Synergia jądrowo-węglowa

[Rozmiar: 688072 bajtów]

(źródło rysunku: J. Niewodniczański, "Nuclear energy for Poland?", Poznań, United Nations Climate Change Conference)


Współczesne reaktory jądrowe służą przede wszystkim wytwarzaniu taniej i bezpiecznej energii elektrycznej. Reaktory IV generacji, w tym reaktory HTR, oprócz energetyki mogą by,ć wykorzystywane w przemyśle. Moc cieplna takich reaktorów nie jest zbyt duża (maksymalnie kilkaset megawatów), jednak to, co można wykorzystać w dalszych procesach przemysłowych, to gorący hel, który służy jako chłodziwo reaktora. Temperatura takiego helu wynosi nawet 900 oC. Gdzie można wykorzystać tak wysokie temperatury? pomysłów wykorzystania jest wiele - przede wszystkim produkcja "przemysłowego" wodoru oraz do produkcji paliw płynnych. To drugie zastosowanie polega na wytwarzaniu paliw z węgla, którego w naszym kraju jest pod dostatkiem. Możliwości, jakie daje taka synergia energetyki jądrowej z przemysłem węglowym, są ogromne. Niezależność paliwowa Polski, bezpieczeństwo energetyczne oraz dostosowanie emisji CO2 do standardów unijnych to podstawowe benefity.

Wprowadzenie energetyki jądrowej na terytorium Polski może budzić sprzeciwy - nie tylko ekologów i przeciętnego Kowalskiego, ale przede wszystkim osób utrzymujących się z wydobywania i eksploatacji węgla. Takim sprzeciwom można zapobiec. Energetyka jądrowa nie musi stanowić zagrożenia wielu miejsc pracy w zagłębiach górniczych. Synergia jądrowo-węglowa oraz nowe technologie efektywnego wykorzystania naturalnych złóż węgla będą wsparciem energetyki węglowej, a nie jej zagładą. Zbudowanie na terenie Polski ośrodka demonstracyjnego z współczesnym reaktorem oraz badania nad nowymi technologiami przerobu węgla w paliwa syntetyczne będzie początkiem długoletniego planu łączenia energii jądrowej z przemysłem węglowym. Polska ze względu na bogate złoża węgla jest do tego doskonałym miejscem.

"Budowa silnej Polski poprzez budowę silnej Europy w Polsce". Jest to hasło projektu synergii jądrowo-węglowej, które pozwoli na uzyskanie poparcia w szerokim gronie decydentów. Program synergii jest programem europejskim, który ma zostać zrealizowany w Polsce. Ośrodek badawczo-demonstracyjny, który dzięki temu uda się wybudować, będzie skupiał europejskich specjalistów w zakresie energetyki jądrowej oraz węglowej.

Europejska sieć HTR-TN (The (European) HTR Technology Network), która skupia instytuty badawcze z całej Europy, pracuje nad wdrożeniem technologii HTR w Europie. W tym celu trwają poszukiwania nabywców reaktorów HTR, zainteresowanych nowymi technologiami partnerów przemysłowych.

Ponieważ Polska dysponuje bogatymi złożami węgla, jest zatem z naszej strony zainteresowanie nowymi technologiami z zastosowaniem do technologii węglowej. Polska wychodzi z inicjatywą przystąpienia do HTR-NT jako teren do budowy ośrodka badawczego stanowiącego europejskie centrum badawcze synergii jądrowo-węglowej. HTR-TN koordynuje projekty z obszaru technologii HTR, które są współfinansowane z programu ERATOM. Największy projekt realizowany w ramach 6 Projektu Ramowego (6FP), to program RAPHAEL (ReActor for Process heat, Hydrogen And Electricity generation, www.raphael-project.org)

Wsparcie europejskie, jakie jest potrzebne Polsce w realizacji tego projektu, to właśnie program RAPHAEL .
[Rozmiar: 696767 bajtów]

(źródło rysunku: L. Pieńkowski, "Synergia Węglowo - Jądrowa dla bezemisyjnej produkcji paliw i wychwytu CO2", KONWERSATORIUM Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej 17.01.2008)


