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Ausbau von Kernkraftwerken entbehrt technischer und ökonomischer Grundlagen

DIW Wochenbericht 10 / 2023, S. 111-121

Alexander Wimmers, Fanny Böse, Claudia Kemfert, Björn Steigerwald, Christian von Hirschhausen, Jens Weibezahn

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  • Studie untersucht Rentabilität und technologische Umsetzbarkeit von Reaktorkonzepten weltweit
  • Trotz bevorstehenden Atomaustiegs auch in Deutschland Debatte über neue Reaktorkonzepte
  • Bestehende und geplante Kraftwerksprojekte sind unwirtschaftlich, auch technischer Durchbruch nicht zu erwarten
  • Umdenken in Energiesystemanalyse zugunsten erneuerbarer Energien weg von Atomenergie
  • Forderungen in Deutschland nach Forschungsförderung für den Neubau von Kernkrafwerken sind Irrweg

„Atomenergie war, ist und bleibt unrentabel und technologisch riskant. Daran ändern auch angeblich neuartige Reaktorkonzepte nichts, die de facto ihren Ursprung in der Frühzeit der Atomenergie in den 1950/60er Jahren haben.“ Alexander Wimmers

In Deutschland gehen die letzten drei Kernkraftwerke Mitte April endgültig vom Netz. Die Energiekrise infolge des russischen Angriffskriegs in der Ukraine hat allerdings auch hierzulande Forderungen nach dem Bau neuer Kernreaktoren angeheizt. Eine ähnliche Debatte wird im Kontext der Klimakrise auch international geführt. Atomenergie war aber schon seit den 1950er Jahren eine der teuersten Energiequellen und ist dies bis heute. Zudem ist sie keine zeitnahe Lösung, da der Bau der Reaktoren Jahrzehnte dauert. Auch technisch ist kein signifikanter Durchbruch zu wettbewerblichen Reaktoren absehbar. Dies gilt sowohl für SMR (Small Modular Reactor)-Konzepte mit geringer Leistung als auch für andere, wie zum Beispiel schnelle Brutreaktoren. Diese Erkenntnis setzt sich inzwischen auch in Fachkreisen der Energiesystemmodellierung durch, in denen bisher aufgrund überoptimistischer Annahmen stets ein wesentlicher Anteil an Atomenergie vorhergesagt und erneuerbare Energien vernachlässigt wurden.

Am 15. April 2023 werden in Deutschland die letzten drei Kernkraftwerke abgeschaltet: „Emsland“ in Niedersachsen, „Isar-2“ in Bayern und „Neckarwestheim-2“ in Baden-Württemberg. Damit endet die Ära der kommerziellen Nutzung von Atomenergie in Deutschland. Im Fokus stehen nun der Rückbau von Kernkraftwerken sowie die Suche nach sicheren Zwischenlagern und einem Endlager für radioaktive Abfälle. Die in Deutschland und weltweit mit der Entwicklung kommerzieller Kernkraftwerke seit den 1950er Jahren verbundene Hoffnung, einen kostengünstigen und technologisch innovativen Energieträger zu entwickeln, hat sich nicht bewahrheitet. Vielmehr ist die ursprüngliche Idee zur Entwicklung einer Plutoniumwirtschaft,infoGlen T. Seaborg (1970): The Plutonium Economy of the Future. Santa Fe, New Mexico (online verfügbar, abgerufen am 23. Februar 2023. Dies gilt auch für alle anderen Online-Quellen dieses Berichts, sofern nicht anders vermerkt). also der Herstellung einer fast unbegrenzten Menge kostengünstigen Spaltstoffs durch einen geschlossenen Brennstoffkreislauf, gescheitert. Im Gegenteil ist Strom aus Kernkraftwerken mit Abstand der teuerste – und das seit Beginn des Atomzeitalters in den 1950er Jahren bis heute. Die Atomenergie war und ist nicht wettbewerbsfähig gegenüber alternativen Stromerzeugungstechnologien (früher Kohle, heute erneuerbaren Energien).info1957 kostete eine Kilowattstunde Kwh aus Kohle 0,87 US-Cent, aus Atomenergie 5,19 US-Cent, vgl. Fritz Baade (1958): Welt-Energiewirtschaft: Atomenergie – Sofortprogramm oder Zukunftsplanung. Hamburg: Rowohlt. 2010 waren diese Kosten auf 7,4 für Kohle beziehungsweise 10,5 US-Cent pro kWh für Atomenergie angestiegen, vgl. Lucas W. Davis (2012): Prospects for Nuclear Power. Journal of Economic Perspectives 26 (1), 49–66 (online verfügbar). Seit den 2010er Jahren sind Erneuerbare die neue Konkurrenztechnologie. 2021 lagen die Kosten für Wind bei 3,8, für Photovoltaik bei 3,6 US-Cent pro kWh, während sich Atomenergie auf 16,7 US-Cent pro kWh verteuert hat, vgl. Lazard (2009–2021): Lazard’s Levelized Cost of Energy Analysis – Versionen 4 bis 15, New York (online verfügbar). Ökonomische Fragen des Rückbaus sind ungeklärt. Weltweit ist noch kein einziges Endlager für hochradioaktive Abfälle in Betrieb.infoDas erste Endlager überhaupt wird voraussichtlich im kommenden Jahr in Finnland eröffnen, vgl. Achim Brunnengräber und Maria R. Di Nucci (2019): Conflicts, Participation and Acceptability in Nuclear Waste Governance: An International Comparison. Wiesbaden (online verfügbar).

Dennoch wird die Entwicklung sogenannter neuartiger Kernreaktoren und der damit verbundene Neubau von Kernkraftwerken in einigen Ländern lebhaft diskutiert. Insbesondere in den offiziellen Atommächten (USA, Russland, China, Frankreich, Vereinigtes Königreich), aber auch in einigen wenigen Ländern, die erst jetzt einen Einstieg in die Atomenergie planen (Türkei, Ägypten, Bangladesch) oder gerade vollzogen haben (Belarus, Vereinigte Arabische Emirate), ist die Debatte im Gang.

