromerzeugungsstunde rd. 45.700 €.

Kosten für den Austausch von Verschleißteilen

Oben sind 30 % der Gesamtkosten für den Austausch von Verschleißteilen (Blanketteile, Divertorplatten) während der Betriebsdauer angegeben. Das wären anteilig rund 22.100 € je Stromerzeugungsstunde.

Betriebskosten

Der laufende Betrieb umfasst gemäß obiger Aufstellung die Kosten für Wartung, Brennstoff und Entsorgung. Dort sind jedoch keine Personalkosten genannt, dagegen aber "Entsorgung", die für den laufenden Betrieb aber keine nennenswerten Beträge erfordern. Mit diesem Stichwort könnte die Entsorgung der radioaktiven Austauschteile Blanket und Divertoren gemeint sein. Bei den oben für die Betriebskosten angesetzten 8 % ergeben sich anteilig rund 6.000 € je Stromerzeugungsstunde. Nicht in der Aufstellung genannt – aber evtl. mitkalkuliert – sind die anfänglichen Aufladekosten für supraleitende Magnetspulen sowie die Aufheizkosten bei jedem Hochfahren des Reaktors, wofür Fremdstrom bezogen werden muss.

Brennstoffkosten

Die zu erwartenden marginalen Kosten der Fusionsbrennstoffe, das Fehlen von radioaktiven Abfällen bzw. von C0₂-Emissionen daraus und ihre auf Jahrtausende gesicherte Verfügbarkeit sind die wesentlichen Antriebe für die Entwicklung von allen dafür erforderlichen Technologien. Die erhofften Vorteile werden aus folgendem Vergleich deutlich:

Der jährliche Strombedarf betrug in Deutschland zwischen 2003 und 2012 rund 600 TWh, davon entfallen etwa 25 % (150 TWh) auf die Grundlast. Würde diese Menge nur mit den bisher für die Grundlast genutzten Brennstoffen, also nur auf Kohle- oder nur auf Kernspaltungsbasis oder aber mit Kernfusionsreaktoren produziert, so wäre der jährliche Brennstoffbedarf dafür bei einem grob geschätzten Wirkungsgrad für die Umwandlung von thermischer auf elektrische Energie von 50 % entweder

• etwa 44.000 Güterzüge mit 65 Mio t Rohbraunkohle im heutigen Gegenwert von rd. 250 Mio € oder
• etwa 12.500 Güterzüge mit rd 18 Mio t Steinkohle im heutigen Gegenwert von rd. 2 Mrd. € (vergl. Brennstoffpreis) und einer Reichweite von etwa 124 Jahren; jede Kohlesorte mit Ausstoß von 67 Mio t C0₂ (34 Kubikkilometer) und großen Mengen anderer Schadstoffe oder
• ca. 3 Güterzüge mit 4.250 t unangereichertem Urandioxid im heutigen Gegenwert von rd. 280 Mio € bei einer Uran-Reichweite von ca. 70 Jahren sowie mit ca. 3.800 t radioaktivem Abfall oder
• Eine LKW-Ladung mit rd. 6,4 t schwerem Wasser (D₂O, für 1,27 t Deuterium) und rd. 8 t auf 50 % angereichertem Lithium (für 1,91 t Tritium) im heutigen Gegenwert von zusammen rd. 5–6 Mio € inclusive grob geschätzter Kosten für die Deuterium-Gewinnung und die Lithium-Anreicherung: Aktuell – Anfang Juni 2013 – lag der Preis für 6,4 t schweres Wasser bei rund 450.000 € und der Preis für unangereichertes Lithium bei 3.800 €/t. Für Fusionsenergie gilt eine fast unbegrenzte Reichweite und keinerlei Brennstoffabfall.

Von den vorgenannten Zahlenangaben für 150 TWh würden auf ein Fusionskraftwerk mit 1 GW Leistung und 75 % Auslastung rund 3 % entfallen. Das wären Brennstoffkosten von etwa 180.000 € pro Jahr oder etwa 36 € je Stromerzeugungsstunde.

Kosten für den Rückbau

Diese Kosten sind in der obigen Aufstellung nicht aufgeführt, weshalb sie hier nicht in die Kosten je Stromerzeugungsstunde einfließen können. Sie müssten jedoch aus im Laufe der Betriebszeit zu bildenden Rücklagen finanziert werden. Sie dürften in etwa in der gleichen Größenordnung liegen wie der Rückbau bei einem Kernspaltungskraftwerk. Die Entwicklung von Reaktorwerkstoffen aus Elementen mit möglichst geringer Aktivierung und ohne Entstehung langlebiger Radionuklide lässt jedoch hoffen, dass die Entsorgungskosten für die radioaktiven Anlagenteile niedriger sind.

Stromerzeugung

In den 6570 Stromerzeugungsstunden könnten bei dem im vorigen Kapitel angenommenen Fusionskraftwerk mit 1 GW Bruttoleistung und der oben angenommenen Auslastung von 75 % maximal 6,570 TWh erzeugt werden. Da in den 4380 Nachtstunden (zwischen 22 und 6 Uhr) kein Volllastbetrieb erfolgen würde, reduziert sich die mögliche Stromproduktion auf rund 5000 TWh. Für den Eigenverbrauch – vor allem für das Zuheizen – werden 10 % veranschlagt, so dass 4500 TWh zum Verkauf verbleiben würden.

Risiken hinsichtlich Kernwaffenverbreitung

Bereits einige Gramm eines Deuterium-Tritium-Gemischs können die Energiefreisetzung einer Atombombe und damit deren Zerstörungskraft deutlich steigern. Die bei der Fusion zahlreich erzeugten Neutronen intensivieren die Kettenreaktion im Uran- oder Plutonium-Kernsprengstoff. Die Methode ist unter dem Begriff Fusions-Booster bekannt. Tritium entsteht zwar auch als radioaktives Abfallprodukt in herkömmlichen Kernreaktoren, insbesondere in Schwerwasserreaktoren, wird üblicherweise jedoch weder abgetrennt noch als Reinstoff aufkonzentriert. Die Gefahr zur Proliferation geht dabei sowohl von dem Tritium selbst aus als auch von dem Wissen um die Details seiner Herstellung.

Soweit im Blanket angereichertes ⁶Li verwendet wird, müssen entsprechende großtechnische Anlagen zur Lithium-Anreichung errichtet werden. Schließlich ist mit angereichertem ⁶Li auch direkte Proliferation denkbar. Wasserstoffbomben erreichen mit angereichertem ⁶Li eine höhere Sprengkraft als mit natürlichem Lithium.

Einzelnachweise

[[Kategorie:Kernfusion]]