Energietechnologie für die Welt

Die 1000 Klima-Milliarden der EU sind keine Lösung der aktuellen Herausforderungen, und was in Deutschland gemacht wird, schadet der Umwelt mehr als es nützt. Die Energietechnologie und deren Kosten sind eine Voraussetzung zur Wettbewerbsfähigkeit der Wirtschaft in jedem entwickelten Land. Die Welt braucht eine neue Offenheit für den wissenschaftlichen Diskurs in der wichtigen Klimafrage, um dem dogmatisierten „Klimapanik-Block“ die Exklusivität zu nehmen.

Wer für die Welt die Energieversorgung lösen will, benötigt einen deutlich anderen Ansatz als den, der für die „Energiewende“ in Deutschland geplant und teils realisiert wurde. In der letzten Dekade stieg der weltweite Energieverbrauch sieben Mal schneller aus der Beitrag von Wind- und Sonnenenergie, was 2500 Milliarden $ kostete. Erforderlich wäre eine Null-Emissions-Energietechnologie, die auch indirekt keine negativen Auswirkungen hat wie Wind- und Sonnenstrom.

Jeder Energieverbrauch auf der Erde wird letztlich immer in Wärme gewandelt. Für die Stromerzeugung in Kernkraftwerken und Fusionskraftwerken werden auf absehbarer Zeit Dampfturbinen mit Generatoren dominieren. Das bedeutet, durch den thermischen Wirkungsgrad ΔT/T wird bereits bei der Stromerzeugung etwa die halbe Wärme im Kühlturm abgegeben. Die Welt ist dabei noch sehr weit von der Grenze entfernt, daß diese Abwärme einen merkbaren Klimaeinfluß haben kann.

Jede neue Energietechnologie muß weltweit auch wirtschaftlich sinnvoll sein. Dies bedeutet, die entwickelten Länder sollten möglichst früh mit deren Einsatz beginnen, damit später durch wachsendes Volumen auch ärmere Länder deren Einsatz bezahlen können. Welche Technologien könnten an die Stelle der Energieerzeugung mit fossilen Brennstoffen treten?

Inhärent sichere Kernkraftwerke

Der Schnelle Brüter, ein Reaktortyp mit Plutonium als Brennstoff und Natrium als Kühlmittel, dessen Bau 1972 in Kalkar begann, wurde 1985 fertig, ging aber wegen Sicherheitsbedenken nicht in Betrieb. Präsident Richard Nixon betonte 1971 in einer Rede, wie wichtig der Schnelle Brüter für die USA sei. Doch nachdem von den USA, Japan, Rußland, Großbritannien, Indien und Frankreich über 50 Mrd. $ investiert wurden, war immer noch kein kommerziell nutzbares Modell verfügbar. Hohe Kosten, Unzuverlässigkeit, schwerwiegende Sicherheitsprobleme und Proliferationsrisiken werden als Haupthindernisse angesehen.

Damit bekam Alvin Weinberg, der Erfinder des Druckwasserreaktors und damals Direktor des Oak Ridge National Lab, im Nachhinein recht. Er hatte Sicherheitsbedenken geltend gemacht und schlug damals einen anderen Weg vor, woraufhin der zuständige Kongreßabgeordnete Chet Holfield ihm deshalb empfahl, die Nuklearindustrie zu verlassen. Doch seine Ideen aus den 1970er Jahren lebten weiter und erfuhren nach tiefgehenden Analysen eine Renaissance in Form von inhärent sicheren Reaktortechnologien ohne Proliferationsrisiko:

1. Die Flibe Energy Inc. realisierte den Liquid Fluoride Thorium Reactor, wobei flüssiges Salz mit einem Kernbrennstoff und ein ähnliches Salz als Kühlmittel eingesetzt werden. Es ist kein Hochdruckbehälter für den Reaktor nötig. Das Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear hat eine beschleunigte Sicherheitsprüfung im Oak Ridge National Lab befürwortet.
2. Die Terrapower Inc. von Bill Gates begann 2007 die Arbeiten am Laufwellenreaktor, der 2010 vorgestellt wurde.((Bill Gates explains Terrapower And The Traveling Wave Reactor, https://www.youtube.com/watch?v=qwRYtiSbbVg. Fact Sheet Download: http://www.terrapower.com/wp-content/uploads/2020/01/TP_2020_TWR_Technology.pdf)) Dieser Reaktor kann abgebrannte Brennelemente verwerten und gleichzeitig entsorgen. Die Lagerbestände in den USA genügten, um damit die Stromversorgung für 1000 Jahre zu decken.

