Windmühlen oder Kernkraft? Windmühlen UND Kernkraft!

Der Kernenergie gehört die Zukunft: Denn fossile Energieträger sind endlich, umwelt- und klimaschädlich. Doch es gibt viele Varianten der Kernenergie mit spezifischen Vor- und Nachteilen. Herkömmliche Spaltungskraftwerke sind äußerst ineffizient – schließlich nutzen sie noch nicht einmal 1% der Uranressource. Sie stellen daher keine langfristig brauchbare Lösung dar. Brutfähige Reaktoren auf U238- oder Thoriumbasis dagegen nutzen fast die komplette Ressource und können dadurch die fast unbegrenzten Spaltstoffvorräte in Erdkruste und Ozean nutzen. Sie sind eine gute Energiequelle für Jahrzehntausende.

Dann gibt es noch zugestrahlte Kernenergie von der Sonne – entweder direkt nutzbar durch Photovoltaik, Sonnenheizung oder Sonnenwärmekraftwerke, oder indirekt in Form von Wasser- oder Windkraft – und heraussickernde Kernenergie aus dem Erdinneren, die in Form von Geothermie genutzt werden kann, sowie die noch nicht unter Energieausbeute realisierte kontrollierte Kernfusion.

Höchstwahrscheinlich werden diese Quellen alle gemeinsam wichtige Beiträge zur Versorgung der Zivilisation im postfossilen Zeitalter leisten.

Ihre unterschiedliche Eigenschaften weisen ihnen dabei verschiedene Rollen zu. Kernkraftwerke, Geothermie, Wasserkraft und Verbrennung von Bio- bzw. Syngas sind grundlastfähig: Sie erzeugen Energie mehr oder weniger dauernd, ohne starke Leistungsänderungen. Solar und Wind dagegen sind sehr variabel und unberechenbar. Mal erzeugen sie viel, mal wenig, mal überhaupt nichts. Gezeitenkraft ist eine Art Zwischending: Zwar arbeitet sie nur zwei- oder viermal am Tag, dafür aber mit hundertprozentiger Zuverlässigkeit. Sie ist nebenbei bemerkt die einzige postfossile Quelle, die nicht auf Kernenergie beruht. Sie macht vielmehr die kinetische Energie des Erde-Mond-Systems nutzbar.

Die Schwierigkeit ist nun, die Energieerzeugung mit dem Bedarf der Zivilisation zur Deckung zu bringen. Denn Kernkraftwerke können ihre Leistung nicht rasch steigern oder senken, um Bedarfsspitzen abzufahren – mit der Ausnahme von Flüssigsalzreaktoren, die aufgrund der stetigen Entnahme von Spaltprodukten aus dem Kreislauf sehr schnell regelbar sind. Erneuerbare wiederum sind mehrheitlich überhaupt nicht gezielt steuerbar sondern von den Launen der Natur abhängig. Das Problem kann geometrisch dargestellt werden: in der Ebene, die von Zeit (horizontal) und Leistungsbedarf (vertikal) aufgespannt wird, muss die Fläche unter der Energieproduktionskurve mit der Fläche unter der Verbrauchskurve zur Deckung gebracht werden.

Das große blaue „Grundlastrechteck“ besteht im Wesentlichen aus der Kernenergie. Auch Wasserkraft und Geothermie sind in ihm enthalten, in Mitteleuropa aber nur zu verhältnismäßig geringem Anteil. Darauf sitzen die Erneuerbaren, dargestellt als unregelmäßig gezackte grüne Fläche. Das Ganze ist hinterlegt mit dem annähernd regelmäßig oszillierenden Energiebedarf in Rot.

Die grünen „Spitzen“, die über die rote Bedarfsfläche hinausragen, müssen nun „heruntergefaltet“ werden, so dass sie die roten Flächen, die oberhalb der grünen Kurve liegen, ausfüllen (schwarze Pfeile).

