Je nach Betrachtungsweise zeigt sich die Kernenergie als mehr oder weniger effiziente Methode der Stromproduktion. Das Verhältnis von investierter Energie zur gewonnenen Energie, der sogenannte Erntefaktor, ist bei der Kernenergie sehr günstig. Der Grund dafür liegt in der enorm hohen Energiedichte des Kernbrennstoffs, der bei der Wärmeproduktion keinerlei Luftschadstoffe oder Treibhausgase erzeugt.
Kernkraftwerke liegen bei der Energieeffizienz in der Spitzengruppe. Im Bild das KKW Gösgen.
Andererseits geht auf dem Weg von der Kernspaltung bis zur Stromerzeugung viel Energie verloren. Denn die bei der Kernspaltung freigesetzte Energie wird erst in thermische, dann in kinetische und zuletzt in elektrische Energie umgewandelt. Dabei bleiben insgesamt zwei Drittel der Energie ungenutzt resp. entweichen als Wärme über den Kühlturm. Dieser temperaturabhängige Wirkungsgrad beträgt rund 33 Prozent und kann durch das Nutzen der Abwärme, beispielsweise für ein Fernwärmenetz, noch etwas gesteigert werden. Im Vergleich zu einem Gas- und Dampfkraftwerk mit rund 60 Prozent ist das eher wenig, im Vergleich zur Photovoltaik mit 10–20 Prozent eher gut.
Entscheidend für die Effizienzbetrachtung sind nicht Einzelaspekte, sondern der ganze Zyklus: also wie viel Energie wir von der Gewinnung der Rohstoffe bis zur Entsorgung der Abfälle aufwenden müssen, um eine Kilowattstunde Strom zu erhalten. Denn bei allen Stromerzeugungstechnologien fällt ein erheblicher Teil des Energieaufwands ausserhalb der eigentlichen Kraftwerke an: um den Brennstoff zu gewinnen, zu verarbeiten und zu transportieren, um Reststoffe und Abfälle zu entsorgen und nicht zuletzt, um die Rohstoffe für den Bau der Kraftwerke zu gewinnen und zu verarbeiten.
Abbau, Verarbeitung und Brennstoffherstellung machen rund drei Viertel des Energieaufwandes in der nuklearen Kette aus.
Günstiges Verhältnis von Aufwand und Ertrag
Der Erntefaktor beschreibt dieses Verhältnis von gewonnener Energie zu investierter Energie, das letztlich auch die Wirtschaftlichkeit einer Technologie mitbestimmt. In die Berechnung der investierten Energie werden alle Energieaufwände einbezogen: feste Anteile für den Anlagenbau, den Abbau und die Entsorgung und anderes mehr sowie variable Teile für Wartung, Brennstoffbeschaffung. Weil diese Energieaufwände mit der Zeit zunehmen, ist die Lebensdauer der Anlage eine entscheidende Komponente für den Erntefaktor.
Unter dieser Perspektive zeigt sich: Kernkraftwerke sind sehr effizient. Der gesamte Energieaufwand für ein Kernkraftwerk mit einer mittleren energetischen Amortisationsdauer von einem Jahr liegt weit unter zehn Prozent der Menge an Strom, die das Kernkraftwerk in seiner Lebensdauer erzeugt. Eine Photovoltaikanlage benötigt je nach Standort rund vier Monate bis sieben Jahre, bis sie sich energetisch amortisiert hat, ein KKW je nach Quelle zwei bis 19 Monate. Die Lebensdauer eines KKW beträgt allerdings bis zu 60 Jahre und mehr, die neuer Photovoltaikanlagen 25-30 Jahre und allenfalls auch etwas länger, dies jedoch bei reduzierter Leistung. Die praktische Erfahrung dazu fehlt noch.
Energetische Amortisationszeit
Druckwasserreaktor*, Zentrifugenanreicherung
Steinkohle*, Untertagebau ohne Kohletransport
Gaskraftwerk (GUD), Erdgas
Gaskraftwerk (GUD), Biogas
Windenergie** 1,5-MW, 2000 Volllaststunden
(deutsche Küste)
1,2 Jahre
(deutsche Küste, Strand)
4,7 Monate
Photovoltaik** Poly-Silizium, Dachinstallation, 1000 Volllaststunden (Süddeutschland)
Photovoltaik** Poly-Silizium, Dachinstallation, 1800 Volllaststunden (Südeuropa)
* Brennstoff nicht mit berücksichtigt
** Aufwand für Speicherkraftwerke, saisonale Reserven oder konventionelle Kraftwerke zum Lastausgleich nicht mit berücksichtigt
Beim oben stehenden Vergleich wurde der eingesetzte Brennstoff nicht berücksichtigt, da ein objektiver Vergleich zwischen fossilen und nicht-fossilen Anlagen ansonsten nicht möglich ist. Wird für fossile Kraftwerke neben dem energetischen Aufwand für Errichtung und Betrieb des Kraftwerks auch der eingesetzte Brennstoff mit einberechnet, da dieser zur Stromerzeugung unwiderruflich verbrannt wird, sinkt der Erntefaktor fossiler Technologien unter eins. Jener von erneuerbaren Energien läge dann über eins, da deren Quellen (Wind, Wasser oder Sonne) unendlich sind bzw. sich bei nachhaltiger Nutzung regenerieren (z.B. Wald).
