Elektromobilität Fusionstechnologie könnte in Zukunft Bedarf an nachhaltigem Strom decken

Von Thomas Forner *

Immer mehr Elektroautos auf unseren Straßen wollen mit Strom versorgt werden! Wie aber lässt sich dieser enorme Strombedarf nachhaltig decken? Mit Fusionstechnologie meinen die Entwickler vom Startup Focused Energy.

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Kernfusion könnte schon in naher Zukunft den steigenden Bedarf an klimafreundlichem und erschwinglichem Strom decken – ganz ohne schädliche Emissionen. Vor allem für die Elektromobilität ist diese Art der Energiegewinnung von Vorteil.
Kernfusion könnte schon in naher Zukunft den steigenden Bedarf an klimafreundlichem und erschwinglichem Strom decken – ganz ohne schädliche Emissionen. Vor allem für die Elektromobilität ist diese Art der Energiegewinnung von Vorteil.
(Bild: Focused Energy)

Gute Nachrichten: Die Zahl der in Deutschland zugelassenen E-Fahrzeuge steigt beständig. Zusätzlich hat die neue Bundesregierung das Ziel gesetzt, die Anzahl der in Deutschland zugelassenen E-Fahrzeuge bis 2030 von 560.000 auf satte 15 Millionen zu erhöhen.

Immer wieder wird da die Frage laut, ob die Stromproduktion in Deutschland ausreichend ist, um all diese Fahrzeuge auch mit Strom zu versorgen. Laut dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMU) lautet die Antwort auf diese Frage eindeutig Ja.

Selbst wenn nur alle 48 Millionen Pkws, die aktuell hierzulande zugelassen sind, vollelektrifiziert würden, bedürfe es hierfür hoch geschätzt rund 90 TWh im Jahr. Das ist weniger als ein Sechstel der momentanen Bruttostromerzeugung in Deutschland. Dies geht aus Berechnungen der Bundesbehörde hervor. Die Herausforderung liegt vielmehr darin, das Stromnetz entsprechend anzupassen, insbesondere auf Verteilnetzebene (Stichwort: Smart Grid).

E-Fahrzeuge mit nachhhaltig erzeugtem Strom betreiben

Für die Ökobilanz von E-Fahrzeugen ist es wichtig, dass die Fahrzeuge mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen geladen werden können. Jedoch besteht eine weitere Herausforderung der erneuerbaren Energien darin, dass sie teils stark von äußeren Faktoren abhängig sind.

Das betrifft vor allem die zwei wohl bekanntesten Quellen, Wind- und Solarenergie. So haben zum Beispiel die Windverhältnisse und die Intensität und Dauer des Sonnenscheins Einfluss darauf, wieviel Energie gewonnen und ins Netz gespeist werden kann.

Gerade daher ist es wichtig, auch an alternativen Ansätzen zu forschen. Denn: die Nachfrage nach Strom aus erneuerbaren Energien steigt im Allgemeinen, nicht nur bezogen auf die E-Mobilität. Welche Möglichkeiten gibt es also eine stabile Versorgung mit nachhaltig produziertem Strom zu sichern? Hier tut sich eine bisher noch weniger weitläufig bekannte Methode auf. Energiegewinnung aus Kernfusion oder genauer: aus laserinduzierter Trägheitsfusion.

Kann die Kernfusion Strom für Elektroautos liefern?

Laserinduzierte Trägheitsfusion basiert auf dem Prinzip der Kernfusion. Bei letzterer verschmelzen zwei leichte Wasserstoffkerne zu einem schwereren Heliumkern. Aus diesem Prozess gewinnt zum Beispiel auch die Sonne ihre Energie. Dabei wird über eine Million Mal mehr Energie frei als bei der Verbrennung fossiler Energieträger.

Basierend auf modernster Lasertechnik und sogenannten „Targets“ (Kugeln von etwa einem Millimeter Größe) wird eine Fusion angeregt. Die Targets werden mit dem Laser beschossen, was dazu führt, dass sich der Brennstoff im Inneren durch die schnelle Energiezufuhr verdichtet und aufheizt. Dadurch verdampft die äußere Schicht des Brennstoffs, meist eine speziell für diesen Zweck aufgebrachte dünne Kunststoffschicht, und stößt sich im gleichen Schritt vom noch verbleibenden Brennstoff ab. Dieser wird durch die Abstoßung der Teilchen voneinander konzentrisch zusammengedrückt. Bei ausreichend starkem Druck kommt es so zur Zündung und die Atomkerne fusionieren. Dieser Prozess setzt dann wiederum Energie frei, die – ähnlich wie bei der Kernspaltung auch – zur Verdampfung von Wasser genutzt wird. Der daraus entstehende Dampf treibt eine Turbine an, die dann klimafreundlichen Strom erzeugt und ins Netz einspeist.