In Europa hat die Aufnahme von Atomenergie in die EU-TaxonomieinfoEuropäische Kommission (2022): Ergänzender delegierter Rechtsakt zur Klimataxonomie. Brüssel (online verfügbar). Möglichkeiten eröffnet, Neubauprojekte noch stärker als bisher zu subventionieren. Begründet wird dies mit Nachhaltigkeitsaspekten, was allerdings unter Expert*innen höchst umstritten ist. Auch in Deutschland und anderen europäischen Ländern werden derzeit in Politik und Gesellschaft Forderungen laut, als längerfristige Lösung im Rahmen der Energiewende neue Kernkraftwerke zu bauen und die hierfür notwendigen Forschungsbemühungen zu verstärken.infoRoland Berger et al. (2022): Wohlstand in Gefahr: Für eine neue Strategie in der Energiepolitik. 12–2022. ifo Schnelldienst; ntv (2022): Gesamtmetall-Chef denkt über Bau neuer AKWs nach, 1. August (online verfügbar); Achim Brunnengräber et al. (2023): Monumentale Verdrängung: Die neue Pro-Atom-Troika. Blätter für deutsche und internationale Politik, Nr 2, 9–12 (online verfügbar). Allerdings hat die deutsche Energiewirtschaft selbst dieser Perspektive bisher eine klare Absage erteilt. Unklar ist vor allem, welche Technologien für die Weiterentwicklung von Atomenergie überhaupt zur Verfügung stünden und wie diese in absehbarer Zeit wettbewerbsfähig werden sollten.

Anteil der Atomenergie an der Stromerzeugung geht weltweit zurück

Weltweit ist der Ausbau von Kernkraftwerken nach dem Bauboom der 1970/80er Jahre weitgehend zum Erliegen gekommen. Die Produktion von Strom aus Kernkraftwerken liegt seit den späten 1990er Jahren auf einem unveränderten Niveau von circa 2600 Terawattstunden (TWh) pro Jahr.info1 TWh= 1 Milliarde kWh. Ihr Anteil an der gesamten Stromerzeugung sinkt jedoch: Seit dem historisch höchsten Anteil an der weltweiten Stromproduktion von 17,6 Prozent im Jahr 1996 geht dieser stetig zurück und lag 2021 erstmals seit Jahrzehnten unter zehn Prozent (Abbildung 1). Der Anteil erneuerbarer Energien steigt dagegen stetig an.

Der Anteil der Atomenergie an der Stromerzeugung wird weiter sinken. Bis zum Jahr 2040 gehen rund 200 Kernkraftwerke vom Netz.infoNach aktuellen Schätzungen werden in den 2020er Jahren weltweit 84 Gigawatt (110 Reaktoren) vom Netz gehen. Darüber hinaus erreichen zwischen 2031 und 2040 81 Gigawatt (95 Reaktoren) und in den 2040er Jahren 71 Gigawatt (72 Reaktoren) das Ende ihrer heute geplanten Betriebsgenehmigung, vgl. Mycle Schneider et al. (2022): World Nuclear Industry Status Report 2022. Paris (online verfügbar). Diesen umfangreichen Abschaltungen stehen lediglich 53 aktuell laufende Neubauprojekte (circa 50 Gigawatt) gegenüber. Abgesehen von 21 aktiven Ausbauprojekten in China erweist sich ihre Entwicklung jedoch als langwierig. Bei 26 der laufenden Neubauprojekte treten derzeit Verzögerungen in der Planung, Genehmigung oder Fertigstellung auf, teilweise mit erheblichem Ausmaß von mehr als zehn Jahren. Andererseits erleben erneuerbare Energien eine ungebrochene Dynamik im Ausbau und werden auch wegen der in der Zukunft zunehmenden Elektrifizierung den Anteil der Atomenergie im Strommix weiter verringern.

Neubaupläne technisch unsicher und ökonomisch fragwürdig

Einige Länder haben in den vergangenen Jahren politische Absichten zum Neubau eines oder mehrerer Kernkraftwerke bekundet. In Europa hegen vor allem Frankreich und Großbritannien ambitionierte Ausbauziele für Kernkraftwerke.infoHM Government. (2022): British Energy Security Strategy. London (online verfügbar); Ania Nussbaum und Francois De Beaupuy (2022): Macron Pledges New Nuclear Reactors—If He’s Re-Elected. Bloomberg, 10. Februar (online verfügbar). Darüber hinaus gibt es solche Diskussionen auch in den Niederlanden, Schweden, Polen, Ungarn und Tschechien, und inzwischen auch wieder in Deutschland. Jedoch ist in den meisten Fällen unklar, mit welchen Reaktortypen diese Pläne umgesetzt und wie die Reaktoren finanziert werden sollen. Dies wird im Folgenden anhand der drei Reaktorgruppen diskutiert, die in der Debatte eine Rolle spielen.

Aktuelle Generation von Leichtwasserreaktoren mit großen Bauverzögerungen und überteuert

