Kernfusion! Gefahr für die Photovoltaik?

Prinzipiell liefert kontrollierte Kernfusion quasi unbegrenzt Energie bei geringem Flächenverbrauch. Kommerziell sieht wohl erst das letzte Viertel des Jahrhunderts einen Mix aus heutigen Energiequellen und der Fusion als einer idealen Ergänzung zur Solarkraft.

Bei hoher Temperatur einer Menge Atome verlieren sie Elektronen, was als Gemisch ein Plasma darstellt. Im Plasma von Sternen etwa verschmelzen Atomkerne zu massiveren Kernen. Diese Fusionen setzen enorme Energiemengen frei und repräsentieren gewissermaßen das Gegenteil der Kernspaltung, die bereits seit Jahrzehnten der Stromerzeugung dient.

Zu diesem Zweck läuft seit etwa 1955 die Forschung zur kommerziellen Nutzung der Kernfusion, die wie die Spaltung Nuklearkraft freisetzt. Allerdings führen die physikalischen Voraussetzungen einer Fusion zu größeren technischen Herausforderungen.

Als hohen Nutzen würde Kernfusion der Welt dafür langfristig mehr als ausreichend Energie liefern: Stets allgegenwärtiger Wasserstoff entlässt zum Beispiel ca. eine Million Mal mehr Energie bei seiner Fusion als bei seiner Verbrennung.

Die kommerzielle Fusionsnutzung setzt reproduzierbar positive Energiebilanzen von Verschmelzungsprozessen voraus: Der Fusionsablauf in einem Reaktor liefert mehr Fusionsleistung (F), als er Heizleistung (H) zu seiner Zündung und zu seinem Erhalt verbraucht.

Zahl und Komplexität vergangener, gegenwärtiger und absehbarer Probleme lassen die Nutzung der Kernfusion allerdings erst in geraumer Zeit wirtschaftlich erscheinen:

Kleine Kerne verschmelzen – große Köpfe zerbrechen

Kommerziellen Fusionsstrom versprechen Reaktoren mit magnetischem Plasmaeinschluss [Weston Stacey, Fusion, Wiley, 2010]. Dort herrschen jedoch ungünstigere Voraussetzungen als in der Sonne, weswegen erst bei 150 Millionen Grad Celsius optimale Reaktionsbedingungen eintreten. Die Sonne hingegen leistet Fusion bereits bei einem Zehntel dieser Temperatur. Die Verschmelzung setzt jedenfalls recht schnelle Heliumkerne und sehr schnelle Neutronen frei.

Zur Fusion dienen Deuterium und Tritium als Varianten des gewöhnlichen Wasserstoffs. Deuterium lässt sich jedoch nur unter hohem Energieaufwand aus einer natürlichen Wasserstoffmenge isolieren.

Tritium kommt obendrein fast nicht in der Natur vor, entsteht allerdings in einem gängigen Fusionsreaktor: Er fängt die frei werdenden Neutronen in flüssigem Lithium, das sich so in Tritium wandelt. Die Bewegungsenergie der Neutronen wird dabei zu Wärme, die ein Kraftwerk zu Strom wandeln würde.

Allerdings beeinträchtigen andere Kerne als jene von Wasserstoff dessen Fusion im Plasma, das daher ein sehr aufwendiges Ultrahochvakuum im Reaktor erzwingt.

Think positive!

Zusätzlich zu den obigen Faktoren erschweren ungezählte weitere Einflüsse die Kontrolle der Fusion, also ihre Zündung und ihren Erhalt. Insbesondere muss die Reaktorsteuerung zur positiven Energiebilanz führen: Der Quotient Q=F/H aus Fusions- und Heizleistung muss also größer als 1 sein.

Zum ersten Mal gelang dies kürzlich an der National Ignition Facility (NIF) in den USA mit Q=2 (Nature 506, Februar 2014). Allerdings arbeitete der Fusionsvorgang nicht selbsterhaltend, erzeugte also nicht die für seinen Erhalt notwendige Energie.

Von ihrem Heiligen Gral bleibt die Fusionsforschung noch recht weit entfernt: einem selbsterhaltenden und stetigen Prozess von wenigstens einigen Minuten mit obendrein positiver Bilanz. Dieser Vorgang wäre für kommerzielle Stromerzeugung am günstigsten.

Den Erfolg magnetisch anziehen

Anders als der laserbeheizte Reaktor an der NIF repräsentiert ein Tokamak eine toroidale Kammer innerhalb von Magnetspulen (Toroidalnaja Kamera v Magnitnix Katuschkax; russ.). Die dort genutzte Technologie zum magnetischen Plasmaeinschluss erzwingt jedoch eine periodische Zündung der Fusion im Widerspruch zur gewünschten Stetigkeit.

