Fusion – kraften som toppar önskelistorna: ”Vi vill få alla att förstå utsikterna”
Av Drömmen om fusion har funnits länge. En ren och kraftfull energikälla som kan vara räddningen på många sätt, inte minst när världen står inför behovet av att minska koldioxidutsläppen för att förhindra katastrofala klimatförändringar.
I ett kraftsystem som domineras av olika förnybara energikällor som sol och vind, vilka inte är konstanta, behövs "fasta" elkällor för att sättas in när efterfrågan överstiger utbudet – till exempel när solen inte skiner eller vinden blåser så att energilagringssystem klarar leveranserna av el.
Men vilken är den potentiella rollen och värdet av fusionskraftverk i ett framtida elkraftsystem – ett system som inte bara är fritt från koldioxidutsläpp utan också kan möta den dramatiskt ökade globala efterfrågan på el som förväntas under de kommande decennierna? Den frågan har forskare vid MIT Energy Initiative och MIT Plasma Science and Fusion Center ägnat sin tid åt under ett halvår.
Vår analys visar att fusionsenergi kan spela en stor roll för att möta framtida elbehov och uppnå globala netto-noll koldioxidmål. Dennis G. Whyte
Mer än 25 experter undersökte tillsammans de faktorer som kommer att påverka utbyggnaden av fusionskraftverk, inklusive kostnader, klimatpolitik, driftsegenskaper och andra faktorer. De presenterar sina resultat i en ny rapport finansierad genom MITEI och med titeln "The Role of Fusion Energy in a Decarbonized Electricity System ."
Fusion kan vara en av de viktigaste källorna till koldioxidreduktion
Inte oväntat fann de att fusion har potentialen att vara en av de viktigaste källorna till koldioxidreduktionen på vår planet. Beroende på teknikens framtida kostnad och prestanda kan den enligt forskarna i vissa förhållande, med rätt tillgång på fusionskraftverk, minska den globala kostnaden för koldioxidutsläpp med biljoner dollar.
– Just nu finns det ett stort intresse för fusionsenergi på många håll, från den privata sektorn till regeringar till allmänheten. När vi genomförde den här studien var vårt mål att tillhandahålla en balanserad, faktabaserad, analysdriven guide för att hjälpa alla att förstå utsikterna för fusion framöver, säger studiens huvudutredare Robert C. Armstrong och tillägger att studien bygger på ett multidisciplinärt tillvägagångssätt som kombinerar ekonomisk modellering, elnätsmodellering, teknisk-ekonomisk analys etc. för att undersöka viktiga faktorer som sannolikt kommer att forma framtida utbyggnad och utnyttjande av fusionsenergi.
Fusionstekniker kan vara ett decennium borta från kommersiell utbyggnad, så den detaljerade tekniken och kostnaderna för framtida kommersiella fusionskraftverk är inte kända i nuläget. Som ett resultat av detta fokuserade MIT:s forskargrupp på att fastställa vilka kostnadsnivåer fusionsanläggningar måste nå fram till 2050 för att uppnå en stark marknadspenetration och ge ett betydande bidrag till koldioxidreduktionen av den globala elförsörjningen under senare hälften av seklet.
Det kanske mest anmärkningsvärda fyndet är det "samhälleliga värdet" av att ha kommersiella fusionsanläggningar tillgängliga.
– Att begränsa uppvärmningen till 1,5 grader kräver att världen investerar i vind, sol, lagring, nätinfrastruktur och allt annat som behövs för att koldioxidreducera elkraftsystemet. I förhållandet till kostnaden för det kan fusionsreaktorer vara mycket lägre. Givetvis varierar fördelen beroende på kostnaden för fusionskraftverk, menar Randall Field, verkställande direktör för fusionsstudien och MITEI:s forskningschef.
Han ger ett exempel:
– Om man antar att kostnaden för att bygga ett fusionskraftverk är 8 000 dollar per kilowatt år 2050 och den sjunker till 4 300 dollar per kilowatt år 2100, sjunker den globala kostnaden för att minska koldioxidutsläppen med 3,6 biljoner dollar. Om kostnaden i stället är 5 600 dollar per kilowatt 2050 och sjunker till 3 000 dollar per kilowatt 2100, skulle besparingarna från att ha fusionsanläggningarna vara 8,7 biljoner dollar*.