Die derzeit einzige realistische Option zum Bau von Kernkraftwerken besteht in der Nutzung der bestehenden Technologie. Dabei handelt es sich um leichtwassergekühlte Reaktoren der dritten Generation im Bereich von 600 bis 1600 Megawatt (MW) elektrischer Leistung. Beispiele hierfür sind der französische European Pressurized Reactor (EPR; unter anderem in Frankreich und China im Bau, dort auch zwei Reaktoren am Netz), der US-amerikanische AP1000 (hergestellt vom US-Konzern Westinghouse) und der russische VVER 1200 (hergestellt vom russischen Staatskonzern Rosatom). Der Bau solcher Reaktoren, insbesondere der wassergekühlten thermischen Reaktoren, hatte in den 1970/80er Jahren seinen Höhepunkt. In den darauffolgenden Jahrzehnten ist weltweit, insbesondere in den USA und Europa, der Neubau jedoch stark zurückgegangen. Gründe dafür waren unter anderem die hohen Kosten und ständige Bauverzögerungen.infoBen Wealer et al. (2021): Kernenergie und Klima. 9. Diskussionsbeiträge der Scientists for Future, Zenodo (online verfügbar). Aktuelle Kostenanalysen und -vergleiche mit erneuerbaren Stromerzeugungstechnologien, deren Stromgestehungskosten unter 100 US-Dollar/MWh liegen, zeigen, dass die aktuell horrenden Baukosten für Kernkraftwerke um zwei Drittel reduziert werden müssten, um in einem dekarbonisierten europäischen Energiesystem einen Anteil von zehn Prozent an der Stromproduktion zu halten.infoLeonard Göke, Alexander Wimmers und Christian von Hirschhausen (2023): Economics of nuclear power in decarbonized energy systems. Working Paper (online verfügbar). Entgegen ursprünglicher Erwartungen ist der Bau von Kernkraftwerken über die Jahrzehnte nicht günstiger geworden, vielmehr stiegen die Kosten (pro Kilowatt (kW) Leistung) kontinuierlich an. Darüber hinaus gelang es zu keinem Zeitpunkt, die in anderen Branchen (Chipproduktion, Solarpanels) erzielten Standardisierungs- und Massenproduktionsvorteile zu heben.infoChristian von Hirschhausen (2023): Atomenergie: Geschichte und Zukunft einer riskanten Technologie. München, Kapitel 4 (Energiewirtschaft und Klimaschutz).

SMR-Konzepte nicht ausgereift und auf absehbare Zeit nicht verfügbar

Eine Alternative zu den laufenden Kraftwerksbauten könnte darin bestehen, zu den geringen Leistungsgrößen der 1950/60er Jahren zurückzukehren und in diesem Segment basierend auf der etablierten Leichtwasser-Technologie Reaktortypen weiterzuentwickeln. Diese Idee wurde 2010 vom damaligen US-Energieminister Steven Chu unter dem Schlagwort „SMR“ ins Gespräch gebracht, um diese Reaktoren als „Amerikas neue nukleare Option“ zu bewerben.infoSteven Chu (2010): America’s New Nuclear Option: Small Modular Reactors Will Expand the Ways We Use Atomic Power. Wall Street Journal, 23. März 2010 (online verfügbar). Unter dem Begriff SMR wurden ursprünglich Reaktoren kleinerer und mittlerer Leistungen („small and medium sized reactors“) zusammengefasst.info International Atomic Energy Agency (IAEA) (1961): Small and Medium Power Reactors 1960. Wien: IAEA (1971): Small and Medium Power Reactors 1970. Wien. Der Buchstabe „m“ sollte nunmehr für eine „modulare“ Massenproduktion stehen („small modular reactors“).infoIAEA (2014): Advances in Small Modular Reactor Technology Developments. IAEA Booklet. Wien (online verfügbar); IAEA (2018): Advances in Small Modular Reactor Technology Developments. A Supplement to: IAEA Advanced Reactors Information System (ARIS). Wien. In diesem Zusammenhang versteht man heute unter SMR-Konzepten Reaktoren mit einer elektrischen Leistung bis zu 300 MW.

Der Begriff SMR hat inzwischen Eingang in energie- und innovationspolitische Diskussionen gefunden.infoChristoph Pistner et al. (2021): Sicherheitstechnische Analyse und Risikobewertung einer Anwendung von SMR-Konzepten (Small Modular Reactors). Wissenschaftliches Gutachten im Auftrag des Bundesamtes für die Sicherheit der nuklearen Entsorgung (BASE). Darmstadt; Thomas und Ramana (2022), a.a.O.; IAEA (2022): Advances in Small Modular Reactor Developments. A Supplement to: IAEA Advanced Reactors Information System (ARIS). IAEA Booklet. Wien (online verfügbar). Jedoch ist der aktuelle SMR-Hype unbegründet, weil es sich um alte Reaktorkonzepte handelt, die sich aufgrund von ökonomischen Nachteilen durch die geringeren Leistungen (Kasten) nicht etabliert haben. Weiterhin bleiben sie radiologisch gefährlich, da sich die Probleme des vermehrten Transports und der Zwischenlagerung radioaktiver Abfälle vervielfachen würden.

Die Rückkehr zum Bau von Reaktoren mit geringer Leistung wird mit der Hoffnung verbunden, Kostenvorteile durch Modularisierung beziehungsweise Massenproduktion zu erreichen.infoGiorgio Locatelli, Chris Bingham und Mauro Mancini (2014): Small Modular Reactors: A Comprehensive Overview of Their Economics and Strategic Aspects. Progress in Nuclear Energy 73, 75–85 (online verfügbar). In der Literatur wird jedoch zunächst davon ausgegangen, dass spezifische Baukosten mit steigender Größe der Anlage (Kapazität) abnehmen beziehungsweise mit Verringerung der Leistungskapazität zunehmen (Größenvorteile).infoGeoffrey Rothwell (2016): Economics of Nuclear Power. London.

Eine vereinfachte Modellrechnung aus der Produktionstheorie zeigt, dass die SMR-Konzepte unter einem strategischen Größennachteil leiden, der nur bei extrem hohen und aus heutiger Sicht unerreichbaren Produktionsmengen aufgehoben werden könnte: Der Kostennachteil, den ein SMR gegenüber den Leichtwasserreaktoren mit einer höheren Kapazität aufweist, könnte theoretisch durch Lern- beziehungsweise Masseneffekte kompensiert werden. Eine steigende Produktionsmenge eines standardisierten Produkts würde so zu sinkenden spezifischen Baukosten entweder durch Masseneffekte einer Serienproduktion oder durch höhere Produktivität der Arbeit (Lerneffekte) führen.

