Die Mischung macht`s - auch in Zukunft

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Ein Klassenzimmer im Jahr 2099. Die Lehrerin projiziert ein 3-D-Bild an die Wand, das den qualmenden Schlot eines altertümlichen Kraftwerks zeigt. „Anfang des Jahrhunderts wurde ein großer Teil des elektrischen Stroms durch das Verbrennen von Kohle und Gas erzeugt“, doziert sie. Ungläubiges Staunen bei den Schülern: „Gab’s denn damals noch keine Fusionsreaktoren?“

Ob Szenen wie diese eines Tages Realität sein könnten, fragt sich – mit wissenschaftlicher Akribie – Thomas Hamacher. Der promovierte Physiker leitet die Gruppe Energie- und Systemstudien am Garchinger Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP). „Wir versuchen herauszufinden, wie die Energieversorgung der Zukunft aussieht und wie die Kernfusion in diese Energieversorgung hineinpassen könnte“, sagt Hamacher.

Die Kernfusion ist jener Prozess, der die Sterne zum Leuchten bringt. Leichte Atomkerne verschmelzen zu schwereren und entlassen dabei jede Menge Energie: Ein Kilogramm Wasserstoff verschmolzen zu Helium liefert genauso viel Energie, als würde man 10000 Tonnen Steinkohle verheizen. Seit Jahrzehnten arbeiten die Forscher daran, die nukleare Fusion in reifenförmigen Experimentalreaktoren – je nach Ausführung „Tokamak“ oder „Stellarator“ genannt – zu verwirklichen.

Gelingt das Unterfangen, bietet die Fusion diverse Vorteile: Die Vorkommen an Brennstoff sind schier unerschöpflich. Der Prozess würde weder Treibhausgase freisetzen noch langlebigen Atommüll generieren. Auch ein GAU scheint ausgeschlossen; denn anders als die Kernspaltung kann die Fusion nicht außer Kontrolle geraten. Dafür ist das Plasma, in dem die Kerne verschmelzen, zu stark verdünnt.

Bis die Welt von diesen Vorteilen profitieren kann, wird jedoch noch einige Zeit vergehen: Etwa im Jahr 2050 rechnen Experten mit den ersten kommerziellen Fusionskraftwerken. „Das ist noch ein langer Weg“, gibt Hamacher zu. „Aber die Schritte, die zum Ziel führen, sind identifiziert“. Vor allem haben Physiker inzwischen die Theorie der Fusion verstanden. Daher gehen sie davon aus, künftig auf keine unvermuteten prinzipiellen Probleme mehr zu stoßen. Schwierigkeiten wie Turbulenzen im Plasma, die sie nicht ins Kalkül gezogen hatten, haben den Zeitplan in der Vergangenheit immer wieder verzögert.

Jetzt ist es für Physiker keine Frage mehr, dass mit ITER die Zündung eines Plasmas gelingt. „Das größere Problem wird sein, eine solche Maschine zuverlässig als Kraftwerk zu betreiben“, sagt Hamacher. „Ein Fusionskraftwerk besitzt eine enorme Komplexität, und die muss man meistern – und zwar nicht zwei Stunden pro Woche, sondern 8000 Stunden im Jahr.“ Dass das möglich ist, soll vor allem der Demonstrationsrektor DEMO beweisen.

Plasma-Entladung in der Fusionsanlage ASDEX Upgrade Bild vergrößern
Plasma-Entladung in der Fusionsanlage ASDEX Upgrade

Die Nachfrage auf dem Energiemarkt

Die Ressourcen an Kohle hingegen dürften noch weit über unser Jahrhundert hinausreichen. Bild vergrößern
Die Ressourcen an Kohle hingegen dürften noch weit über unser Jahrhundert hinausreichen.

Gesetzt den Fall, 2050 steht wie geplant ein kommerzielles Fusionskraftwerk zur Verfügung – wird es dann auf dem Energiemarkt überhaupt gefragt sein? Ein diffiziles Problem, das Hamacher gemeinsam mit seinem Team beleuchtet. „Als erstes versuchen wir abzuschätzen, wie der Energiebedarf in den kommenden Jahrzehnten aussieht“, erklärt der Forscher. „Das hängt maßgeblich davon ab, wie sich die Weltwirtschaft entwickeln wird und ob sich das Wachstum der Schwellenländer wie Indien und China mit acht bis zehn Prozent fortsetzt.“ Wenn ja, könnte sich der Energiebedarf bis zum Jahr 2050 locker verdoppeln, glaubt der Physiker.

