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 2050 19. April 2010 BBAW Berlin
Globale Energiemodelle (EMF-22): 10 Gruppen, 100 Modelle Benötigt 8000 neue Kohlekraftwerke, ca. 2 pro Woche bis 2100 4-6 o Klimaerwärmung, u.u. unrealistisch wegen peak coal Clarke, Edmonds, Krey, Richels, Rose, Tavoni; Energy Economics 31, S64 (2009) Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 2
Konsequenz der CO 2 -Emissionen 2100 J. Lowe et al., Science 2009 2012 2050 CO 2 muss spätestens 2050 komplett vermieden werden, um die Klima- Leitplanke von 2 Grad Erwärmung einzuhalten Hasinger Stuttgart 13.4.2010 3
Globaler Strombedarf (EMF-22 Median von 100 Szenarios) Steigerung um einen Faktor 6 relativ unabhängig vom Szenario Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 4
Kann die Sonne alleine das Problem lösen? (2003, zur Zeit der rot-grünen Bundesregierung)? Fusion (konservativ) Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 5
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 640.000 km 2 Wüstenfläche (Deutschland: 360.000 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 19.4.2010 6
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 500 000 solcher Kraftwerke, ca. 15 pro Tag bis 2100!!! Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 7 Quelle: SolarMillenium
Jährlicher Zuwachs an globaler solarer Elektrizität Exponentielles Wachstum in den ersten Jahren, allerdings bereits deutlich gebremst. Sättigung 2015-2020? Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 8
Globale Stromerzeugung Solare Extrapolationen Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 9
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 19.4.2010 10
Nuklearer Anteil zukünftiger Stromversorgung (EMF-22) Nuklearer Anteil steigt in allen EMF-22 Szenarien deutlich an. Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 11
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 19.4.2010 12
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 19.4.2010 13
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 19.4.2010 14
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 19.4.2010 15
Plasmaphysik: Magnetischer Einschluss SOHO/ESA TRACE/NASA Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 16
Magnetischer Einschluss IV: Tokamak und Stellarator Tokamak Stellarator ASDEX Upgrade, Garching Wendelstein 2-A, Deutsches Museum Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 17
ASDEX Upgrade und sein Team Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 18
Der ASDEX Upgrade Tokamak in Garching Röntgenstrahlung (200 Mio. Kelvin) 19 Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010
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 19.4.2010 20
Wendelstein 7-X: Idee - Design - Konstruktion Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 21
Besuch der Bundeskanzlerin am 1.2.2010 in Greifswald Greifswald schreibt Fusionsgeschichte Gute Kooperation mit FZJ und KIT! Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 22
Das Tripelprodukt der Fusion: ρ τ T Energie Anstieg in den Jahren 1960-2000 war schneller als das Moore sche Gesetz! Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 23
ITER Kryostat ~28 m Höhe x 29 m Durchmesser Jefferson Memorial (Washington DC) ~29 m Höhe Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 24
IITER @ 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 19.4.2010 25
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 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 26
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 19.4.2010 27
EMF-22 Szenarios: nuklearer Anteil der Stromversorgung 2000 neue Fusionskraftwerke weltweit (2050-2100), etwa 1 alle 9 Tage! Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 28
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 19.4.2010 29
Fusion benötigt keine geologische Endlagerung 1 Curie/Watt (Thermische Leistung) 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 Fusion: Vanadium Legierungen Fusion: Siliziumkarbid Komposite Kohleasche ohne Lagerproblematik Kernspaltung: Leichtwasser-Reaktor Fusion: Reduzierte Aktivierung Ferritische Stähle 1 Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 10 100 Jahre nach Stilllegung 1,000 10,000 Robert Goldston, PPPL 30
Meine Vision der Energie der Zukunft Deutschland bräuchte etwa 25-50 Fusionskraftwerke (½-1 pro Jahr ab 2050) Hasinger: Energiemix 2050, BBAW 19.4.2010 31