Fusionsenergie

Fusionsenergie ist eine geplante Energiequelle durch Kernfusion. Derzeit existieren noch keine Kernfusionsreaktoren, die zur Stromproduktion geeignet sind; sie befinden sich jedoch in Entwicklung. Das Thema führt aber jetzt schon zu Überlegungen, wo weltweit Fusionsenergie zur Stromerzeugung politisch gewollt oder aus Umweltschutzgründen erwünscht sein könnte und wirtschaftlich wäre, sobald Kernfusionsreaktoren die technische Reife dafür erreicht haben sollten. Das dürfte – wenn überhaupt – kaum vor 2040 oder gar 2050 der Fall sein. Entscheidungen über ihren Einsatz zur Stromerzeugung 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.

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

Stromproduktion durch Fusionsenergie käme nur für die Grundlastversorgung in Betracht, hätte 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.

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.

Durch die dem Prinzip eigene inhärente Sicherheit (Abbruch der Fusion und damit der Energiefreisetzung schon bei kleinsten Störungen) wurde allerdings spätestens ab 1984 die Eigung für den dauerhaften Grundlastbetrieb in Frage gestellt.

Umwelt- und Sicherheitsaspekte

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 viel Zeit zum Hochfahren. Aus beiden Gründen wären Fusionskraftwerke nur als Grundlastkraftwerke einsetzbar. Sie würden in dieser Funktion Kraftwerke 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.
  • kein langlebiges radioaktives Material aus der Fusionsreaktion zur Folge: Das Reaktionsprodukt ist nicht radioaktives Helium.
  • kaum Sicherheitsprobleme mit mobilen radioaktiven Stoffen: 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 in der Größenordnung von wenigen Kilogramm. Davon bei Störfällen freigesetztes Tritium (zum Vergleich: über 600 kg Tritium gerieten durch Kernwaffentests in die Atmosphäre) steigt infolge seiner geringen Dichte sofort in obere Schichten der Lufthülle auf und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren zu stabilem ³He. Im Plasmagefäß befinden sich nur bis zu etwa 500 g, die bei einem Leck nicht austreten können, weil Außenluft einströmt. Davon erlischt das Plasma sofort und der in den ersten Kubikmetern enthaltene Sauerstoff oxidiert alles Tritium zu einigen Litern radioaktivem überschwerem Wasser. Das mobile radioaktive Inventar ist also weit geringer als etwa das bei der Katastrophe von Tschernobyl freigesetzte.
  • außer der Versorgung mit dem initialen Tritium-Vorrat keine Transporte radioaktiven Brennstoffs nötig. 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 zur kommerziellen Stromerzeugung taugen. Auf dem Wege dahin sind noch enorme technische Probleme zu überwinden, wie sie in der Vergangenheit auch auftraten, jedoch regelmäßig unterschätzt wurden. Seit Jahrzehnten bereits wird von einem Zeithorizont von 30 bis 40 Jahren ausgegangen, weshalb in Anspielung auf die Erdölkonstante ironisch von der „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. Prognosen für die Zeit Mitte des Jahrhunderts sind jedoch noch äußerst unsicher und spekulativ und dürften auch von Land zu Land unterschiedlich ausfallen.

Die Stromgestehungskosten für die zehnte Anlage dieser Art wurde 2006 auf 5 bis 10 Cent pro erzeugter Kilowattstunde geschätzt.

Die älteste Kostenstudie stammt vom Energy research Centre of the Netherlands, das die verschiedenen Arten der Stromerzeugung erforscht und bewertet. Bereits 1999 wurde detailliert untersucht, welche Rolle die Fusionsenergie im Energiemarkt Europas spielen könnte unter der Annahme, dass die Technik bis 2050 ausgereift ist. Wird die Kernspaltung 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 würden 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 angegebenen Investitionskosten von 6 Mrd € ergeben sich 73.650 € Stromentstehungskosten je (Erlös bringender) Stromerzeugungsstunde ((bei 75 % Auslastung sind das 6570 Stunden/Jahr), was in den folgenden Kapiteln detailliert wird.

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 – 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 Gsamtkosten für den Austausch von Verschleißteilen (Blanketteile, Divertorplatten) während der Betriebsdauer angegeben. Das sind 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 Betriebkosten angesetzten 8 % ergeben sich anteilig rund 6.000 € je Stromerzeugungsstunde. Nicht in der Aufstellung genannt – aber evtl. mitkalkuliert – sind die anfänglichen 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 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) oder
• ca. 4 Güterzüge mit 5.000 t unangereichertem Urandioxid im heutigen Gegenwert von rd. 330 Mio € bei einer Uran-Reichweite von ca. 70 Jahren sowie mit ca. 4.500 t radioaktivem Abfall oder
• Eine LKW-Ladung mit rd. 3,3 t schwerem Wasser (D₂O, für 663 kg Deuterium) und 4 t auf 50 % angereichertem Lithium (für rd. 1 t Tritium) im heutigen Gegenwert von zusammen rd. 2–3 Mio € inclusive grob geschätzter Kosten für die Deuterium-Gewinnung und die Lithium-Anreicherung: Aktuell – Anfang Juni 2013 – lag der Preis für 3,3 t schweres Wasser bei rund 885.000 € und der Preis für unangereichertes Lithium bei 3.800 €/t; mit fast unbegrenzter Reichweite und ohne jeglichen Brennstoffabfall.

Von allen vorgenannten Zahlenangaben würden auf ein Kraftwerk mit 1 GW Leistung und 75 % Auslastung rund 3 % entfallen. Für ein Fusionskraftwerk dieser Größe also etwa 90.000 € pro Jahr oder etwa 14 € 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 Ergebnisse der Entwicklung von Reaktorwerkstoffen aus Elementen mit möglichst geringer Aktivierung und ohne langlebigen Nukliden lässt jedoch hoffen, dass die Entsorgungskosten für die radioaktiven Anlagenteile niedriger sind.

Stromerzeugung

In den 6570 Stromerzeugungsstunden könnten 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.