Entscheidend auch das Angebot an Energie, das in Zukunft zur Verfügung steht. Die wohl wichtigste Frage lautet aber: Wie lange reichen die fossilen Energieträger Öl, Kohle und Gas, die derzeit rund 85 Prozent des weltweiten Primärenergiebedarfs decken? „Einen gewissen Konsens gibt es beim Erdöl“, sagt Thomas Hamacher. „Die Vorräte, die man etwa in Saudi-Arabien für wenige Dollar pro Barrel aus dem Boden holt, sind begrenzt. In den nächsten zehn bis 30 Jahren kommen wir an den Punkt, an dem die konventionelle Erdölproduktion nicht mehr weiter zunehmen, sondern sinken wird.“

Die Ressourcen an Kohle hingegen – da sind sich die Experten sicher – dürften noch weit über unser Jahrhundert hinausreichen. Unübersichtlicher ist die Lage beim Erdgas. Hier gibt es reiche Vorkommen in Aquiferen, wie Geologen Grundwasser führende Gesteinsschichten nennen, oder als Methanhydrat am Meeresgrund. Unklar ist nur, inwieweit sich diese Bodenschätze mit neuen Fördertechniken erschließen lassen. Bleiben die Primärenergien auf absehbare Zeit günstig, wird die Nachfrage weiter steigen, prognostiziert Hamachers Gruppe. Doch wenn das Angebot dünner wird, dürfte die Menschheit erhebliche Anstrengungen unternehmen, die Nachfrage zu drücken und Energie zu sparen, indem man sie effizienter nutzt.

Dass das möglich ist, zeigt ein simples Beispiel: Technisch gesehen ist es heute machbar, Autos mit einem Verbrauch von zwei bis drei Litern auf 100 Kilometern zu bauen. „Doch im Durchschnitt verbraucht ein Auto in Deutschland neun Liter und in Ländern wie den USA sogar noch mehr“, sagt Hamacher. „Das bedeutet: Hier verfügt die Volkswirtschaft über einen enormen Gestaltungsspielraum.“

Doch womöglich wird der Einsatz fossiler Brennstoffe gar nicht durch knapper werdende Vorkommen limitiert, sondern durch den Treibhauseffekt und die globale Klimaveränderung. „Das ist zumindest seitens der Wissenschaft die große Grenze “, sagt Hamacher. „Will man die CO2-Emissionen ernsthaft senken, darf man die Kohleindustrie nicht intensivieren, darf also weder mehr Kohlekraftwerke bauen noch im großen Maßstab in die Kohleverflüssigung als Methode der Treibstoffgewinnung einsteigen.“ Das Problem: Derzeit scheint die Kohle für Länder wie China und Indien, aber auch in Deutschland, als relativ kostenstabiler Energieträger wieder an Reiz zu gewinnen. „Dann werden wir wahrscheinlich keine CO2-Reduktionsziele erreichen“, meint Hamacher. „Die Auswirkungen sind unvorhersehbar und wahrscheinlich sehr schädlich.“

Zwar sei es durchaus möglich, das Kohlendioxid aus den Schornsteinen von Kohlekraftwerken abzuscheiden und in den Erdboden zu verpressen, etwa in erschöpfte Gas- oder Öllagerstätten. Doch das Potenzial dieser so genannten Sequestrierung ist beschränkt, meint Hamacher. „Wir reden hier über Riesenmengen.“ Der Weltenergieverbrauch liegt bei zehn Milliarden Tonnen Öläquivalent, die letztlich komplett in CO2 umgesetzt werden. „Das müsste man alles in die Erde verpressen“, sagt der IPP-Physiker. „Und was das Kohlendioxid dort unten anrichtet, wenn es sich mit Wasser zu Kohlensäure verbindet, ist völlig unklar. Da ist noch viel Forschung nötig.“ Außerdem würde der technische Mehraufwand die Effizienz des Kraftwerks mindern – so dass noch mehr Primärenergie nötig wäre. So sieht Hamacher die Sequestrierung lediglich als eine Übergangslösung für eine gewisse Zeit.

Fusionskraftwerke können überall stehen

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Die fossilen Energieträger gehen zur Neige, der globale, menschengemachte Klimawandel verstärkt sich – günstige Rahmenbedingungen also für kommerzielle Fusionskraftwerke, die ab Mitte des Jahrhunderts zur Verfügung stehen könnten. Ob sie sich tatsächlich durchsetzen werden, hängt jedoch nicht zuletzt vom Preis ab. Die Fachleute am IPP haben abgeschätzt, wie viel die Kilowattstunde aus dem Fusionsreaktor einmal kosten könnte: Sie ist sicher teurer als heute bei einem Kohle- oder Kernkraftwerk, aber nicht um Größenordnungen, sondern vergleichbar mit alternativen Methoden der Stromerzeugung wie den erneuerbaren Energien. In Zahlen: Optimistische Schätzungen landen nach heutigen Preisen bei fünf Cent pro Kilowattstunde, weniger optimistische bei zehn Cent. „Doch perspektivisch gibt es in der Technik noch viele Entwicklungsmöglichkeiten, die den Fusionsstrom wirtschaftlicher machen könnten“, betont Hamacher.

