Überstürzter technologischer Übergang und die Gefahr eines schädlichen «Technologischen Lock-in»

Während Ursula von der Leyen die Option der EU-Unterstützung für die Kernenergie im Rahmen des Net-Zero Industry Act der EU zurückgewiesen hat, eröffnen Samuele Furfari, Ingenieur, Professor für Politikwissenschaft und angewandte Wissenschaft an der Universität Brüssel, und Ernest Mund, ehrenamtlicher Forschungsdirektor des FNRS und emeritierter ausserordentlicher Professor am UCL, die Debatte über die Energiewende und einen vernünftigen Zeitplan, den sie einhalten sollte. Es handelt sich um einige tiefgreifende Gedanken, die von den Entscheidungsträgern der EU ernsthaft in Betracht gezogen werden sollten.

ZUSAMMENFASSUNG 

Die europäischen Staats- und Regierungschefs wollen fossile Brennstoffe als Primärenergiequelle abschaffen und sie kurzfristig durch andere Quellen mit minimalem Kohlenstoff-Fussabdruck ersetzen. Doch sie sollten sich fragen, welchen Sinn ein Schritt macht, der nur wenig Rücksicht auf schwer zu kontrollierende Mechanismen nimmt. Veränderungen dieser Art brauchen Zeit. Sie zu überstürzen, kann dazu führen, dass man sich auf Entscheidungen festlegt, die alles andere als optimal sind. Die in dieser Arbeit vorgenommene Analyse konzentriert sich auf die Feindseligkeit gegenüber der Kernenergie und veranschaulicht eine Situation, die in Zukunft eintreten könnte und die vermieden werden sollte.

EINFÜHRUNG

Unzählige Technologien haben das menschliche Leben seit jeher begleitet. Technologien – im weitesten Sinne, d. h. auch Systeme und Prozesse – haben mit der lebenden Welt insofern etwas gemeinsam, als sie sich auf ihren eigenen Zeitskalen entwickeln. Der Vergleich zwischen ihrer Entwicklung und derjenigen der lebenden Welt ist ein Thema, das auf Darwin zurückgeht. Angestossen wurde er von Samuel Butler, dem englischen Autor der Kurzgeschichte Erewhon [1]. Was damals eher die Frucht einer produktiven Fantasie als das Ergebnis strukturierter wissenschaftlicher Arbeit war, wurde schliesslich Gegenstand sehr strenger Studien, die in dem Buch „The Nature of Technology – What it is and how it evolves“ von W. B. Arthur [2] beschrieben werden. Die wichtigsten Grundsätze lassen sich wie folgt zusammenfassen: Alle neu entstehenden Technologien basieren zum Teil auf bestehenden Technologien. Ihr Auftauchen kann das Ergebnis der Notwendigkeit sein, unbefriedigte Bedürfnisse in der Gesellschaft zu befriedigen, oder es kann das Ergebnis der Umsetzung neuer, noch nicht genutzter Entdeckungen sein. Sobald eine neue Technologie auftaucht, kann sie mit bestehenden Technologien gekoppelt werden und am Prozess der Erweiterung des «Technologie-Baumes» teilnehmen. Es sind Trial-and-Error-Anpassungsprozesse im Gange, die es ermöglichen, die Komponenten einer Technologie zu jedem Zeitpunkt auf ihren fortschrittlichsten Stand zu bringen. Der Evolutionsprozess ist autopoietisch (a) in dem Sinne, dass eine Technologie vollständig an ihrer eigenen Transformation beteiligt ist [2]. Beispiele für neuere Technologien, die dieses Prinzip veranschaulichen, gibt es zuhauf, und jeder wird je nach seinem Fachwissen oder seinen Interessen das eine oder andere im Kopf haben. 

In einer liberalen Wirtschaft ist es der Markt, der die Technologien auswählt, die den Bedürfnissen der Gesellschaft am besten entsprechen. Aber wie wir sehen werden, können auch andere Überlegungen ins Spiel kommen. Der Prozess des Markteintritts oder sogar der allmählichen Beherrschung des Marktes braucht Zeit. Ausserdem ist es nicht unbedingt der erfolgreichste Typ in einem Sektor (in dem Sinne, der stückweise geklärt werden muss), der die Marktdominanz erreicht. Anders als in der darwinistischen biologischen Welt, in der die (sehr) langfristige Dominanz von den robustesten Individuen ausgeübt wird, gehorcht die Welt der Technologie nicht dieser Regel. Es ist daher möglich, dass eine suboptimale Technologie die Vorherrschaft erlangt. Sobald eine Technologie eine Dominanz über ihre Konkurrenten ausübt, spricht man von «Lock-in» (b), wobei der Begriff insbesondere in suboptimalen Fällen verwendet wird [2,3]. Das klassische Beispiel für einen «technologischen Lock-in» ist die QWERTY/AZERTY-Tastatur, die von dem Amerikaner Christopher Sholes erfunden und 1873 für die Schreibmaschinen der Firma Remington eingeführt wurde [4]. Obwohl sie anderen Tastaturen (wie z. B. der Dvorak-Tastatur) unterlegen ist, ist sie das Referenzinstrument in einem Umfeld geblieben, das letztlich nichts mehr mit demjenigen gemein hat, in dem sie entstanden ist. 

