Elektrownia jądrowa w Polsce bezpieczna i opłacalna Renata PALECKA, Krzysztof PAJĄK Politechnika Wrocławska

Transkrypt

1 Elektrownia jądrowa w Polsce bezpieczna i opłacalna Renata PALECKA, Krzysztof PAJĄK Politechnika Wrocławska Unijne standardy Polska ma jeden z najniższych w Europie wskaźników zużycia energii elektrycznej w przeliczeniu na mieszkańca i jednocześnie jeden z najwyższych wskaźników zużycia energii elektrycznej w sektorze energetycznym wynoszącym 15,6 %, podczas gdy dla UE-15 wartość ta wynosi 8%. Wynika to z faktu, że w Polsce dominuje energetyka oparta na paliwie węglowym, którego przygotowanie do spalenia (wydobycie, transport, zmielenie) wymaga dużych nakładów mocy elektrycznej. Dodatkowo, krajowe sieci przesyłowe i rozdzielcze są przestarzałe, przez co generują duże straty sieciowe wynoszące ok. 8,2 %; dla przykładu w UE-15 jest to 5,7%. Szacuje się, że gdyby pieniądze przeznaczone na budowę pierwszej polskiej elektrowni jądrowej zainwestować w modernizację sieci, zysk energetyczny byłby porównywalny z tym, jaki uzyskano by z uruchomienia bloku jądrowego. Czy w takim razie budowa elektrowni jądrowej w Polsce jest zasadna? Odpowiedź brzmi tak! ton CO2/GWh Emisja gazów cieplarnianych w g. Comparison of energy systems using life-cycle assessment, Special Report, World Energy Council, London, W.B. W.K. W.K. Sek Rys. 1. Porównanie emisji gazów cieplarnianych (CO2) z różnych źródeł energii Źródło: World Energy Council, Ropa Gaz Gaz Sek Foto wolt Emisja min Emisja max Hydro Bio masa Wiatr EJ Zmniejszenie straty przesyłowej nie spowoduje zmiany udziału poszczególnych źródeł energii w strukturze energetycznej kraju. Obecnie ok. 80% energii elektrycznej w Polsce pozyskiwane jest z klasycznych elektrowni węglowych (węgiel kamienny 50%, węgiel 1

2 brunatny 30%). Produkcji tej towarzyszy emisja gazów cieplarnianych oraz innych szkodliwych zanieczyszczeń gazowych do atmosfery, mających negatywny wpływ na środowisko naturalne. Warto zaznaczyć, że jako kraj członkowski UE Polska zobowiązana jest, zgodnie z postanowieniami zapisanymi w pakiecie klimatyczno-energetycznym UE, m.in., do ograniczania emisji CO2 do atmosfery, co przy tak wysokim udziale elektrowni węglowych będzie bardzo trudne do zrealizowania. Taki stan rzeczy narzuca konieczność rozwoju w Polsce niskoemisyjnych źródeł energii energetyki jądrowej oraz odnawialnych źródeł energii tzw. OZE. Zakup kosztownych i energochłonnych instalacji ograniczania emisji, które przystosowałyby przestarzałe bloki do unijnych standardów wydaje się być drogą i nieopłacalną inwestycją. Energetyka jądrowa a OZE Energetyka jądrowa obecnie uznawana jest za najefektywniejsze źródło energii. Moc uzyskiwana z elektrowni jądrowych jest praktycznie stała i niezależna od warunków atmosferycznych. Natomiast uchodzące za najbardziej perspektywiczne i bezpieczne OZE nie zapewniają nieprzerwanych dostaw energii a ich sprawność istotnie zależy od zmiennych warunków pogodowych. Skutkuje to znacznie niższym współczynnik wykorzystania mocy zainstalowanej, który dla elektrowni wiatrowych i słonecznych wynosi odpowiednio 32 i 24 % podczas gdy dla elektrowni jądrowych jest to aż 90%. Rys. 2. Wpływ siły wiatru na wielkość produkcji energii elektrycznej z farm wiatrowych Źródło: Dla przykładu, okresy tzw. ciszy wiatrowej, w których elektrownie wiatrowe nie pracuję z powodu niewystarczającej siły wiatru mogą trwać nawet 2 tygodnie, a w ciągu roku 2