Für die Fusion sprechen auch Hamachers Abschätzungen zu den externen Kosten. So nennt man Kosten, die in den tatsächlichen Marktpreis nicht mit eingehen, aber trotzdem Einzelne oder die gesamte Gesellschaft belasten. Ein Beispiel: Wird in der Nähe eines Hauses ein Flughafen gebaut, dürfte der Wert dieses Hauses durch die erhöhte Lärmbelästigung sinken. Die Fluggäste aber müssen diesen Verlust nicht durch höhere Ticketpreise zahlen – der Hausbesitzer hat schlicht Pech gehabt. Ebenso wenig sind die Folgen des Treibhauseffekts nicht durch den Benzinpreis an der Tankstelle abgedeckt. „Die Fusion hat sehr niedrige externe Kosten“, konstatiert Hamacher. „Sie sind mit Wind- und Solarkraftwerken vergleichbar.“ Aber: Bei der Interpretation der Zahlen müsse man sehr vorsichtig sein, es seien lediglich Richtwerte.

Für welche Länder und Regionen die Fusion vor allem interessant wäre, hänge von den jeweiligen Rahmenbedingungen ab. So müsse Deutschland eines Tages seine großen Braunkohlekraftwerke im rheinischen Revier und in Ostdeutschland ersetzen. Da könne man sich gut vorstellen, dass eine Technik wie die Fusion gern genommen werde.

Eingehende Studien haben die Forscher auch für Indien gemacht. „Dort wird die Stromnachfrage sicher auch nach dem Jahr 2050 weiter wachsen“, glaubt Hamacher. „Die Fusion dürfte in Indien sehr willkommen sein, weil sie den großen Vorteil hat, dass sie relativ standortunabhängig ist und man an vielen Stellen im Land Reaktoren bauen könnte.“ Das würde ein Problem lösen, das Indien heute hat: Um die Kohle zu den Kraftwerken zu bringen, reichen die Transportkapazitäten nicht aus. Ein Fusionskraftwerk hingegen kann im Prinzip überall stehen – die Ressourcen sind praktisch überall vorhanden und müssen nicht in rauen Mengen durch das Land gekarrt werden. Die Hauptkonkurrenz für die Fusion sehen die Forscher in den konventionellen Kernkraftwerken. „Sollten in einigen Jahrzehnten nach wie vor Kernkraftwerke gebaut werden, haben sie sicher einen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber der Fusion.“

Dagegen dürften sich Fusion und erneuerbare Energien ergänzen, statt miteinander zu konkurrieren. Die Wissenschaftler verfolgen dabei die Vision, dass ein globales Stromnetz die ganze Welt miteinander verbindet. Regenerativ gewonnener Strom gelangt von den günstigen Quellen in der Sahara (Solarenergie), in Argentinien (Windkraft) oder in Kanada (Wasserkraft) zu den Verbrauchszentren in Europa, Asien und den USA. „Trotzdem wird man an den Knotenpunkten versuchen, eine gewisse Eigenversorgung zu gewährleisten“, glaubt Hamacher. „Da bietet sich die Fusion geradezu an.“

Und sie taugt auch dazu, eine ganze Region unabhängig zu versorgen. Die Garchinger Wissenschaftler haben sich das einmal für Bayern angeguckt. Ergebnis: Hier könnte die Fusion besser als viele andere Techniken eine gewisse Autarkie bieten. Die erneuerbaren Energien hingegen haben Schwierigkeiten, bei ihnen gibt es die guten Angebote immer nur an bestimmten Orten; der Wind weht vor allem an der See, die Sonne scheint am hellsten in der Wüste.