Diese Eigenschaft besitzt dafür der Stellarator, dessen Art des Magneteinschlusses jedoch eine aufwendigere Reaktorstruktur und deren Optimierung per Superrechner erfordert.

Das erreichbare Q liegt beim magnetischen Einschluss wohl mindestens bei 10. Dieser Wert gilt auch als Minimum der wirtschaftlichen Fusionsnutzung [Stacey].

Sag’ mir Quando, sag’ mir wann

Der internationale thermonukleare Experimentalreaktor (ITER; lat.: Weg) soll als Tokamak ab 2027 erstmals Deuterium und Tritium verschmelzen. Seine geplante thermische Leistung von etwa 500 Megawatt bei einer Heizleistung um die 50 Megawatt entspricht damit gerade dem kommerziell kritischen Q=10.

Größere Fusionsreaktoren erreichen zuverlässiger wirtschaftliche Q-Werte, was sich als höhere Fusionsleistung im Gigawattbereich ausdrückt. In diesem Sinne gelten nur Kraftwerke ab etwa vier Gigawatt Fusionsleistung als wirtschaftlich stabil.

ITER wird klären, ob das Tokamak-Design solche Leistungen ökonomisch liefert. Entsprechend mag sich der Stellarator besser bewähren. Jedenfalls soll aus den gewonnenen Einsichten ein wirtschaftliches Demonstrationskraftwerk entstehen, das den ersten Fusionsstrom der Geschichte frühestens zwischen 2040 und 2050 liefert.

Optimistische Schätzungen der Fachwelt nennen 2060 für den Start der ersten kommerziellen Fusionskraftwerke. Dazu stellen sich noch einige prinzipielle und zahllose technische, finanzielle und politische Herausforderungen. Solche Kraftwerke zünden also wohl nicht vor 2060 – recht genau 100 Jahre nach Forschungsbeginn. Schlagen wir wohlwollend eine Verzögerung von nur zehn Prozent auf, tippen wir also eher auf 2070.

Einige Szenarien sehen ab der wirtschaftlichen Fusion über die folgenden 50 Jahre ihren Beitrag zur globalen Versorgung auf 25-40 Prozent wachsen (Günther Hasinger, Energiemix 2050, 2010). Jedenfalls macht sich kommerzielle Fusion erst im letzten Viertel des Jahrhunderts als Energiequelle bemerkbar.

Fusion und Photovoltaik verschmelzen zum idealen Team

Bis zur Ankunft wirtschaftlicher Kernfusion baut die bereits wohl etablierte Photovoltaik ihre Marktposition global weiter aus – und danach auch, denn beide Energiequellen ergänzen sich ideal:

Für einfache, preiswerte, kleine und mobile Solaranlagen gibt es auch weit jenseits von 2070 keine entsprechend kompakten Fusionslösungen als Ersatz: Technik und Ökonomie erzwingen Großkraftwerke. Damit verschließt sich der zunehmende Trend dezentraler Energiequellen der Kernfusion völlig.

Umgekehrt zeigt sich Fusionsenergie im Gegensatz zur Solarkraft unabhängig von Witterung und Sonnenstand. Weiterhin benötigt Kernfusion sehr viel weniger Erdoberfläche je produzierter Leistungseinheit [Energiemix 2050].

Allerdings repräsentieren Fusionskraftwerke enorme Investitionen. Allein ITER als Experimentalreaktor kostet wohl mindestens 15 Milliarden Euro [Spektrum May 2013]. Erheblich größere Kraftwerke liegen damit auch im zweistelligen Milliardenbereich. Derartige Projekte entstehen also vornehmlich in Industrienationen, während ärmere Länder mit ausreichender Sonneneinstrahlung zentrale und dezentrale Solarkraftwerke nutzen.

Fusionsfazit: solar und nuklear in die Zukunft

Kommerzielle Fusion dürfte im letzten Viertel des Jahrhunderts den weltweiten Energiemix spürbar bereichern und dabei Photovoltaikanlagen ideal ergänzen.

Lokal hingegen mögen Lobbys aus Energiemanagern und Politikern Photovoltaik und Fusion als zunehmende Störfaktoren ihrer selbst dienlichen Zwecke temporär schwächen. Global bleibt diese Bedrohung für die etablierte PV bedeutungslos, während sie die Ankunft kommerzieller Fusion höchstens verzögert.