Warum Kernenergie?

Der Bedarf an einer tragfähigen erweiterten Kernenergieoption ist groß. Erstens wird erwartet, dass die weltweite Energienachfrage bis 2035 um mindestens 50 % steigen wird, wobei sich die Stromnachfrage in den Entwicklungsländern verdreifachen dürfte.¹ Gegenwärtig haben mehr als eine Milliarde Menschen überhaupt keinen Zugang zu Elektrizität, und weitere Milliarden Menschen verbrauchen ein Zehntel oder weniger des Stroms, der in der OECD pro Kopf verbraucht wird; und ein Großteil dieser Versorgung ist unstetig.² Strom im Überfluss, rund um die Uhr und auf Abruf, ist für die menschliche Entwicklung und das Wirtschaftswachstum unerlässlich.

Gleichzeitig werden ~80 % der weltweiten Energie und etwa zwei Drittel der weltweiten Elektrizität aus fossilen Brennstoffen gewonnen.³ Im Pariser Klimaabkommen vom Dezember 2015 haben sich 195 Nationen auf das Ziel geeinigt, die globale Erwärmung auf einen Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um 1,5 bis 2 Grad (Celsius) im Vergleich zum vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Eine Analyse des Weltklimarats hat ergeben, dass zur Erreichung dieses Ziels ein globales Energiesystem erforderlich ist, das kurz nach der Jahrhundertmitte fast kein Kohlendioxid mehr ausstößt.⁴

Nahezu jede maßgebliche Analyse der Energietechnologien, die in den nächsten Jahrzehnten benötigt werden, um ein nahezu kohlenstofffreies Energiesystem zu schaffen, kommt zu dem Schluss, dass wahrscheinlich große Mengen an Kernenergie erforderlich sein werden. Jüngste Berichte des Intergovernmental Panel on Climate Change, der Internationalen Energieagentur, des UN Sustainable Solutions Network, des Joint Global Change Research Institute und des Pacific Northwest National Laboratory deuten darauf hin, dass die Welt bis 2035-2050 bis zu 1600 GW Kernkraftkapazität oder mehr benötigt, um die Ziele zu erreichen.Derzeit produzieren rund 450 in Betrieb befindliche Reaktoren knapp 400 GW,⁶ wobei weniger als 100 Reaktoren in den Vereinigten Staaten knapp 100 GW produzieren.⁷ Um die globalen Klimaziele in den nächsten Jahrzehnten zu erreichen, ist eine Vervierfachung der heutigen globalen Kernkraftkapazitäten und eine erhebliche Steigerung der weltweiten jährlichen Bereitstellungsrate erforderlich (siehe Abbildungen 1 und 2 unten).

Um diese Art von Zielen für die menschliche Entwicklung und den Klimawandel zu erreichen, ist eine ganz andere Art von Kernreaktor erforderlich, die kostengünstiger ist, schneller realisiert werden kann und eher die Akzeptanz der Öffentlichkeit findet.

Glücklicherweise steht die Technologie nicht still. Führende Nuklearentwickler und Dutzende innovativer Start-up-Unternehmen leisten Pionierarbeit bei neuen oder aktualisierten Konzepten, die mit einer geeigneten Geschäftsinfrastruktur und politischer Unterstützung kommerziell nutzbar gemacht werden könnten. Bei diesen Konzepten werden andere Brennstoffe und Reaktortechnologien eingesetzt, die potenziell viel sicherer und wirtschaftlicher sind, schneller gebaut werden können, weniger Abfall produzieren und ein geringeres Verbreitungsrisiko aufweisen.

I. Das Potenzial für hochentwickelte kernenergie Energie

Aus vielen Gründen besteht die heutige Weltflotte überwiegend aus zwei Familien von Leichtwasserreaktoren: Druckwasser- und Siedewasserreaktoren. Die Flotte hat in den letzten 40 Jahren erhebliche Fortschritte bei der Leistung und der Auslegung der Sicherheitssysteme gemacht und liefert heute über 30 % der kohlenstofffreien Stromerzeugung weltweit.⁸ Die heutige konventionelle Flotte weist jedoch Auslegungs- und Betriebsmerkmale auf, die die Leistung, die wirtschaftliche Tragfähigkeit und die Risikowahrnehmung der Atomindustrie in den letzten 40 Jahren eingeschränkt haben. Fortgeschrittene Reaktoren weisen Eigenschaften auf, die einige dieser Einschränkungen der bestehenden Flotte beheben können.