Die Baukosten für einen Reaktor aus der hypothetischen Massenproduktion, das heißt den „n-ten“ Reaktor einer Serie (CSMR,n), hängen ab von den Kosten für den ersten dieser Reaktoren, der Lernrate „x“ sowie der Anzahl der Verdopplungen des Produktionsoutputs „d“ (Formel, linker Teil). Die Kosten für den ersten Reaktor mit geringer Kapazität (CSMR,1) wiederum lassen sich durch einen Vergleich mit einem Reaktor größerer Leistung darstellen (Formel, rechte Seite). Anhand dieser stilisierten Produktionskostenrechnung lässt sich die Anzahl der SMR-Reaktoren ermitteln, die den Kostennachteil, der durch Größenvorteile entsteht, kompensieren würde.infoClara Lloyd, Robbie Lyons und Tony Roulstone (2020): Expanding Nuclear’s Contribution to Climate Change with SMRs. Nuclear Future, 39.

CSMR,n=CSMR,1×(1-x)d=CLR×(SSMRSLR)b×(1-x)d

Für eine beispielhafte Berechnung werden zwei Reaktordesigns (einmal niedrig- und einmal hochkapazitär) des amerikanischen Unternehmens Westinghouse herangezogen: ein SMR-Design eines leichtwassergekühlten Reaktors mit einer Leistung von 225 MWe (SSMR) und der AP1000, ein leichtwassergekühlter Reaktor mit circa 1100 MW (SLR). In der Produktionsrechnung soll dieses SMR-Design die spezifischen Baukosten des leichtwassergekühlten AP1000-Designs von 6000 USD/kW ersetzen. Weiterhin werden eine Lernrate von x = 0,06 (sechs Prozent) und Skaleneffekte von b = 0,55 angenommen. Unter diesen Umständen wären die spezifischen Baukosten des SMR erst ab circa 3000 produzierten Reaktoren (also d ≈ 11,55 Verdopplungen der Produktionsmenge) niedriger als die des AP1000infoPistner et al. (2021), a.a.O.; Steigerwald et al. (2022) a.a.O. (Tabelle).

Tabelle: Definition der Berechnungsparameter

Parameter Definition
CSMR,n Absolute Baukosten für den n-ten small modular reactor (“n-th of a kind“) (US-Dollar)
CSMR,1 Absolute Baukosten für den Bau des ersten small modular reactor (“First of a kind“) (US-Dollar)
x Lernrate bzw. Faktor der Kostenreduktion für jede Verdopplung der Produktionsmenge n
d Anzahl der Verdopplungen der Produktionsmenge n, das heißt n = 2d
CLR Absolute Baukosten Leichtwasserreaktor (US-Dollar)
SSMR Elektrische Leistung small modular reactor (Megawatt)
SLR Elektrische Leistung Leichtwasserreaktor (Megawatt)
b Skaleneffekt

Quelle: Eigene Berechnungen.

Die Abbildung zeigt eine Sensitivitätsanalyse dieses Zusammenhangs auf: Mit höheren Lernraten „x“ erfolgt eine schnellere Reduktion der spezifischen Baukosten. Jedoch dürften diese Lernraten für Kernkraftwerke mit geringer Leistung weit unterhalb der Werte liegen, die für andere Massenproduktionen, zum Beispiel Mikrochips oder Solarzellen, erreicht wurden. Des Weiteren müsste berücksichtigt werden, dass ja auch die Leichtwasserreaktoren mit hoher Leistung durch Lerneffekte etwas günstiger werden könnten. Und diese Kosten liegen, wie im Haupttext erwähnt, noch weiter oberhalb derer von erneuerbaren Energien. Insgesamt ist somit die Perspektive, mit SMR-Konzepten Kostenvorteile zu erzielen, sehr gering (Abbildung).

Die Möglichkeit, Kernkraftwerke mit geringer Leistung zu bauen, ist seit den 1950er Jahren bekannt und stellt daher keine Innovation dar. Im Gegenteil: Der erste in den USA entwickelte SMR-Reaktor war ein für die US-Marine entwickelter Leichtwasserreaktor für den U-Boot-Einsatz. Nach seinem Einbau in das erste kommerzielle Kernkraftwerk in Shippingport, Pennsylvania, 1957 führte er zum Siegeszug der Leichtwasser-Technologie.infoRobin Cowan (1990): Nuclear Power Reactors: A Study in Technological Lock-In. The Journal of Economic History 50 (3), 541–567. Jedoch wurden diese Reaktoren mit geringen Leistungen lediglich als Ausgangspunkt genommen, um rasch zum Bau von größer dimensionierten Kraftwerken mit höheren Leistungen überzugehen. Die Suche nach Größenvorteilen führte in der Folgezeit dazu, dass die durchschnittliche elektrische Leistung von Kernkraftwerken bereits in den 1970er Jahren auf 500 MW stieg; heute liegt sie über 1000 MW (Abbildung 2).

Trotz jahrzehntelanger Forschung konnte kaum ein Kernkraftwerk der Kategorie SMR den kommerziellen Leistungsbetrieb aufnehmen. Vielmehr zeichneten sich die Versuche – wie auch bei Kernkraftwerken größerer Leistungsklassen – durch lange Entwicklungsphasen, kurze Betriebsphasen und sehr lange Rückbauphasen aus (Abbildung 3). Viele der historischen SMR-Reaktoren sind bis heute nicht endgültig entsorgt.