Wie groß die blaue (Kernkraft) und grüne (Erneuerbare) Fläche relativ zueinander sind, hängt davon ab, wieviel Landfläche die Menschen jeweils für welche Energiequelle zur Verfügung stellen wollen, und wieviel Watt diese im Durchschnitt pro Quadratmeter Boden produziert. Typische Flussdichten der Erneuerbaren sind:

• Windkraft (onshore): [math]\rho_W \approx 2 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2[/math].
• Photovoltaik: [math]\rho_{PV} < 10 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2[/math].

Die übrigen Erneuerbaren vermögen innerhalb Deutschlands vermutlich nur kleinere Beiträge zu leisten (Wellen, Gezeiten, Geothermie), bzw. haben bereits nahezu ihren maximalen Ausbau erreicht (Wasserkraft, Biomasse). Durch Plasmarecycling aus Abfall gewonnenes Syngas könnte jedoch eventuell ein beachtlicher Spieler im Energiemix werden.

Zum Bau von Windparks sind große leere Flächen nötig, die sich möglichst weit weg von Ansiedlungen befinden sollten. Sie können ggf. zugleich landwirtschaftlich genutzt werden. Photovoltaik dagegen kann auf zweierlei Arten zum Einsatz kommen: Als Solarpark oder auf Dächern. Abschätzungen bezüglich der in Deutschland nutzbaren Dachfläche liegen bei ca. 10 Quadratmetern pro Person – siehe z. Bsp. Symposiumsbeitrag von Lödl et al. (2010): Das Gesamtnennleistungspotential wird abgeschätzt zu 161 GWp bei 150 Wp pro Quadratmeter Modul. Dies ergibt eine PV-Fläche pro Person:

[math]!A_\mathrm{indiv:Dach} = \frac{161 \, \mathrm{GWp}}{82 \times 10^6 \times 150 \, \mathrm{Wp} / \mathrm{m}^2} \approx 13 \, \mathrm{m}^2[/math]

Die tatsächlich eingespeiste Energie (denn die Solarzellen laufen bei weitem nicht dauernd mit Nennleistung – dies fällt insbesondere nachts auf) berechnet sich mithilfe des Nutzungsgrades (engl. Capacity factor) [math]C[/math]. Es gilt:

[math]!P_\mathrm{Zeitmittel} = C \times P_\mathrm{Nenn}[/math].

Bei Windkraft liegt der Nutzungsgrad bei 0.2… 0.3, bei Photovoltaik bei 0.1. Die Dächer liefern daher:

• Insgesamt [math]P_\mathrm{Dach} \approx 0.1 \times 161 \, \mathrm{GW} \approx 16 \, \mathrm{GW}[/math].
• Pro Person [math]P_\mathrm{indiv:Dach} = 16 \, \mathrm{GW} / 82 \times 10^6 \approx 200 \, \mathrm{W}[/math] auf einer Fläche von je 13 Quadratmeter (angenommener Wirkungsgrad 15%).

Dies entspricht auch ziemlich genau den Abschätzungen von MacKay.

Deutschland nimmt jedoch mehrere 100 GW an Leistung auf! Photovoltaik auf Dächern ist sicher eine gute Ergänzung und kann darüberhinaus eine Einkommensquelle für Bürger sein, indem nicht selbst verbrauchter Solarstrom von den Dächern ins Netz eingespeist wird und rückwärtslaufende Stromzähler installiert werden, die jedem Anschluss diese eingespeiste Energie gutschreiben – aber wenn substantielle Solarenergiemengen gesammelt werden sollen, müssen große Solarfarmen ihren Auftritt haben!

Deren Flussdichte ist in der Regel noch etwas geringer – die Module bedecken den Boden ja nicht geschlossen, sondern es müssen Wartungspfade zwischen ihnen freigehalten werden. Außerdem werden die Module schräg aufgestellt, was durch den dann steileren Lichteinfall auf die Panels zur besseren Ausnutzung des Materials führt, aber größere Abstände zwischen den Modulen zur Vermeidung von gegenseitiger Abschattung bedingt. Dies resultiert in einer Flussdichte pro Quadratmeter Boden von ca. 5 W. Lieberose produziert sogar nur 3.65 W pro Quadratmeter, geringfügig mehr als ein typischer Onshore-Windpark.