Dieser Prozess ist jedoch hochempfindlich und eine Fusion mit hoher Energieausbeute ist nur schwer zu erreichen. Erst im August 2021 gelang es Wissenschaftler*innen der National Ignition Facility (NIF) des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) aus Kalifornien erstmals fast genauso viel Fusionsenergie zu erzielen, wie eingangs an Laserenergie aufgewendet werden musste.

Neues Verfahren von Darmstädter Startup

Die Methode der laserinduzierten Trägheitsfusion kann um das Prinzip der Proton Fast Ignition (PFI) erweitert werden. Durch die Kombination von laserinduzierter Trägheitsfusion mit PFI wird im Optimalfall 200-mal mehr Energie frei, als eingangs durch die Verwendung von Lasern eingespeist werden muss, um die Fusion zu ermöglichen.

So kann eine stabile Versorgung mit klimafreundlicher Energie gewährleistet werden, die unter anderem auch als Grundlage für die Stromversorgung von E-Mobilität von Bedeutung ist. Das in Darmstadt ansässige Unternehmen Focused Energy tut sich hier mit einem vielversprechenden Ansatz hervor. Das Climate Tech Startup hat sich das Ziel gesetzt, noch in diesem Jahrzehnt eine Zündung zu erreichen, bei der die Energieausbeute größer ist als die zu Beginn aufgewandte Laserenergie, die die Reaktion in Gang setzt.

Bei der von Prof. Dr. Markus Roth (einer der Gründer und CSO von Focused Energy und ehemaliger Forscher am LLNL) erfundenen Methode der PFI werden den Targets mittels eines weiteren Lasers zusätzlich Protonen zugeführt, die die Zündung im komprimierten Fusionsbrennstoff erleichtern, da weniger Druck auf die Teilchen ausgeübt werden muss. Im Moment der Kompression des Targets werden ein weiterer Laser sowie ein sogenannter Konus (eine Art Trichter) mit einer dünnen Folie im Inneren eingesetzt.

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Der Laser beschleunigt die Protonen auf der Rückseite der Folie in Richtung des Targets. Die Protonen fliegen demnach ins Target, deponieren dort Energie und setzen die Zündung in Gang. PFI wirkt etwa vergleichbar so, wie eine Zündkerze im Benzinmotor und stabilisiert somit den Prozess der Trägheitsfusion. Das wiederum ermöglicht eine höhere Energieausbeute. Focused Energy zielt auf einen Strompreis von 5 bis 15 Cent pro Kilowattstunde. Schon die 15 Cent wären weniger als die Hälfte des aktuellen Durchschnittstrompreises in Deutschland. Diese günstigen Preise kommen somitwieder dem steigenden Bedarf an Strom für die wachsende Elektromobilität zugute. Die Möglichkeit, ein E-Fahrzeug günstig zu laden zu können, ermutigt zum Umstieg von Verbrenner auf Vollstromer.

Im Vergleich: Kernspaltung und Kernfusion.
Im Vergleich: Kernspaltung und Kernfusion.
(Bild: Focused Energy)

Fortschritte bei modernsten Hochleistungslasern

Insbesondere die Fortschritte in der Entwicklung modernster Hochleistungslaser in den letzten Jahren ermöglichen nun die Kommerzialisierung von klimafreundlicher Energie aus laserinduzierter Trägheitsfusion. Focused Energy arbeitet eng mit der Technischen Universität Darmstadt zusammen und plant bereits den Bau einer ersten Laser-Versuchsanlage, die als Prototyp für kommende Fusionskraftwerke dienen soll. Bereits im kommenden Jahrzehnt soll es einen Fusionsreaktor geben, der klimafreundlich produzierten Strom ins Netz einspeisen wird.

* Thomas Forner ist Gründer und CEO von Focused Energy, Inc.

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