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© Foto: EUROfusion consortium
Kernfusion als langfristige Zukunftshoffnung. In der Joint European Torus (JET)-Anlage in Oxford, UK, konnte ein wichtiger Durchbruch erzielt werden. Hier ein Blick in den größten Tokamak-Reaktor der Welt.
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Die Suche nach neuen Energiequellen

Die Klimaziele erfordern einen gewaltigen Umbau des Energiesystems. Wichtig hierfür sind Innovationen in allen Bereichen, um den Ausbau der Erneuerbaren zu stärken, bessere Energiespeicher zu finden und völlig neue Technologie wie die Kernfusion oder die Nutzung von Abwasserwärme zu ermöglichen.

von: Alfred Bankhamer

Längst ist allen klar, dass die Energiewende und Eindämmung der Erderwärmung nur durch massive Veränderungen in allen Gesellschaftsbereichen bewältigt werden kann. Das umfasst generelle Verhaltensänderungen in Sachen Mobilität, Ernährung und vielen anderen Bereichen. Intensiv bereiten sich deshalb Gemeinden, Behörden und besonders auch die Industrie und Wirtschaft darauf vor. Besonders auch die traditionellen, energieintensiven Industriekonzerne wie die Voestalpine, Lenzing oder die OMV, die ihr Geschäftsmodell in Zeiten der Dekarbonisierung gar völlig neu aufstellen muss. Da geht es nicht nur um CO2-Preise, neue Vorschriften, Einsparungspotenziale durch innovative Technologien und Klimaziele, die die große Transformation bringen, sondern auch um riesige Geschäftschancen. Um die Welt deutlich nachhaltiger zu gestalten, sind Innovationen in allen Bereichen gefragt. Denn der Energiehunger der Welt steigt weiterhin rapide an. Wie ambitioniert die Nachhaltigkeitsziele etwa von Österreich und besonders die Vorgabe, bis 2040 die Klimaneutralität zu erreichen, sind, zeigt der aktuelle Bruttoinlandsenergieverbrauch. Die Energieträger Öl mit rund 34 Prozent und Gas mit rund 23 Prozent dominieren hier noch deutlich (Stand 2020). Auch der Kohleanteil macht in Österreich noch 7,6 Prozent aus. Bei den Erneuerbaren bringt es Wasserkraft auf immerhin 11,2 Prozent, während Windkraft mit 1,8 Prozent und PV mit 0,5 Prozent noch reichlich Aufholpotenzial haben. Das neue EAG soll die sehr geringe Investitionstätigkeit insbesondere bei der Windkraft wieder beflügeln (siehe auch S.18). Bei der elektrischen Energie stammen immerhin schon 80 Prozent aus erneuerbaren Quellen. Das Ziel, Österreichs Stromverbrauch bis 2030 zu 100 Prozent zu decken, ist hier deutlich realistischer, wobei die unsteten Energiequellen Wind und Sonne eine Herausforderung sind.

 

Speicherinitiative
Deswegen wird intensiv im Bereich Speichertechnologien geforscht. Der Klima- und Energiefonds startete hierzu 2015 die „Speicherinitiative“, deren zweite Phase Ende 2021 abgeschlossen wurde, mit dem Ziel, dass bis 2030 die für die Energiewende erforderlichen Energiespeichersysteme zur Verfügung stehen. So wurden zehn Zielbilder samt den dahinterstehenden Anwendungsfelder und -gruppen wie etwa Haushalte, Industrie & Gewerbe, oder Energiewirtschaft definiert, die für das Gelingen der Energiewende höchste Relevanz haben. Daraus wurden zehn zentrale Herausforderungen und entsprechende Lösungsansätze abgeleitet sowie Umsetzungsmaßnahmen speziell in den Bereichen Innovation, angewandte Forschung, Demonstration und Markteintritt identifiziert (mehr dazu unter speicherinitiative.at). Zahlreiche Forschungsprojekte beschäftigen sich mit neuen Speichertechnologien, die von saisonalen Strom- und Wärmespeichern bis hin zu Lastspitzenreduktion und Netzstabilisierung etwa auch durch Smart Grids oder der Integration von Batterien der Elektrofahrzeuge ins Stromnetz reichen.