Der Automobilsektor bietet ein interessantes Beispiel für technologischen Wettbewerb [5,6]. Ende des 19. Jahrhunderts wich der pferdegezogene Transport allmählich dem automobilen Transport, der die dafür benötigte Energie mit sich führte. Etwa zur gleichen Zeit kamen drei Technologien auf: die Dampfmaschine, der Elektromotor und der Verbrennungsmotor. Die ersten beiden hatten Unzulänglichkeiten, die es der dritten Technologie ermöglichten, sich in den 1930er Jahren durchzusetzen (c) und den Markt zu beherrschen. Um die 1970er Jahre herum führte die Ölkrise zu einer Rückkehr der Elektrofahrzeuge, allerdings ohne große Folgeerscheinungen, da die damaligen Batterien wie die von Edison Blei-Säure-Batterien waren. Um das Jahr 2000 gab es dann dank der Entdeckung der Lithium-Ionen-Batterien erste Anzeichen dafür, dass die Vorzüge des Verbrennungsmotors in Frage gestellt wurden, wobei der Druck auf die Umwelt (Luftverschmutzung durch Schwefel, Stickoxide, Feinstaub und CO₂) diese Bewegung unterstützte. Die Feindseligkeit gegenüber dem Verbrenner hat weiter zugenommen, bis zu dem Punkt, an dem wir nun eine allmähliche Rückkehr zum Elektroauto erleben, das möglicherweise dazu bestimmt ist, den europäischen Markt aus Gründen zu dominieren, die nichts mit der Marktwirtschaft zu tun haben (d). Diese beiden Fälle von „Lock-in“ sind bei weitem nicht die einzigen. So hat die Kerntechnik kurz nach ihrer Geburt (ca. 1950) einen weiteren Fall geliefert (siehe [7]). Wir werden darauf zurückkommen. 

TECHNOLOGIEWANDEL UND ZEIT BIS ZUR MARKTDURCHDRINGUNG.

In den frühen 1970er Jahren entwickelten zwei Forscher von General Electric, John Fisher und Robert Pry, ein elementares mathematisches Modell, das die Substitution einer Technologie durch eine andere auf einem Markt ohne Beschränkungen beschreibt [8]. Das Modell beruht auf einfachen Grundsätzen: Der technologische Fortschritt ist ein Wettbewerbsprozess, der sich an den Regeln des Marktes orientiert. Wenn es dem Substitutionsprozess gelingt, sich um ein paar Prozent zu entwickeln, wird er bis zum Ende fortgesetzt. Bezeichnet man mit f(t) den Marktanteil des neuen Prozesses zum Zeitpunkt t, so ist die Wachstumsrate dieses Anteils proportional zum verbleibenden Prozentsatz des alten Prozesses (1-f). Übersetzt man diese Randbedingungen in Differentialgleichungen, so kann man zeigen, dass die Entwicklung des Marktanteils einem logistischen Verhulst-Gesetz folgt (siehe [9]):

 (1)

 Die Konstanten α und t₀, die in dem Gesetz vorkommen, hängen vom behandelten Fall ab. Zu Beginn ist der Substitutionsprozess exponentiell. Mit der Zeit setzt ein Sättigungseffekt ein, da der Anteil (1-f) der zu ersetzenden Technologie abnimmt. Die Beziehung (1) wird wegen der in Abbildung 1a dargestellten Form auch als „S-Kurve, Wachstumskurve“ bezeichnet. Es kann gezeigt werden, dass in logarithmischer Darstellung die Größe f/(1-f) durch eine gerade Linie dargestellt wird, wie in Abbildung 1b gezeigt, wobei der Parameter t₀ dem Zeitpunkt entspricht, an dem der Marktanteil 50 % erreicht. 

Abbildung 1 a (links) und 1 b (rechts) Zeitliche Entwicklung von f(t) und f(t)/(1-f(t))

In ihrer bahnbrechenden Arbeit befassen sich Fisher und Pry mit einer Reihe von Technologie-Substitutionen, die von Alltagsprodukten (Naturfasern zu Kunstfasern, Leder zu Kunststoffen, Seife zu Reinigungsmitteln usw.) bis hin zu grossen industriellen Prozessen wie der Stahlproduktion reichen, ohne jedoch den Schlüsselsektor Energie zu behandeln. Alle diskutierten Fälle passen bemerkenswert gut in die logistische Beziehung (1), wie in Abbildung 2 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass bei den Stahlherstellungsverfahren das Martin-Verfahren, ein Ersatz für das Bessemer-Verfahren, etwa 40 Jahre (1860 – 1900) brauchte, um von einem Marktanteil von 1 % auf 50 % in der Stahlproduktion zu wachsen.