A. Was ist "hochentwickelte kernenergie Energie"?

"hochentwickelte kernenergie Energie" impliziert einen Reaktor oder Brennstoffkreislauf, der einige der folgenden Eigenschaften aufweisen muss:

• niedrigere Kapital- und/oder Betriebskosten;
• Herstellbarkeit oder schnelle Einsatzfähigkeit;
• passive Sicherheitssysteme;
• einfache Bedienung und Wartung;
• kleinere Notfallplanungszonen, geringere Auswirkungen auf die Umgebung bei einem Unfall und größere Flexibilität/Skalierbarkeit des Standorts;
• erhöhte Proliferationsresistenz;
• geringerer Wasserverbrauch;
• geringere Abfallproduktion und/oder eine Kapazität für die Entsorgung von Aktiniden;
• effizientere Nutzung der Brennstoffressourcen;
• Anpassungsfähigkeit für hybride Erzeugung (z. B. Wasserstofferzeugung, Entsalzung usw.) und/oder Lastverfolgung
• reduzierter Materialeinsatz.

Eine einzige Technologie kann alle diese Verbesserungen bieten, muss es aber nicht; die Palette der Technologien, die einige dieser Verbesserungen bieten, ist jedoch breit und umfasst sowohl Spaltungs- als auch Fusionstechnologien.

B. Wie können fortschrittliche Reaktoren diese gewünschten Eigenschaften erfüllen?

Kapitalkosten. Weniger als 20 % der Kosten eines herkömmlichen Leichtwasserkernkraftwerks entfallen auf den Kernreaktor selbst und die Stromerzeugungsanlagen. Der größte Teil der Kosten entfällt auf den Bau großer Containment-Strukturen, Kühlanlagen, Standortinfrastrukturen und die Finanzierungskosten für die langen Bauzeiten (in der Regel 4-5 Jahre oder mehr, verglichen mit Monaten bis zwei Jahren für ein Gas- oder Kohlekraftwerk). Während künftige fortgeschrittene Leichtwasserreaktoren niedrigere Kapitalkosten erreichen können, können fortgeschrittene Nicht-Leichtwasserreaktoren die Kostenproblematik auf zwei Arten angehen. Erstens wird durch den Verzicht auf Wasser im Kühlprozess, die Verwendung von Kühlmitteln mit anderen Eigenschaften und die Anwendung inhärenter Sicherheitsstrategien der Bedarf an großen Druckbehältern und redundanten Kühleinrichtungen eliminiert, wodurch bis zu zwei Drittel der gesamten Anlagenmasse aus Beton und Stahl eingespart werden können. Zweitens kann durch die Verringerung der Komplexität und Größe der vor Ort benötigten Strukturen der größte Teil der fortschrittlichen Anlage in einer Fabrik oder Werft gebaut und zum Standort geliefert werden. Dadurch kann die Bauzeit um die Hälfte oder mehr verkürzt werden, wodurch sich die Kosten für die Finanzierung der Anlage um zwei Jahre oder mehr verringern. Eine kürzlich durchgeführte Umfrage unter einem Dutzend Entwicklern fortgeschrittener Reaktoren ergab, dass die Kapitalkosten für fortgeschrittene Reaktoren etwa ein Drittel bis die Hälfte des derzeitigen Niveaus großer LWR betragen und die Bauzeit etwas mehr als zwei Jahre beträgt.

Bereitstellungsraten. Durch die Verringerung der Komplexität und die Verkürzung der Bauzeiten können die erforderlichen Einsatzraten erreicht werden, um die Stilllegung von Anlagen zu verhindern und gleichzeitig die künftigen Klimaziele zu erreichen. Hersteller wie Boeing produzieren 600-700 Flugzeuge pro Jahr, und die Schiffsbauer der Welt stellen jedes Jahr Dutzende von großen Hochseeschiffen her. Aufgrund der verbesserten Sicherheits- und Abfalleigenschaften benötigen fortschrittliche Reaktoren wahrscheinlich auch weniger Land, einen geringeren Erschließungsaufwand und kürzere Genehmigungsfristen. Einige Konstruktionen, wie z. B. bestimmte Salzschmelzenreaktoren, verfügen über ausfallsichere Konstruktionen, wie z. B. Stopfen, die sich bei einem Temperaturanstieg im Brennstoffkern auflösen und den Brennstoff in eine isolierte unterirdische Kammer ableiten. Weitere Konstruktionen enthalten passive Sicherheitsmerkmale, die sich auf die natürlichen Kräfte unserer Welt, wie Schwerkraft und Konvektion, verlassen, um die Sicherheit zu erhöhen.