 

Spaltende Energiekrise
Österreich ist im EU- und weltweiten Vergleich glücklicherweise dank des hohen Anteiles an Wasserkraft schon gut mit erneuerbarer Energieversorgung gesegnet. Um die Klimaziele der EU zu erreichen, wünschen sich einige Staaten wie besonders Frankreich, das den höchsten Anteil an „Atomenergie“ hat, den Ausbau der Kernkraft herbei. Auch andere Staaten möchten ihren beschlossenen Ausstieg aus den risikoreichen Kernspalt- Kraftwerken verschieben, um den CO2-Ausstoss reduzieren zu können. Das AKW-freie Österreich will gegen das Greenwashing der Kernenergie in der neuen EU-Taxonomie sogar klagen. Fakt ist, dass schon allein wegen der langen Bauzeiten und sehr hohen Kosten neue AKWs nicht zur rasch benötigten Reduktion der Treibhausgase beitragen können. Zudem sorgen das Endlagerungsthema und die sehr hohen wirklichen Kosten für „Atomstrom“ weiterhin für heiße Diskussionen (siehe auch S. 16).

Erfolg in der Fusionsforschung
Langfristig verspricht hier die Fusionsenergie weit mehr Potenzial. Kommerzielle Fusionskraftwerke sind aber erst in einigen Jahrzehnten zu erwarten. Dafür verspricht die Fusionsenergie, hier wird die Energiegewinnung der Sonne durch Fusion von Wasserstoffisotopen auf der Erde nachgestellt, sehr große Energiemengen. Sie ist weitgehend CO2-neutral und nachhaltig. Und sie ist sicher. Bei der Verschmelzung leichter Atome zu schwereren wird, wie die Sonne beweist, eine unvorstellbare Menge Energie freigesetzt. Einige Gramm Wasserstoff-Brennstoffe werden dazu in der Brennkammer extrem erhitzt. Bei Temperaturen, die zehnmal heißer sind wie im Zentrum der Sonne, bildet sich ein Plasma, indem schließlich die Fusionsreaktionen erfolgt. Die große Herausforderung ist, diesen Prozess unter den extremen Bedingungen zu starten und aufrechtzuerhalten. Daran wird weltweit in vielen Projekten seit Jahrzehnten gearbeitet. Wenn die Versuche im Großen wirklich gelingen, würden dann pro Kilogramm eingesetzter Masse knapp vier Millionen Mal mehr Energie frei als bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Bislang konnte bei den kleinen Versuchsanlagen noch keine zufriedenstellende Energiebilanz erzielt werden und die Fusionsreaktion nur sehr kurz aufrechterhalten werden.

 

