Atom a OZE

Mój ostatni wpis na temat dychotomii pomiędzy atomem i OZE został dość słusznie skrytykowany przez Czytelników, dlatego postanowiłem napisać nowy, pod tytułem:

Atom a OZE: stosowalność, efekty synergicznego działania, wpływ na środowisko i charakterystyka ich działania pod kątem ekonomicznym.

LCOE (koszt wytworzenia energii elektrycznej): ile wynosi dla poszczególnych źródeł energii?
Odpowiedź na to pytania nie jest prosta. Najtańsze na świecie źródło energii, hydroelektrownie, potrafią dostarczyć ją w cenach tak niskich jak nawet $4 w Ameryce Południowej, jednakże warunki na takie inwestycje występują rzadko, ilość miejs w których można takie tamy budować jest gigantyczna a nad impaktem środowiskowym wznoszenia tak gigantycznych struktur nie trzeba się specjalnie rozwodzić. Wystarczy wspomnieć, że zalewy za tymi tamami zabierają setki kilometrów kwadratowych a same tamy uniemożliwiają ruch różnych gatunków zwierząt przez nie, prowadząc do ich wyginięcia.
Nowoczesne elektrownie wiatrowe i słoneczne potrafią mieć LCOE w okolicach $30. Jest to mniej niż węgiel czy gaz, natomiast w stosunku do energetyki jądrowej jest to zależne od rozpatrywanego przypadku. Problemem z tymi źródłami energii jest zmienność wytwarzanej mocy w czasie, która, niezależnie od stopnia przewidywalności tej zmienności, wymaga instalacji dodatkowych, zapasowych mocy przesyłowych (czyli, prościej mówiąc, dodatkowych kabli wysokiego napięcia), zbycia ich w razie niespodziewanych nadwyżek (za które trzeba zapłacić) lub nabycia za ciężkie pieniądze (rekord wyniósł $1300, gdy kilka krajów na Zachodzie zbliżyło się do blackoutu w wyniku ciszy wiatrowej). To wszystko, wraz z innymi czynnikami składa się na koszty systemowe, które w wielu przypadkach przewyższają sam koszt wytworzenia energii. Nie bez powodu Niemcy, mający najwyższy udział OZE w miksie energetycznym w Europie (nie licząc Norwegii, opierającej swój sektor elektroenergetyczny na hydroelektrowaniach) mają najwyższe ceny energii elektrycznej na świecie.
W końcu: elektrownie jądrowe. Tutaj LCOE mogą się bardzo różnić. W okresie spłaty takiej elektrowni w większości przypadków, zwłaszcza na Zachodzie, potrafi być dość wysokie, nawet osiągając wysokość ponad £100/MWh w przypadku Hikley-Point C, gdzie jednakże po 35 okresie spłaty zaciągniętych na nią kredytów może spaść nawet do £20/MWh, oczywiście o ile ten zakład nie będzie się w międzyczasie dodatkowo zadłużał. Jest to nieco mniej niż w przypadku obecnych, popularnych technologii z zakresu OZE i ze względu na pełną kontrolę nad produkcją mocy w takiej jednostce oraz fakt, iż teoretycznie najnowocześniejsze reaktory dożyją, wraz z wprowadzanymi w nich modernizacjami systemów bezpieczeństwa, sterowania, konstrukcji rdzeni paliwowych i innych istotnych komponentów elektrowni, przeżyją swoje setne urodziny, podczas gdy OZE nie są długo żywotne i wymagają względnie częstej wymiany. Żywotność popularnych obecnie systemów OZE wynosi około 30 lat. To wszystko oznacza, że długofalowo elektrownia jądrowa jest lepszą inwestycją niż OZE. Oczywiście nuklearyzację można też przeprowadzić tanije, co jednak wymaga konserwatywnej polityki pieniężnej, skierowanej na eliminację inflacji. Jednostka w rodzaju Bakarah NPP kosztowała netto (bez odsetek) $4000/kWₑ. Gdyby oprocentowanie kredytów na tą inwestycję wyniosło 2%, to jej LCOE, w polskich warunkach wyniosło by około 20gr/kWh (czyli mniej-więcej tyle co węgiel) w 30-letnim okresie spłaty i około 5gr/kWhₑ po nim. Przelicza się to na około $/10/MWh, co jest bardzo niską ceną. Przy braku dodatkowych kosztów systemowych pełna nuklearyzacja jest najbardziej sensowną ekonomicznie, chociaż niewątpliwie trudną w realizacji, opcją.
O zastosowaniach elektroenergetycznych biomasy pod kątem produkcji energii elektrycznej, gdyż jej impakt środowiskowy, śmiesznie niskie EROEI, rzędu 3 (energy return on energy invested, stosunek energii uzyskanej z danego źródła do energii włożonej w jego eksploatację, gdzie niskie EROEI – można przypuszczać iż stosowanie mało wydajnych źródeł energii w ogóle ma pośrednio niekorzystny wpływ na gospodarkę) i konieczność stosowania paliw kopalnych (ropopochodnych, gdzie docelowo chcemy odejść od tych paliw w 100%) wykluczają je – rozpisywanie się na temat ich aspektów ekonomicznych jest zbędne.