Mit der China National Nuclear Corporation hatte Terrapower eine Vereinbarung getroffen, den ersten Reaktor dieses Typs zu bauen. Doch im Oktober 2018 kündigte das amerikanische Energieministerium DoE schärfere Restriktionen bei zivilen Nukleargeschäften mit China an, was eine Planänderung bewirkte. Terrapower erweiterte 2019 seine Aktivitäten.

Donald Trump ist über diese Technologien informiert, die für die Welt mit Abstand wirtschaftlicher sind als jede deutsche „Energiewende-Technologie“. Warum sollten sich die USA an das Pariser Abkommen halten, welches diese verpflichtet, den größten Anteil der 500 Mrd. $ zu tragen, die weniger entwickelten Staaten zugesagt wurden? Diese Gelder würden dann dort fehlen, wo sie wichtig wären, um eine saubere und sichere Energietechnologie für die Welt zur Einsatzreife zu bringen.

Anders als in Asien((We need to switch to new nuclear reactor types; https://www.asiatimes.com/2020/02/article/why-we-need-to-switch-to-newer-reactor-designs/)) wird in Europa die Entwicklung neuer und inhärent sicherer Reaktortechnologien nicht verfolgt. Mit dem Konzept von Terrapower gäbe es aber einen Ansatz, abgebrannte Brennelemente zu entsorgen. Statt dessen werden in Deutschland unbezahlbare Pläne zur Entsorgung verbreitet, und innovative Lösungen bleiben gesetzlich verboten. In Asien will man nicht warten, bis Fusionskraftwerke verfügbar sind, sondern zügig neuartige und sicheren Kernkraftwerke realisieren.

Fusionskraftwerke

Fusionskraftwerke müssen die Herausforderung bewältigen, leichte Atomkerne einander so nahe zu bringen, daß diese verschmelzen. Die positive Ladung der Atomkerne wirkt sehr abstoßend (auch Coulomb-Barriere genannt), und um diese zu überwinden, ist eine hohe Energie jedes Atomkerns erforderlich, die er nur in einem superheißen Plasma erreicht wird. Dieses ist ein elektrisch leitfähiger Aggregatzustand der Materie, bei dem die Elektronen von den Atomkernen getrennt sind.((Plasma wird bereits ein Zustand genannt, wenn nur einzelne Elektronen vom Atom abgespalten werden und dadurch stromleitend wird. Ein Niederdruckplasma wird z. B. in Leuchtstoffröhren eingesetzt.)) Die Temperatur ist so hoch, daß kein Material diese verträgt, und jedes Plasma, das eine Wand berührt, würde durch einen Kälteschock zerstört. Das Plasma wird deshalb meist in einem Magnetfeld eingeschlossen. Eine Alternative ist der Trägheitseinschluß, wobei kleinen Tröpfchen des Fusionsmaterials so viel Energie zugeführt wird, daß es zur Fusion kommt, bevor dessen Hülle verdampft. Die Plasmadichte, dessen Temperatur und Einschlußzeit sind dabei entscheidend. Man faßt dies unter dem Begriff High Energy Fusion zusammen.

Ein völlig anderes Konzept ist Low Energy Nuclear Reaction (LENR), besser Low Energy Nuclear Transmutation (LENT) und fallweise Lattice Assisted Nuclear Transmutation (LANT) genannt. Diese Ansätze waren viele Jahre sehr umstritten, weil gedacht wurde, der erzeugte Energieüberschuß beruhe auf anderen als nuklearen Effekten, da keine Strahlung und keine Neutronen beobachtet wurden. Das mag zwar für bestimmte Fälle zutreffend sein, doch es gibt eine Fülle von Experimenten, bei denen andere Atome auftauchten, die zuvor nicht vorhanden waren, dennoch keine Strahlung beobachtet wurde, und auch Experimente, bei denen eine Strahlung beobachtet wurde, aber kein radioaktives Material eingesetzt war. Wir fassen dies unter dem Begriff Low Energy Transmutation zusammen und berichten diese lange Geschichte im nachfolgenden Artikel.