Program ten skupia 10 krajów, jednak nie należy do nich Polska, ponieważ jak dotąd nie ma ośrodka badawczego na terytorium naszego kraju. Polska współfinansuje ośrodki i urządzenia badawcze mieszczące się w innych krajach, jednak budowa takiego ośrodka na terytorium Polski nie jest nawet planowana. Europejskie zaangażowanie finansowe w rozwój projektu RAPHAEL jest nadal zbyt małe (20 milionów euro), jednak w niedalekiej przyszłości Europa będzie musiała przeznaczyć na ten cel większe środki (dla porównania rząd USA przeznaczył ponad miliard dolarów na amerykański odpowiednik RAPHAELa - NGNP - na badania w latach 2006-2015 (www.nuclear.gov/pdfFiles/epactFinal.pdf).

Jedynie mocna polska polityka zagraniczna oraz jasne określenie celów oraz korzyści dla Polski oraz Europy zaowocuje wybudowaniem w Polsce ośrodka demonstracyjnego w ramach projektu RAPHAEL.

Współpraca z ośrodkami europejskimi oraz światowymi, które już prowadzą badania nad technologią wysokotemperaturową (USA, RPA, Japonia, Korea Południowa) przyspieszy prace nad takimi badaniami w Polsce. Perspektywa zbudowania wspomnianego europejskiego ośrodka demonstracyjnego już w 2015 roku stawia wdrożenie w Polsce energetyki jądrowej jako jedno z priorytetowych kierunków rozwoju nauki w Polsce.

Elektryczność oraz ciepło do zastosowań przemysłowych to produkty energetyki jądrowej IV generacji. Powodzenie planu wdrożenia energetyki jądrowej zależy od opłacalności oraz bezpieczeństwa takiego przedsięwzięcia. Idea synergii jądrowo-węglowej pozawala na osiągnięcie obu celów. Sprzężenie elektrowni jądrowej z węglową pozwoli na znaczące ograniczenie produkcji CO2 wytwarzanego w procesach wytwarzania "węglowej" energii elektrycznej dzięki użyciu wysokotemperaturowego ciepła, które zostanie przerobione na wodór w procesie elektrolizy.

(na podstawie: L. Pieńkowski, "Energetyka jądrowa w Polsce. Synergia przemysłu węglowego i energii jądrowej")

Wodór praktycznie nie występuje na Ziemi w stanie wolnym. 94% atomów we Wszechświecie stanowi właśnie wodór. Stanowi to 75% wagi całego Wszechświata! Na Ziemi wodór stanowi około 0.87% wagi powierzchni Ziemi (skorupa ziemska, atmosfera i hydrosfera). Pozyskiwanie wodoru dla celów energetycznych jest ważne i konieczne!

Obecnie produkuje się rocznie około 50 mln ton wodoru, głównie z paliw kopalnych: gazu ziemnego, paliw ciekłych oraz węgla, a także na drodze elektrolizy. Koszt uzyskania wodoru z różnych surowców przedstawiony został na poniższym diagramie:

[Rozmiar: 42783 bajtów]

Przyszłościowa technologia uzyskiwania wodoru to termiczny rozkład wody:

2H2O -> 2H2 + O2


Taką reakcję można otrzymać w procesach bezpośrednich oraz pośrednich. Procesy bezpośrednie wymagają temperatury procesu około 2500 oC, co jest bardzo trudne w realizacji. Procesy pośrednie to cykliczne procesy termochemiczne (około 200 różnych procesów, w których temperatura procesu wynosi od 500 do 900 oC, sprawność do 50%)oraz hybrydowe procesy cykliczne.