Zusätzlich zu den historischen Prototypen befinden sich derzeit lediglich sechs SMR-Reaktoren weltweit in Betrieb: beispielweise ein schwimmendes Kraftwerk vom Typ KLT-40S mit einer elektrischen Leistung von 64 MW im ostsibirischen Pewek, das nach 13 Jahren Bauzeit im Jahr 2020 in Betrieb ging.infoWorld Nuclear News (2019): Russia connects floating plant to grid. 19. Dezember (online verfügbar). An dem Leichtwasserreaktorprojekt CAREM (Central Argentina de Elementos Modulares) in Argentinien wird seit den 1980er Jahren gearbeitet, eine Inbetriebnahme ist aufgrund des Baustopps in weite Ferne gerückt. Darüber hinaus befindet sich eine Reihe von Projekten in der Entwicklungs- beziehungsweise Genehmigungsphase.infoPistner et al. (2021), a.a.O.; IAEA (2022), a.a.O. In den USA hat beispielsweise das leichtwassergekühlte Reaktordesign VOYGR der Firma NuScale eine Standarddesign-Lizenz für den Bau von Reaktoren erhalten;infoIAEA (2022), a.a.O. jedoch gibt es hierfür bisher kaum Nachfrage und die Kosten sind zuletzt massiv gestiegen. Auch andere Länder wie Großbritannien oder Kanada beteiligen sich an der Entwicklung von SMR-Konzepten und rechnen in der Zukunft mit der Realisierung eines Demonstrationsreaktors.infoStephen Thomas und M. V. Ramana (2022): A Hopeless Pursuit? National Efforts to Promote Small Modular Nuclear Reactors and Revive Nuclear Power. WIREs Energy and Environment, Januar (online verfügbar).

Diese Projekte haben gemein, dass sie die ersten ihrer Art des jeweiligen Designs darstellen. Für solche frühen Prototypen beziehungsweise Demonstrationsprojekte ist der verlässliche Betrieb sowie die Etablierung einer potenziellen Serienproduktion weiterer Reaktoren gleicher Bauart noch völlig offen. Diese stellt aber die Voraussetzung für die notwendige Kostendegression dar. Es besteht aber keine Perspektive, die erheblichen Größennachteile durch Massenproduktion zu überkompensieren. Hierfür wäre bei optimistischer Betrachtung der Bau von mehreren Tausend baugleichen Kernkraftwerken notwendig (Kasten). Zu beachten ist außerdem, dass ein massiver Bau von Reaktoren eine Harmonisierung und Standardisierung von Designs und Regelwerken benötigt, die auch mittelfristig kaum umsetzbar ist.infoTristano Sainati, Giorgio Locatelli und Naomi Brookes (2015): Small Modular Reactors: Licensing Constraints and the Way Forward. Energy 82 (März), 1092–1095 (online verfügbar).

Selbst unter Annahme von optimistischen Rahmenbedingungen ist nicht von einem kostenmäßig wettbewerblichen Angebot auszugehen. Eine aktuelle Studie mit Beteiligung des DIW Berlin zeigt, dass in einer Simulation mit Zufallsstichproben (Monte-Carlo-Simulation) von SMR-Konzepten die zu erwartenden durchschnittlichen Stromgestehungskosten (levelized costs of electricity) für wassergekühlte Konzepte hierbei durchschnittlich zwischen 213 und 581 US-Dollar/MWh liegen (Abbildung 4). infoBjörn Steigerwald et al. (2022): Estimating Production Costs of Future Nuclear Fission Reactors – The Effect of Parameter Choice and an Application to SMR Concepts under Development (“Small Modular Reactors”), 43rd IAEA International Conference am 2. August 2022, Tokio. Damit wären sie, falls sie jemals gebaut würden, bereits aus heutiger Perspektive wesentlich teurer als Strom aus erneuerbaren Energien. Auch die problematische Produktion hochradioaktiver Abfälle bleibt weiterhin bestehen.

Schnelle Brutreaktoren und andere nicht leichtwassergekühlte Reaktoren auf absehbare Zeit weder verfügbar noch wettbewerbsfähig

Jenseits von SMR wird diskutiert, ob in den nächsten Jahrzehnten Reaktortypen im industriellen Maßstab kosteneffizient zur Verfügung stehen könnten, deren Entwicklung in den 1970er Jahren aufgrund technischer Probleme und fehlender Wettbewerbsfähigkeit weitgehend eingestellt worden war. Dabei handelt es sich um nicht leichtwassergekühlte Reaktoren mit unterschiedlichen Kühlkonzepten und Neutronenspektren. Diese Reaktortypen werden in der Atomwirtschaft als „Gen IV“-Reaktoren bezeichnet, beziehen sich jedoch auf Technologielinien, die bereits in den 1940er Jahren entwickelt und in den 1950er Jahren zu Prototypen geführt haben. Neben Reaktoren mit einem schnellen Neutronenspektrum („schnelle Brüter“) handelt es sich dabei vor allem um Hochtemperaturreaktoren und Flüssigsalzreaktoren. Sie konnten sich nicht gegenüber der leichtwassergekühlten Reaktortechnologie durchsetzen.infoChristoph Pistner und Matthias Englert (2017): Neue Reaktorkonzepte. Eine Analyse des aktuellen Forschungsstands. Darmstadt: Öko-Institut e.V (online verfügbar), Cowan (1990), a.a.O.; Ben Wealer et al. (2018): Nuclear Power Reactors Worldwide—Technology Developments, Diffusion Patterns, and Country-by-Country Analysis of Implementation (1951–2017). DIW Data Documentation 93 (online verfügbar).

Seit circa 20 Jahren laufen nunmehr neue Bemühungen, diese Reaktortypen wieder anzuschieben. Zudem sollen Konzepte zur besseren Abfallbehandlung und höheren Brennstoffausnutzung realisiert sowie die Proliferationsrisiken (Weitergabe als kernwaffenfähiges Material) gesenkt werden.infoGenIV International Forum (2002): A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems. Technology Roadmap GIF-002-00 (online verfügbar). Mit der Gründung des „GenIV International Forum“ im Jahr 2001 haben sich 14 Mitgliedsstaaten, darunter die USA, China, Russland, die Staaten der EURATOM, das Vereinigte Königreich und andere zusammengeschlossen. Ihr Ziel ist es, nicht-leichtwassergekühlte Reaktorkonzepte weiterzuentwickeln.infoGenIV International Forum (2022): Annual Report 2021 (online verfügbar). Allerdings sind diese Bemühungen bisher technologisch und kommerziell wenig erfolgreich geblieben.infoEdwin Lyman (2021): ‚Advanced‘ isn’t Always Better: Assessing the Safety, Security, and Environmental Impacts of Non-Light-Water Nuclear Reactors. Union of Concerned Scientists (online verfügbar). Die Zeiträume, bis zu denen funktionstüchtige Demonstratoren in den geplanten Größenklassen (in der Regel weit über 300 MW) vorliegen könnten, werden vom Generation IV International Forum (GIF) regelmäßig verschoben, jüngst in die 2040er Jahre.

