Im letzten Jahrzehnt haben Wissenschaftler gezeigt, dass Fusionsenergie als physikalischer Prozess funktionieren kann. Die nächste Frage lautet: Ist sie auch wirtschaftlich rentabel?
Eine Studie, die die MIT-Professoren Dennis Whyte und Andrew W. Lo mitverfasst haben, schlägt einen Rahmen vor, um zu verstehen, was erforderlich ist, um Fusionsenergie auf dem Markt wirtschaftlich rentabel zu machen. Die Methode berücksichtigt sowohl die physikalischen Voraussetzungen für eine nachhaltige, kontrollierte Fusionsenergieerzeugung als auch die Kosten für den Bau von Kraftwerken, die auf den Energiemärkten wettbewerbsfähig sind.
„Es geht um all die Aspekte, die mit der Beschaffung, Zuweisung und Verwendung von Geld in dieser Größenordnung einhergehen“, sagt Whyte, Professor für Nuklearwissenschaft und -technik am MIT und eine treibende Kraft hinter den Fortschritten auf diesem Gebiet, der die Studie mitverfasst hat. „Das ist entscheidend für unsere Arbeit. Wir sollten die wirtschaftlichen Aspekte betrachten. Wenn wir wollen, dass diese Technologie in der Weltwirtschaft tatsächlich eine Rolle spielt, müssen wir uns über diese Themen im Klaren werden.“ Das Ziel der Studie, so Whyte, sei es, „einen Rahmen zu schaffen, in dem alle wirtschaftlichen Aspekte klar sind, damit wir verstehen, was dies“ für jedes Fusionskraftwerk bedeuten würde.
Von der Plasmafusion zur Wirtschaftlichkeit
Die Fusionsenergie nutzt die Reaktion, die die Sterne antreibt: die Fusion leichter Kerne. Sie wird oft als „Plasmafusion“ bezeichnet, da die Fusionsreaktionen Brennstoff im Plasmazustand erzeugen, der häufig durch Magnete eingeschlossen oder durch leistungsstarke Laser ausgelöst wird. Whyte sagt, das Ziel sei es, reichlich Energie zu erzeugen und der Gesellschaft gleichzeitig attraktive Optionen in Bezug auf Sicherheit, Genehmigungen und Standortwahl zu bieten.
Im Jahr 2022 gelang Forschern an der National Ignition Facility in Livermore, Kalifornien – einem der nationalen Laboratorien der USA – eine Reaktion mit positivem Energiegewinn. In den letzten Jahren flossen zudem erhebliche Risikokapitalmittel in diesen Bereich, obwohl es hinsichtlich des Aufbaus einer rentablen kommerziellen Fusionsenergie noch viele Herausforderungen gibt.
„Es ist eine Herausforderung, komplexe wissenschaftliche und technische Anforderungen auf wirtschaftliche Auswirkungen herunterzubrechen“, sagt Lo. „Aber wenn wir das nicht tun, werden wir nicht die Finanzierung erhalten, die wir benötigen, um die von uns angestrebte Wirkung zu erzielen.“
10 Parameter, jedes Kraftwerk
Das von Whyte und Lo in ihrer Arbeit vorgeschlagene Rahmenkonzept umfasst 10 Parameter zur Bewertung der wirtschaftlichen Rentabilität eines Fusionskraftwerks. Einige davon sind wissenschaftlicher und physikalischer Natur und beziehen sich auf den Energieverbrauch und die Energieerzeugung in einer bestimmten Anlage. Die meisten Parameter liegen im Bereich der Technik und der Wirtschaftswissenschaften, wie beispielsweise die Kosten für den Bau der Anlage.
Eine wichtige Inspiration für das Rahmenwerk ist das sogenannte Lawson-Kriterium, das in den 1950er Jahren abgeleitet wurde und die Kombinationen aus Temperatur, Plasmadichte und Energieeinschlusszeit beschreibt, mit denen durch Fusion Nettoenergie aus dem Plasma gewonnen werden kann, unabhängig von dessen absoluter Leistung oder Volumen. Konkret berechnet es ein „Plasma-Q“, also das Verhältnis der erzeugten Fusionsleistung zur externen Leistung, die zur Aufrechterhaltung des Plasmas erforderlich ist.
„Das Lawson-Kriterium beschreibt den wissenschaftlichen Erfolg des Energiegewinns aus Fusionsplasmen, während unser Rahmenkonzept allgemein das wirtschaftliche Q beschreibt, also das Verhältnis von gewonnenem zu aufgewendetem Kapital“, erklärt Whyte.
