Science
02.01.2019

Energie der Zukunft: Wo bleibt mein Fusionsreaktor?

Die Kernfusion mit ihren Versprechen auf unendliche Mengen günstiger Energie gilt als ewige Zukunftslösung. Kleine Start-ups und ein Megaprojekt nähren die Hoffnung.

Die Kernfusion verspricht saubere, nahezu unbegrenzt unbegrenzt verfügbare Energie. Das Problem ist, dass die Umsetzung sich als deutlich komplizierter erweist als ursprünglich angenommen. Seit Jahrzehnten gibt es immer wieder Versprechen, dass alltagstaugliche Reaktoren nicht mehr allzuweit entfernt seien. Bislang gibt es aber keine praxistaugliche Umsetzung des Prinzips. In den vergangenen Jahren hat die Idee aber wieder neue Triebkraft bekommen, erstens durch den Bau der internationalen Forschungsanlage ITER in Frankreich, die etwa zur Hälfte fertiggestellt ist. Zweitens sind zuletzt auch viele Start-ups gegründet worden, die alternative Ansätze verfolgen, die nicht in den Forschungsmainstream passen. In Österreich gibt es mehrere Forschungsgruppen, die sich mit Fusion beschäftigen, etwa an der TU Wien, der ÖAW, an der TU Graz, in Innsbruck, Salzburg und Leoben. Die futurezone hat bei Friedrich Aumayr, dem Chef der österreichischen Fusionsforschung, nachgefragt, wann Fusionsenergie aus den Steckdosen kommen wird, wie diese erzeugt werden könnte und welche Rolle Start-ups bei der Weiterentwicklung der Technologie spielen können.

futurezone: In den vergangenen Jahren wurden diverse Start-ups im Bereich Kernfusion gegründet. Ist das ein Thema in der österreichischen Forschung?
Friedrich Aumayr: Wir sind bei der etablierten magnetischen Fusion, nicht bei den Start-ups. Dort hieß es vor vier Jahren häufig "in fünf Jahren werden wir Fusionsanlagen haben, die auf einen LKW passen". Das wird knapp werden. Wir wissen aus Erfahrung um die Schwierigkeiten und haben in der Vergangenheit selber Versprechungen gemacht, in bestem Wissen und Gewissen. Wir hatten aber nicht mit dem Plasma gerechnet. Das Plasma verhält sich wie dünnflüssiger Teig und zerrinnt uns zwischen den Fingern. Wir haben die Probleme in der Vergangenheit genauso unterschätzt, wie die Start-ups es möglicherweise jetzt tun. Zudem stand auch zu wenig Geld zur Verfügung. Wir hätten den Prozess sicher beschleunigen können. Die Pläne für ITER lagen ja lange Zeit in der Schublade.

Wie steht es um ITER?
Jetzt ist ITER zu mehr als 50 Prozent fertiggestellt. Die Baustelle ist überwältigend. Allein, dass so viele Nationen zusammenarbeiten ist eine riesige Leistung.

Wo steht die Fusionstechnologie heute?
Bis dato haben alle Experimente eine Leistungsverstärkung unter 1,  das heißt wir müssen mehr Energie hineinstecken, als wir herausbekommen. ITER wird als erste Anlage eine positive Energiebilanz liefern. Dort soll zehnmal so viel Energie rauskommen, wie wir hineinstecken. Die Anlage soll laut derzeitigem Plan 2025 eingeschaltet werden. Danach wird der Reaktor zehn Jahre lang konditioniert werden, wir müssen lernen, ihn handzuhaben. Wenn wir zu früh echtes Deuterium-Tritium-Plasma verwenden, könnten wir ITER beschädigen. Mitte der 30er-Jahre werden wir dann den Faktor zehn erreichen. Bis Fusionsenergie ins Netz fließt, wird es aber noch länger dauern. Die EUROfusion-Roadmap geht von 2050 aus.

Kann ITER das leisten?
Ich bin überzeugt, dass ITER funktionieren wird. Aber ITER ist nicht für die Stromerzeugung gedacht. Das wird erst die Nachfolgeanlage DEMO können. Die befindet sich erst in der Rohplanung. Da gibt es viel zu bedenken, weil DEMO als richtiges Kraftwerk wirtschaftlich betrieben werden muss. Da geht es weniger um physikalische Probleme als um Herausforderungen für die Ingenieure.