Die geringe Investitionsdynamik und fehlende Durchsetzungsperspektive der nicht leichtwassergekühlten Reaktorentwicklungen lassen sich anhand einer Technologielinie aufzeigen, die als am weitesten entwickelt gilt und für die derzeit ein Pilotprojekt in den USA geplant ist: Dabei handelt es sich um (natriumgekühlte) Reaktoren mit einem schnellen Neutronenspektrum, landläufig auch als „schnelle Brüter“ bezeichnet.infoIm Vergleich zu Reaktoren mit thermischem Spektrum haben Reaktoren mit schnellen Neutronenspektrum eine höhere Brennstoffausnutzung, da sie spaltbares Material erbrüten. Dieses Material muss jedoch aufwendig wiederaufbereitet werden, bevor es erneut genutzt werden kann (sogenannter Mischoxid- oder MOX-Brennstoff). Die Wiederaufbereitung von Brennstoff ist mit sehr hohen Kosten verbunden, vgl. Frank von Hippel, Masafumi Takubo und Jungmin Kang (2019): Plutonium: How Nuclear Power’s Dream Fuel Became a Nightmare. Singapur (online verfügbar). Nur wenige Länder betreiben heutzutage Wiederaufbereitungsanlagen, beispielsweise Frankreich, UK und Russland. In China befinden sich zwei Wiederaufbereitungsanlagen im Bau, vgl. Matthew Bunn, Hui Zhang und Li Kang (2016): The Cost of Reprocessing in China. Cambridge MA (USA), Belfer Center for Science and International Affairs Harvard Kennedy School (online verfügbar). Dieser Reaktortyp wurde bereits während der 1950er Jahren entwickelt, insbesondere in der Sowjetunion und den USA, aber auch in Frankreich, Deutschland und Japan, später auch in China.infoPistner und Englert (2017), a.a.O. In der Frühzeit der Reaktorentwicklung ging man davon aus, dass alle Technologielinien auf den schnellen Brutreaktor und die Plutoniumwirtschaft hinauslaufen würden.infoFür Details zu diesem Abschnitt vgl. Christian von Hirschhausen (2022): Nuclear Power in the Twenty-First Century (Part II) – The Economic Value of Plutonium. DIW Berlin Discussion Paper Nr. 2011 (online verfügbar).

Viele Jahrzehnte nach den optimistischen Anfängen des „schnellen Brüters“ machte sich allerdings sowohl technisch als auch ökonomisch Ernüchterung breit. So lässt sich die Entwicklung von schnellen Reaktoren vor allem über Projektabbrüche beschreiben. Anfängliche Demonstrationsprojekte in den USA wurden in den 1970ern aufgrund von ökonomischen, technischen und auch aufgrund von Proliferationsrisiken wieder eingestellt (Tabelle 1). infoThomas B. Cochran et al. (2010): Fast Breeder Reactor Programs: History and Status. Research Report 8. Princeton, N.J: International Panel on Fissile Materials (online verfügbar). Außerdem kam es immer wieder zu technischen Problemen wie Kühlmittelbränden, da das verwendete Kühlmittel Natrium bei Kontakt mit Wasser oder Luft hochreaktiv ist. Auch in Deutschland gab es Versuche, jene Reaktorkonzepte zu entwickeln, beispielweise den schnellen Brüter in Kalkar, der jedoch wegen sicherheitstechnischer Bedenken und fehlender wirtschaftlicher Perspektiven nie in Betrieb ging.infoHeute befindet sich auf dem Gelände der Freizeitpark „Wunderland Kalkar“. Willy Marth (1992): Der Schnelle Brüter SNR 300 im Auf und Ab seiner Geschichte. Kfk 4666. Kernforschungszentrum Karlsruhe (online verfügbar); WDR (2022): Wunderland Kalkar hat neuen Eigentümer. Nachrichten, 3. August (online verfügbar). Vgl. zur Geschichte der deutschen Kernkraftwerke auch den Fotoband von Lena-Jülide Camurdas et al. (2023): Einfach mal abschalten, und dann? Die Geschichte der deutschen Atomkernkraft und ihr radioaktives Erbe (online verfügbar). Auch in Frankreich konnten sich schnelle Reaktoren nicht etablieren. Russland ist das einzige Land, in dem noch zwei derartige Reaktoren auf dem Gelände des Kernkraftwerks Belojarsk nahe Saretschny betrieben werden, allerdings ist der Sprung zur kommerziellen Nutzung ebenfalls ausgeblieben. China betreibt einen Forschungsreaktor nahe Peking (Fangshan) und baut derzeit einen ersten Demonstrationsreaktor in der Provinz Fujian.infoIAEA (2022): Nuclear Power Reactors in the World. IAEA-RDS-2/42. Wien (online verfügbar). Nach der Stilllegung der Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum versucht nun auch das US-Energieministerium in Kooperation mit der Firma TerraPowerinfoTerraPower gehört teilweise Bill Gates, das Konzept wird in Zusammenarbeit mit Lowell Wood entwickelt, der vormals mit Edmund Teller zusammenarbeitete, der als „Vater“ der Wasserstoffbombe gilt. erneut schnelle Reaktoren zu bauen – mit erheblicher staatlicher Förderung.infoAls eines von zwei Konzepten erhielt TerraPower von der amerikanischen Regierung Zuschüsse in Milliardenhöhe, jüngst aufgestockt mit dem Infrastrukturgesetz der Biden-Regierung im Jahr 2021. Vgl. Office of Nuclear Energy (2020): U.S. Department of Energy Announces $160 Million in First Awards under Advanced Reactor Demonstration Program. Governmental Website. 12. Oktober (online verfügbar); U.S. Congress (2021): Infrastructure Investment and Jobs Act (IIJA) – Bipartisan Infrastructure Law (online verfügbar).

