Hochtemperatur-Kerntechnik: Energie für Mobilität und Strom


Warnung: wer fest überzeugt ist, dass Atome und ihre Energie vom Bösen sind, sollte nicht weiterlesen. Alle anderen sind eingeladen, die großen Chancen zu erblicken und die noch offenen Punkte der folgenden Gedankengänge als Herausforderungen zu sehen. Wenn Prof. Werner Sinn die „Energiewende ins Nichts“ vorrechnet, kann man dem nach den heutigen Perspektiven nur zustimmen. Bei einem Drittel unseres Energiebedarfes – dem Strom – erleben wir bereits heute, wie zu schnelle, unbedachte Entscheidungen sich auf die Kosten, Preise und damit auf den Wohlstand der Menschen auswirken. Schon das fordert den Wirtschaftsingenieur heraus. Es kündigt sich an, dass die Strompreise durch die EEG-Umlage auf absehbare Zeit weiter steigen werden, ganz gleich, ob das neue EEG Schwerpunkte verlagert, ohne an der Wurzel zu operieren, gleich, ob die Industrie einen größeren Teil als jetzt davon selbst trägt. Die Bürger und Haushalte werden letztlich alles schultern müssen, auch wenn eine Reihe von Investoren dies für sich anders erleben. Neben Strom benötigen wir noch zweimal soviel andere Energie: diese anderen 60 bis 70 Prozent unseres Energiebedarfes bestehen aus:•             Wärme für das Wohnen und die Industrie
•             Mobilität für deutsche und durchfahrende Autos und LKWSie werden von der ausgerufenen Wende kaum  tangiert. Die Elektromobilität wird nach allen kompetenten Untersuchungen allenfalls den Kurzstrecken-Anteil bei hohen Investitionen und Gesamt-kosten übernehmen können, das sind höchstens 40 bis 50 %, wenn man großzügig rechnet. Vor fünf Jahren fingen wir an, eine Alternative für den Autoverkehr der Zukunft zu visionieren. Inzwischen wurden Parameter verändert, Erfahrungen gewonnen und weiterführende Überlegungen konkretisiert. Grob gesagt geht es darum, bekannte und erprobte Technologien sinnvoll zu kombinieren, Teilprozesse zu optimieren und daraus insgesamt eine wirtschaftliche und kosten-günstige Mobil-Energie zu gewinnen. Pate steht die Erkenntnis, dass flüssige Treibstoffe noch auf Jahrzehnte allen anderen Speichern um Dimensionen überlegen sind, wenn man Energie-Inhalt, Speicherungstechnik, Sicherheit und Kosten gemeinsam betrachtet. Dabei ist es zunächst unerheblich, ob man Hydrazin (vor allem für Raketen bekannt), Diesel, Benzin oder Ethanol ins Auge fasst.Da die natürlichen Energiequellen in unserem Land nicht wesentlich wachsen können, wird der Bedarf auch durch ausgeklügeltste Sparmethoden nicht soweit sinken, dass Energie konstant oder auch nur jeweils bedarfsgerecht zur Verfügung steht. Auch das intelligenteste Stromnetz wird diesem Anspruch nicht gerecht werden können, weil es viele gewichtige Bedarfsträger gibt, die Energie unterbrechungsfrei benötigen.Daher werden wir auf die 100-prozentige Absicherung durch stand-by-Kraftwerke mit minimaler Auslastung nicht verzichten können. Der dazu diskutierte Kapazitätsmarkt wird keinesfalls die Kosten senken, sondern lediglich den Betreibern die notwendige Investitionssicherheit verschaffen. Auch diese Kosten werden in der einen oder anderen Form auf die Bürger