Abfallentsorgung. Leichtwasserreaktoren nutzen weniger als 5 % des Energiewerts ihres Brennstoffs, 95 % bleiben als Abfall zurück. Viele fortschrittliche Reaktoren, die mit dem schnellen Neutronenspektrum arbeiten, können die Brennstoffausnutzung erheblich steigern, so dass eine viel geringere Abfallmenge übrig bleibt. Darüber hinaus sind die verbleibenden Abfälle weit weniger langlebig, mit Toxizitätshalbwertszeiten von Hunderten statt Zehntausenden von Jahren. Dies könnte eine technische Lösung für die Abfalllagerung ermöglichen, die für Jahrhunderte sicher ist, im Gegensatz zu einem Endlager für langlebige Abfälle, das eine Zertifizierung für Jahrtausende erfordert.

Weiterverbreitung von Waffen und physischer Schutz. Wie bei den derzeitigen Leichtwasserreaktoren besteht immer die Gefahr der Abzweigung von Kernmaterial zu illegalen Zwecken, z. B. für die Entwicklung/Produktion von Waffen auf staatlicher Ebene oder die Verwendung in einer "schmutzigen Bombe" durch einen nichtstaatlichen Akteur. Ein potenzieller Vorteil fortschrittlicher Reaktoren besteht darin, dass bei vielen Konstruktionen Brennstoffe verwendet und Abfallströme erzeugt werden, die für eine Abzweigung nicht so wünschenswert sind. Erstens, weil viele fortschrittliche Brennstoffe nicht ohne weiteres zugänglich sind (z. B. flüssige Brennstoffe in einem Salzschmelzenreaktor) und zweitens, weil die Abfallströme aufgrund des hohen Abbrandes von spaltbarem Material während des Betriebs oft viel kleiner sind. Die laufenden Bemühungen in diesem Bereich zur Quantifizierung und Bewertung der "Sicherbarkeit" müssen fortgesetzt und bei allen Regulierungs- und Genehmigungsbemühungen berücksichtigt werden.

Mehrere Anwendungen. Die derzeitigen Leichtwasserreaktoren eignen sich am besten für die Erzeugung von Strom in der Grundlast, rund um die Uhr. Viele fortschrittliche Reaktoren sind jedoch vielseitiger und können leichter an schwankende Lasten angepasst werden, was mit der zunehmenden Einspeisung von Wind- und Solarenergie in die globalen Netze immer wichtiger werden könnte. Darüber hinaus erzeugen viele fortschrittliche Reaktoren Wärme mit wesentlich höheren Temperaturen, die für Prozesswärmeanwendungen in der Chemie-, Raffinerie-, Lebensmittel- und Stahlindustrie (deren Wärmeverbrauch aus fossilen Brennstoffen für mehr als 10 % der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich ist), als Ersatz für Kessel in bestehenden Kohlekraftwerken und für zahlreiche andere Anwendungen genutzt werden kann.

CATF hat eine ausführlichere Fibel über hochentwickelte kernenergie Energie erstellt, in der viele dieser Punkte erläutert werden.

II. Senkung der Kosten und Verbesserung der Lieferfähigkeit der derzeitigen Nukleartechnologie

Während die jüngsten Erfahrungen in den USA und Europa gezeigt haben, dass die Kosten für neue Kernkraftwerke hoch sind, werden viele Kernkraftwerksprojekte auf der ganzen Welt heute zu 50 bis 80 Prozent niedrigeren Kapitalkosten gebaut als die aktuellen und jüngsten Projekte in den USA und Europa. (Siehe Abbildung 3 unten).

Auf diesem Kostenniveau ist die Kernenergie sowohl mit fossilen als auch mit vielen erneuerbaren Energieträgern wettbewerbsfähig, wie Abbildung 4 zeigt.

Eine kürzlich vom Energy Technologies Institute (ETI 2018) in Auftrag gegebene Studie⁹ hat ergeben, dass die Kluft zwischen den teuersten und den billigsten Nuklearprojekten weltweit in erster Linie auf die beste industrielle Praxis, die Arbeitsproduktivität und die Strategie zurückzuführen ist, das gleiche Design wiederholt zu bauen und dabei den Lernprozess zwischen den einzelnen Einheiten zu maximieren. Die Kostensenkungen hatten wenig mit niedrigeren Lohnkosten, der Bauqualität oder strengen Sicherheitsvorschriften zu tun. Zu ähnlichen Ergebnissen kommt auch der jüngste MIT-Bericht "The Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World"¹⁰.