Marchetti, Nakicenovic [10,11] und Peterka [12], Forscher am Internationalen Institut für Angewandte Systemanalyse (IIASA), einem Forschungszentrum in Österreich, wenden diese Methodik auf den Übergang der Energietechnologien kurz vor dem zweiten Ölschock (1979) an. Da diese Übergänge verschiedene Arten von Ressourcen betreffen (Holz, Kohle, Erdöl, Erdgas, Uran usw.), ist die Formulierung des Problems komplizierter. Drei in den späten 1970er Jahren veröffentlichte Berichte beschreiben die Verallgemeinerung der Methode mit einer Vielzahl von Ergebnissen. Abbildung 3 veranschaulicht die weltweite Entwicklung der Nutzung konventioneller Brennstoffe, der Kernenergie sowie der Solar- und Fusionsenergie (Kunstbegriff SOLFUS in der Grafik).

Abbildung 3: Gekoppeltes Wachstumsmodell für die Entwicklung und Substitution von konsekutiven Energieträgern nach Marchetti, 1979

Die Kopplungseffekte zwischen konkurrierenden Systemen sind bemerkenswert: Die Wachstumsphase des logistischen Gesetzes für das System k, das sich selbst durch das System (k-1) ersetzt, wird durch das Auftreten des Systems (k+1) unterbrochen, das sich selbst ersetzt und seinen Marktanteil schrittweise verringert. 

Die Abbildung 3 zeigt, dass der Übergangsprozess etwa ein Jahrhundert dauert, bis eine neue Technologie einen Marktanteil von 50 % erreicht hat. Beachte, dass die numerischen Daten bei 1970 (dem Jahr, das der damaligen Veröffentlichung am nächsten liegt) gestoppt wurden, wobei die logistischen Anpassungen bis 2050 verlängert wurden. 

Im Jahr 2007 aktualisierte Luis de Sousa das Schaubild von Marchetti anhand der damaligen Daten (Abbildung 3b) [13]. Er zeigte, dass sich die Schlussfolgerungen vom Modell der 1970er Jahre unterscheiden, was wahrscheinlich auf die Ölschocks zurückzuführen ist, die den Markt gestört haben. Er stellte fest, dass der Markt nach dem Öl-Gegenschock der 1980er Jahre eingefroren zu sein scheint, wobei jeder Energieträger seinen Marktanteil beibehält. Neue Energietechnologien wurden vom Markt nicht anerkannt. Vier Jahre vor dem Unfall in Fukushima im Jahr 2011 wuchs die Kernenergie schneller als von Marchetti vorhergesagt. Im Jahr 2007, bevor die Richtlinie 2009/28 der Europäischen Kommission einen Produktionsauftrag erteilte, gab es praktisch noch keine alternativen Energiequellen. Luis de Sousa erklärt, dass die Windenergie damals 0,2 % des Energiemarktes ausmachte, ein Prozentsatz, den die Kernenergie bereits in den 1950er Jahren übertroffen hatte (e). Es muss also eingeräumt werden, dass die Modelle von Marchetti nur begrenzt korrekt waren.

Abbildung 4: Im Jahr 2007 angepasstes Energie Substitutionsmodell von Marchetti

EXOGENE MARKTBEEINFLUSSUNG 

Die statistischen Daten der IEA (f) für den Zeitraum bis heute zeigen auch ein etwas anderes Bild der Entwicklung von f(t)/(1-f(t)) für Energietechnologien, das die Auswirkungen von Entscheidungen verdeutlicht, die der allein vom Markt vorgegebenen Entwicklung entgegenwirken. Abbildung 5 verdeutlicht dies für Biomasse und Kernenergie: Erstere scheint aus einer Phase des Rückgangs um 1960 hervorzugehen, die durch die öffentliche Meinung zugunsten erneuerbarer Energien ausgelöst wurde, während letztere nach einem recht kurzen Anstieg um das Jahr 2000 einen relativen Abschwung erfährt, der mit den Bedenken der Öffentlichkeit nach den Katastrophen von Tschernobyl (1986) und Fukushima (2011) zusammenhängt.

Exogene Einflüsse sind in der Entwicklung des Parameters f(t)/(1-f(t)) gut zu erkennen. Wären technologische Innovation und Marktmechanismen im Sinne von Fisher und Pry die bestimmenden Einflussfaktoren gewesen, so würde Abbildung 5 eher wie die Originalkurven von Marchetti aus Abbildung 3 aussehen. 

Exogene Einflüsse sind im Bereich des Energieträgers Öl besonders ausgeprägt. Ursprünglich wurde das Öl als Ersatz für Walöl gesucht. Mit der Einführung des Verbrennungsmotors stieg die Nachfrage rasch an, so dass ein neuer Markt entstand, der Nachfrage und Preis stark beeinflusste. Das Funktionieren des Ölmarktes als Kartell, das durch das Aschnacarry-Abkommen von 1928 zwischen Standard Oil of New Jersey, Royal Dutch Shell und der Anglo-Persian Oil Company geschaffen wurde, hielt den Rohölpreis trotz der wachsenden Nachfrage unter Kontrolle. Die Übernahme der Produktion durch die OPEC war ein exogener Faktor, der das Wachstum begrenzte und den Preis in die Höhe trieb. Jüngere Beispiele für exogene geopolitische Faktoren sind die Erderhitzungskrise (anthropogener Klimawandel) und die Kriegskrise in der Ukraine. All dies hat in der letzten Zeit zu einer sprunghaften Entwicklung des Ölpreises geführt. Abbildung 6 zeigt, wie schwierig es ist, Nachfrage und Preis zu korrelieren (g). 