umgelegt.Wie sich eine theoretisch anvisierte Steigerung von Elektroautos, zum Beispiel auf die Hälfte der heutigen 45 Millionen Kfz auswirken würde, wie deren Strombedarf auch nur annähernd gedeckt werden könnte, wurde noch nicht öffentlich diskutiert. Wahrscheinlich glauben auch die Optimisten nicht an eine solche Entwicklung. Leicht zu errechnen ist aber, dass damit der heutige Stromanteil – rund ein Drittel des gesamten Energiebedarfes – auf fast 50 Prozent steigen würde. Die offizielle Prognose vom abnehmenden Strombedarf wird damit ad absurdum geführt. Es ist auch nicht zu erwarten, dass Desertec-Wüstenstrom die Lücke zu annehmbaren Kosten schließen kann. Führende Beteiligungsfirmen haben das Konsortium bereits verlassen. Statt der Versorgung Europas denkt man nun realistischer an die Stromerzeugung für afrikanische Bürger und Staaten.Hingegen werden die uns umgebenden Länder versuchen, die bei uns fehlenden Kapazitäten mit ihren Kernkraftwerken zu schließen (Beispiel Fessenheim im Westen). Andere im Osten bereiten sich durch neue Kernkraftwerke schon darauf vor.Aus diesen Überlegungen heraus wurde der Gedanke, bei uns bestehende Kraftwerke umzubauen, von der wirtschaftlichen Seite weitergedacht und durchgerechnet. Es ergeben sich interessante Perspektiven. Folgende Forderungen sollen erfüllt werden:•             Treibstoff soll zu heute vergleichbaren Preisen geliefert werden.
•             Autos, Motoren, Tankstellen und Logistik sollen nur minimal geändert zu werden
•             Fabriken der Auto-Industrie sollen nicht radikal umgestellt werden
•             Arbeitsplätze und Qualifikationen der Mitarbeiter werden weiter genutzt
•             Neue Fern-Stromtrassen können vermieden werden.
•             Das bestehende Strom-Netz wird vom Ferntransport deutlich entlastet, 
•             Die heutigen Strom-Netze halten länger, weil weniger Ferntransport nötig ist.
•             Kohlevorkommen, insbesondere Braunkohle, werden weniger verbrannt.
•             Stein- und Braunkohle werden stattdessen zu Treibstoff veredelt (hydriert)
•             Die dabei anfallenden Mengen an CO2 sind voraussichtlich geringer als bisher
•             Bestehende Kraftwerke werden umgebaut: die „Feuerstelle“ wird ausgetauscht.
•             Der Rückbau von Atom- und Kohle-Kraftwerken wird zumindest teilweise entbehrlich
•             Die damit einzusparenden riesigen Summen werden sinnvoll umgewidmet
•             Die Entsorgung von Atommüll wird drastisch vereinfacht.
•             Die heute in allen Kernkraftwerken bestehenden „Wartelager“ werden aufgelöst
•             Die Endlagersuche entfällt, Endlager sind bereits in den Brennelementen vorhanden
•             Luftverschmutzung durch fossile Kraftwerke wird drastisch verringert oder behoben.
•             Atemwegserkrankungen können massiv verringert werden 
•             Die von WHO gemeldeten 7 Mio. Tote können wahrscheinlich signifikant verringert werden
•             Müll und fossile Abfälle werden weitgehend nutzbringend verwertet
•             Voraussichtlich werden sogar Kernbrennstoff-Abfälle verwendet und damit entsorgt.