Jaki wpływ na środowisko mają różne źródła energii?

Zacznijmy od energii jądrowej. Z perspektywy globalnej wpływ wydobycia uranu ma pomijalnie mały wpływ na środowisko. Emisje CO2, związane głównie z koniecznością wytworzenia znacznych ilości stali i cementu do budowy takiej elektrowni, eksploatacją uranu i jego wzbogacaniem (jeżeli konieczna do niego energia nie pochodzi ze źródeł bezemisyjnych) oraz transportem rudy uranowej z odległych względem zakładów ją przetwarzających kopalni. Sama energetyka jądrowa wymaga trzy rzędy wielkości mniej miejsca niż energetyka odnawialna i jest względem niej wielokrotnie mniej ekstensywna pod względem wykorzystania surowców. Nie wymaga także, w przeciwieństwie do fotowoltaiki znaczących ilości surowców takich jak metale ziem rzadkich. “Odpady” z elektrowni jądrowych są magazynowane w sposób uniemożliwiający ich wyciek do środowiska i mogą być wykorzystane jako surowiec wtórny. Na przykład zużyty wsad z reaktora PWR może, po chemicznym oczyszczeniu z tak zwanych trucizn paliwowych (czyli izotopów wychwytujących neutrony, przez co obniża moc reaktora lub uniemożliwia jego pracę), zawiera dostatecznie dużo izotopów rozszczepialnych, by zasilić reaktor ciężkowodny (na przykład CANDU, IPHWR czy też niedawno opatentowany, czeski Teplator, będący reaktorem ciepłowniczym – gdzie w ciepłownictwo jądrowe należy jak najbardziej inwestować, gdyż stanowi tanią, czystą i jak najbardziej bezpieczną alternatywę dla ciepłownictwa opartego na paliwach kopalnych, przy czym Czesi szacują, iż koszt produkcji ciepła za pomocą Teplatora będzie czterokrotnie niższy niż w przypadku ciepłowni opalanych węglem) lub grafitowy, jeżeli ktoś zdecyduje się na powrót do tej technologii.
Popularne OZE mają zasadniczo dwa problemy, jeżeli chodzi o kwestie środowiskowe: wysokie, względem EJ, zapotrzebowanie na surowce przy kilkukrotnie niższej żywotności i trzy rzędy wielkości większe zapotrzebowanie na przestrzeń. O ile panele słoneczne można lokować na dachach, o tyle zaspokojenie za pomocą tych źródeł energii potrzeb stale rosnących gospodarek jest fizycznie niemożliwe, głównie właśnie na ekstensywność przestrzenną.
Chyba najsensowniejszym rozwiązaniem, z dziedziny energetyki słonecznej, są elektrownie cieplne zasilane skoncentrowanym światłem słonecznym (CSP). Obecnie istnieje jednak niewiele tego typu jednostek, koszt produkcji energii potrafi się znacznie różnić (chociaż niektóre, nowocześniejsze, są wstanie dostarczyć ją taniej, niż uzyskaną z paliw kopalnych) a ich lokowanie wymaga specyficznych warunków. Zakres cen produkowanej przez nie energii różni się znacznie, od ¢36/kWhₑ (Hiszpania, najwyższa odnotowana) do ¢5kWhₑ (Chiny, najniższa odnotowana). Ekonomicznie sensowne są one jedynie w miejscach o bardzo małym zachmurzeniu, małym zapyleniu (czyszczenie zwierciadeł kosztuje) i wysokim nasłonecznieniu, co raczej czyni to źródło energii dostępnym głównie dla krajów okołorównikowych. Jego niewątpliwymi zaletami są natomiast: brak zapotrzebowania na rzadkie surowce, potencjalnie bardzo wysoka żywotność i, ze względu na ciekłą sól (na przykład chlorek sodu) stanowiącą środek transportu ciepła pomiędzy kolektorem a generatorem energii elektrycznej (na przykład turbozespołem pracującym w cyklu Rankina, najprawdopodobniej z chłodnią kominową), co w połączeniu z dużym zbiornikiem tej soli, stanowiącym magazyn energii, eliminuje problem kosztów systemowych. Ponadto cieplne CSP mają wyższą gęstość mocy niż panele fotowoltaiczne, chociaż ze względu na zmienność tego typu wielkości, mogę stwierdzić jedynie, iż przewaga CSP tutaj zawiera się w tym samym rzędzie wielkości. Poza tym wpływ tego typu instalacji na środowisko jest zasadniczo pomijalny. Powyższe fakty stanowią o tym, iż CSP może być atrakcyjną alternatywą dla okołorównikowych krajów, których nie stać na długoterminowe inwestycje nuklearne na szeroką skalę.

