Fusionsenergie: Warum Europa und die USA das Rennen verlieren könnten

Fusionsenergie hat das Potenzial, unsere geopolitische Landschaft, die sich noch immer um fossile Energieträger dreht, grundlegend zu verändern. Ein Durchbruch hier würde endlich Energieunabhängigkeit, Energiesicherheit und Energiefülle liefern, die für die modernen Industrie- und Dienstleistungssektoren erforderlich sind. Klar ist aber auch: Die Technologie wird von jenen Ländern kontrolliert werden, denen sowohl die Entwicklung der erforderlichen komplexen Lieferketten als auch der Bau entsprechender Kraftwerke in ausreichender wirtschaftlicher Größe gelingt.

Fusionsenergie: Wo die USA und der Westen noch investieren müssen

Die USA und die anderen westlichen Länder müssen daher neben der Entwicklung der Grundlagen für praktische Fusionskraftwerke auch starke Lieferketten für eine Reihe neuer Technologien aufbauen. Denn Investitionen in solche Lieferketten und die Skalierung komplexer Produktionsprozesse sind zunehmend eine Stärke Chinas. Gleichzeitig sind sie seit Jahrzehnten eine Schwäche des Westens, was zur Abwanderung vieler wichtiger Industrien aus dem Westen nach China geführt hat. Mit der Fusionsenergie laufen wir Gefahr, dass sich die Geschichte wiederholt.

Eigentlich muss das nicht sein: Die USA und Europa waren die dominierenden öffentlichen Geldgeber für die Fusionsenergieforschung und sind die Heimat vieler weltweit wegweisender Projekte des Sektors aus der Privatwirtschaft. Der Westen hat also viele der grundlegenden Technologien entwickelt, die die Fusionsenergie nutzbar machen könnten. Doch China holt auf: In den vergangenen fünf Jahren wurde die Fusionsenergie mit Investitionen massiv gestärkt.

Die industrielle Basis, die Chinas aufstrebender Fusionsenergieindustrie zur Verfügung steht, könnte es dem Land nun ermöglichen, die Lernkurve viel schneller und effektiver zu nehmen als einst der Westen. Die Kommerzialisierung erfordert Know-how, spezielle Fähigkeiten und ergänzende Ressourcen, darunter besagte Lieferketten und Arbeitskräfte in angrenzenden Branchen. Insbesondere im Vergleich zu China haben die USA und Europa die für eine Fusionsindustrie erforderlichen industriellen Ressourcen – wie Dünnschichtverarbeitung und Leistungselektronik – deutlich zu wenig gefördert. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen die USA, ihre Verbündeten und Partner nicht nur stärker in die Fusionsenergie selbst investieren, sondern auch in die angrenzenden Technologien, die für die industrielle Basis von entscheidender Bedeutung sind.

Chinas Fusionsenergie setzt auf das Konzept Tokamak

Chinas Weg zur Dominanz und Ideen für den Westen, wettbewerbsfähig zu bleiben, lassen sich anhand der derzeit vielversprechendsten wissenschaftlichen und technologischen Ansätze zur Erzeugung von Fusionsenergie im stromnetzrelevanten Maßstab verstehen. Dieser Weg basiert auf dem Tokamak, einer Technologie, bei der ein Magnetfeld ionisiertes Gas – Plasma genannt – einschließt und schließlich Kerne verschmilzt. Bei diesem Prozess wird Energie freigesetzt, die von Wärme in Elektrizität umgewandelt werden kann. Tokamaks bestehen aus mehreren kritischen Systemen, darunter Plasmaeinschluss und Plasmaheizung, die notwendige Brennstoffproduktion und -verarbeitung, sogenannte Blankets samt Wärmeflussmanagement sowie Energieumwandlung.

Ein genauer Blick auf die für den Bau dieser kritischen Systeme erforderlichen verwandten Branchen zeigt deutlich den Vorsprung Chinas und gibt gleichzeitig einen Einblick in die Herausforderungen beim Aufbau einer industriellen Basis für die Fusionsenergie in den USA oder Europa. China ist in drei von sechs Schlüsselindustrien für diesen Bereich führend. Der Westen läuft gleichzeitig Gefahr, in zwei weiteren Industrien seine Führungsposition zu verlieren. Chinas industrielle Stärke in den Bereichen Dünnschichtverarbeitung, großen Metalllegierungsstrukturen und Leistungselektronik bildet eine solide Grundlage für den Aufbau der vorgelagerten Lieferkette für die Fusionsenergie.

Die Bedeutung der Dünnschichtverarbeitung wird im Plasmaeinschlusssystem deutlich. Tokamaks verwenden starke Elektromagnete, um das Fusionsplasma an Ort und Stelle zu halten, und die Magnetspulen müssen aus supraleitenden Materialien hergestellt werden. Seltenerd-Barium-Kupferoxid-Supraleiter (REBCO) sind die leistungsfähigsten Materialien, die in ausreichender Menge für den Einsatz in der Fusionsenergie verfügbar sind.

