Wann lohnt sich Kernfusion? MIT-Forscher finden kritische Schwelle
Leistung, Verschleiß, Stillstand, Zinsen: MIT-Forschende haben berechnet, was ein Fusionskraftwerk wirtschaftlich schaffen müsste.
Wann lohnt sich Kernfusion? Ein MIT-Modell zeigt, welche Leistungsdichte Fusionskraftwerke erreichen müssen – und warum mehr nicht immer besser ist.
Foto: Smarterpix / meshcube
Ein Fusionsreaktor kann technisch funktionieren und trotzdem wirtschaftlich untauglich sein. Ein Forschungsteam um die MIT-Professoren Dennis Whyte und Andrew Lo hat nun untersucht, welche Bedingungen ein künftiges Fusionskraftwerk erfüllen müsste, damit sich sein Betrieb überhaupt rechnet. Dabei zeigt sich eine auffällige Größenordnung: Bei deutlich weniger als rund 2 MW Fusionsleistung pro m² wird es unter den untersuchten Annahmen schwierig, die Kosten wieder einzuspielen.
Die Studie ist im Journal of Fusion Energy erschienen. Ihr Ansatz soll sich nicht nur auf einen bestimmten Reaktortyp anwenden lassen, sondern auf unterschiedliche Fusionskonzepte – vom magnetischen Einschluss bis zur Trägheitsfusion.
Inhaltsverzeichnis
Wann verdient ein Fusionskraftwerk Geld?
In der Fusionsforschung steht meist zunächst eine physikalische Frage im Vordergrund: Liefert das Plasma genügend Energie, um den Aufwand für seine Erzeugung zu rechtfertigen?
Für ein kommerzielles Kraftwerk reicht das nicht. Es muss über seine Lebensdauer auch genügend Einnahmen erzielen, um Bau, Finanzierung, Wartung und den Austausch verschlissener Komponenten zu bezahlen.
Die Forschenden übertragen deshalb die Idee eines physikalischen Energiegewinns auf die Ökonomie. Dafür definieren sie einen wirtschaftlichen Faktor namens Qecon. Liegt dieser unter 1, übersteigen die modellierten Kosten die Erträge. Erst ab einem Wert von 1 wird die rechnerische Gewinnschwelle erreicht.
Das bedeutet allerdings nicht automatisch, dass ein Projekt tatsächlich rentabel wäre. Das Modell vereinfacht die Realität und kann nicht sämtliche Kosten, Risiken oder Verzögerungen eines echten Kraftwerksprojekts abbilden.
In die Berechnung fließen zehn zentrale Größen ein. Dazu gehören unter anderem die Fusionsleistungsdichte, die Effizienz der Energieumwandlung, die Lebensdauer stark beanspruchter Komponenten, deren Austauschdauer und -kosten, die Investitionskosten des Kraftwerks, der erzielbare Strompreis sowie die Finanzierungskosten.
Rund 2 MW/m² als kritische Größenordnung
Besonders großen Einfluss hat die Leistungsdichte. Sie beschreibt hier, wie viel Fusionsleistung auf einen Quadratmeter der für die Energieaufnahme maßgeblichen Reaktoroberfläche entfällt. Welche Fläche damit konkret gemeint ist, hängt vom jeweiligen Fusionskonzept ab.
In einer Beispielrechnung liegt die wirtschaftliche Gewinnschwelle bei rund 1,9 MW/m². Auch bei veränderten Modellannahmen taucht immer wieder eine ähnliche Größenordnung auf. Die Forschenden kommen deshalb zu dem Ergebnis, dass etwa 2 MW/m² eine wichtige wirtschaftliche Schwelle darstellen könnten.
Eine feste Naturkonstante ist dieser Wert allerdings nicht. Er hängt unter anderem von Baukosten, Wirkungsgrad, Strompreis, Finanzierung und Lebensdauer der Komponenten ab.
Interessant ist der Vergleich mit bestehenden Fusionskraftwerksentwürfen und Konzeptstudien: Die von den Forschenden untersuchten Designs liegen nicht unter ungefähr 2 MW/m². Viele erreichen sogar mehr als 3 MW/m². Mehr Leistung kann Bauteile schneller verschleißen
Einfach die Leistungsdichte immer weiter zu erhöhen, löst das Problem jedoch nicht. Gerade bei der Deuterium-Tritium-Fusion entstehen energiereiche Neutronen. Sie treffen auf Materialien rund um das Plasma und können deren Struktur verändern und schädigen. Mit zunehmender Belastung erreichen die Komponenten schneller ihre materialabhängige Fluenzgrenze.
Dann müssen Teile der Anlage ausgetauscht oder aufgearbeitet werden. Während dieser Arbeiten produziert das Kraftwerk keinen Strom.
Genau hier entsteht ein technischer Zielkonflikt: Eine hohe Leistungsdichte verbessert zunächst die Wirtschaftlichkeit, erhöht aber gleichzeitig die Belastung der Komponenten. Mehr Leistung kann deshalb auch häufigere Wartungsarbeiten und längere Stillstandszeiten bedeuten.
Bei sehr hohen Leistungsdichten nimmt der zusätzliche wirtschaftliche Vorteil im Modell daher zunehmend ab.
Zweieinhalb Monate für den Austausch
Die Forschenden rechnen auch ein anspruchsvolleres Szenario durch. Dabei soll das Kraftwerk nicht nur die Gewinnschwelle erreichen. Die modellierten Erträge sollen die Kosten um 50 % übersteigen, gleichzeitig soll die Anlage mindestens 80 % der Zeit verfügbar sein. Unter diesen Bedingungen steigt die erforderliche Leistungsdichte auf mehr als ungefähr 3 MW/m².
Noch bemerkenswerter ist eine zweite Zahl: Entscheidende Komponenten müssten im Modell in weniger als rund 0,2 Jahren ausgetauscht werden können. Das entspricht etwa zweieinhalb Monaten. Damit wird deutlich, dass für künftige Fusionskraftwerke nicht nur langlebige Materialien entscheidend sind. Ebenso wichtig wird sein, Komponenten so zu konstruieren, dass sie sich schnell ausbauen und ersetzen lassen.
Hohe Zinsen können technisch riskantere Reaktoren erzwingen
Auch die Finanzierung wirkt direkt auf das technische Design. Steigen die Zinsen, steigen die Gesamtkosten eines Kraftwerks. Um diese höheren Kosten auszugleichen, müsste die Anlage mehr Leistung aus derselben Reaktorfläche herausholen. Dadurch steigt wiederum die Belastung der Komponenten.
Es kann also ein ungünstiger Kreislauf entstehen: Technisch anspruchsvolle Anlagen gelten als riskanter und verteuern möglicherweise die Finanzierung. Höhere Finanzierungskosten wiederum verlangen nach noch höherer Leistungsdichte, damit sich das Kraftwerk rechnet.
Die Forschenden sehen deshalb insbesondere für die ersten kommerziellen Anlagen einen möglichen Vorteil günstiger Finanzierungsbedingungen, beispielsweise durch staatliche Kreditgarantien.
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