Tabelle: Historische Beispiele für Reaktoren mit schnellem Neutronenspektrum („Schnelle Brüter“)

Bau- und Betriebszeiten

Reaktorkonzept Land Leistung (MWth) Baubeginn Betrieb Stilllegung Noch aktiv (?) Durchschnittliche Kapazitätsauslastung
Experimentalreaktoren
Rhapsodie Frankreich 40 1962 1967 1983 Keine Angaben
KNK-II Deutschland 52 1975 1977 1991 17,10 Prozent
DFR Großbritannien 60 1954 1959 1977 33,80 Prozent
FBTR Indien 40 1972 1985 2022 Keine Angaben
PEC Italien 120 1974 2022 2022 Keine Angaben
JOYO Japan 140 1970 1977 2007 Keine Angaben
BR-10 Sowjetunion/Russland 55 1956 1959 2002 Keine Angaben
BOR-60 Sowjetunion/Russland 9 1958 1964 2022 Keine Angaben
EBR-I USA 1,2 1947 1951 1963 Keine Angaben
EBR-II USA 62,5 1958 1963 1994 Keine Angaben
Fermi USA 200 1956 1965 1972 Keine Angaben
FFTF USA 400 1970 1980 1992 Keine Angaben
CEFR China 65 2000 2010 Keine Angaben
Demonstratoren
SNR-300 Deutschland 762 1973 1991 Nie in Betrieb
Phoenix Frankreich 563 1968 1973 1983 Circa 50 Prozent
PFR Vereinigtes Königreich 650 1966 1974 1994 2022 7 Prozent
PFBR Indien 1250 2003 2012 2016 Keine Angaben
Monjou Japan 714 1985 1994 1999 Von 1996 bis 2010 wegen Unfall außer Betrieb
BN-350 Sowjetunion/Russland 750 1964 1972 2022 85 Prozent
BN-600 Sowjetunion/Russland 1470 1967 1980 2022 74 Prozent (1982 bis 2009)
BN-800 Russland 2100 2006 2016 19831 71 Prozent
CRBRP USA unbekannt 1982 Nie in Betrieb

1 Baubeginn 1983, keine Bautätigkeit zwischen 1986 bis 2006, dann Wiederaufnahme.

Quelle: Eigene Recherche.

Die Wettbewerbsfähigkeit dieser Reaktoren hängt von drei wesentlichen Parametern ab: dem Uranpreis, den Baukosten und den Entsorgungskosten. In keinem der drei Bereiche ist ein Kostenvorteil für die schnellen Reaktoren abzusehen. Eine Berechnung des Break-Even-Preises von Uran zeigt auf, bei welchem Preis der Betrieb eines hypothetischen schnellen Reaktors mit Wiederaufbereitung genauso teuer wäre wie ein Leichtwasserreaktor ohne Wiederaufbereitung. Überschlägige Berechnungen legen nahe, dass der Uranpreis um ein Vielfaches höher liegen müsste als jener, den man am Markt beobachten kann.infoMatthew Bunn et al. (2003): The Economics of Reprocessing Versus Direct Disposal of Spent Nuclear Fuel. Project on Managing the Atom. Belfer Center for Science and International Affairs, Harvard Kennedy School (online verfügbar); Hirschhausen (2022), a.a.O. Die Baukosten für den in den USA geplanten Piloten sind nicht absehbar, dürften aber wesentlich höher liegen als die der leichtwasserbasierten Technologielinie, die ihrerseits weit teurer ist als andere Energiequellen. Auch bei den Entsorgungskosten ist von dem Pilotprojekt kein Vorteil absehbar.

Umdenken in der Energiesystemmodellierung hat begonnen

Das geringe Potenzial der Atomwirtschaft zur Entwicklung von wettbewerbsfähigen Reaktorkonzepten wird inzwischen auch in Fachkreisen der Energiesystemmodellierung und integrierter Assessment Modelle (IAM) reflektiert. Diese hatten bisher teilweise sehr hohe Anteile an Atomenergie in Klimaschutzszenarien errechnet. So war bis vor Kurzem zu beobachten, dass Atomenergie als kohlenstoffarme Technologie Berücksichtigung in Klimaszenarien fand – und dies unabhängig von deren offensichtlich fehlenden Wettbewerbsfähigkeit.infoSon H. Kim et al. (2014): Nuclear Energy Response in the EMF27 Study. Climatic Change 123 (3–4), 443–460 (online verfügbar). Im Mittel gehen Szenarien mit ansteigendem Anteil an Atomenergie davon aus, dass bis zum Jahr 2050 die jährliche weltweite Stromerzeugungsmenge aus Atomenergie etwa 5600 TWh beträgt – was mehr als einer Verdopplung der heutigen Stromerzeugung entspräche. Bei diesen Szenarien nahmen die Modellierer*innen bisher für Atomenergie niedrige Investitionskosten an. Gleichzeitig ging man für Erneuerbare aber von relativ hohen Kosten aus (insbesondere Solar) sowie von überhöhten Systemintegrationskosten für Erneuerbare bei gleichzeitiger Vernachlässigung der Systemkosten der Atomenergie.