High Energy Fusion

Weltweit wurden bisher für heiße Fusionsexperimente mindesten 200 Mrd. € aufgewendet. Ob und wann diese Gelder zum Ziel führen, ist offen. In den USA wurden 1976 diverse Szenarien analysiert, was nötig wäre zur Zielerreichung. Es wurde nie genug in die Forschung investiert, um zügig erfolgreich zu sein. Bei der Komplexität vieler Teilaspekte reichte dies bestenfalls zum des Know-How-Erhalt, weil vieles veraltete.

Es gibt viele Wege und Versuche, Fusionsenergie zu gewinnen.((https://en.wikipedia.org/wiki/Template:Fusion_power)) In den USA allein wurden zwischen 1990 und 2014 sechzehn große Testeinrichtungen aufgegeben.((Fusion Energy Symposium, 23. Mai 2019; erster Vortrag von Masha Freeman. https://vimeo.com/348899262)) Die heute chancenreichsten Ansätze funktionieren nach folgende Methoden mit magnetischen Einschluss: (i) Tokamak und Stellarator; (ii) Magnetized Target Fusion und (iii) Plasma Focus Fusion. Diese unterscheiden sich nach der Art des magnetischen Einschlusses. Darüber hinaus gibt es weitere „exotische“ Ansätze, die schwer zu bewerten sind.

Tokamak: Im Tokamak wird das Plasma in einem magnetischen Torus gehalten – einem ringförmigen Magnetfeld. Dieses Prinzip geht auf Andrej Sacharow zurück, den „Vater der Wasserstoffbombe“, einen russischen Physiker, der den Friedensnobelpreis erhielt. Das Leitprojekt ITER wird in internationaler Zusammenarbeit als Forschungseinrichtung realisiert. Ab 2025 wird mit Deuterium getestet, später mit einem Plasma aus Deuterium und Tritium, welches für eine gewisse Zeit brennen wird. Nach den Plänen sollte das 10fache der eingesetzten Energie als thermische Energie im Plasma entstehen. Ziel ist zu lernen, was für das erste Fusionskraftwerk, genannt DEMO, nötig wäre. Der soll bis 2050 funktionieren.

Der DEMO im ursprünglichen Konzept((Approximation of the economy of fusion energy; Slavomir Entler et.al.; Energy 152 (2018) 489e497 – ELSEVIER; https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544218305395)) wäre nicht konkurrenzfähig, und es sind einige technologische Innovationen gegenüber ITER zu erwarten. Bedeutsam ist, daß der Stellarator 7-X in Greifswald mit modernen Supraleitern weiterentwickelt wird, was dessen Größe dramatisch reduzieren und die Grundlage für den DEMO werden dürfte. Der benötigt dadurch für den Betrieb auch weniger elektrische Leistung und wird deutlich kostengünstiger als ITER. Unbekannt ist, ob dies ausreicht, die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für den kommerziellen Einsatz mit dem DEMO zu erreichen und wie klein das Verhältnis von Kühlleistung zu elektrischer Leistung im Netz wird. Mit 3:1 wie aktuell geplant wird die Standortsuche schwierig.

Es gibt drei nennenswerte Konkurrenzprojekte zu ITER, die bereits jetzt mit modernen Hochtemperatur-Supraleitern, die auch starke Ströme vertragen, arbeiten. Das sind (i) Commonwealth Fusion Systems (CFS) in Cambridge, MA, ein Spin-Off des MIT Plasma Science & Fusion Center, in welches Bill Gates investierte; (ii) Soonest Possible ARC (SPARC) des MIT Plasma Science & Fusion Center und (iii) der Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST)((https://www.neimagazine.com/news/newschina-completes-new-tokamak-7531412; https://en.wikipedia.org/wiki/Experimental_Advanced_Superconducting_Tokamak)) des Hefei Institute of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Das Wettrennen für den kommerziellen Einsatz läuft bereits. Vieles spricht dafür, daß mit den wissenschaftlichen Grundlagen von ITER und dem Stellarator anderswo vor dem DEMO ein kommerzieller Einsatz beginnt. Denn dies bedarf eines kommerziellen Fokus, der sich mit einer Forschungs-Bürokratie nicht verträgt. Bis 2035 wird ITER 20 Mrd. € verschlungen haben.