Diese bewährten Verfahren sind nicht länderspezifisch. Sie können weltweit übertragen und verbessert werden, um Kosten und Bauzeiten weiter zu senken. Ein historisches Beispiel dafür ist, wie das Toyota Manufacturing System die amerikanischen Automobilhersteller in den frühen 1990er Jahren herausforderte. Toyota produzierte qualitativ hochwertige Fahrzeuge zu wesentlich niedrigeren Kosten. Anstatt in Konkurs zu gehen, übernahmen US-Unternehmen wichtige Teile des Toyota-Konzepts und retteten so ihre Branche und schufen die Grundlage, auf der ausländische Wettbewerber später US-Fabriken errichteten. Ein erheblicher Teil der höheren Kosten ist indirekt auf die Unerfahrenheit und die "First-of-a-kind"-Projekte (FOAK) zurück zu führen. Wenn man etwas zum ersten Mal baut oder es zum ersten Mal in einem Land tut (oder nach einer längeren Pause), ist es sehr schwierig, bewährte Verfahren und eine hohe Arbeitsproduktivität - zwei der wichtigsten Kostentreiber laut der Studie - während des gesamten Projekts umzusetzen.

Um eine Kostensenkung zu erreichen, ist eine erhebliche interne Umstrukturierung der Nuklearindustrie erforderlich, die durch die öffentliche Politik und kontinuierliche F&E unterstützt werden muss:

Entwickler und Käufer der derzeitigen wassergekühlten Technologie müssen ihr Verfahren und ihr Geschäftsmodell umgestalten, um die in der Studie aufgezeigten Möglichkeiten zur Kostensenkung zu nutzen. Beispiele hierfür wären unter anderem:

• Verpflichtung zur Fertigstellung des detaillierten Anlagenentwurfs und der detaillierten Bauplanung, bevor der Beton gegossen wird.
• Einheitliches Baumanagement.
• Anwendung bewährter Verfahren für das Lieferketten- und Arbeitsmanagement, so dass sie ihre Erfahrungen und Erkenntnisse von einem Projekt zum nächsten übertragen können.
• Eine brancheninterne Organisation zum Erlernen der besten Baupraktiken, die dem vom Institute of Nuclear Power Operators geförderten betrieblichen Lernen entspricht.

Auch der Staat muss eine Rolle spielen:

• Die Kostensenkung sollte ein Hauptziel jedes staatlich geförderten F&E-Programms für die Kernenergie sein. Diese haben sich in der Regel auf die Reaktortechnologie und die Sicherheit konzentriert und nicht auf die Herstellung von Komponenten, die Lieferung und den Bau von Anlagen.
• Jede künftige staatliche Unterstützung für bestehende Reaktoren sollte davon abhängig gemacht werden, dass die besten Verfahren zur Kostensenkung fest in das Projekt integriert werden.
• Die Regierung sollte auch die Unterstützung gemeinsamer Einrichtungen in Erwägung ziehen, z. B. die Anmietung von Werftgeländen für die Reaktormontage.
• Harmonisierung der internationalen Lizenzvergabe, um die Übertragbarkeit gleicher Geschmacksmuster zu maximieren.
• Eine stärker ergebnisorientierte Regulierung, die kleinere Konstruktionsänderungen ohne großen bürokratischen Aufwand ermöglicht.
• Wir brauchen eine klare, langfristige Energiepolitik der Bundes- und Landesregierungen. Sie sollte Dekarbonisierungsziele beinhalten, die alle sauberen Energiequellen einschließen und der Kernenergie eine Rolle zugestehen. Dies würde dazu beitragen, das beabsichtigte langfristige Programm des Lernens und der Verbesserung der Kosteneffizienz durch bewährte Praktiken im Management, die Organisation von Produktionsallianzen und den Aufbau effizienter Lieferketten zu rechtfertigen.