Ist das ITER-Design der Weisheit letzter Schluss?
ITER ist ein Tokamak, der nachfolgende Prototyp könnte schon ein Stellarator sein. Dieses Design hat Vorteile, ist aber noch nicht so gut erforscht. Dort ist die Plasmakontrolle einfacher, die Anlage läuft stabiler und ein Dauerbetrieb ist möglich - ITER ist hingegen für Zehn-Minuten-Pulse ausgelegt. Mit Wendelstein 7-X werden bereits Stellaratoren erforscht. Die Anlage hat lange mit Problemen und Verzögerungen gekämpft, jetzt ist sie eine Erfolgsgeschichte, die die Erwartungen übererfüllt.

ITER wird immer wieder als zu teuer kritisiert.
ITER kostet etwa 16 Milliarden Euro. Das sind aber Warenleistungen. Da liefert ein Land Komponenten, die mit so und so vielen Millionen abgerechnet werden. Viel Geld fließt also wieder retour in die Volkswirtschaften. Wie hoch die echten Kosten sind, ist schwer zu sagen. Im Vergleich zu den möglichen Vorteilen ist das nicht viel Geld. Der Koralmtunnel kostet mit schätzungsweise 10 Milliarden Euro ähnlich viel.

Wie schwierig ist es, die Fusion tatsächlich in Gang zu kriegen?
Fusionsprozesse in Gang zu setzen, ist auch mit kleinen Experimenten kein Problem, weil die thermische Geschwindigkeitsverteilung der Atomkerne einen hochenergetischen Schwanz hat. Einige Reaktionen kommen deshalb praktisch immer zustande.  JET hat schon in den 90er-Jahren ein Q (Verhältnis von Fusionsleistung zu Heizleistung, Anm.) von 0,6 erreicht. Das heißt man bekommt 60 Prozent der reingesteckten Energie als Fusionsleistung zurück. Bei Q = 1 wäre der Break-Even erreicht. Allerdings geht bei der Umwandlung in Elektrizität noch einiges verloren. Eine Dampfturbine, die von einem 3000 Megawatt (thermischen) Fusionsreaktor betrieben wird, liefert nur 1000 Megawatt (elektrisch), weil der Wirkungsgrad nicht mehr hergibt. Selbst bei Q = 3 ist eine sinnvolle Stromgewinnung nicht machbar. ITER soll Q = 10 erreichen, das reicht gerade so aus, um die Machbarkeit der Stromerzeugung zu demonstrieren. Für ein alltagstaugliches Kraftwerk wäre Q = 100 schön, unter 30 geht da nichts.

Welche Rolle spielen die Start-ups auf dem Weg zur Stromerzeugung?
Bei den Start-ups gibt es ernstzunehmende und weniger ernstzunehmende. Den Leuten, die Fusionsreaktoren in ihrem Hinterhof bauen wollen, wünsche ich viel Glück. Viele dieser Forscher sind aber ernsthaft bemüht und es ist immer möglich, dass Leute mit genialen Ideen Durchbrüche erzielen. Wir können aber am Ende vielleicht sogar etwas von ihnen lernen. Ich lasse mir gerne etwas zeigen. Dann muss auf Schwachstellen geprüft werden. Bei der magnetischen Fusion wissen wir inzwischen, dass es keine unüberwindbaren Hürden gibt. ITER ist komplett durchsimuliert. Bei anderen Konzepten gibt es diesen Grad der Absicherung nicht, zudem sind die Start-ups auf private Investoren angewiesen und machen deshalb oft unrealistische Versprechungen.

Für das Feld ist die Aufmerksamkeit gut?
Für uns ist es nicht schlecht, wenn viele Leute forschen. Schlecht ist nur, wenn Leute denken, dass wir Milliarden investieren, wenn es auch mit Millionen ginge. Dazu sage ich: Man sollte die Investitionen nach den Ergebnissen gewichten.

Wem gehört die Technologie von ITER?
Die Technologie gehört allen beteiligten Ländern, per internationalem Beschluss. Die Anwälte haben jahrelang gestritten, um das zu gewährleisten. Diese Technologie soll der Menschheit gehören, so die Grundidee. Europa übernimmt etwa 60 Prozent der Kosten.