Auf lange Sicht könnte die Fusion im Strommix der Zukunft 10 bis 20 Prozent ausmachen, in höher industrialisierten Ländern vielleicht sogar 30 Prozent, prognostiziert die Gruppe. Das sei etwa soviel wie heute die Kernenergie. Ein energetisches Allheilmittel jedoch ist die Kernfusion nicht: „Man sollte generell von der Vorstellung Abschied nehmen, dass eine Technologie alles übernehmen kann“, betont Thomas Hamacher. Die Stromerzeugung sei schon heute sehr heterogen, das dürfte auch in Zukunft so bleiben. „Wenn in einer Volkswirtschaft Dinge wie die CO2-Minderung Ernst genommen werden, hat die Fusion eine gute Chance“, resümiert der Physiker. „Wenn man aber weiter ohne Begrenzungen CO2 emittiert, wird es sicher knapp für die Fusion und auch für die erneuerbaren Energien.“

Indiens Strombedarf wird künftig stark steigen, den größten Teil davon werden fossile Energieträger decken. Die Kernfusion könnte ähnlich viel beitragen wie die Kernspaltung. Bild vergrößern
Indiens Strombedarf wird künftig stark steigen, den größten Teil davon werden fossile Energieträger decken. Die Kernfusion könnte ähnlich viel beitragen wie die Kernspaltung.

Prognosen mit großen Unsicherheiten

Ob die Fusion eines Tages tatsächlich kommt, hängt nicht zuletzt auch von der Akzeptanz seitens der Bevölkerung ab. Das Problem: Heute dürften die wenigsten den genauen Unterschied zwischen Kernspaltung und -fusion benennen können. „Es ist schwer über die Akzeptanz einer Technologie zu sprechen, die die meisten Menschen nicht oder nur grob kennen“, sagt Hamacher. Also gab man bei der Akademie für Technikfolgenabschätzung in Baden-Württemberg eine sozialwissenschaftliche Untersuchung mit so genannten Fokus-Gruppen in Auftrag. So heißt eine Methode, der sich auch Marketing-Experten bedienen, etwa um herauszufinden, ob ein Werbespot ankommt oder nicht.

Die Akademie-Wissenschaftler luden Laien ein, erzählten ihnen, was Fusion eigentlich ist und stellten anschließend zwei Positionen vor – jeweils eine dafür und eine dagegen. Danach wurde über die Fusion diskutiert. Das Stimmungsbild: Die Leute sahen durchaus Unterschiede zur konventionellen Kernkraft. Zwar war bei den meisten die Solarenergie noch höher im Kurs als die Fusion. Aber sie wurde durchaus als Alternative zur Kernkraft gesehen, mit wesentlichen Vorteilen in punkto Sicherheit, Umwelteigenschaften und Ressourcen.

Dass die Garchinger Forscher mit Probanden aus Fleisch und Blut arbeiten, ist eher die Ausnahme als die Regel: „Unsere Hauptwerkzeuge sind Energiemodelle. Das sind Computerprogramme, die wir zum Teil selbst schreiben“, sagt Hamacher. In diese Software gibt er ausgiebige Datensätze ein, etwa über den derzeitigen Energiemix von Indien. Dann starten die Simulationen und Optimierungsschleifen am Rechner. „Unsere schwierigste Aufgabe besteht darin, die Rechenergebnisse vernünftig zu interpretieren, um sagen zu können, was sie überhaupt bedeuten.“

Auf konkrete Zahlen legt sich der Physiker dabei nur ungern fest – dazu sind die Unwägbarkeiten bei Langzeitprognosen einfach zu groß. „Das ist das große Problem unserer Zunft der System-Modellierer“, beklagt Hamacher. Die Politik verlange konkrete Zahlen und lasse ihre Entscheidungen am liebsten auf einem einzigen Szenario basieren. Nur müsse man als Wissenschaftler sagen: Das geht so nicht! Denn: „Wir haben nicht die Möglichkeit der exakten Vorhersagen, sondern können nur bestimmte Korridore identifizieren.“

Die Energieversorgung ist ein überaus filigranes Gebilde – ein System, das bereits heute wissenschaftlich nur schwer zu beschreiben ist, das von vielen unklaren Faktoren abhängt und auf das sehr viele Akteure Einfluss haben. „Vor diesem Hintergrund ist etwa die Entwicklung der regenerativen Energien bei Weitem nicht so einfach und gradlinig, wie es manche Zeitgenossen gern sehen wollen“, sagt Hamacher. „Viele Ergebnisse werden falsch verkauft. Das ist traurig und hilft keinem wirklich weiter.“ Außerdem gebe es zur Energieversorgung zu viel Auftragsforschung. Nötig wäre dagegen mehr unabhängige Forschung. Er selbst habe da Glück: Obwohl er mit den Entwicklern der Kernfusion zusammenarbeitet, würden diese seine Forschung nicht beeinflussen.

aus: MaxPlanckForschung 2/2006; Autor: Frank Grotelüschen