Die obige Analyse bezieht sich auf die derzeitige wassergekühlte Kerntechnik. Fortschrittlichere Reaktoren - in der Regel mit Nicht-Wasser-Kühlmitteln - weisen eine Vielzahl unterschiedlicher Merkmale auf, die die Kosten weiter senken könnten (und auch die Sicherheit, die Abfallentsorgung und die Nichtverbreitung weiter verbessern). Viele dieser Konstruktionen weisen insbesondere die folgenden Kostenkontrollmerkmale auf:

• Geringerer Bauumfang, kürzere Bauzeit und geringerer Arbeitsaufwand, insbesondere auf der Baustelle, da weniger Gebäude und weniger Sicherheitssysteme erforderlich sind, da die Konstruktion auf passive Sicherheit ausgelegt ist.
• Entwickelt, um einen viel höheren Prozentsatz der Werksproduktion von Schlüsselkomponenten und -baugruppen zu ermöglichen.
• Einfacherer Anlagenentwurf, der eine weniger arbeitsintensive Qualitätssicherung und Überprüfung ermöglicht.
• Hochgradig standardisierte, modulare Designs.
• Design für die Wiederverwendung von Design und Konstruierbarkeit.
• Die eingebaute seismische Isolierung reduziert die standortspezifischen Planungskosten.
• Weniger Betriebspersonal aufgrund der inhärenten Sicherheitsmerkmale der Reaktor-/Anlagenkonstruktion und des Brennstofftyps.
• Einige Unternehmen integrieren virtuelle/entfernte Arbeitsabläufe.

Der ETI-Bericht und andere Studien¹¹ stellen fest, dass fortschrittliche Reaktoren die Möglichkeit einer schrittweisen Kostensenkung auf den Märkten der EU und der USA im Vergleich zu konventionellen Reaktoren in der EU und in Nordamerika bieten - sogar über die im ETI-Bericht für konventionelle wassergekühlte Reaktoren dargelegten Kostensenkungen hinaus.

Diese Kostensenkungsinitiativen und neuen Konzepte werden zwar nicht alle Hindernisse für den weltweiten Ausbau der Kernenergie aus dem Weg räumen, aber sie werden die Kernenergie zu einer weitaus praktikableren Option für die Dekarbonisierung machen und damit unsere Dekarbonisierungsbemühungen deutlich effizienter gestalten.

---

¹ BP Energieausblick bis 2035

² Daten zur Weltbevölkerung unter: https://esa.un.org/unpd/wpp/Download/Standard/Population/; Daten zum Zugang zu Elektrizität unter http://data.worldbank.org/indicator/EG.ELC.ACCS.ZS

Verbrauch fossiler Brennstoffe unter http://data.worldbank.org/indicator/EG.USE.COMM.FO.ZS;
http://databank.worldbank.org/data/reports.aspx?source=world-development-indicators#

⁴ Fawcett, Allen A., et al. "Can Paris pledges avert severe climate change?". Science 350.6265 (2015): 1168-1169.

⁵ Siehe z. B. Intergovernmental Panel on Climate Change, Working Group III - Mitigation of Climate Change, http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg3/, Präsentation, http://www.slideshare.net/IPCCGeneva/fifth-assessment-report-working-group-iii Folien 32-33; International Energy Agency, World Energy Outlook 2014, S. 396; UN Sustainable Solutions Network, "Pathways to Deep Decarbonization" (Juli 2014), auf Seite 33; Global Commission on the Economy and Climate, "Better Growth, Better Climate: The New Climate Economy Report" (September 2014), Abbildung 5 auf Seite 26; Joint Global Change Research Institute, Pacific Northwest National Laboratory, Präsentation zu Implications of Paris, First Workshop, College Park, MD, 4. Mai 2016 (JGCRI, College Park, MD, 2016); http://bit.ly/JCRI-Paris.

⁶ https://pris.iaea.org/PRIS/WorldStatistics/WorldTrendNuclearPowerCapacity.aspx

⁷ https://www.nei.org/resources/statistics/world-nuclear-generation-and-capacity

⁸ BP Statistical Review of World Energy (Juni 2018) https://www.bp.com/content/dam/bp/en/corporate/pdf/energy-economics/statistical-review/bp-stats-review-2018-full-report.pdf, S. 48

⁹ Energy Technologies Institute, "The ETI Nuclear Cost Drivers Report" (April 2018), https://www.eti.co.uk/library/the-eti-nuclear-cost-drivers-project-summary-report

¹⁰ https://energy.mit.edu/wp-content/uploads/2018/09/The-Future-of-Nuclear-Energy-in-a-Carbon-Constrained-World.pdf

¹¹ Siehe Clean Air Task Force, "hochentwickelte kernenergie Energie: Bedarf, Merkmale, Projektkosten und Möglichkeiten" (April 2018); Siehe Energy Options Network, "WHAT WILL hochentwickelte kernenergie POWER PLANTS COST?: A Standardized Cost Analysis of hochentwickelte kernenergie Technologies in Commercial Development " (Juli 2017),