Welche Menge an erneuerbarer Energie gesammelt werden kann – wie umfangreich die grüne Fläche im Diagramm oben also ist – hängt davon ab, wieviel Prozent ihres Staatsgebietes die Deutschen für Wind- und Solarfarmen zu Verfügung stellen wollen!

Zur Veranschaulichung des Problems habe ich eine Karte der Landschaft zwischen München und Augsburg in Planquadrate von je 10 km x 10 km aufgeteilt und pro Planquadrat ein Fläche von 5 Quadratkilometern als Bauland für Wind- oder Solarfarmen ausgewiesen (violette Quadrate). Es werden also insgesamt 5% der Landfläche industrialisiert, was bei Ausweitung auf ganz Deutschland 220 Quadratmetern pro Person entspricht. Die kleinen roten Quadrate entsprechen der für PV genutzten Dachfläche.

Die violetten Farm-Quadrate sind mehrheitlich in unbesiedelten Gebieten zu finden, die roten Dachquadrate in Ortschaften und Städten.

Als mittlere Leistungsdichte der Farmen nehmen wir [math]\rho_\mathrm{Farm} \approx 4 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2[/math] (Windparks liegen etwas darunter, Solarparks manchmal etwas darüber). In der Realität sollte man natürlich in der Nähe von München eher Solarparks bauen, in der Nähe von Hamburg eher Windparks.

Wir erhalten als Gesamtleistung für diesen Fall – 5% Landschaft zu Solar-/Windfarmen, plus 200 W pro Person aus PV auf Dächern = 16 GW:

[math]P_\mathrm{Erneurbar} = 4 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2 \, \times \, 0.05 \times 3.6 \times 10^{11} \, \mathrm{m}^2 \, + \, 16 \, \mathrm{GW} \approx 90 \, \mathrm{GW}[/math]

Dies ist keinesfalls zu verachten, es übertrifft sogar unseren momentanen Stromverbrauch, der bei 70 GW liegt! Der gesamte Energieverbrauch Deutschlands beträgt jedoch ca. 450 GW – das meiste davon wird nicht in Form von Elektrizität umgesetzt, sondern durch direkte Verbrennung von fossilen Energieträgern insbesondere in Fahrzeugen und Heizanlagen. Wenn wir mit dem längst überfälligen Ausstieg aus den Fossilbrennstoffen ernst machen wollen, müssen auch diese Anwendungen elektrifiziert werden: Elektrische Autos und sonstige Fahrzeuge, elektrische Heizungen (Wärmepumpen), elektrische Hütten- und Schmelzwerke. Elektrische Maschinen sind deutlich effizienter als Verbrennungsmaschinen: Schon die Elektrifizierung alleine bringt eine deutliche Verbrauchssenkung mit sich. Weitere sinnvolle Einsparungen sind durch energiesparende Technik (z. Bsp. Passivhäuser, LED- oder Kaltkathodenlampen) und gewisse Lebensstiländerungen (z. Bsp. Verzicht auf Auto oder Flugzeug zugunsten der Eisenbahn) möglich. Wir wollen annehmen, dass durch all diese Maßnahmen der Gesamtverbrauch auf einen Wert im Bereich 200 – 300 GW fällt. Von diesen muss nun aber der größte Anteil in Form von Elektrizität bereitgestellt werden. Das bedeutet im Klartext: Deutschland wird in der Zukunft insgesamt weniger Energie verbrauchen – aber sehr viel mehr elektrische Energie als heutzutage!

Von den angestrebten 200 – 300 GW hätten wir 30…50% aus Erneuerbaren gewonnen – unter der Bedingung, dass wir sehr ausgedehnte und deutlich sichtbare Wind- und Solarparks in der Landschaft in Kauf nehmen, sowie eventuell damit verbundene Rückwirkungen auf die Umwelt (Stichworte: Windströmungen, Versiegelungsgrad, Vögel, Fledermäuse…).