BEEINFLUSSUNG DURCH DEN EUROPÄISCHEN GREEN DEAL

Die Europäische Union (EU) hatte nicht die Absicht, ihren Mitgliedstaaten eine Energieauswahl vorzuschreiben. Seit ihrer Gründung hat sie darauf geachtet, nicht vorzuschreiben, welche Primärenergie verwendet werden soll. In Artikel 194 Absatz 2 des Vertrags von Lissabon ist de jure festgelegt, dass die Mitgliedstaaten trotz der gemeinsamen Zuständigkeit für Energie die Freiheit haben, ihre eigenen Ressourcen zu nutzen und das zu verwenden, was ihnen passt. Seit 2020 wird diese Freiheit de facto immer mehr eingeschränkt. Die Europäische Kommission, die sich der Grenzen ihres Handelns im Bereich des Energiemixes bewusst ist, ordnet die Energiepolitik der Klimapolitik oder allgemeiner der Umweltpolitik unter. Dies hat zum EU Green Deal geführt, der eine technologische Entscheidung vorschreibt, die durch einen großzügigen Finanzierungsplan nach dem Covid-Programm noch verstärkt wird. 

Die Politik der Europäischen Kommission zur Reduktion des CO₂-Fussabdrucks zielt darauf ab, die Anstrengungen und Ressourcen der EU auf den relativ kleinen Sektor der volatilen und  intermittierenden erneuerbaren Energien (IRE) und der Biomasse zu konzentrieren, unter Ausschluss der Kernenergie, die einen CO₂-Fußabdruck von nahezu Null hat. Dies wird durch das lange Zaudern deutlich, das der jüngsten Annahme des delegierten Rechtsakts der Europäischen Kommission zur «Grünen Taxonomie» vorausging. Er zielte darauf ab, die souveräne Entscheidung einiger Mitgliedstaaten zugunsten der Kernenergie zu untergraben. Der Druck von 11 Mitgliedstaaten überwand den Widerstand der EU-Führung gegen den Einbezug der Kernenergie, aber die Zukunft der Kernenergie in Europa ist alles andere als klar, da der Prozentsatz der MdEP, die sich gegen diese grüne Taxonomie aussprachen, 43 % betrug (h). Der Realismus der Green-Deal-Politik ist fraglich und wurde in [9] ausführlich erörtert. 

In jedem Fall können hoheitliche und exogene Weichenstellungen, Entscheidungen erzwingen, wie die Beschlüsse des Europäischen Parlaments und des EU-Rats vom Juni 2022 über das vollständige Verbot von Verbrennerfahrzeugen bis 2035 zeigen. Dies führt zu einer wichtigen Frage: Sind die vorgeschlagenen Technologien langfristig die effizientesten? Und wenn ja, nach welchen Kriterien? Es gibt andere in der Entwicklung befindliche Technologien, die eine bessere Umweltleistung bieten könnten, aber da es einige Zeit dauern kann, bis sie vollständig ausgereift sind, muss diese wichtige Tatsache berücksichtigt werden. 

Dies ist der Fall bei der nuklearen Zukunft  mit KKW Gen-IV, dessen sich nur wenige europäische Politiker bewusst zu sein scheinen.

DER «LOCK-IN» BEI DER AKTUELLEN KERNENERGIE (GEN-II)

Ende Dezember 1942 führte ein Team von Physikern der Universität Chicago unter der Leitung von Enrico Fermi die erste Kettenreaktion durch, bei der das Phänomen der Kernspaltung genutzt wurde, dessen physikalische Eigenschaften damals bereits bekannt waren. Zu dieser Zeit diktierten die jeweiligen Bedürfnisse der Welt die Prioritäten. Mit Ende des Zweiten Weltkriegs und dem Beginn des Kalten Krieges gegen den Sowjetblock waren die Prioritäten militärischer Natur.

 Die Physiker waren sich bewusst, dass die Vielfalt der Kettenreaktionssysteme beträchtlich war, je nach Wahl des Moderators (i) (ein leichtes Element wie Wasserstoff, Deuterium oder Kohlenstoff) und des Kühlmittels (normales oder schweres Wasser, gasförmiges oder flüssiges Natrium). Der graphitmoderierte CP-1-Reaktor bot eine ausgezeichnete Neutronenökonomie, aber Graphit führte zu weniger kompakten Kraftwerken als wasser-moderierte. Die Neutronenökonomie von Leichtwasserreaktoren (k) (LWR) war dagegen weniger günstig als die von graphit- oder schwerwassermoderierten Reaktoren (D₂O). Da der Grössenvorteil ausschlaggebend war, wurden kleinere LWR für den Antrieb von U-Booten der US Navy gewählt [15,16]. Da die Industrie (Westinghouse, General Electric) an dem Programm beteiligt war, gehörten die später nachfolgenden grossen Leistungsreaktoren (Generation II und III – Gen-II/Gen-III) natürlich zur gleichen Technologie, die mit ca. 3-5%  ²³⁵ U angereichertes ²³⁸U benötigt. Das Vereinigte Königreich und Frankreich hatten sich zunächst für Natururan (U_nat ) und Graphitmoderator entschieden, während Kanada für seine CANDU-Linie (l) U_nat und schweres Wasser (D₂O) als Moderator wählten. Im Laufe der Zeit wurden von den Reaktorlinien, die U_nat zuliessen, nur die CANDU-Reaktoren beibehalten, während die französisch-englischen Reaktoren der französischen Graphit-Gas-Linie durch die LWR-Reaktoren verdrängt wurden. Dies veranlasste einige Forscher, die derzeitige Kerntechnik als „Lock-in“ zu betrachten [7]. 

