Wann sich ein Fusionskraftwerk rechnen könnte

Eins vorweg. Einen „echten“ Fusionsreaktor, der dauerhaft netto Energie liefert, hat es bislang noch nicht gegeben. Zwar haben Experimente inzwischen wichtige physikalische Schritte demonstriert. Von einem Kraftwerk, das kontinuierlich Strom erzeugt und verkauft, ist die Forschung jedoch noch ein gutes Stück entfernt.

Sollte es eines Tages so weit sein, reicht es allerdings nicht, dass ein Fusionsreaktor einfach nur funktioniert. Er soll im Idealfall auch Strom zu Kosten erzeugen, mit denen sich ein Kraftwerk wirtschaftlich betreiben lässt. Wissenschaftlicher Fortschritt ist schließlich schön, gut und wichtig, doch beim späteren Einsatz der Technik geht es wie so oft auch ums Geld. Genau an diesem Punkt setzt eine Studie von Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) an. Sie haben untersucht, unter welchen technischen und wirtschaftlichen Bedingungen sich ein Fusionskraftwerk rechnen könnte. Dabei geht es keineswegs nur darum, möglichst viel Fusionsleistung zu erzeugen. Auch Finanzierung, Stillstandszeiten und die Frage, wie schnell sich verschlissene Bauteile austauschen lassen, können die Rechnung erheblich verändern.

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So will das MIT Wirtschaftlichkeit messbar machen

Die im Journal of Fusion Energy veröffentlichte Studie „Criteria for the economic viability of fusion power plants“ überträgt einen Grundgedanken des Lawson-Kriteriums auf die ökonomische Bewertung von Fusionskraftwerken. Während das Lawson-Kriterium beschreibt, unter welchen physikalischen Bedingungen ein Fusionsplasma einen Energiegewinn erreichen kann, führen die Autoren einen wirtschaftlichen Kennwert mit der Bezeichnung Q_econ ein. Vereinfacht setzt dieser Wert die wirtschaftlichen Erträge des Kraftwerks ins Verhältnis zu den berücksichtigten Kosten. Ab Q_econ= 1 erreicht das Modell den wirtschaftlichen Break-even. Das ist jedoch nur eine notwendige Bedingung. Eine kommerzielle Tragfähigkeit eines realen Kraftwerks lässt sich daraus noch nicht ableiten.

Denn das Modell betrachtet nicht nur Plasmaphysik und Anlagentechnik. Auch Kapitalkosten und Energiepreise fließen direkt ein. Andrew W. Lo, Professor für Finanzwissenschaften an der MIT Sloan School of Management und Mitautor der Studie, beschreibt genau diese Verbindung als Herausforderung. „Es ist eine Herausforderung, komplexe wissenschaftliche und technische Anforderungen auf ihre wirtschaftlichen Folgen herunterzubrechen.“ Diese Übersetzung sei jedoch notwendig, damit sich der Finanzierungsbedarf künftiger Fusionsprojekte überhaupt belastbar abschätzen lässt.

Der Ansatz soll dabei nicht auf Tokamaks oder eine bestimmte Reaktorgröße beschränkt sein. Dennis Whyte, Professor für Nuklearwissenschaften und -technik am MIT und ebenfalls Autor der Studie, bezeichnet das Modell als „vollkommen unabhängig davon, welches Fusionskonzept zum Einsatz kommt“. Unterschiedliche Ansätze sollen sich damit anhand gemeinsamer technischer und wirtschaftlicher Größen betrachten lassen.

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10 Faktoren bestimmen die Rechnung

Insgesamt arbeitet das Modell mit zehn Steuergrößen. Dazu gehören die Fusionsleistungsdichte, der Wirkungsgrad der Energieumwandlung, die Belastbarkeit der energieaufnehmenden Komponenten sowie deren Kosten und Austauschzeiten. Hinzu kommen Kraftwerkskosten, Anlagenlebensdauer, Energiepreis, Finanzierungskosten und gegebenenfalls Kosten für Verbrauchsmaterialien. Um unterschiedliche Reaktorkonzepte vergleichbar zu machen, normiert das Modell die Kenngrößen auf die Fläche, über die die Fusionsenergie abgeführt wird. Damit soll die Betrachtung weitgehend unabhängig von der Größe eines Kraftwerks und vom verwendeten Fusionskonzept funktionieren.