(źródło danych: P.Tomczyk, S. Porada "Wykorzystanie ciepła z wysokotemperaturowego reaktora jądrowego w procesach zgazowania węgla i produkcji wodoru", Agencja Atomistyki, Warszawa, 28.06.2006)

Efektywność produkcji wodoru przedstawia poniższy wykres:

[Rozmiar: 98776 bajtów]

(źródło wykresu: S. Taczanowski, J. Centar "Węgiel z energią jądrową - symbioza dla produkcji paliw płynnych i gazowych", AGH, 2006/04/07)

Termochemiczna produkcja wodoru:

[Rozmiar: 73719 bajtów]

(źródło wykresu: S. Taczanowski, J. Centar "Węgiel z energią jądrową - symbioza dla produkcji paliw płynnych i gazowych", AGH, 2006/04/07)

"Zgazowanie węgla polega na jego przetworzeniu w gaz za pomocą powietrza lub czystego tlenu przy dodatku pary wodnej. Stosowana ilość powietrza jest znacznie mniejsza niż w przypadku spalania i z tego powodu w wysokich temperaturach osiągających tysiąc i więcej stopni powstaje gaz palny, którego głównymi składnikami są tlenek węgla zwany czadem i wodór. Wytworzony na tej drodze gaz ma wiele zalet w zastosowaniach przemysłowych, w tym szczególnie w syntezie chemicznej. Dynamiczny rozwój technologii zgazowania węgla notowano w pierwszej połowie ubiegłego stulecia, co związane było z rozwojem syntezy produktów chemicznych prowadzących do wytwarzania paliw silnikowych. Na początku lat 50. rozwój konkurencyjnych ekonomicznie technologii opartych na ropie naftowej wyeliminował jednak technologie karbochemiczne. Po roku 1955 na świecie pozostała tylko jedna fabryka produkująca paliwa silnikowe z węgla, która zlokalizowana jest nadal w Republice Południowej Afryki, a jej nieekonomiczną eksploatację w tamtych latach uzasadniały względy gospodarczo-polityczne. Wtedy sformułowano tak zwane "prawo dwóch", które stwierdzało, że wytwarzanie benzyn z węgla będzie konkurencyjne cenowo do paliw uzyskiwanych z ropy naftowej w sytuacji, kiedy cena dwóch ton węgla będzie niższa od ceny jednej baryłki ropy naftowej. Praktycznie od roku 1999 zakład osiągnął w tamtych warunkach pełną rentowność i obecnie przerabia ok. 4 mln ton węgla produkując paliwa silnikowe i chemikalia."


(źródło: http://www.teberia.pl/news.php?id=554)



Hydrogazowanie węgla z wykorzystaniem ciepła pochodzącego z reaktora wysokotemperaturowego:

[Rozmiar: 57769 bajtów]

(źródło schematu: P.Tomczyk, S. Porada "Wykorzystanie ciepła z wysokotemperaturowego reaktora jądrowego w procesach zgazowania węgla i produkcji wodoru", Agencja Atomistyki, Warszawa, 28.06.2006)

W 2006 roku wdrożenie technologii reaktorów HTR zostało wpisane jako element strategii rozwoju atomistyki w Polsce, tym samym rozpoczęto prace nad technologiami recyklingu CO2, gazyfikacji węgla oraz wykorzystania wysokotemperaturowego ciepła do produkcji wodoru.

Schemat recyklingu węgla przy zastosowaniu ciepła pochodzącego z reaktora HTR przedstawia poniższy rysunek.

[Rozmiar: 89588 bajtów]

(źródło: J. Niewodniczański, "Nuclear energy for Poland?", Poznań, United Nations Climate Change Conference)

Upłynnianie węgla "metodą pośrednią", którą rozwija General Atomics w USA, pozwala uniknąć emisji CO2 oraz jest źródłem tlenu. Surowcem w tej metodzie jest węgiel. Nadmierne zużycie w procesie syntezy Fischera-Tropscha wodoru, który jest produkowany kosztem dużego zużycia energii, powoduje że ta metoda jest nieopłacalna. Połowa wodoru wytworzonego z wody jest powtórnie utleniana do H2O.