Ytterligare ett mål med analysen var att fastställa kostnadsbesparingen kring en global utbyggnad av fusionskraftverk. Återigen var resultaten slående. Utifrån ett kraftfullt koldioxidreduktionsscenario varierar den totala globala andelen elproduktion från fusion år 2100 från mindre än 10 procent om kostnaden för fusion är hög till mer än 50 procent om kostnaden för fusion är låg.
Fusionsutbyggnad varierar i olika delar av världen
Andra analyser visade att omfattningen och tidpunkten för fusionsutbyggnad varierar i olika delar av världen. Tidig användning av fusion kan förväntas i rika länder som europeiska länder. Men vissa andra platser - till exempel Indien och den afrikanska kontinenten - kommer att ha stor tillväxt i fusionsutbyggnaden under andra halvan av seklet på grund av en stor ökning av efterfrågan på el under den tiden.
– I USA och Europa kommer efterfrågetillväxten att vara låg, så det kommer att handla om att byta bort från smutsiga bränslen till fusion, förklarar Sergey Paltsev, biträdande chef för MIT Center for Sustainability Science and Strategy.
– Denna studie är ett viktigt bidrag till kommersialisering av fusion eftersom den ger ekonomiska mål för användningen av fusion på elmarknaderna. Det kvantifierar bättre de tekniska designutmaningarna för fusionsutvecklare med avseende på prissättning, tillgänglighet och flexibilitet för att möta förändrad efterfrågan i framtiden, konstaterar Dennis G. Whyte, co-PI för fusionsstudien.
De potentiella ekonomiska och miljömässiga vinsterna gör att fusion platsar i världens portfölj av energialternativ. Randall Field
Resultaten av studien förmedlar flera budskap om fusionens framtid menar forskarna. De konstaterar att det är uppenbart att reglering kan vara en potentiellt stor kostnadsdrivare. Detta bör motivera fusionsföretag att minimera sina reglerings- och miljöavtryck med avseende på bränslen och aktiverade material. Den bör också uppmuntra regeringar att anta lämpliga och effektiva regleringspolicyer för att maximera deras förmåga att använda fusionsenergi för att uppnå sina utsläppsmål. Och för företag som utvecklar fusionsteknologier är studiens budskap tydligt uttryckt i rapporten: ”Om kostnads- och prestationsmålen som identifierats i denna rapport kan uppnås visar vår analys att fusionsenergi kan spela en stor roll för att möta framtida elbehov och uppnå globala netto-noll koldioxidmål.”
*(Beräkningarna är baserade på skillnader i global bruttonationalprodukt och antar en diskonteringsränta på 6 procent. Det odiskonterade värdet är cirka 20 gånger större.)
Anmärkningsvärda resultat med hjälp av modelleringsverktyg
En analys av kraftsystemet som betjänar delstaterna i New England gav anmärkningsvärt detaljerade resultat. Med hjälp av ett modelleringsverktyg utvecklat vid MITEI undersökte fusionsteamet effekten av att använda olika antaganden om inte bara kostnads- och utsläppsgränser utan även sådana detaljer som potentiella markanvändningsbegränsningar som påverkar användningen av specifika förnybara energikällor med låga koldioxidutsläpp. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för dem att beräkna kostnaden för fusionskraftverk från när den börjar installeras. De kunde också undersöka hur "tröskelkostnaden" förändrades med förändringar i taket för koldioxidutsläpp. Metoden kan till och med visa till vilket pris fusionskraftverk börjar ersätta andra specifika genereringskällor. I en uppsättning körningar bestämde de kostnaden för när fusionskraftverk skulle börja förskjuta havsbaserad vindkraft och taksol.
Värdet av fusionskraft beror på andra tillgängliga alternativ
Värdet av att ha fusionskraftverk tillgängliga på ett elnät kommer att bero på vilka andra alternativ som finns tillgängliga, så för att utföra sina analyser behövde forskarna uppskattningar av den framtida kostnaden och prestandan för dessa alternativ, inklusive konventionella fossilbränslegeneratorer, kärnklyvningskraftverk, VRE-generatorer och energilagringstekniker samt efterfrågan på el för specifika regioner i världen. För att hitta de mest tillförlitliga uppgifterna sökte de den publicerade litteraturen samt resultat från tidigare MITEI- och PSFC-analyser. Sammantaget visade analyserna att – även om teknikutmaningen för att utnyttja fusionsenergi är enorma – så är de potentiella ekonomiska och miljömässiga vinsterna av stor vikt för att lägga till denna fasta, koldioxidsnåla teknik till världens portfölj av energialternativ.