KERNENERGIE DER ZUKUNFT (GEN-IV)

Im Jahr 2001 startete das US-Energieministerium (DOE) eine Initiative zur Ermittlung von Nukleartechnologien, die strenge Sicherheits-, Wirtschafts-, Umwelt- und Nichtverbreitungskriterien für die künftige Primärenergieerzeugung erfüllen. Es wurde eine Studiengruppe mit der Bezeichnung Generation-IV International Forum (GIF) gegründet. Mehrere Länder reagierten auf den Aufruf (m) und ermittelten sechs Technologieprinzipe, die diese Anforderungen erfüllen. Eine der sechs Technologien – die Salzschmelzreaktortechnologie (n) – war bereits in den 1950er Jahren Gegenstand von Experimenten im Oak Ridge Laboratory. Diese Technologie wird von den Herausgebern des Gen-IV-Fahrplans aus vielen Gründen als eine der attraktivsten und sichersten Nukleartechnologien angesehen (siehe [17]):

• Da sich kein Wasser im Reaktorkern befindet, ist das Risiko eines Kühlmittelverluststörfalls (LOCA), wie beim Unfall in Three Mile Island 1979, ausgeschlossen. Auch die Gefahr einer Wasserstoffexplosion durch die Zirkonium-Wasser-Reaktion, die an exponierten ungekühlten-Brennstabhüllrohren auftreten kann (ein Ereignis, das in Fukushima eintrat), ist damit ausgeschlossen. 
• Durch das Fehlen von Natrium (wie bei bestimmten Brüter-Reaktortypen) wird das Risiko stark exothermer chemischer Reaktionen vermieden. 
• Ein Druck nahe dem Atmosphärendruck, der flüssige Zustand des Brennstoffs und günstige, inhärente Neutroneneigenschaften (stark negativer Temperatur-Reaktivitätskoeffizient) tragen ebenfalls zur nuklearen Sicherheit bei. 
• Da sich der Brennstoff für MSR bei Betriebstemperaturen (∼700 °C) in der flüssigen Phase befindet, ist die Zufuhr von frischem Brennstoff einfacher als bei Festbrennstoffsystemen. Obwohl dies ein heikler Vorgang ist, ist eine regelmässige Zufuhr möglich, was bei Festbrennstoffsystemen nicht der Fall ist. Eine langfristige Reaktivitätsreserve ist daher nicht erforderlich, so dass die Gefahr eines Kritikalitätsunfalls vom Typ Tschernobyl ausgeschlossen ist. Ausserdem sind während des Betriebs des MSR keine Steuerstäbe nötig. 
• Die Zusammensetzung des geschmolzenen Salzes ist so beschaffen, dass der flüssige Zustand bis zu 1.400 °C aufrechterhalten werden kann, also weit über den Betriebswerten. Fällt die Temperatur des Salzes aus irgendeinem Grund unter 459 °C, die Schmelztemperatur des Lithium-Beryllium-Fluorids (LBF), aus dem es besteht, kommt es zur Erstarrung unter Zurückhaltung der Masse der nichtflüchtigen Spaltprodukte. 

Diese Eigenschaften wirken sich auch positiv auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage aus, da sie den Bedarf an aktiven Systemen zur Gewährleistung der Anlagensicherheit, wie sie in den derzeitigen LWR-Anlagen (Gen II/III) eingesetzt werden, verringern. Und schliesslich das eigentliche Interesse: Anlagen mit Salzschmelze und schnellem Neutronenspektrum würden den Weg zu einer Verringerung der nuklearen „Hypotheken“ der derzeitigen Leichtwasser-Reaktoren (an Plutonium und minoren Aktiniden mit sehr langen Halbwertszeiten) ebnen, die in letzterem Aspekt problematisch sind. Der Einsatz solcher «abgebrannter» LWR-Brennelemente jedoch als Brennstoffquelle in den MSR würde dabei den hohen Restenergiegehalt ausnutzen und eine höchst problematische Präsenz von Radioisotopen mit mehreren hunderttausend Jahren Halbwertszeit bei der Endlagerung in der Umwelt beseitigen.

