17.12.2015

Klimaschutz: Kernfusion statt Energiesparen

Analyse von Thilo Spahl

Während der Klimakonferenz in Paris wurde in Greifswald im Wendelstein 7-X das erste Plasma gezündet. Noch scheint der Weg zur Nutzung der Kernfusion weit. Doch immer mehr Firmen suchen einen Weg ins zweite Atomzeitalter. Thilo Spahl über das Nonplusultra der Energieerzeugung

Auf dem Klimagipfel in Paris haben die Staaten der Welt ambitionierte Ziele formuliert. Auf 1,5 Grad soll die Klimaerwärmung begrenzt werden. Mit der Realität haben diese guten Vorsätze wenig zu tun. Es gibt nur eine Option, mit der man gute Chancen hätte: die massive Forschung im Bereich der Kernfusion und der zügige Bau einer großen Zahl von Kernreaktoren. Denn die Klimaproblematik wird letztlich durch Technologie gelöst werden, nicht durch Willensbekundungen im globalen Maßstab. Einigen Ländern ist das klar. Deutschland zählt nicht dazu.

Während in Paris der Vertragsentwurf geschrieben wurde, haben Forscher in Deutschland in einer großen Versuchseinrichtung Plasma zur Erforschung der Kernfusion gezündet. In der Maschine vom Typ Stellarator mit dem Namen „Wendelstein 7-X“ wurde ein Milligramm Helium mit einem Mikrowellenlaser für eine Zehntelsekunde auf eine Million Grad Celsius aufgeheizt. Das war der erste vorsichtige Versuch in der neuen Anlage. Im nächsten Jahr soll dann statt Helium Wasserstoff verwendet werden, irgendwann soll das Plasma 100 Millionen Grad heiß und eine halbe Stunde erhalten werden. Energie wird mit Wendelstein 7-X allerdings nicht erzeugt. Es handelt sich um ein Forschungsprojekt, das dazu dient, die Magnetfelder zu studieren, mit denen das Plasma eingeschlossen wird.

„Vom Brennstoff zukünftiger Fusionskraftwerke wird ein Kilogramm genügen, um die gleiche Energie zu erzeugen wie heute mit über zwölf Millionen Kilogramm Steinkohle.“

Wovon ist eigentlich die Rede? Ursprünglich stammt alle Energie, die wir nutzen, aus Kernfusion. Und die eigentliche Kraft dahinter ist die Schwerkraft. Die sorgt dafür, dass im Innern der Sonne Wasserstoff zu Helium verschmolzen wird. Die Sonne erzeugt damit pro Sekunde mehr Energie als alle Kernkraftwerke der Welt in 750.000 Jahren. Ein Teil davon kommt bei uns an und wird direkt (als Solarenergie) oder auf Umwegen (Wind, Bio, Fossil) genutzt. Sehr viel effizienter wäre es, nicht mühsam aufzusammeln, was die Sonne uns schickt, sondern selbst Energie nach dem Vorbild der Sonne zu erzeugen. Noch gilt: Was die Sonne kann, können wir noch lange nicht. Aber wir werden es irgendwann auch können. Und dann ist die Energiefrage ein für alle Mal gelöst.

Aus Masse wird Energie

Das Prinzip eines Fusionsreaktors ist simpel. Man muss ein Gas so stark aufheizen, dass die Atome sich auflösen, einzelne Atomkerne zusammenstoßen und verschmelzen. Bei diesem Verschmelzen wird ein Teil der Masse zu Energie. Sehr viel Energie! Energiegehalt wird in Steinkohleeinheiten (SKE) gemessen. Steinkohle hat einen Wert von ungefähr 1 (1,016), Braunkohle enthält nur etwa 65 Prozent der Energie (SKE=0,657), Erdöl hat von den fossilen Ressourcen den höchsten Wert (1,428). Bei Kernspaltung kommen wir jedoch in ganz andere Dimensionen. Der Brennstoff von Kernkraftwerken, Uran 235, liegt bei 2,7 Millionen. Und vom unbegrenzt verfügbaren Brennstoff zukünftiger Fusionskraftwerke (die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium) wird ein Kilogramm genügen, um die gleiche Energie zu erzeugen wie heute mit 12.280.000 kg Steinkohle.

Der eigentliche Prototyp für einen Fusionsreaktor wird als multinationales Projekt mit dem Namen ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) seit 2007 in Frankreich gebaut. Das Projekt startete 1985 auf Initiative von Michail Gorbatschow. Es entwickelt sich insgesamt eher zäh. Das Datum der Fertigstellung wurde immer weiter in die Zukunft geschoben, ursprünglich sollte es 2016 sein, im Moment ist von 2027 die Rede. Wenn es denn so weit ist, soll mit 50 Megawatt Input 500 Megawatt Output erzeugt werden. Wenn das klappt, ist so ungefähr ab 2050 ein Folgeprojekt namens DEMO vorgesehen, das dann wirklich Strom im Kraftwerksmaßstab erzeugen soll.