Interessant sind vor allem zwei Ergebnisse. Eine geringe Leistungsdichte ist wirtschaftlich nicht automatisch von Vorteil. Gleichzeitig muss eine möglichst lange Lebensdauer belasteter Komponenten nicht zwangsläufig das wirtschaftlichste Ziel sein. Unter bestimmten Bedingungen kann es wichtiger sein, verschlissene Bauteile schnell und kostengünstig auszutauschen.

Die 2-MW/m²-Marke ist kein fester Grenzwert

Eine zentrale Größe ist die Fusionsleistung bezogen auf die betrachtete Energieaufnahmefläche. Im Basisbeispiel des Modells liegt der wirtschaftliche Break-even bei rund 1,9 MW/m². Auch in weiteren Sensitivitätsrechnungen taucht eine Größenordnung um 2 MW/m² wiederholt als Schwelle für Q_econ= 1 auf. Das bedeutet allerdings nicht, dass ein Fusionskraftwerk oberhalb dieses Wertes automatisch wirtschaftlich wäre. Die Grenze ergibt sich aus den jeweiligen Annahmen. Ändern sich Energiepreis, Kapitalkosten, Wirkungsgrad, Austauschkosten oder Stillstandszeiten, verschiebt sich auch die erforderliche Leistungsdichte.

Einen ersten Maßstab liefert ITER. Für die Forschungsanlage liegt die nach dem MIT-Modell normierte Fusionsleistungsdichte bei etwa 0,7 MW/m². Verschiedene konzeptionelle Kraftwerksstudien wie ARIES, ARC oder Stellaris kommen dagegen auf Werte von mehr als 3 MW/m². ITER ist allerdings ein Forschungsprojekt und kein Entwurf für ein kommerzielles Kraftwerk. Hinzu kommt die Wärmeabfuhr. Je mehr Leistung auf begrenztem Raum umgesetzt wird, desto höher werden die Anforderungen an die Komponenten rund um das Plasma. Der Divertor von ITER, eine stark belastete Komponente am Boden des Reaktorgefäßes, führt Wärme und Teilchen aus dem Plasma ab. Diesr muss beispielsweise lokale stationäre Wärmeflüsse in einer Größenordnung von etwa 10 MW/m² verkraften. Diese Wärmelasten sind nicht direkt mit den rund 2 MW/m² des MIT-Modells vergleichbar, zeigen aber, welche Anforderungen hohe Leistungsdichten an Werkstoffe und Kühlsysteme stellen.

Schneller Bauteilwechsel kann wirtschaftlicher sein

Eines der interessanteren Ergebnisse betrifft Komponenten, die durch Wärme und Neutronenstrahlung verschleißen. Intuitiv erscheint eine möglichst lange Lebensdauer zunächst als naheliegendes Entwicklungsziel. Das Modell zeigt jedoch, dass ein anderer Ansatz wirtschaftlich ebenfalls interessant sein kann. Komponenten könnten so konstruiert werden, dass sie sich schnell und zu überschaubaren Kosten ersetzen lassen. Denn Austauschkosten und Austauschdauer beeinflussen nicht nur die Wartungskosten, sondern auch die Zeit, in der das Kraftwerk keinen Strom produziert.

Damit könnte für spätere Fusionskraftwerke nicht allein entscheidend sein, wie lange ein Bauteil durchhält. Ebenso wichtig ist, wie schnell die Anlage nach einem Wechsel wieder ans Netz gehen kann. Ein Bauteil mit geringerer Lebensdauer kann wirtschaftlich sinnvoller sein, wenn sein Austausch schnell erfolgt. Umgekehrt bringt eine hohe Lebensdauer weniger, wenn ein späterer Wechsel lange Stillstandszeiten verursacht. Der Vergleich mit ITER verdeutlicht die Größenordnung. In den MIT-Modellrechnungen bewegen sich wirtschaftlich vertretbare Austauschzeiten im Bereich weniger Monate, während für den Austausch großer Komponenten bei ITER deutlich längere Zeiträume vorgesehen sind. Auch hier gilt allerdings, dass ITER als Forschungsanlage und nicht für kommerziellen Dauerbetrieb konzipiert wurde.