3 może być łącznie około 50 dni, kiedy moc produkcyjna elektrowni wiatrowej nie przekracza 1% mocy zainstalowanej. W praktyce oznacza to konieczność utrzymania sporych rezerw mocy w tradycyjnych elektrowniach bądź import energii z zagranicy co generuje dodatkowe koszty. O dużej zmienności mocy wprowadzanej do systemu ze źródeł odnawialnych niech świadczy fakt, że w Niemczech w skali całego roku średnioroczny współczynnik wykorzystania mocy elektrowni wiatrowych wynosi około 18%, a fotowoltaicznych około 11%. Chcąc uzyskać z nich tyle samo energii co z elektrowni jądrowych, należałoby projektować je na moce kilkukrotnie większe od mocy elektrowni jądrowych, dla których współczynnik obciążenia jest znacznie większy. Skutkowałoby to koniecznością dostosowania sieci przesyłowych do dużych wahań mocy i koniecznością zapewnienia przepustowości sieci przy maksymalnych mocach z OZE, co stwarzałoby szereg problemów. Rys. 3. Współczynnik obciążenia dla różnych źródeł energii elektrycznej Źródło: Ministerstwo Gospodarki Bezpieczeństwo elektrowni jądrowych Istotą bezpieczeństwa jądrowego jest dążenie do zabezpieczenia przed niekontrolowanym wydostaniem się na zewnątrz substancji promieniotwórczych, które mogłyby stanowić zagrożenie dla ludności i środowiska. Poruszając kwestie bezpieczeństwa jądrowego mamy często na myśli prawdopodobieństwo zajścia awarii reaktora oraz jej skutki. Choć niektórym w dalszym ciągu może kojarzyć się to z katastrofą elektrowni w Czarnobylu i Fukushimie, to czy rzeczywiście jest się czego bać? 3

4 W pierwszym przypadku przyczyną awarii był szereg zaniedbań ze strony człowieka zarówno na etapie projektowania reaktora (pracujący w Czarnobylu reaktor typu RBMK nie spełniał podstawowych norm bezpieczeństwa) jak i późniejszej jego eksploatacji (wy łączenie przez obsługę części systemów bezpieczeństwa). Z kolei do awarii elektrowni Fukushima doprowadził splot nieszczęśliwych okoliczności: bardzo silne wstrząsy sejsmiczne, nieco już przestarzała technologia oraz niedostateczne zabezpieczenie przed falą tsunami, której wielkość źle ocenili japońscy hydrolodzy. To właśnie, wywołana trzęsieniem ziemi, fala tsunami zniszczyła zbiorniki paliwa i przerwała pracę generatorów diesla zasilających układy awaryjnego chłodzenia. Gdyby nie to do awarii z pewnością by nie doszło samo trzęsienie ziemi nie stanowi zagrożenia dla elektrowni gdyż są na taką ewentualność przygotowane. Bezpieczeństwo instalacji nuklearnych przestało być przeszkodą w upowszechnianiu energetyki jądrowej. Największym problemem jest obecnie niewiedza, która wykorzystywana umiejętnie przez osoby i firmy zainteresowane zachowaniem znaczenia tradycyjnych źródeł energii lub rozwojem metod alternatywnych, sprzyja utrzymywaniu się społecznej niechęci do energetyki jądrowej. Rys. 4. Bariery na drodze produktów rozszczepienia: 1-materiał paliwowy, 2-koszulka, 3-granica ciśnieniowa obiegu pierwotnego, 4-obudowa bezpieczeństwa Źródło: Obecnie zagrożenie skażenia radiacyjnego z elektrowni jądrowych w warunkach ich normalnej eksploatacji jest pomijalne ze względu na stosowane zabezpieczenia i procedury postępowania. Przykładem może być koncepcja polegająca na ustanowieniu układu wielu barier fizycznych zwykle czterech z których każda kolejna ma na celu zapobieżenie i ograniczenie przedostania się substancji radioaktywnych na zewnątrz obiektu na wypadek 4