Die Schlussfolgerungen des Gen-IV-Fahrplans werden weltweit (Nordamerika, Europa, Russland, China, Japan) zu einem enormen Wiederaufleben des Interesses an einer Kerntechnologie führen, die Anfang der 80er Jahre in einen Zustand der Lethargie verfallen war. Davon zeugen die zahlreichen F&E-Projekte, die in den nächsten 15 bis 20 Jahren zu konkreten Ergebnissen führen dürften (siehe [15, 16, 18]). Besonderes Augenmerk sollte auf die Projekte der Organisationen Moltex, Elysium und TerraPower gelegt werden. Dabei handelt es sich um drei Projekte für schnelle Reaktoren (Reaktoren mit schnellen Neutronen), die speziell auf die Erzeugung von Hochtemperatur-Primärenergie (Elektrizität und Prozesswärme) ausgerichtet sind, wobei nicht nur herkömmliche mineralische Ressourcen ²³⁵ U (und²³⁹ Pu, das aus dem bei der Umwandlung von²³⁸ U gewonnenen Pu entsteht), sondern auch der vorhandene Bestand an abgebrannten Brennelementen aus den derzeitigen LWR- und CANDU-Reaktoren mit dem darin enthaltenen Spektrum an spaltbaren Kernen genutzt werden. Dabei wird eine ökologisch nicht-nachhaltige Hypothek für die glühendsten Atomkraftgegner in eine effektive Energieressource umgewandelt, die bis zur Erschöpfung aller enthaltenen spaltbaren Kerne genutzt werden kann (Abbildung 7). 

Abbildung 7:  Flexibilität und Vorteile von Gen-IV

Dabei ist gerade die industrielle Wärmeerzeugung von grösster Bedeutung (o). In der Energiepolitik wird die Wärmenutzung zu oft vernachlässigt. Die Krise des Jahres 2022 in Deutschland hat diesen grundlegenden Bedarf an „Endenergie“, den die chemische Industrie dringend benötigt, endgültig deutlich gemacht. 94% des in Deutschland eingesetzten Erdgases wird für thermische Zwecke verwendet. 

Diese von der neuen Hochtemperatur-Kernreaktorgeneration IV erzeugte Wärme wird auch die Energiequelle für die thermische Zersetzung von Wasser in Wasserstoff sein, wenn Verbraucheranwendungen verfügbar werden (Abbildung 8). Die politische Forderung der EU im Green Deal nach einer raschen Wasserstoffproduktion aus volatilen und intermittierenden erneuerbaren Energien könnte schnell zu einem festgeschriebenen «Lock-in» werden – und die neue hocheffiziente nukleare Variante der Wasserstoffproduktion ausklammern. 

Abbildung 8: Kopplung von Kernkraft und Wasserstofferzeugung

IST EUROPA AUF DEM WEG ZU EINEM SCHÄDLICHEN «Lock-In»-Zustand? 

Die EU entstand auf der Grundlage der Verträge EGKS (1951) und Euratom (1958), die die Schaffung eines Binnenmarktes für Kohle und Stahl bzw. die Förderung der zivilen Kernenergie zum Ziel hatten. Bis vor kurzem war die Europäische Kommission die Hüterin und Förderin letzterer. Unter dem Einfluss einer sehr KKW-feindseligen Haltung Deutschlands hat sich die Kommission allmählich aus diesen Verträgen zurückgezogen. 

Mit ihrer Entscheidung, die erneuerbaren Energien „um jeden Preis“ zu fördern und sich nicht eindeutig für die Kernenergie auszusprechen, wie es der Euratom-Vertrag verlangt, schwächt die Europäische Kommission die europäische Entwicklung dieser Technologie auf Kosten der volatilen und intermittierenden erneuerbaren Energien. Sie läuft Gefahr, die Zukunft zugunsten der letzteren festzulegen, während mehrere Umweltindikatoren klarerweise für die Kernenergie sprechen. Dies gilt zum Beispiel für den ökologischen Fussabdruck (Flächenbedarf), den Materialbedarf (Beton, Metalle, Zement, Glas und andere Werkstoffe) sowie die Systemkosten. Im Gegensatz zu den volatilen und intermittierenden erneuerbaren Energien schaffen Kernreaktoren keine geopolitische Abhängigkeit von China, das den Markt für seltene Erden und andere Metalle, welche die erneuerbaren Energien benötigen, beherrscht, wie wir weiter unten sehen werden. Wir würden uns nicht nur durch einen «Lock-in» bei der KKW-Technologie einschränken, sondern auch unsere geopolitische Abhängigkeit wirklich vergrössern.

Tabelle 1 vergleicht den Leistungs-bezogenen «Fussabdruck» (ausgedrückt in m² /GW) von Kernkraftwerken und intermittierenden erneuerbaren Energiequellen auf der Grundlage von Daten, die über einen sehr grossen geografischen Bereich erhoben wurden ([19]). Intermittierende erneuerbare Energiequellen haben im Vergleich zu klassischen Energiequellen eine sehr geringe Leistungsdichte. Dies bedeutet, dass der Fussabdruck viel größer ist als bei Kernkraftwerken. Das Verhältnis hängt sowohl vom Standort als auch von der Technologie ab und liegt deshalb zwischen 200 und 1000.  