Magnetized Target Fusion (MTF): Alternativ zum Tokamak und dessen Varianten ist ein Ansatz mit repetitiven Schüssen aus einer Plasmakanone in eine kugelförmige Sphäre aus flüssigem Metall. So ein Plasmastrahl schnürt sich durch sein Magnetfeld ein, aber nicht genug, um eine Fusion auszulösen. Die flüssige Metallsphäre mit dem Plasmastrahl als stromdurchflossenen Leiter ist eine Induktivität, die Energie nach der Formel I² ∙ L/2 speichert. Wird die flüssige Metallsphäre verkleinert, steigt die Magnetfeldstärke um den Plasmastrahl,((a) MTF Proof-of-Principle Proposal: Why Magnetized Target Fusion Offers A Low-Cost Development Path for Fusion Energy, Appendix A; Los Alamos National Laboratory; December 1997; b) The relevance of Magnetized Target Fusion (MTF) to practical energy production; Fusion Energy Sciences Advisory Committee; Draft 2: June 3, 1999)) da L kleiner wird. General Fusion in Vancouver nutzt diesen Trick und erwartet nach ausführlichen Berechnungen, daß eine magnetische Feldstärke von 100 Tesla, das ist 33mal so viel wie beim Stellarator, erreicht wird. Damit wird das Plasma komprimiert, so daß auch bei einer kurzen Einschlußzeit kleiner als 1/10 Sekunde die Fusion von Deuterium und Tritium erfolgt.

Die flüssige Metallsphäre wird durch dampfgetriebene Kolben komprimiert, die mit dem Plasmastrahl und untereinander präzise synchronisiert werden. Dies wurde in einem Modell mit einer sehr anspruchsvollen Steuerungstechnik getestet. 2025 soll der Demonstrator ausgetestet sein, der knapp unter dem Kriterium für die Fusion liegt. Die Testserie wird die Feinheiten klären für den nächsten Schritt, eine kleine Vergrößerung zum Fusionsgenerator für einen 100-MW-Kraftwerksblock. Es ist zu erwarten, daß die CAPEX klein genug sein werden für den wirtschaftlichen Einsatz. Was in Deutschland derzeit jährlich für die Energieumlage eingesammelt wird, dürfte als Eigenkapital für Fusionskraftwerke mit einer Leistung von 15 GW genügen. Benötigt werden bis 2050 in Deutschland 60 GW neue Kraftwerkskapazität. Das EEG verhindert in Deutschland den Einsatz von Fusionskraftwerken und fördert die klimaschädliche Windenergie, die Erwärmung und Trockenheit verursacht – schlimmer als Kohlekraftwerke! Sogar Kohlekraftwerke könnten mit Fusionskernen von z. B. General Fusion hochgerüstet werden. Die ersten kommerziellen Fusionskraftwerke werden noch in dieser Dekade am Netz sein. Sie werden auch Wasserstoff für künftige Autos produzieren.

Plasma Focus Fusion: Bei Blitzentladungen beobachtet man, daß durch den Stromfluß ein Plasma erzeugt wird und dieses zugleich einschnürt (Pinch-Effekt). Die Sandia Labs von Lockheed Martin begannen 1997 mit Arbeiten an der Z-Machine,((„Durchbruch in den Forschungslabors von Sandia“, FUSION, Heft 4, 1997, S. 8ff)) um diesen Effekt in Kombination mit dem Trägheitseinschluß zur Fusion für das DoE zu erforschen.

Der Physiker Eric L. Lerner, der die Firma LPPFusion gründet hat, verfolgte die Idee, eine Einrichtung zu schaffen, in der viele kleine Entladungen gebündelt – also fokussiert – werden, was er Dense Focus Fusion (DFF) nannte. In diesem Bereich der Bündelung addiert sich deren Magnetfeld so sehr, daß es zur Fusion kommt. Es können einige Milliarden °K erreicht werden, also genug Energiedichte für eine aneutronic Fusion.((https://en.wikipedia.org/wiki/Aneutronic_fusion)) Bei dieser werden keine Neutronen freigesetzt, und es entstehen auch keine radioaktiven Isotope. Eine Fusion, bei der Neutronen entstehen, wird bereits beherrscht.

