Der Weg zu einem Fusionskraftwerk oder: Wie könnte die Energieversorgung der Zukunft aussehen?

Transkript

1 Standort Greifswald EURATOM Max-Planck-Institut für Plasmaphysik Der Weg zu einem Fusionskraftwerk oder: Wie könnte die Energieversorgung der Zukunft aussehen? Standort Garching Günther Hasinger Energiemix April 2010 BBAW Berlin

2 Globale Energiemodelle (EMF-22): 10 Gruppen, 100 Modelle Benötigt 8000 neue Kohlekraftwerke, ca. 2 pro Woche bis o Klimaerwärmung, u.u. unrealistisch wegen peak coal Clarke, Edmonds, Krey, Richels, Rose, Tavoni; Energy Economics 31, S64 (2009) Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

3 Konsequenz der CO 2 -Emissionen 2100 J. Lowe et al., Science CO 2 muss spätestens 2050 komplett vermieden werden, um die Klima- Leitplanke von 2 Grad Erwärmung einzuhalten Hasinger Stuttgart

4 Globaler Strombedarf (EMF-22 Median von 100 Szenarios) Steigerung um einen Faktor 6 relativ unabhängig vom Szenario Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

5 Kann die Sonne alleine das Problem lösen? (2003, zur Zeit der rot-grünen Bundesregierung)? Fusion (konservativ) Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

6 Sonnenenergie ist im Prinzip reichlich vorhanden! Sahara Tag und Nacht Durchschnitt, 10 % Effizienz: 50 W/m 2, 100 m 2 5 kw 10 m ca. 800 km Welt EU D km 2 Wüstenfläche (Deutschland: km 2 ) reichen, um 10 Milliarden Menschen mit 3 KW/Kopf (Primärenergie) zu versorgen Quelle: LBST Probleme: extremer Flächenbedarf, Transport und Speicherung, Sicherheit, politische Abhängigkeit, Bau-Logistik (!) etc. Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

7 Solarthermische Kraftwerke (Andasol 1 & 2) Pro Kraftwerk: Fläche ca. 2 km 2, Spiegel ca. 0.5 km 2 Elektrische Leistung ca. 50 MW Spitze, 25 MW im Mittel 100% Welt benötigt solcher Kraftwerke, ca. 15 pro Tag bis 2100!!! Hasinger: Energiemix 2050, BBAW Quelle: SolarMillenium

8 Jährlicher Zuwachs an globaler solarer Elektrizität Exponentielles Wachstum in den ersten Jahren, allerdings bereits deutlich gebremst. Sättigung ? Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

9 Globale Stromerzeugung Solare Extrapolationen Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

10 Windkraft-Anlagen Montage von vor der dänischen Nordseeküste Quelle: Vestas Central Europe Pro Windrad: Spitzenleistung 2 MW im Mittel ca. 1 MW In Zukunft u.u. Spitzenleistung 10 MW im Mittel ca. 5 MW 100% Welt benötigt 2.4 Mio. große Windräder, ca. eins alle 20 min bis 2100!!! Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

11 Nuklearer Anteil zukünftiger Stromversorgung (EMF-22) Nuklearer Anteil steigt in allen EMF-22 Szenarien deutlich an. Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

12 Energy Modeling Forum (EMF-22) Pessimistisches (Late admission, late technology) Szenario 450ppmv Overshoot Szenario: +2 C in 2100 Renewable Hydro Nuclear Bio CCS Biomass Gas CCS Gas Oil Coal Erneuerbare Nuklear Fusion (> 2050) bio-ccs CCS Ausbau von Biomasse sehr optimistisch & verbraucht alle CCS Speicher, benötigt >4000 neue Kernkraftwerke & sämtliches Uran, Proliferationsgefahr Krey, V. & Riahi, K.; Energy Economics 31, S94 (2009) Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

13 Carbon Capture and Sequestration (CCS) Flüssiges CO 2 in salinen Aquiferen ist chemisch sehr aggressiv! Stabilität? CCS kann ebenfalls nur eine Brückenfunktion einnehmen! Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

14 Energie aus der Bindung der Atomkerne Gebundene Nukleonen sind 'leichter' als freie Nukleonen Masse wird in Bindungs- Energie umgesetzt, nach Einsteins Formel: ΔE = Δm c 2 Energiegewinn aus Kernverschmelzung: Sterne D T n n He n U Kernspaltung: Atomreaktor Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