Tabelle 1: Flächen-Fussabdruck von drei Typen Kraftwerken

Abbildung 9 zeigt den grundlegenden Bedarf an spezifischen Werkstoffen (ohne Brennstoffressourcen) für die Umsetzung von Energieproduktionstechnologien, für nukleare und erneuerbare Energiequellen. Dieser Bedarf wird in Tausend Tonnen (Werkstoffsorte) pro produzierter TWh angegeben. Auch hier hat die Kernkraft Vorteile gegenüber den volatilen und intermittierenden erneuerbaren Energien. Trotz der beträchtlichen Mengen an Beton, die investiert werden, um die Sicherheit der Anlagen zu gewährleisten, sind diese leistungsbezogenen Mengen geringer als die, die für die Windenergie benötigt werden, und noch viel geringer als die, die in den Bau von Staudämmen investiert werden. Aufmerksamkeit verdienen auch die spezifischen Mengen an Metallen, Beton und Glas, die für die Solar-Photovoltaik benötigt werden. In absoluten Zahlen benötigt die Photovoltaik die meisten materiellen Ressourcen.

Abbildung 9: spezifische Werkstoffmengen für verschiedene Stromproduktionstechnologien

Nicht zuletzt wurden die Kosten dieser Technologien von der NEA-Agentur der OECD eingehend untersucht. In einem Bericht mit dem Titel „The Full Costs of Electricity Provision“ (Die Vollkosten der Elektrizitätsbereitstellung) stellt die Agentur eine Bestandsaufnahme der verschiedenen Anteile der Produktionskosten zusammen [21]. Dies ist besonders wichtig für die intermittierende Stromerzeugung (Wind, Photovoltaik), bei der es im Falle einer längeren Unterbrechung zu Versorgungsproblemen kommt. Um die Versorgung gemäss Nachfrage zu gewährleisten, müssen die volatilen und intermittierenden erneuerbaren Energien durch «steuerbare Mittel» ersetzt werden, die ihrerseits Kosten verursachen und deren Rentabilität nicht unbedingt optimal ist. Alle diese Elemente, die die Versorgungssicherheit gewährleisten, sind (unter Kostengesichtspunkten) in das einzuordnen, was die NEA als „Systemkosten“ bezeichnet. Mehr noch als die Produktions-, Betriebs- und Wartungskosten sind es die Systemkosten, die den Unterschied zwischen diesen verschiedenen Technologien (steuerbare und intermittierende) ausmachen. Dies wird in Abbildung 10 aus dem Bericht [21] veranschaulicht. Die Systemkosten (in US$/MWh) werden für steuerbare (fossile, nukleare) und intermittierende (Wind, Solar PV) Technologien für zwei Durchdringungsraten der letzteren im Elektrizitätssystem dargestellt. Es ist zu beachten, dass sich die Systemkosten aus verschiedenen Elementen zusammensetzen, nämlich Anschluss-, Übertragungs- und Verteilungskosten, Netzausgleichs- und Nutzungskosten.  

Abbildung 10: Systemkosten von unterschiedlichen Stromproduktionstechnologien

Es ist nicht überraschend, dass die kontrollierbare Produktion die wirtschaftlich interessanteste ist.

Alle drei Vergleichselemente (Fussabdruck, Materialien und Kosten) weisen in dieselbe Richtung: Die Kerntechnik ist den volatilen und intermittierenden erneuerbaren Energien vorzuziehen. Natürlich wurde in den erwähnten Studien zur Bewertung der verschiedenen Parameter die bisherige Gen-II-Technologie verwendet. Die bevorstehende Einführung von Gen-IV dürfte die Schlussfolgerungen nicht grundlegend ändern. Und wie bereits erwähnt, dürfte die inhärente Sicherheit der künftigen Kernkraft diese Technologie noch attraktiver machen. Die grösste Hürde, die es zu überwinden gilt, wird die psychologische sein, da die Bevölkerung von instinktiver Angst vor Strahlung durchdrungen ist. 

SCHLUSSFOLGERUNG 

Die Entwicklung und der „Übergang“ von Technologien sind Prozesse, die Zeit brauchen. Dafür gibt es viele Gründe: technische, kommerzielle oder andere. Die großen Erfolge der Vergangenheit lassen uns heute vergessen, dass die Dinge zu ihrer Zeit alles andere als einfach waren und dass es aus vielen, auch kommerziellen Gründen, sehr oft Widerstand gegen Veränderungen gab. Dies war insbesondere zu Drakes Zeiten (1859) der Fall, zu Beginn der industriellen Ära des Steinöls (p), eines Konkurrenten von Kohleöl, Terpentin und Walöl, insbesondere für die Beleuchtung (siehe [5]). Die Verwendung dieses Rohstoffs setzte sich schliesslich im Verkehrssektor durch. 

Im Falle der in dieser Studie beleuchteten Gen-IV-Kernkraft hängt die erforderliche Zeitdauer für den künftigen Einsatz dieser Technologie mit ihrer Feinabstimmung zusammen. Ihre Vorteile gegenüber den Gen-II- und Gen-III-Technologien sind bekannt, und die bisherigen erfolgreichen Pilotumsetzungen verstärken die Attraktivität dieser neuen Technologie noch. Die grösste Hürde, die es zu überwinden gilt, wird die psychologische sein, da die westliche Öffentlichkeit instinktiv Angst vor Strahlung hat.