Finanzierung verschiebt die technische Messlatte

Damit kommt ein Faktor ins Spiel, der mit der eigentlichen Fusionsreaktion zunächst wenig zu tun hat. Je teurer die Finanzierung eines Kraftwerks wird, desto mehr Leistung muss die Anlage unter den Modellannahmen erwirtschaften, um ihre Kosten wieder hereinzuholen. Steigen die Kapitalkosten, steigt damit auch die technische Messlatte für den wirtschaftlichen Betrieb. Daraus kann eine Rückkopplung entstehen. Höhere Anforderungen an die Leistungsdichte können technische Risiken erhöhen, größere Risiken wiederum die Finanzierung verteuern.

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Für den Basisfall arbeitet das Modell mit einem realen Zinssatz von zwei Prozent. Dabei handelt es sich nicht um eine Prognose für künftige Fusionskraftwerke, sondern um eine Modellannahme. In realen Projekten würden unter anderem Risikoprofil, Eigen- und Fremdkapital, staatliche Garantien und Vertragsmodelle die tatsächlichen Kapitalkosten bestimmen. Mit solchen Überlegungen muss aus Sicht der Autoren dennoch nicht gewartet werden, bis ein erstes kommerzielles Kraftwerk steht. MIT-Finanzwissenschaftler Andrew Lo formuliert es so. „Die wirtschaftliche Tragfähigkeit können wir bereits heute bewerten.“

Was das Modell noch nicht abbildet

So praktisch ein Kennwert wie Q_econ erscheint, so wichtig sind seine Grenzen. Das Modell beschreibt vor allem ein ausgereiftes Fusionskraftwerk im eingespielten Betrieb. Für die ersten kommerziellen Anlagen dürften Entwicklungsaufwand, Anlaufprobleme und technische Unsicherheiten deutlich stärker ins Gewicht fallen. Hinzu kommt, dass das Modell mit bekannten technischen Parametern, weitgehend konstantem Betrieb und einem vereinfachten Energiemarkt arbeitet. Eine vollständige Finanzierungsrechnung mit sämtlichen Cashflows und Investitionsrisiken ist nicht Bestandteil des Ansatzes.

Die rund 2 MW/m² sind deshalb nicht als fester Zielwert zu verstehen. Sie sind das Ergebnis bestimmter Szenarien. Andere Strompreise, Finanzierungskosten, Wartungsintervalle oder Komponentenkosten können die notwendige Leistungsdichte deutlich verschieben. Der eigentliche Nutzen des Modells liegt daher weniger in einer einzelnen Zahl als darin, sichtbar zu machen, wie eng technische und wirtschaftliche Entscheidungen bei einem künftigen Fusionskraftwerk miteinander verbunden sind.

Wirtschaftlich im Vergleich womit?

Selbst wenn ein Fusionskraftwerk seine eigenen Kosten decken kann, bedeutet das noch nicht automatisch, dass sein Strom günstiger wäre als Energie aus anderen Technologien. Für einen Vergleich mit Kernspaltung, Windkraft, Photovoltaik oder Speichern müssten alle Technologien unter vergleichbaren wirtschaftlichen Rahmenbedingungen betrachtet werden. Dazu gehören Kapitalkosten, Lebensdauer, Auslastung, Marktpreise sowie Investitions- und Betriebskosten.

Gerade weil noch kein kommerzielles Fusionskraftwerk existiert, wären direkte Kostenvergleiche derzeit stark von Annahmen abhängig. Ein Qecon von mindestens 1 bedeutet daher zunächst nur, dass die im Modell angesetzten Einnahmen die berücksichtigten Kosten erreichen oder übersteigen. Genau darin liegt der Ansatz der MIT-Studie. Sie beantwortet nicht, was eine Kilowattstunde Fusionsstrom eines Tages kosten wird. Stattdessen zeigt sie, an welchen Stellschrauben Entwickler drehen müssten, damit aus einem physikalisch funktionierenden Reaktor irgendwann auch ein Kraftwerk wird, das seine Kosten wieder einspielt.