Nun müssen die anderen 50…70% der Leistung auch irgendwoher kommen – und hier kommt die Kernkraft ins Spiel!

Bei einer Flussdichte von über 1000 Watt pro Quadratmeter ist die Kernenergie kaum flächenkritisch. Es könnten z. Bsp. 85 Kraftwerke von je 2.5 GW entlang der wasserreichsten deutschen Flüsse – Rhein, Donau, Elbe, Inn, Oder und Weser – entstehen. Bei einer Gesamtlänge des Verlaufs dieser Flüsse auf deutschem Gebiet von rund 3200 km entspricht dies einem Kraftwerk alle 40 km. Kernkraftwerke sind allerdings nicht zwangsläufig auf die Anwesenheit großer Gewässer zur Kühlung angewiesen. Insbesondere können auch kleinere, modulare Systeme gebaut werden, die Städte und energieintensive Industrien lokalisiert versorgen.

Mithilfe von Kernkraftwerken und Erneuerbaren ist die Energieerzeugung (Summe der blauen und grünen Fläche im Diagramm ganz oben) jetzt flächengleich mit dem Bedarf (rote Fläche). Aber es genügt nicht, dass sie flächengleich sind: Die Erzeugung sollte auch zeitlich dem Bedarf folgen, d.h. die Kurven sollten direkt übereinanderliegen.

Das „Herabfalten“ der grünen Spitzen in die unausgefüllten roten Flächen kann auf zwei verschiedene Arten geschehen:

• Zwischenspeicherung: Methan, Wasserstoff, Batterien, Pumpspeicherwerke.
• Bedarfsanpassung: Nicht-zeitkritische Prozesse werden so getaktet, dass die rote Bedarfskurve dem Verlauf der grünen Angebotskurve folgt.

Zwischenspeicherung durch elektrochemische Produktion von Gasen, Speicherung und spätere Rückumwandlung ist mit beträchtlichem Energieverlust verbunden, und erfordert daher Installation von zusätzlicher Kapazität. Pumpspeicherwerke sind auf geeignetes Gelände (Gefälle!) angewiesen und benötigen auch viel Platz (ellerdings können sie möglicherweise unterirdisch installiert werden, z. Bsp. in ehemaligen Bergwerken).

Eine elegantere und effizientere Art, Produktion und Nachfrage an Energie zeitlich zur Deckung zu bringen, ist die Bedarfsanpassung. Viele Prozesse in Haushalt und Industrie sind nicht zeitkritisch, d.h. solange sie in einem gewissen Zeitraum erledigt werden, kommt es nicht darauf an, wann das genau ist. Beispiele sind das Heizen von Häusern, das Kühlen von Kühlschränken, elektrische Metallverhüttung, insbesondere aber das Laden der Batterien von elektrischen Autos!

Sagen wir, ich möchte mit meinem E-Auto jeden Morgen um halb acht zur Arbeit fahren. In der Garage programmiere ich das intelligente Ladegerät entsprechend: Auto muss um 07:30 startklar sein! Das Gerät achtet darauf, wann besonders viel Strom produziert wird, z. Bsp. weil starker Wind an der Nordseeküste weht. Dann beginnt es die Batterie zu laden. Sinkt die Erzeugungsrate, schaltet das Ladegerät zurück. Solange das Auto am nächsten Morgen startklar ist, ist es egal, ob die Batterie zwischen 18 und 23 Uhr oder zwischen 1 Uhr nachts und 6 Uhr morgens aufgeladen wird!

Im einfachsten Fall kann die Information, ob gerade viel oder wenig Elektrizität erzeugt wird, über die Frequenz des Stromnetzes übertragen werden, aber es sind auch raffiniertere Datenkanäle möglich, z. Bsp. via Internet.