15 Das Sonnenfeuer auf der Erde Fusionskraftwerk Wirkungsquerschnitt 24 Größenordnungen Sonne Energie Etwa eine Million Mal mehr Energie als bei der Knallgasreaktion! Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

16 Plasmaphysik: Magnetischer Einschluss SOHO/ESA TRACE/NASA Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

17 Magnetischer Einschluss IV: Tokamak und Stellarator Tokamak Stellarator ASDEX Upgrade, Garching Wendelstein 2-A, Deutsches Museum Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

18 ASDEX Upgrade und sein Team Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

19 Der ASDEX Upgrade Tokamak in Garching Röntgenstrahlung (200 Mio. Kelvin) 19 Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

20 Tokamaks und Stellaratoren Tokamaks ASDEX Upgrade Garching Stellaratoren JET Culham ITER Cadarache Mensch Wendelstein 7-AS Garching Wendelstein 7-X Greifswald DEMO Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

21 Wendelstein 7-X: Idee - Design - Konstruktion Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

22 Besuch der Bundeskanzlerin am in Greifswald Greifswald schreibt Fusionsgeschichte Gute Kooperation mit FZJ und KIT! Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

23 Das Tripelprodukt der Fusion: ρ τ T Energie Anstieg in den Jahren war schneller als das Moore sche Gesetz! Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

24 ITER Kryostat ~28 m Höhe x 29 m Durchmesser Jefferson Memorial (Washington DC) ~29 m Höhe Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

25 Cadarache ( 1999; 2003) (2003) (2005) (2003) Joint work sites: Garching, Naka, San Diego ITER-Standort: Cadarache >50% der Weltbevölkerung und >80% des GDP Größtes und komplexestes Wissenschaftsprojekt Deutliche Kosten-Erhöhung: ca. 6 Mrd. f. EU ITER ist DAS Schlüsselexperiment Rolle Deutscher Institute ist essentiell Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

26 Der Weg zu einem Fusionskraftwerk Plasmaphysics Tokamak Physics Stellarator-Physics (Wendelstein 7-X) Facilities ITER 14 MeV Neutron Source DEMO First Power Production First commercial fusion power station Technologies ITER-relevant technologies DEMO-relevant technologies Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

27 Warum dauert die Fusion so lange? Ein wichtiger Grund: Die Finanzierung der großen Maschinen ist viel langsamer, als ursprünglich erhofft! wir brauchen eine Art Apollo-Programm! Kohlesubvention (D) fast track slow track Einspeisungsabgabe Erneuerbare Energien (D) Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

28 EMF-22 Szenarios: nuklearer Anteil der Stromversorgung 2000 neue Fusionskraftwerke weltweit ( ), etwa 1 alle 9 Tage! Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

29 Vorteile der Fusionsenergie Brennstoffvorrat fast unbeschränkt und für alle Nationen verfügbar Deuterium (D aus Wasser) und Lithium (Li aus Steinen und Meerwasser) Eine Badewanne Wasser und eine Laptop-Batterie = Familie Strom für 50 Jahre Praktisch unbegrenzte Vorräte Vorteile für die Umwelt: Clean Energy! Keinerlei CO 2 Emissionen Mittlere bis niedrige radioaktive Belastung, kein Endlagerproblem Unfall- und Verunreinigungsrisiko minimal Keine Explosionsgefahr, keine Kernschmelze <5 Minuten Brennstoff im Plasma Niedriges Proliferationsrisiko nuklearer Materialien Keine spaltbaren Materialien Extrem hohe Energie-Konzentration Minimale Landnutzung im Vergleich zu Solar-, Wind- und Wasserkraft Unabhängig von Tages-, Jahres- oder Regionalen Variationen Ideal für Ballungsräume und Grundlastversorgung Deutliche Vorteile im Vergleich zu Spalteaktoren und Brütern Hasinger: Energiemix 2050, BBAW

30 Fusion benötigt keine geologische Endlagerung 1 Curie/Watt (Thermische Leistung) Fusion: Vanadium Legierungen Fusion: Siliziumkarbid Komposite Kohleasche ohne Lagerproblematik Kernspaltung: Leichtwasser-Reaktor Fusion: Reduzierte Aktivierung Ferritische Stähle 1 Hasinger: Energiemix 2050, BBAW Jahre nach Stilllegung 1,000 10,000 Robert Goldston, PPPL 30

31 Meine Vision der Energie der Zukunft Deutschland bräuchte etwa Fusionskraftwerke (½-1 pro Jahr ab 2050) Hasinger: Energiemix 2050, BBAW