•             Selbst Waffen-Plutonium wird so unschädlich gemacht und dient der Energieversorgung.Wie kann all das gelingen, wenn gleichzeitig ein totaler Ausstieg aus der heutigen Kernenergienutzung stattfinden soll?  Der Schlüssel liegt im Wörtchen „heutig“! Die heutige Kernkraftnutzung ist nämlich immer mit einem, zwar seltenen, dann aber sehr großen „Restrisiko“ verbunden, der Kernschmelze,  dem GAU. Diesen gilt es unbedingt zu vermeiden.Die im Forschungszentrum Jülich vor 40 Jahren erprobte und abgesicherte Hochtemperatur-Kerntechnik (auch bekannt als Kugelhaufen- oder Kugelbett-Reaktor) kennt keine Kernschmelze und benötigt kein Endlager. Sie ist aufgrund ihrer „inhärenten Sicherheit“ so grundverschieden, dass sie vom Atomausstieg eigentlich nicht betroffen ist. Zwar macht das deutsche Ausstiegsgesetz diesen Unterschied nicht, was aber an der erwiesenen Unkenntnis der Beschlussgremien liegt. Es liegt nicht an einer etwaigen Gefahr dieser Technik. Daher ist eine Ausnahmeregelung überfällig. Wie sieht nun die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens aus? Wir haben sie am Beispiel eines Kraftwerksblockes (z.B. 300 MW el) durchgerechnet, wie er heute häufig anzutreffen ist. Es gilt prinzipiell auch für größere Kapazitäten, oft sogar mit positiven economies of scale.Spricht man mit Fachleuten der technischen Chemie, erfährt man, dass die Umwandlung von Kohle oder Bio-Abfall zu Treibstoff mit der Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) sich im letzten Krieg zwar bewährt hat, aber nur weil der unglaublich schlechte Wirkungsgrad von unter 30 %  damals politisch geduldet wurde. Auch in Südafrika, wo mit SASOL heute die einzige produktive Anlage betrieben wird, leistet man sich noch einen erheblichen Kohleverbrauch zur Erzeugung der notwendigen Hitze. Die insgesamt endotherme FTS kann aber verbessert werden, wenn man kostengünstige Hochtemperatur einschleust.Funktion des Kugelbett-Ofens:
Die Kugeln werden über Röhren in den „Core“ (Reaktor-gehäuse) in der für die gewünschte Leistung erforderli-chen Menge eingefüllt und bilden dort einen Haufen, der von Heliumgas durchströmt wird. Das Gas wird dabei aufgeheizt und gibt die Hitze über einen Wärmetauscher an das Hydrierwerk ab. Wenn die Leistung nachlässt, werden die Kugeln einzeln unten abgezogen und oben durch neue Kugeln ersetzt. Die abgezogenen Kugeln werden vermessen, um festzustellen, wie viel Brennstoff sie noch enthalten. Verbrauchte Kugeln gelangen über die „Discharge fins“ in den Abklingbehälter. Kugeln, die noch Brennstoff enthalten, gelangen via „Elevator“ zurück in den Core. Es ist immer nur so viel Brennstoff im Reaktor, wie gerade gebraucht wird - viel weniger als bei den heutigen Meilern, die alle 18 Monate neu gefüllt werden müssen und dafür wochenlang stillstehen. Das erhöht die Sicherheit, weil stets nur sehr wenig Brennstoff im Core ist. Außerdem enthalten die verbrauchten Kugeln kaum noch Brennstoff, was den Verbrauch erheblich mindert und eine unkritische Endlagerung erlaubt.