Die REBCO-Industrie, die auf Dünnschichttechnologien angewiesen ist, hat derzeit aber geringe Produktionsmengen, die sich auf weltweit verteilte Hersteller aufspalten. Mit dem Wachstum der Fusionsenergieindustrie wird sich die Produktionsbasis für REBCO jedoch wahrscheinlich auf diejenigen Industrieunternehmen konzentrieren, die schnell von Skaleneffekten profitieren können. China ist heute weltweit führend in der Dünnschicht-Großserienfertigung von Solarzellen und Flachbildschirmen und verfügt über die entsprechenden Fachkräfte, den notwendigen Werkzeugbau, die Infrastruktur und die vorgelagerte Materialversorgungskette. Ohne erhebliche Aufmerksamkeit und Investitionen seitens des Westens ist China hervorragend positioniert, um die Dünnschichtverarbeitung von REBCO für Fusionsenergiemagnete zu dominieren.

Konstruktion in XL und Metalllegierungen

Das ist nicht alles: Die Elektromagnete in einem Tokamak in Originalgröße sind so hoch wie ein dreistöckiges Gebäude. Um diese Elektromagnete um den großen Vakuumbehälter herum zu halten, der das magnetisch eingeschlossene Plasma physisch enthält, sind Konstruktionen aus starken Metalllegierungen erforderlich. Ähnliche groß dimensionierte, komplexe Metallkonstruktionen werden für den Schiffbau, die Luft- und Raumfahrt, die Öl- und Gasinfrastruktur sowie für Turbinen benötigt. Für Fusionskraftwerke werden jedoch neue Legierungen notwendig, die strahlungsbeständig sind, kryogenen Temperaturen standhalten und korrosionsbeständig bleiben. Chinas Fertigungskapazitäten und seine metallurgische Forschung versetzen das Land in eine gute Position, um andere globale Anbieter bei der Herstellung der erforderlichen Speziallegierungen und deren Verarbeitung zu komplexen Strukturen für die Fusionsenergie zu übertrumpfen.

Der Westen hat noch Chancen in der Fusionsenergie

Ein Tokamak erfordert weiterhin eine gigantische Leistungselektronik. Auch hier dominiert China. Ähnliche Systeme finden sich in der Infrastruktur von Hochgeschwindigkeitsbahnzügen (HSR), in Microgrids für Stromnetze und in Lichtbogenöfen. Bis 2024 hatte China über 48.000 Kilometer HSR-Strecken in Betrieb genommen. Das ist dreimal so viel wie das europäische HSR-Netz und 55-mal so lang wie das Acela-Netz in den USA, das langsamer ist als das der Chinesen. Zwar sind auch andere Länder in diesem Bereich vertreten, doch verfügt China über neuere Fachkenntnisse, die in größerem Umfang angewendet werden. Aber: Der Westen hat noch immer die Chance, in den drei anderen für die Fusionsenergielieferkette wichtigen Branchen die Führung zu übernehmen. Das sind Kryoanlagen, Brennstoffverarbeitung und Blankets.

Die Elektromagnete in einem funktionsfähigen Tokamak müssen auf kryogenen Temperaturen von etwa 20 Kelvin gehalten werden, um ihre Supraleitfähigkeit zu halten. Dies erfordert große Kühlungsanlagen mit einer Leistung von mehreren Megawatt. Hier ist noch nicht klar, welches Land am besten aufgestellt ist, um die Branche anzuführen. Die beiden weltweit größten Anbieter von Kryoanlagen sind die europäischen Unternehmen Linde Engineering und Air Liquide Engineering; in den USA sind Air Products and Chemicals und Chart Industries vertreten. Aber sie sind nicht allein: Zu den chinesischen Marktführern im Kryobereich zählen Hangyang Group, SASPG, Kaifeng Air Separation und SOPC. Jede dieser Weltregionen verfügt bereits über eine industrielle Basis, die skaliert werden könnte, um die Anforderungen der Fusionsenergie zu erfüllen.

Die Brennstoffproduktion ist ein noch junger Teil der Technik, der Verarbeitungstechnologien für leichte Isotopengase – Wasserstoff, Deuterium und Tritium – erfordert. Einige Verfahren werden bereits in kleinem Maßstab in der Medizin, bei der Herstellung von Wasserstoffwaffen und in der wissenschaftlichen Forschung in den USA, Europa und China eingesetzt. Der für die Fusionsenergieindustrie erforderliche Maßstab ist jedoch in der heutigen industriellen Basis nicht vorhanden, was eine große Chance für Erstentwickler der erforderlichen Fähigkeiten darstellt.