Weltrekord für JET
Der jüngste Versuch in der Joint European Torus (JET)-Anlage in Oxford, UK, wird nun als wichtiger Durchbruch gefeiert. Im aktuell größten und leistungsstärksten Tokamak-Fusionsreaktor der Welt konnten 59 Megajoule (11 Megawatt) an anhaltender Fusionsenergie erzeugt werden. In dem durch mächtige Magnetkräfte eingeschlossenem Plasma verschmolzen die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium zu Helium. Das ist doppelt so viel wie beim letzten Weltrekordexperiment im Jahr 1997 in der gleichen Anlage. „Viel wichtiger ist, dass sich unsere Berechnungen und Vorhersagen voll bestätigt haben. Daher können wir jetzt sicher sein, dass die noch im Bau befindliche Großanlage ITER in Südfrankreich unsere Erwartungen erfüllen wird“, erklärt Friedrich Aumayr, Vorstand des Instituts für Angewandte Physik der TU Wien. Sie könnte dann zehn Mal so viel Fusionsenergie liefern als an Heizleistung benötigt wird. Das Experiment hat auch gezeigt, dass der Fusionsprozess lange aufrechterhalten werden kann. Das ITER-Projekt, die größte experimentelle Fusionsanlage der Welt, an der seit 2007 mit einigen Verzögerungen gebaut wird und rund 22 Mrd. Dollar kosten soll, dient als großer Demonstrator für die wissenschaftliche und technologische Machbarkeit der Fusionsenergie. Das erste Plasma in der gigantischen Anlage voraussichtlich Ende 2025 gezündet werden. ITER ist zugleich ein bislang einzigartiges internationales Großprojekt. Die EU ist der führende Partner, der fast die Hälfte der Baukosten trägt. Den Rest tragen China, Indien, Japan, die Republik Korea, die Russische Föderation sowie die USA zu gleichen Teilen bei. Die gigantischen Bauteile werden weltweit produziert und im französischen Cadarache zusammengebaut. Das Ziel ist, „Kernfusionsstrom“ 2050 mit ersten kommerziellen Kraftwerken ins Netz zu bringen. „Fusion ist die einzige Energiequelle, die sich die Menschheit bis heute nicht zu Nutze gemacht hat“, so der Physiker. Im Gegensatz zur Kernspaltung ist die Fusionsreaktion eine sehr sichere, nahezu CO2-freie Energieform. „Sie ist eine ideale Ergänzung zu den erneuerbaren Energien aus Wind und Photovoltaik“, betont Aumayr.

Energie aus allen Löchern
Um möglichst schnell etwas zur Klimaneutralität beitragen zu können, wird weltweit an zahlreichen Projekten im Bereich elektrischer, Energie, e-Fuels, Wärmeenergie, Energieeffizienz, Nullenergiehäusern und vielem mehr geforscht. Dabei setzt man etwa im Wärmebereich auch auf bislang weniger genutzte Quellen. Eine davon ist die Geothermie, die rund ein Viertel des Wärme- und Kältebedarfs von Gebäuden abdecken könnte. So wurden in Wien mittels umfangreicher seismischer Untersuchungen seit 2016 im Projekt „GeoTief Wien“ vielversprechende Heißwasservorkommen für große Geothermieanlagen aufgespürt, die sich in rund 3.000 m unter der Stadt im sogenannten Aderklaaer Konglomerat befinden und 100 Grad Celsius warm sind. Das geologische 3-D-Modell, das auf 50 Terabyte Daten zurückgreifen kann, dient nun dazu, die optimalen Bohrstellen zu finden. Denn der Energieversorger Wien Energie will groß in die Geothermie einsteigen. „Bis 2030 wollen wir bereits bis zu 125.000 Haushalte mit Wärme aus der Tiefe versorgen können“, hat Michael Strebl, Chef der Wien Energie schon im November 2021 verkündet. Bis zum Klimaneutralitätsjahr 2040 sollen rund 28 Prozent der Wärme im Wiener Fernwärmenetz aus Erdwärme stammen. Nicht nur in Wien, sondern in ganz Europas gelangen nun große Geothermieprojekte in die Realisierungsphase.


Auch mit der Gewinnung von Energie aus Abwasser beschäftigen sich Projekte, die laut Schätzungen bis zu 12 Prozent der Gebäude mit Wärme und Kälte abdecken könnte. Aktuell läuft ein Programm des Klimafonds, da Unternehmen, Städte und Gemeinden bei der Erstellung von Potenzial- und Machbarkeitsstudien für konkrete Projekte unterstützt und auch bei den Investitionen. Die erste Auswahlrunde hatte im September 2021 stattgefunden, die zweite am 28. Februar 2022. Ein Pionier auf diesem Gebiet ist der oberösterreichische Bau- und Umwelttechnikspezialist Rabmer, der mit Technologiepartnern schon einige Abwasserenergieprojekte von der Planung bis zur Umsetzung begleitet hat, wozu auch neuste Wärmetauscher- und Wärmepumpentechnologie zum Einsatz kommt. Letzten Oktober wurde die Rabmer Gruppe für ihre Umweltschutzaktivitäten mit dem „HERMES.Klimaschutzpreis“ ausgezeichnet.


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