Czy paliwo jądrowe może się skończyć?

Odpowiedź na to pytanie brzmi: nie. Pomimo iż uranu naturalnego w złożach konwencjonalnych wystarczy na około 80 lat przy obecnym tempie eksploatacji, to jednak należy pamiętać o jego alternatywnych źródłach, takich jak uran zawarty w rudach różnych metali (na przykład miedzi), czy uran morski, którego zasoby ocenia się na trzy miliardy ton. W porównaniu do uranu w złożach konwencjonalnych (około 6mln ton) ta liczba jest gigantyczna. Obecnie uran naturalny kosztuje nieco ponad $160/kg, natomiast najnowsze, doświadczalnie zweryfikowane metody pozyskiwania uranu z morza pozwolą na dostarczenie tego surowca w cenie około $200/kg, co nie będzie miało istotnego wpływu na cenę energii jądrowej. Dodatkowo stale rozwijana jest technologia reaktorów powielających prędkich, które, przekształcając uran w rozszczepialny pluton, skutecznie mogą zwiększyć zasób dostępnego paliwa stukrotnie. Należy także pamiętać o torze, którego znane zasoby są ponad dwukrotnie większe od znanych zasobów uranu w złożach konwencjonalnych. Stosowanie toru, jako materiału paliworodnego (i w charakterze wypełniacza) w paliwie jądrowym, przeznaczonym dla reaktorów ciężkowodnych może pozwolić na zrównoważony cykl paliwowy. W wyniku pochłaniania neutronów powstaje izotop uranu ²³³U, który jest rozszczepialny, także pod kampanii paliwowej otrzymujemy nie mniej materiału rozszczepialnego niż mieliśmy na początku. To rozwiązanie było doświadczalnie zweryfikowane, jednakże ze względu na wówczas wyższy koszt fabrykacji takich wsadów nie jest obecnie stosowane.

Na zakończenie

Jak zwykle dziękuję szanownym Czytelnikom za uwagę i zaznaczam, że będę wdzięczny za wszelką merytoryczną krytykę. Źródła dla tego wpisu dodam później, muszę je najpierw uporządkować. Jak widzimy, energetyka jądrowa ma liczne przewagi nad energetyką odnawialną, za równo z ekonomicznego, jak i ekologicznego punktu widzenia, co czyni ją najrozsądniejszym rozwiązaniem na drodze do całkowitej dekarbonizacji naszej cywilizacji. Jeszcze raz dziękuję za uwagę i życzę miłego dnia!

Kazimierz Gostkowski-Drzewicki