Die Parameter des Rahmenwerks beschreiben technische Merkmale des Fusionskraftwerks wie die Leistungsdichte, den Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Fusionsenergie in ein wirtschaftliches Produkt sowie die Lebensdauer der bei der Energieumwandlung verwendeten Komponenten, zusätzlich zu Kosten- und Marktparametern, die die Aufwendungen und Erträge aus dem investierten Kapital bewerten. Oder, wie Whyte es formuliert: Im Mittelpunkt des Rahmenwerks steht, was erforderlich ist, um eine positive Netto-Wirtschaftsrendite zu erzielen, „allerdings angewendet auf die praktische Auslegung von Kraftwerken“. Parallel zum Plasma-Q muss das im Rahmenwerk beschriebene wirtschaftliche Q größer als 1 sein, um eine grundlegende Rentabilität zu gewährleisten.
Wirtschaftlichkeit unabhängig vom Reaktordesign
Forscher haben eine Vielzahl von Methoden zur Erzeugung und Einschließung von Fusionsenergie erprobt. Whyte betont, dass das im Artikel vorgestellte Rahmenwerk „völlig unabhängig davon ist, welches Fusionskonzept man verwendet, denn die physikalische Realität der Fusion besteht darin, dass man Geld aufwendet, um die Fähigkeit zur Erzeugung von Fusionsenergie aufzubauen“. Und die Parameter hängen nicht von der Größe eines zu bauenden Reaktors ab; das Rahmenwerk ist so aufgebaut, dass alle Eingabewerte auf ein bestimmtes Projekt oder eine bestimmte Leistungsabgabe skaliert werden können.
„Es spielt keine Rolle, ob es sich bei dem Fusionskraftwerk um ein kleines oder ein großes handelt – unterm Strich gilt: In beiden Fällen sollte der Erlös die Investitionen übersteigen, sonst wird es nicht lange bestehen bleiben“, sagt Lo.
Eine Motivation für die Veröffentlichung des Artikels, so Whyte und Lo, sei es, zu unterstreichen, wie wichtig es ist, alle Kosten in der Fusionsforschung so genau wie möglich zu erfassen. Während sich Forscher der Kosten für grundlegende Experimente sehr wohl bewusst sind, ist die Schätzung der Kosten für einen Fusionsreaktor eine etwas andere Sache – doch genau darauf müssen sich die führenden Köpfe auf diesem Gebiet zunehmend konzentrieren.
Eine Lücke schließen
Dies sei sicherlich der Fall, so die Autoren, da neue Finanzierungsrunden in die Fusionsenergiebranche fließen. Erst letzte Woche erhielt Commonwealth Fusion Systems von Investoren eine neue Finanzierungsrunde in Höhe von einer Milliarde Dollar; das Unternehmen hofft, in den 2030er Jahren im Bundesstaat Virginia sein erstes betriebsfähiges Kraftwerk in Betrieb nehmen zu können.
Lo räumt ein, dass die Entwicklung des allerersten kommerziellen Fusionsreaktors mit Unsicherheiten und schwierigen Entscheidungen verbunden sein wird. Im Erfolgsfall könnte die Branche jedoch dem in der Energiebranche und anderen Sektoren üblichen Ansatz des „Learning by Doing“ folgen, wodurch die Anlagen im Laufe der Zeit wirtschaftlicher werden könnten.
„Dieses Muster des ‚Learning by Doing‘ gibt es in allen Deep-Technology-Sektoren“, sagt Lo und weist darauf hin, dass die Sequenzierung eines menschlichen Genoms heute eine Million Mal billiger ist als noch vor etwa 25 Jahren. „Das Gleiche werden wir auch bei der Fusionsenergie erleben, wenn auch vielleicht nicht in gleichem Maße.“
Lo setzt sich seit Langem dafür ein, Wege zu erschließen, wie wissenschaftliche Forschung im Bereich der Biotechnologie finanzielle Unterstützung erhalten kann – und startet nun ein neues Bildungsprogramm am MIT Sloan namens CATAPULT, um Menschen aus allen Fachbereichen mehr Werkzeuge an die Hand zu geben, mit denen sie ihre Forschungsfortschritte in Produkte umsetzen können.
Was die Kernfusion angeht, sagt Lo: „Es ist ziemlich klar, dass wir bereits jetzt damit beginnen können, die wirtschaftliche Machbarkeit zu bewerten.“ Und obwohl der Bau einer kommerziellen Fusionsanlage möglicherweise Tausende von Einzelentscheidungen erfordert, glauben die Autoren, einen Gesamtansatz gefunden zu haben, mit dem sich all diese Arbeiten quantifizieren lassen.
„Wenn man über einen Rahmen verfügt, um dies quantitativ zu bewerten, erhält man Aufschluss über den tatsächlichen Wert einer bestimmten Designentscheidung. Das erscheint mir in dieser Phase der Fusionsforschung absolut entscheidend – und genau das hat uns bisher gefehlt“, sagt Whyte.