Die Effizienz steigt weiter
Prozesse optimieren und Wirkungsgrade erhöhen spart Energie, verbessert die Effizienz und senkt Kosten, was auch im Interesse der Kernindustrie ist. So wurde beispielsweise der hohe Energieaufwand in der Brennstoffanreicherung durch die Umstellung von Diffusionsanlagen auf Zentrifugen um den Faktor fünfzig reduziert.
Auch in den Kernkraftwerken selbst werden vielfältige Effizienzsteigerungen umgesetzt. Dementsprechend ist ihre Stromproduktion mehrfach gestiegen, ohne Reaktoren zu verändern. Das Kernkraftwerk Leibstadt (KKL), das in den letzten Jahren stark in die Anlageerneuerung investierte, konnte beispielsweise seine Nettoleistung innert vier Jahren von 1165 auf 1220 Megawatt steigern.
Allein das verbesserte aerodynamische Profil am Tassenrand des Kühlturms – eine vergleichsweise kostengünstige Investition – brachte dem KKL rund 2,5 Megawatt an Mehrleistung. Weitere rund 11 Megawatt Mehrleistung bringen die neuen Kühlturmeinbauten. Zusammen bedeutet dies eine jährliche Mehrproduktion von rund 110’000 Megawattstunden Strom. Das entspricht dem Jahresverbrauch von 24’500 Haushalten. Zum Vergleich: Rund 91 Solaranlagen der Grösse des Stade de Suisse (Produktion: 1200 MWh/y) wären nötig, um dieselbe Menge Strom zu erzeugen. Dieser Strom wäre allerdings wesentlich teurer und fiele hauptsächlich im Sommer an.
Die effiziente Verbesserung des Kühlturmtassenprofils bringt dem KKL eine imposante Mehrleistung. (Bild KKL)
Zum andern stieg die Effizienz des KKL durch den Austausch der drei Niederdruckturbinen, der beiden Niederdruckvorwärmer, des Blocktransformators und des Generators durch moderne und effizientere Komponenten. So stehen nun zirka 40 Megawatt zusätzliche Nettoleistung rund um die Uhr zur Verfügung. Diese installierte Leistung würde etwa zwölf grossen Windkraftwerken entsprechen, die an optimalen Schweizer Lagen einen Ertrag von 80’000 Megawattstunden Strom ergäben. Im KKL hingegen wird sie eine Stromproduktion von 240’000 Megawattstunden ergeben. Effektiv müsste man also drei Dutzend Windkraftwerke bauen, um dieselbe Strommenge zu ernten – und rund 1200 Anlagen wären es für die Gesamtproduktion des KKL. Wobei dieser Strom nach dem Zufallsprinzip und nicht regelbar anfiele.
Ähnliche Erneuerungen und Effizienzsteigerungen fanden 2013 im Kernkraftwerk Gösgen (KKG) statt.
Neue Reaktoren der vierten Generation könnten bei wesentlich höheren Temperaturen und Wirkungsgraden arbeiten und wären deshalb deutlich effizienter als heutige.
Energieeffizienz: eine Daueraufgabe
Energie effizient zu nutzen, ist die Basis der aktuellen Schweizer Energiepolitik. Für die Verbraucherinnen und Verbraucher bedeutet Energieeffizienz, sparsame Geräte zu verwenden und mit Strom und jeder anderen Energieform haushälterisch umzugehen. Für die Stromproduzenten bedeutet Energieeffizienz, möglichst wenig Ressourcen aufzuwenden, um im Interesse aller Verbraucher möglichst viel Strom zu erzeugen:
Kurze Wege: Der Transport von Strom in Hochspannungsleitungen ist mit Verlusten verbunden. Deshalb sollten Kraftwerke möglichst nahe bei den Verbrauchszentren stehen. Stromimporte aus weit entlegenen Gebieten im Ausland sind ineffizient und ökologisch fragwürdig.
Bedarfsgerechter Strommix: Strom muss dann produziert werden, wenn er tatsächlich gebraucht wird. Der Kraftwerkpark muss jederzeit den im Tages- und Jahresverlauf schwankenden Strombedarf effizient decken können. In der Schweiz bedeutet dies die Kombination von Wasserkraft mit Kernenergie, ergänzt mit neuen erneuerbaren Energien wie Biomasse, Wind und Sonne.
Möglichst keine Zwischenspeicherung: Die Speicherung von Strom ist immer mit Energieverlusten verbunden.
Landschaft schonen: Die Schweiz ist ein kleines, dicht besiedeltes Land. Unverbaute und naturbelassene Landschaften müssen wo immer möglich erhalten werden. Ein Kernkraftwerk ist auch bezüglich Raumbedarf sehr effizient (etwa 20 – 30 ha) und produziert grosse Mengen Strom – ideal für die Schweiz.
In Anbetracht dieser Faktoren für eine effiziente Stromversorgung ist Kernenergie eine sehr attraktive Option, zusammen mit der Wasserkraft, der besten heute verfügbaren Produktionstechnik.
Kurze Transportwege und geringer Landbedarf: Das Kernkraftwerk Mühleberg
Betriebsverlauf