Nuclear Fusion Startups

Einigen Leuten dauert das zu lange. Außerdem scheint es nicht unbedingt schlau zu sein, bei der Entwicklung der Maschine, die im Gegensatz zu Klimaschutzverträgen tatsächlich die Welt verändern wird, nur einen Ansatz zu verfolgen. Daher sind in den letzten Jahren einige private Projekte entstanden, vorwiegend durch Startup-Unternehmen und Universitäten, die beim Rennen um das erste Fusionskraftwerk mitmischen wollen. Natürlich haben sie nur Außenseiterchancen, aber ein paar Versuche sollte es wert sein. Deshalb ist es erfreulich, wenn mittlerweile einige größere Geldgeber einige hundert Millionen für solche Projekte bereitstellen (wenn auch die vielen Milliarden nach wie vor eher in globale Pizzabringdienst-Apps oder Taxiersatzunternehmen etc. fließen).

Die mutigste, aber zugleich zweifelhafteste Ankündigung hat im letzten Jahr eine Forschungsabteilung des Rüstungskonzerns Lockheed Martin 1 gemacht. In fünf Jahren soll der Prototyp für einen kleinen Reaktor fertig sein. Noch bevor er das Rentenalter erreicht, müsse er sich einen neuen Job suchen, weil das Problem der Energieversorgung gelöst sei, meint der Projektleiter Tom McGuire in einem Video. Über die Technologie erfährt man allerdings wenig und so macht das ganze Projekt einen fragwürdigen Eindruck und wurde von führenden Forschern mit äußerster Skepsis 2 aufgenommen.

In mancher Hinsicht weiter als Wendelstein ist dagegen die Firma Tri Alpha Energy 3 aus Kalifornien. Die Forscher haben zwei Plasmaringe aus Wasserstoff und Bor mit einer Geschwindigkeit von einer Million Stundenkilometer frontal aufeinander geschossen und so ein Plasma erzeugt, das zehn Millionen Grad heiß war und fünf Millisekunden lang stabil blieb. Dummerweise benötigt die Kombination Wasserstoff-Bor eine Temperatur 2,3 Milliarden Grad. Es ist also noch erhebliche Steigerung erforderlich.

„Ein funktionierender Fusionsreaktor würde das globale Energieproblem endgültig lösen“

General Fusion 4, ein Startup, das unter anderem von Amazon-Chef Jeff Bezos und der kanadischen Regierung finanziert wird, setzt auf Druckwellen. Mit synchronen Hammerschlägen wird das Plasma komprimiert. Eine nette Kombination aus Dampfmaschinenästhetik und Zukunftsmusik. Mein persönlicher Favorit.

Helion Energy 5 setzt ähnlich wie Lockheed Martin auf kleine, kompakte Reaktoren. Zu den Investoren zählt der US-Milliardär Peter Thiel. EMC2 Fusion 6 wurde schon 1985 gegründet und die meiste Zeit hauptsächlich von der US Navy finanziert. Im Moment scheint hier die Zukunft eher ungewiss. Dynomak Fusion 7 ist ein Projekt der University of Washington. Das Konzept setzt auf eine Abwandlung des Tokamak-Ansatzes, der auch Beim ITER verfolgt wird, und versucht ohne die teuren supraleitenden Spulen auszukommen. LPP Fusion 8 verfolgt den sogenannten „dense plasma focus“-Ansatz. Ein paar weitere wird es noch geben, auf die ich bei der Internetrecherche noch nicht gestoßen bin.

Es gibt also Hoffnung für das Klima. Ein funktionierender Fusionsreaktor würde das globale Energieproblem endgültig lösen. Billig, unbegrenzt, vollkommen flexibel, risikofrei. Sobald eine Maschine da ist, die es ermöglicht, Strom billiger als mit Kohle zu erzeugen, kann sie in Massenproduktion hergestellt werden und in relativ kurzer Zeit alle Kraftwerke auf der Welt ersetzen bzw. umrüsten.

Bis es mit der Fusion soweit ist, können wir neuartige, konventionelle Reaktoren auf Basis der Kernspaltung bauen. Hier ist die Technologie grundsätzlich vorhanden. Man müsste nur mal mit einigen ambitionierten Projekten, wie ich sie hier beschrieben 9 habe, loslegen. Immerhin: Am gleichen Tag, an dem der Wendelstein 7-X das erste Plasma zündet, ging in Sverdlovsk in Russland der BN-800 ans Netz, der weltweit leistungsfähigste Schnellspaltreaktor.