Im nächsten Schritt zur aneutronic Fusion wird Wasserstoff, dessen Kern ein Proton ist, mit Bor-11 fusioniert. Dies soll 2021 nachgewiesen werden. Der Energiegewinn ist gut eine Größenordnung kleiner als z. B. bei der D/T-Fusion. Deshalb ist eine Direktumsetzung in Elektrizität beabsichtigt. Dies ist möglich, weil im Fokuspunkt Heliumkerne entstehen, die in eine Vorzugsrichtung wegschießen. Das ist ein Stromimpuls, der mit bekannten Methoden eingefangen werden kann. Ein Kraftwerk mit 5 MW Leistung wäre so klein, daß es auf einer E-Lok oder in einem Flugzeug mit elektrischem Antrieb Platz fände.

Exotische Fusionslösungen

Tri Alpha Energy (tae) verfolgt ebenfalls den Weg einer aneutronic Fusion mit Protonen und Bor-11. Von privaten Investoren erhielt tae 1000 Mio. $, mehr als jedes andere privat finanzierte Fusionsunternehmen. Zwei entgegengesetzte Plasmainjektoren richten ihre Strahlen auf eine zentrale Einrichtung, in der das Plasma zur Rotation gebracht wird. Details sind nicht bekannt. Der CEO Michl Binderbauer erwartet bis 2030 einen Energieüberschuß und bis 2040 ein erstes kommerzielles Fusionskraftwerk. Zu seinen Aussagen überwiegt hier die Skepsis. Es wird ein übergroßer Bedarf an Kühlleistung erwartet, falls es überhaupt funktioniert.

First Light Fusion, ein Spin-Off der Universität Oxford, will bereits 2024 einen Energiegewinn zeigen und 2030 den ersten kommerziellen Fusionsreaktor, genannt FOAK, im Einsatz haben. Deren Prinzip beruht auf einer Art Bläschenfusion, ausgelöst durch den Schuß einer Kapsel mit Fusionsmaterial in eine Flüssigkeit. Die UBS hat die Finanzierung organi-
siert. Die Kapsel soll an die Betreiber geliefert werden, die in Lizenz ein solches Kraftwerk errichten. Details sind derzeit nicht bekannt, um die Erfolgsaussichten abzuschätzen.

Lockheed Martin will einen kompakten Fusionsreaktor realisieren, der mit modernsten Supraleitern und einer linearen, etwas komplexen Plasmakammer ausgestattet ist, um die D/T-Fusion zu realisieren.(( https://besacenter.org/perspectives-papers/lockheed-martins-compact-fusion-reactor/)) In einer neuen Version wird der Reaktor so klein, daß er auf einem LKW montiert werden kann. Mit diesen Daten entspricht der Fusionsreaktor auch gut den Anforderungen für militärische Schiffe und U-Boote. Sein Gewicht ist deutlich kleiner als der eines mit Uran betriebenen On-Board-Reaktors. Eine kleine Version soll in zivilen und militärischen Flugzeugen eingesetzt werden. Weltraumflüge über große Entfernungen könnten mit dieser Technik beschleunigt werden. 2017 wurden zwei Prototypen vorgestellt: Der T4B, der 1 MW liefert, und der TX, der 200 MW thermisch liefert. Derzeit läuft eine Reihe von Experimenten. Offen sind der Termin für den Markteintritt und die Kosten.

Weltweit gibt es bereits 24 privat finanzierte Fusionsprojekte, davon 6 mit über 20 Mio. $ und 3 mit über 50 Mio. $ an Investitionen. Überraschungen sind durchaus möglich, z. B. durch neue Materialien und Konzepte. Übersehen wird gerne, welche Kühlleistung im Verhältnis zur elektrischen Leistung ein Fusionskraftwerk benötigt und wie groß diese wird. Bei einem
2-GW-Fusionskraftwerk mit einem Verhältnis von 0,45 wird es deshalb nicht einfach, geeignete Standorte zu finden. Dazu kommen lange Genehmigungszeiten. Mit kleinen
Fusionskraftwerken wird vieles einfacher.

Robert Lechner-Schobel ist Diplomingenieur, Entwicklungsleiter i. R., ehem. Venture Capitalist und Unternehmensberater