Für zusätzliche Sicherheit kann man auch, anstatt die Autos zuhause aufzuladen, Batterie-Tankstellen benutzen. Diese haben stets eine größere Anzahl Batterien in einer Auflade-Warteschlange vorrätig, wodurch auch längeres Nachlassen der Energieproduktion abgepuffert werden kann. Die Autofahrer geben ihre leeren Batterien ab und bekommen aufgeladene. Die leere Batterie wandert ins unterirdische Lager, wo sie geladen wird – immer dann, wenn besonders viel Strom erzeugt wird (die grüne Kurve im Diagramm nach oben über die rote hinausklettert).

In „Prescription“ schildert Tom Blees noch eine weitere Möglichkeit: Für längere Strecken geeignete Autos könnten mit Bor angetrieben werden, da Wasserstoff aufgrund seiner Flüchtigkeit zu schwer beherrschbar ist und Batterien nicht genug Fassungsvermögen haben. Das bei der Verbrennung entstehende Boroxid (ein Feststoff) wird aufgefangen und in Containern zu Borreduktionswerken geschickt, wo mithilfe von Hitze und Elektrizität der Sauerstoff wieder abgetrennt wird – und wieder ist das Bor bereit für seinen Einsatz als Treibstoff! Es ist also keine Energiequelle sondern ein reiner Energieträger, der Energie von den Reduktionsanlagen zu den Autos transportiert. Woher nehmen aber die Anlagen die Energie? Zur Reduktion sind hohe Temperaturen günstig, und diese können Kernreaktoren liefern! Die Betriebstemperatur des IFR liegt bei 500 Grad – dies ist ein klein wenig unterhalb der zur Reduktion nötigen Temperatur, aber der Rest kann leicht mithilfe von Elektrizität zur Verfügung gestellt werden (und Elektrizität ist notabene in der Nähe eines IFR keinesfalls Mangelware!).

Merkt ihr was? Wir wollen die Leistungssmaxima und -minima der Wind- und Solarparks ausgleichen, unsere Borreduktionswerke entnehmen ihre Energie aber der Grundlast – den IFR! Ist das ein Widerspruch? Nein: Die Energieproduktion setzt sich im postfossilen Zeitalter ja additiv aus Kernkraft und Erneuerbaren zusammen. Wo ich zum Zwecke der Bedarfsanpassung Leistung entnehme, ist nicht entscheidend. Gleiches gilt auch für die E-Autobatterien: Das Ladegerät kann seine Leistung de facto einem Kernkraftwerk in der Nähe entnehmen, um den abendlichen Leistungsanstieg der Windparks an der Nordseeküste abzufahren, denn beide speisen ihre Leistung in ein gemeinsames Stromnetz ein.

In diesem Sinne kann man die Bedarfsanpassung auch als „simulierte“ Leistungsanpassung der Kernkraftwerke ansehen. In Wirklichkeit laufen die Reaktoren stets mit weitgehend konstanter Leistung. Aber dadurch, dass Borreduktoren/Batterielader ihnen mehr oder weniger viel Energie entnehmen, steht für andere Zwecke eine geringere oder größere Menge zur Verfügung! Hierdurch sind die Kernkraftwerke in der Lage, die starken Schwankungen der Erneuerbaren auszugleichen.

Manche scheinen zu denken, dass Kernkraft und Erneuerbare Gegner seien, die in Konkurrenz zueinander stünden. Das Gegenteil ist der Fall: Beide zusammen sind Verbündete gegen die Fossilbrennstoffe, die immer noch über 80% unseres Energiekonsums ausmachen und den Schatten von Energieknappheit und Klimawandel über die Zivilisation werfen. Die Erneuerbaren alleine sind zu schwach (d.h. zu diffus und unzuverlässig) um den fossilen Energieträgern entgegenzuwirken. Aber mit den Starken vereint sind auch die Schwachen mächtig: ein weltweites System aus sauberen Energiequellen – Kernenergie der 4. Generation und Erneuerbare – kann Öl, Gas und Kohle dorthin schicken, wo sie hingehören: Ins Museum, neben die Dampfmaschine, den Drahttelegrafen und die Pferdekutsche.