 Am Beispiel eines vorhandenen 300 MW-Kohlekraftwerks ergibt sich folgende Berechnung: Es wird mit einem Hochtemperaturreaktor und einem Hydrierwerk zur Herstellung synthetischem Kraftstoffs kombiniert, d.h. nachgerüstet. Der erste Vorteil ist, dass Standort, Netz- und Transportverbindungen sowie die Rohstoffbasis (Kohle) weiter genutzt werden.Derartige Kraftwerke haben heute Wirkungsgrade um 40 %. Man braucht also rund 750 MWth Wärmeleistung – durch Verbrennung der Kohle. Diese Wärme liefert künftig ein Kugelbettreaktor (besser Kugelbett-Ofen KBO, weil er im Gegensatz zu heutigen Meilern bedarfsgerecht im Durchlauf beschickt wird und Konti-Wärme liefert). Besonders praktisch ist dies in den Braunkohlegebieten. Diese wird dann nicht mehr verbrannt, sondern steht zur Veredelung für synthetischen Kraftstoff zur Verfügung. Nun kommt der Vorteil der Hochtemperatur zum Zuge: man baut nicht einen sondern zwei KBO. Sie haben zusammen eine Kapazität von 1.500 MW thermisch. Entscheidet man sich für die modulare Serienherstellung kleiner KBO, wie derzeit in China, kann man auch sechs Stück mit je 250 MW th hinstellen.Die Wärme des KBO von fast 1.000 Grad durchströmt zunächst das Hydrierwerk, in dem die Kohle verflüssigt wird. Danach ist die Ausgangswärme des Hydrierwerks noch heiß genug, um mit einer Temperatur von ca. 600 Grad den Dampferzeuger für die Turbinen zu versorgen. Mit dem Dampf wird dann Strom wie bisher erzeugt. Da die Kohle nicht mehr verbrannt wird, ist der Prozess weitgehend emissionsfrei. Das gilt auch für die FTS, die heute im Ruf steht, viel zu viel CO2 in die Luft zu blasen. Denn dieses CO2 entsteht wesentlich durch die enormen Mengen an Kohleverbrennung zum Gewinnen der nötigen Hitze. Anders als bei allen heutigen Kernkraftwerken kommt hier der Alleinstellungsvorteil des KBO als Wärmequelle voll zur Geltung.Die besten heute bekannten FTS Prozesse haben einen Wirkungsgrad von 50 %. Das heißt, aus Kohle oder Bio-Abfall mit einem Heizwert von 100 MWh  ist Kraftstoff mit einem Heizwert von rund 50 MWh zu gewinnen. Die anderen 50 MWh werden größtenteils „verheizt“. Ersetzt man diese Hitze mit der Hochtemperatur des KBO, so steigt der Wirkungsgrad drastisch an. Erfahrungswerte liegen hier zwar noch nicht vor. Befragte Chemiker konnten hierzu ebenfalls noch nichts Besseres sagen, weil ihnen die Hochtemperatur-Zufuhr fremd ist.Aber einfacher Dreisatz zeigt, dass hier der Schlüssel zur Wirtschaftlichkeit des gesamten Verfahrens liegt. Schon das allein sollte die Erprobung der kombinierten Produktion rechtfertigen, da die Einzelverfahren lange bekannt sind.Rechnet man die vorgenannten Heizwerte in Mengen um, so entsprechen  100 MWh Braunkohle bei einem spez. Wärmeinhalt von 5,6 MWh je Tonne insgesamt 18 Tonnen Kohle. Da Benzin einen Wärmeinhalt von 11 MWh je Tonne hat, ergibt dies rund 9 Tonnen = ca. 11.000 Liter Benzin.Dem Autor ist bewusst, dass einige der hier genannten Zahlen noch verifiziert werden müssen. So variieren die Schätzwerte für den Bau eines modularen Kugelbett-Ofens derzeit noch zwischen Euro ca. 600 und 1.500 Mio. Das ist eine viel zu große Spanne. Sie ist durch die spezifisch deutsche Situation zu erklären: Unter anderem fehlen bei uns inzwischen die grundlegendsten Kenntnisse, weil viele Experten verstorben oder überaltert sind. Ähnlich ist es beim Hydrierwerk. Auch hier ist das Knowhow für diese Techniken in den letzten 20 Jahren überwiegend ins Ausland abgewandert oder schlicht vergessen.  Die verbliebenen Versorger und Hersteller haben diesem Sektor zu wenig Beachtung geschenkt und operieren teils mit Mondpreisen.Da die oben dargestellte Wirtschaftlichkeit attraktiv erscheint, begrüßen wir jeden, der uns weitere Präzisierungen beisteuert. Weitere Details stehen auf www.biokernsprit.org zum Abruf bereit.  Weitere Einsatzgebiete, zum Beispiel die Nachrüstung von Kraftwerken und die Müllverspritung erscheinen ebenfalls lohnend und sollen in einem Folgeartikel dargelegt werden.Dipl.-Ing. Wirtsch.-Ing. Jochen Michels



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