[Rozmiar: 100690 bajtów]

(źródło rysunku: S. Taczanowski, "Symbioza węgla z energią jądrową dla produkcji paliw płynnych", Polityka Energetyczna, Tom 11, zeszyt 1, rok 2008)


Inną, bardziej rentowną metodą wytwarzania paliw syntetycznych jest metoda upłynniania CO2 pochodzącego z gazów odlotowych instalacji emitujących CO2. Jednym z najlepszych "emiterów" CO2 jest elektrownia węglowa. Podwójne spalanie węgla (raz w elektrowni węglowej, drugi raz jako paliwo), co oznacza dwukrotne zmniejszenie emisji CO2. To oznacza eliminację kar za nadwyżkę emisji CO2 do atmosfery.

[Rozmiar: 109003 bajtów]

(źródło rysunku: S. Taczanowski, "Symbioza węgla z energią jądrową dla produkcji paliw płynnych", Polityka Energetyczna, Tom 11, zeszyt 1, rok 2008)


Ocena kosztów produkcji paliw płynnych z jądrowym wspomaganiem zamieszczona została w poniższej tabeli.
[Rozmiar: 22776 bajtów]

(źródło tabeli: S. Taczanowski, "Symbioza węgla z energią jądrową dla produkcji paliw płynnych", Polityka Energetyczna, Tom 11, zeszyt 1, rok 2008)


W wariancie produkcji paliw z CO2 należy również uwzględnić premię za zmniejszenie emisji tego gazu. Dodatkowo można uzyskać przychód również ze sprzedaży nadwyżek produkowanego tlenu jako produktu ubocznego wytwarzania wodoru. Zastosowanie reaktorów wysokotemperaturowych do produkcji wodoru metodą termochemiczną pozwoli na kolejne zmniejszenie kosztów produkcji paliw syntetycznych.

Metoda bezpośrednia upłynniania węgla w synergii jądrowo-węglowej jest kolejną metodą produkcji paliw.
[Rozmiar: 83653 bajtów]

(źródło rysunku: S. Taczanowski, "Symbioza węgla z energią jądrową dla produkcji paliw płynnych", Polityka Energetyczna, Tom 11, zeszyt 1, rok 2008)


Polega ona na sprzężeniu elektrowni atomowej z reaktorem lekkowodnym, LWR, z instalacją bezpośredniego upłynniania węgla. Więcej na ten temat można znaleźć w publikacji S. Taczanowski, "Symbioza węgla z energią jądrową dla produkcji paliw płynnych", Polityka Energetyczna, Tom 11, zeszyt 1, rok 2008.


Podsumowując, projekt synergii jądrowo-węglowej to pomysł wielkiej wagi o znaczeniu zarówno dla Polski, jak i dla całej Europy. Budowa w Polsce silnej Europy, będąca hasłem politycznym projektu, oznacza wybudowanie w naszym kraju ośrodka europejskiego, skupiającego najwybitniejszych naukowców dziedzin zarówno energetycznych, jak i przemysłowych. Rola gospodarcza tego projektu polega przede wszystkim na opracowaniu i wdrożeniu technologii produkcji paliw silnikowych, wykorzystując recykling CO2, zwiększając tym samym efektywność energetyki węglowej. Energia jądrowa oparta na technologii wysokotemperaturowej wzmocni przemysł węglowy - skojarzenie obu technologii nie oznacza wypierania węgla - oznacza jego lepsze wykorzystanie dla obopulnej korzyści. Dzięki temu, że ośrodek demonstracyjny synergii jądrowo-węglowej potrzebuje węgla, zatem logicznym jest, że będzie to wsparcie rozwoju Śląska, polskiego zagłębia węglowego. Stworzenie nowych miejsc pracy i wykorzystanie infrastruktury sektora górniczego będzie bardzo korzystne dla tego obszaru. Dzięki połączeniu technologii jądrowej i węglowej będzie możliwe otworzenie nowych kierunków kształcenia i odbudowanie kadry naukowej, która po kryzysie jądrowym w latach 90 się rozeszła. Produkcja taniej elektryczności przy jednoczesnych korzyściach zarówno ekologicznych (zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych, głównie CO2 oraz SO2 i NOx) jak i gospodarczych (złamanie monopolu dostawcy paliw z zagranicy) daje wymierne skutki zarówno polityczne, jak i społeczne.