Jedoch hat in den Fachkreisen vor wenigen Jahren ein Umdenkprozess begonnen. Dieser führt dazu, dass sich das Energiemodellierungs-ParadoxinfoDiesen Gegensatz zwischen einer stark zunehmenden Bedeutung von Atomenergie trotz deren offensichtlich fehlender betriebswirtschaftlicher Wettbewerbsfähigkeit kann man auch als „nukleares Energiemodellierung-Paradoxon“ bezeichnen, vgl. Christian von Hirschhausen (2017): Nuclear Power in the Twenty-first Century – An Assessment (Part I). DIW Discussion Paper Nr. 1700 (online verfügbar). abschwächt und einer stärker an realwirtschaftlichen technischen Entwicklungen orientierten Modellierung und zugrundeliegenden Annahmen weicht. Dies zeichnet sich insbesondere durch aktualisierte Kostenannahmen für erneuerbare Energien, insbesondere für die Photovoltaik und die Kosten der Energiesystemintegration aus.infoDmitrii Bogdanov et al. (2021): Full Energy Sector Transition towards 100 % Renewable Energy Supply: Integrating Power, Heat, Transport and Industry Sectors Including Desalination. Applied Energy 283 (Februar), 116 273 (online verfügbar); Konstantin Löffler et al. (2017): Designing a Model for the Global Energy System—GENeSYS-MOD: An Application of the Open-Source Energy Modeling System (OSeMOSYS). Energies 10 (10), 1468 (online verfügbar). Eine Vielzahl von Modellen identifiziert inzwischen nicht mehr Atomenergie, sondern erneuerbare Energien als den wesentlichen Treiber des zukünftigen Energiemix.

Vergleicht man die Energieszenarien des Berichts des Weltklimarats (IPCC) von 2018 mit dem im Jahr 2022, ist zu beobachten, dass die Anzahl von Szenarien mit einem starken Anstieg an Atomenergie (im Zeitraum zwischen 2020 und 2100) gesunken ist und sich der Anstieg an erneuerbaren Energien erhöht hat (Abbildung 5). Lag im Sonderbericht des IPCC zum 1,5-Grad-Ziel (2018) der Schwerpunkt noch bei zunehmenden Anteilen an Atomenergie (orange Punkte), so hat sich dieser im 6. Sachstandsbericht des IPCC (2022) in Richtung steigender Anteile Erneuerbarer und sinkender Anteile Atomenergie verschoben (grüne Punkte). Auch die Modellier*innen des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) weisen in einem kostenoptimalen Dekarbonisierungspfad darauf hin, dass Atomenergie in den nächsten Jahrzehnten weitgehend durch erneuerbare Energien ersetzt werden müsste.infoGunnar Luderer et al. (2021): Impact of Declining Renewable Energy Costs on Electrification in Low-Emission Scenarios. Nature Energy 7, November (online verfügbar).

Fazit: Atomenergieausbau technisch riskant und ökonomisch unrentabel – Schwerpunkt auf Entsorgung legen

Die Atomwirtschaft hat es in den vergangenen Jahrzehnten nicht geschafft, wettbewerbsfähige Reaktoren zu produzieren. Zudem führt die aktuelle Dynamik auf den Energiemärkten dazu, dass alte Kernkraftwerke zu Hunderten vom Netz genommen werden. In Deutschland, aber auch im übrigen Europa und weltweit steht dagegen ausreichend und kostengünstig erneuerbare Energie für ein klima- und plutoniumneutrales Energiesystem zur Verfügung.

Hoffnungen auf radikale Innovationen und die Ausbreitung von bisher nicht industriell erprobten Reaktorkonzepten erscheinen angesichts der Erfahrungen der vergangenen Jahrzehnte als unbegründet: Die Idee, Kernkraftwerke mit geringen Leistungen zu bauen, wurde bereits in den 1950er Jahren praktiziert und dann aufgrund struktureller Kostennachteile rasch aufgegeben; auch deshalb sind heute vom SMR Hype keine Verbesserungen zu erwarten. Versuche zur Wiederbelebung von bisher nicht durchgesetzten nicht leichtwassergekühlten Reaktoren werden zwar in einigen Ländern betrieben, dürften jedoch auch in den kommenden Jahrzehnten keinen industriellen Durchbruch zeigen. Deshalb sollten Bestrebungen nicht in die Erforschung angeblich neuer Reaktorkonzepte fließen, sondern sich auf die Herausforderungen des Rückbaus und der Lagerung radioaktiver Abfälle fokussieren. Die Atomwende, also die Abkehr vom System Atomenergie, ist erst dann gelungen, wenn die Hinterlassenschaften in Form von radioaktiven Abfällen möglichst sicher tiefengeologisch endgelagert sind.

Der Umdenkprozess in der Energiesystem- und integrierten Assessment-Modellierung spiegelt die geringen Perspektiven der Atomwirtschaft auf wettbewerbsfähige Reaktoren wider. Zwar teilten Expert*innen lange Zeit den Traum von der Plutoniumwirtschaft. Jedoch ist dieser Konsens in den vergangenen Jahren einer realistischeren Einschätzung von Technologie- und Kostenentwicklungen gewichen. Unter Berücksichtigung aktueller Trends und Daten bleibt Atomenergie den erneuerbaren Energien kostenmäßig weit unterlegen.

Aus der Analyse lassen sich folgende Implikationen ableiten: Die Politik sollte sich im Rahmen der Forschungsförderung künftig auf Bereiche konzentrieren, von denen substanzielle Beiträge zur Energiewende zu erwarten sind, wie erneuerbare Energien, Speicher und andere Flexibilitätsoptionen. Atomenergie gehört nicht dazu. Bemühungen, Energieproduktion aus Kernkraftwerken, zum Beispiel Wasserstoff, das Label „grün“ beziehungsweise „nachhaltig“ anzuhängen, sollte sie entschieden entgegentreten. Bei der Ausgestaltung des Stromsektordesigns in Deutschland und Europa sollten Lösungen abgelehnt werden, die auf die Subventionierung von Kernkraftwerken zielen (wie zum Beispiel in Frankreich und Polen).

Claudia Kemfert

Abteilungsleiterin in der Abteilung Energie, Verkehr, Umwelt



JEL-Classification: L51;L94;Q48
Keywords: nuclear power, economics, technology, innovation, energy system analysis
DOI:
https://doi.org/10.18723/diw_wb:2023-10-1

Frei zugängliche Version: (econstor)
http://hdl.handle.net/10419/271742

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