Ist Kernfusion die saubere Energie der Zukunft?
Es ist wichtig, sich die Option Kernfusion als CO2 - freie Energiequelle offenzuhalten. Für den Klimawandel kommt die Technologie leider schon etwas spät. Wir werden sehen, ob Fusion einen Beitrag zur Energieversorgung liefern kann. Die Vorteile sind bekannt: Es gibt keine Länder, die auf dem Treibstoff sitzen und man braucht nur geringe Mengen davon. Wasser ist überall und darin steckt Deuterium. Auch Lithium, aus dem Tritium gewonnen wird, ist in der Erdkruste überall vorhanden.

Kann der Treibstoff wirtschaftlich hergestellt werden?
Bei einer Leistung von 3 Gigawatt thermisch, das entspricht einem großen Kohlekraftwerk, bekommen wir ein Gigawatt elektrisch. Um diese Werte zu erreichen, sind etwa 2,7 Millionen Tonnen Kohle notwendig, oder 1,8 Millionen Tonnen Öl, oder 25 Tonnen Uran. Im Fusionskraftwerk brauchen wir dafür nur 350 Kilogramm Deuterium/Tritium. In jedem Moment sind nur etwa ein bis zwei Gramm Brennstoff im Reaktor. Das zeigt, dass sich die Produktion des Fusionsbrennstoffs praktisch immer lohnt, egal wie aufwändig sie ist.

Bei Wasserstoff gilt die Herstellung ja als großes Problem.
Bei der chemischen Oxidation von Wasserstoff bekomme ich pro H-Atom nur einige Elektronenvolt Energie heraus. Die Masse, die dabei in Energie verwandelt wird, ist so gering, dass wir sie nicht wiegen können. Bei der Fusion bekomme ich pro H-Atom eine Million mal so viel Energie, weil ein Prozent der Masse umgewandelt wird.

Wie sicher ist es, dass Fusion ein Energielieferant der Zukunft wird?
Die größte Hürde ist die Wirtschaftlichkeit. Wenn wir jedes Jahr Reaktorwände aus purem Wolfram tauschen müssten, wird das nie klappen. Aber vielleicht tut es auch vergleichsweise billiger Eurofer-Stahl. Viel hängt davon ab, was sich durch Serienfertigung verbilligen lässt. Auch das erste Smartphone wäre für Konsumenten nie leistbar gewesen. Erst Skaleneffekte machen Technologie erschwinglich. Es geht auch darum, ob die Gesellschaften Fusionsenergie akzeptieren, immerhin ist und bleibt es eine nukleare Technologie. Wir werden Zwischenlager für die neutronenbeschossenen Reaktorkomponenten brauchen. Im Vergleich zur Kernspaltung ist das Problem allerdings überschaubar: Die Materialien aus Fusionsreaktoren können nach 30 bis 100 Jahren bedenkenlos angefasst werden.

Sind Wind und Sonne Konkurrenten?
Wenn Wind, Solar und speziell die in deren Kontext nötigen Speichertechnologien sich schnell weiterentwickeln, geht der Druck andere CO2-freie Energiequellen zu finden zurück. Die Frage wird sein, welche Alternativen es 2050 geben wird. Der Kilowattstundenpreis ist ebenfalls ein wichtiger Faktor. Der Energieverbrauch der Menschheit steigt jedenfalls nach wie vor exponentiell, obwohl sich die Bevölkerungszahl langsam stabilisiert.

Sind die Energieprobleme der Menschheit gelöst, wenn die Fusion gelingt?
Der Traum von unerschöpflicher, billiger Energie wird sich wahrscheinlich nie erfüllen. Wir müssen froh sein, wenn wir konkurrenzfähige Preise erreichen. Allein die CO2-freie Energiegewinnung ist bereits wichtig. Fusion liefert im Gegensatz zu heutigen nachhaltigen Quellen Strom zur Deckung der Grundlast, nicht nur im Bedarfsfall. Das funktioniert zu jeder Tages- und Nachtzeit und bei jedem Wetter und ist deshalb eine ideale Ergänzung zu den erneuerbaren Energiequellen.