Ebenso bieten Blankets und Wärmeflussmanagement eine Chance für den Westen. Blankets sind das Medium, mit dem Energie aus der Fusionsreaktion absorbiert und Tritium erzeugt wird. Für Blankets im kommerziellen Maßstab wird eine völlig neue Technologie erforderlich. Bislang verfügt keine der angrenzenden Branchen über relevante kommerzielle Fachkenntnisse in den Bereichen flüssiges Lithium, Lithium-Blei-Eutektika oder fusionsspezifische Schmelzsalze, die für die Blanket-Technologie erforderlich sind. Einige sich überschneidende Verfahren befinden sich in der frühen Entwicklungsphase in der Atomindustrie. Als weltweit größter Produzent von Beryllium haben die USA die Chance, hier eine Führungsrolle zu übernehmen, da dieses Element ein Schlüsselelement in führenden Konzepten für Fusionsenergieblankets ist. Die Verwendung von Beryllium muss jedoch mit Technologieentwicklungsprogrammen für die anderen Spezialkomponenten einhergehen.

Peking hat die Möglichkeiten erkannt

Die sechs genannten Branchen werden für die Skalierung der Fusionsenergie von entscheidender Bedeutung sein. In einigen Bereichen, wie der Dünnschichtverarbeitung und großen Metalllegierungsstrukturen, hat China bereits einen beträchtlichen Vorsprung. Entscheidend ist, dass die Volksrepublik die Bedeutung dieser angrenzenden Branchen erkannt hat und sie aktiv für seine Fusionsenergiebemühungen nutzt.

So hat China beispielsweise ein Konsortium ins Leben gerufen, dem Industriegiganten aus den Bereichen Stahl, Werkzeugmaschinen, Stromnetze, Stromerzeugung und Luft- und Raumfahrt angehören. Für den Westen wird es äußerst schwierig sein, in diesen Bereichen aufzuholen. Politische Entscheidungsträger und Wirtschaftsführer müssen aufmerksam sein und versuchen, robuste, alternative Lieferketten aufzubauen.

Als industrielles Kraftzentrum könnten Kryoanlagen weiterhin eine Chance für die Führungsrolle des Westens sein. Die Stärkung der westlichen Kryoanlagenproduktion etwa durch die Schaffung einer Nachfrage nach mehr Erdgasverflüssigung wäre ein großer Segen für die zukünftige Lieferkette für Kryoanlagen, die die Fusionsenergie unterstützen.

Die USA und die europäischen Länder haben auch die Chance, in den aufstrebenden Industriebereichen der Brennstoffverarbeitung und der Blanket-Technologien eine Führungsrolle zu übernehmen. Dazu müssen die politischen Entscheidungsträger mit den Unternehmen arbeiten, um sicherzustellen, dass öffentliche und private Mittel für diese wichtigen neuen Lieferketten bereitgestellt werden. Die Regierungen müssen möglicherweise als Erstkunden fungieren und Fremdkapital für bedeutende Kapitalinvestitionen bereitstellen.

Japan und Südkorea sollen helfen

Der Westen könnte auch mehr tun, um Anreize für privates Kapital und Eigenkapitalfinanzierung zu schaffen, beispielsweise durch eine günstige Besteuerung von Kapitalerträgen aus Fusionsenergie. In den Bereichen der Dünnschicht- und Metalllegierungsproduktion werden die USA und Europa wahrscheinlich Partner wie Südkorea und Japan benötigen, die über die industrielle Basis verfügen, um weltweit mit China konkurrieren zu können.

Die Notwendigkeit, mehrere Branchen und Lieferketten miteinander zu verbinden und zu kapitalisieren, erfordert langfristiges Denken und eine klare Führung. Ein Fokus auf die Nachfrageseite dieser komplementären Branchen ist unerlässlich. Die Fusionsenergie ist, schätzen Beobachter, noch gut ein Jahrzehnt von der Industriereife entfernt, daher muss ihre Lieferkettenbasis risikolos gestellt und kurzfristig rentabel gestaltet werden, indem man sich auf andere primäre Nachfragemärkte konzentriert, die zu unserer wirtschaftlichen Vitalität beitragen. Um nur einige zu nennen: Die Politik kann die Modernisierung des Stromnetzes unterstützen, um die Binnennachfrage nach Leistungselektronik und die heimische Halbleiterfertigung zur Unterstützung der Dünnschichtverarbeitung anzukurbeln.

Der Westen muss sich auch auf die Nachfrage nach Energieerzeugung selbst konzentrieren. Als weltweit größter Energieverbraucher wird China die Nachfrage seines riesigen Binnenmarktes nutzen, um die Lernkurve schnell zu nehmen und nationale Marktführer zu stärken. Diese Strategie hat China lange mit großem Erfolg eingesetzt, um die globale Fertigung zu dominieren, zuletzt in der Elektrofahrzeugindustrie. Insgesamt waren Investitionen sowohl auf der Angebots- als auch auf der Nachfrageseite eine erfolgreiche Strategie für China.

Der Wettbewerb um die Zukunft der Fusionsenergie hat also begonnen. Jetzt ist es an der Zeit, dass die USA und ihre westlichen Verbündeten in das grundlegende Innovationsökosystem investieren, das für eine dynamische und resiliente industrielle Basis erforderlich ist, um uns diese Zukunft zu sichern.

Dieser Beitrag ist zuerst bei t3n.de erschienen.

(jle)