Diese Befürchtung ist bei weitem nicht allgemeingültig: Was wird die EU tun, wenn sich bestätigt, dass in 20 Jahren der Rest der Welt, der sich nicht an der „Monokultur“ der volatilen und intermittierenden erneuerbaren Energien beteiligt hat, eine ernsthafte Vorreiterrolle bei diesen neuen Technologien übernommen hat, die nicht mit den Hauptmängeln der derzeitigen Anlagen – Unfallrisiken, langlebige Abfälle – behaftet sind und eminent vorteilhafte Umweltqualitäten aufweisen? Diese Möglichkeit zu ignorieren, bedeutet, einen verhängnisvollen technologischen «Lock-in» zu schaffen, den künftige Generationen bei uns dann bedauern könnten. Paradoxerweise werden es dann vor allem ökologische Gründe sein …

ERKLÄRUNGEN INNERHALB DES TEXTES

(a)Griechisches Wort, das von Biologen übernommen wurde und die Eigenschaft von Systemen beschreibt, sich selbst zu verändern.

(b) Angelsächsische Autoren, die sich mit dem Thema befasst haben, sprechen von einem „technological Lock-in“. 

(c) Bei der Anordnung der Buchstaben auf der Tastatur wurde die Statistik der Buchstabenabfolge berücksichtigt, um zu vermeiden, dass die Arme, die die Schriften tragen, beim Schreiben zusammenstoßen. Heute ist dies völlig überholt, aber die für den mechanischen Gebrauch konzipierte Tastatur ist für den digitalen Gebrauch erhalten geblieben

 (d) Thomas Edison und Henry Ford waren befreundet und saßen in den Aufsichtsräten des jeweils anderen. Seit 1899 wetteiferten Edison bei der Entwicklung des Elektroautos und Ford bei der Entwicklung des Verbrennungsautos. Edison erkannte schließlich an, dass sein Freund mit seinem Erfolg beim Ford T im Jahr 1908 gewonnen hatte.

(e) Die EU hat im Juni 2022 beschlossen, den Verkauf neuer Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor bis 2035 zu verbieten.

(f) Im Jahr 2018 entfielen nur 2,5 % des Primärenergieverbrauchs in der EU-27 auf Wind- und Solarenergie, wie in der Mitteilung [14] erwähnt. 

(g) Internationale Energieagentur

(h) Für eine ausführliche Behandlung dieses Themas siehe Samuel Furfari ‚Oil, between monopolies and free market‚, in ‚Beyond Market Assumptions: Oil Price as a Global Institution“, herausgegeben von Andrei V. Belyi, Springer, 2020

(i) 278 Gegenstimmen, 33 Enthaltungen und 328 Ja-Stimmen.

(j) Ein Stoff, der durch elastischen Zusammenstoß mit Neutronen deren kinetische Energie verringert und die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass sie eine Spaltung verursachen, wenn sie in einem²³⁵ U-Kern eingefangen werden.

(k) Normales Wasser H₂O im Gegensatz zu schwerem Wasser mit Deuterium (D₂ 0).

(l) Akronym für CANada Deuterium Uranium

(m) Argentinien, Brasilien, Kanada, Frankreich, Japan, Südkorea, Südafrika, das Vereinigte Königreich und die Vereinigten Staaten, später auch die Schweiz, die EU, China, Russland und Australien

(n) Salzschmelzenreaktoren – MSR

(o) Wir haben diese Frage in Samuel Furfari und Ernest Mund, „Renewable energy in the EU: From perception to reality“, [14] behandelt.

(p) Etymologie des Wortes „PetroL»

REFERENZEN

11. S. Butler, „Erewhon„, 1872, 272 Seiten, Penguin Classics, 2000.
12. W.B. Arthur, „Die Natur der Technik – Was sie ist und wie sie sich entwickelt„, Penguin, 2009.
13. W. B. Arthur, „Competing Technologies, increasing returns, and Lock-in by historical events„, The Economic Journal, Band 99, 116-131, 1989,
14. P. A. David, „Clio and the economics of QWERTY„, American Economic Review, 75, 332-337, 1985,
15. R. Rhodes, „Energy – A human history„, Simon Schuster, 2018,
16. R. Cowan, S. Hulten, ‚Escaping Lock-in: The case of the electric vehicle„, Technological Forecasting and Social Change, Band 53, 61-79, 1996,
17. R. Cowan, „Nuclear Power Reactors: A Study in Technological Lock-in„, The Journal of Economic History, Band 50, 541-567, 1990, 
18. J. C. Fisher, R.H. Pry, ‚A Simple Substitution Model of Technological Change‚, Technological Forecasting and Social Change, Band 3, 75-88, 1971,
19. S. Furfari, E. Mund, ‚Is the European green deal achievable? ‚, European Physical Journal Plus, 136:1101, 2021,
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Übersetzung : Johannis Nöggerath, Dr. in Physik, Mitglied des Vorstands des Carnot-Cournot-Netzwerks. www.c-c-netzwerk.ch

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