5 utraty lub uszkodzenia bariery poprzedzającej. Podstawową osłoną są już pastylki paliwowe umieszczone w koszulkach cyrkonowych, które są w stanie wytrzymać temperatury do 1200 ⁰C. Ciepło powstałe w wyniku reakcji jest odbierane od zbiornika reaktora przez wodę o temperaturze ⁰C, więc tak długo, jak długo reaktor jest chłodzony, produkty rozpadu pozostają w paliwie. Kolejne bariery stanowią obieg pierwotny reaktora i obudowa bezpieczeństwa. Warto zaznaczyć, że zdecydowana większość spośród pracujących obecnie energetycznych reaktorów jądrowych to budowane do końca lat 90 reaktory tzw. II generacji. Dziś na rynku oferowane są konstrukcje generacji III/III+ charakteryzujący się lepszymi osiągami eksploatacyjnymi, lepszym wykorzystaniem paliwa i mniejszą ilością produkowanych odpadów radioaktywnych. Przy ich projektowaniu zastosowano szereg innowacyjnych rozwiązań, dzięki którym poziom bezpieczeństwa reaktora został jeszcze bardziej zwiększony tak, by był on odporny nawet na najmniej prawdopodobne awarie. Rozwiązania te obejmują m.in. tzw. wbudowane cechy bezpieczeństwa, które nie pozwalają na wystąpienie awarii prowadzącej do stopienia rdzenia oraz układy bezpieczeństwa biernego wykorzystujące siły naturalne takie jak grawitacja czy konwekcja. Główną zaletą tego rodzaju systemów jest możliwość działania bez interwencji operatora oraz przy braku zewnętrznego źródła zasilania dzięki czemu są bardziej odporne na błędy popełniane przez obsługę oraz na czynniki zewnętrzne. Rys. 5. Chwytacz rdzenia w reaktorze EPR Źródło: 5

6 Przykładem takiego reaktora jest EPR zwany także Europejskim Reaktorem Wodno Ciśnieniowym. Oferowany przez francuską firmę AREVA charakteryzuje się mocą elektryczną na poziomie 1600 MW. Głównym pomysłem projektantów, zmniejszającym ryzyko ciężkiej awarii było zastosowanie poczwórnej redundancji dla głównych systemów bezpieczeństwa - każdy z tych układów jest w stanie samodzielnie schłodzić reaktor podczas awarii. Dzięki odpowiedniemu rozplanowaniu bloku układy te od siebie fizycznie rozdzielono zmniejszając ryzyko uszkodzenia wszystkich jednocześnie w przypadku np. uderzenia samolotu pasażerskiego. Jeśli mimo to doszłoby do stopienia rdzenia, w reaktorze EPR zastosowano tzw. chwytacza rdzenia umożliwiający bierne przechwycenie, zatrzymanie i schłodzenie płynnego rdzenia zapobiegając jego wydostaniu się poza obudowę bezpieczeństwa. Przewidziany okres eksploracji elektrowni z reaktorem EPR to 60 lat. Obecnie takie elektrownie budowane są w Olkiluoto, Finlandia, we Flamanville, Francja oraz w Taishan, Chiny. Rys. 6. Elektrownia z reaktorem AP1000 Źródło: Innym przykładem reaktora generacji III+ jest reaktor AP1000 amerykańskiej firmy Westinghouse, którego moc elektryczna wynosi ok MW. Konstrukcję cechuje wysokie bezpieczeństwo pracy dzięki zastosowaniu licznych systemów pasywnych chroniących przed stopieniem rdzenia i wydostaniem się substancji radioaktywnych na zewnątrz. W przypadku ciężkiej awarii producent zakłada pozostawienie stopionego rdzenia w zbiorniku reaktora i jego chłodzenie wodę omywającą zewnętrzne ściany zbiornika, dzięki czemu nie ma 6

7 zagrożenia radiologicznego. Rozwiązanie to pozwala na efektywny odbiór ciepła przez trzy dni bez konieczności dostarczania zasilania. Dzięki zwartej konstrukcji przy jednoczesnym znacznym ograniczeniu liczby elementów reaktora m.in. zaworów, pomp, przewodów, stopień niezawodności został zwiększony. W stosunku do reaktorów II generacji, reaktor AP1000 wymaga mniejszej ilość budynków obsługi elektrowni. Dzięki swojej modularnej konstrukcji, czas budowy elektrowni został znacząco skrócony a koszty obniżone. Najwyższe wymagania stawiane współczesnym elektrowniom jądrowym w zakresie bezpieczeństwa wykluczają powtórkę scenariusza z Czarnobyla czy Fukushimy. Koszty budowy i eksploatacji elektrowni jądrowej W opinii wielu niezależnych eksportów wdrażanie energetyki jądrowej jest uzasadnione jako skuteczny sposób ograniczania emisji dwutlenku węgla przy jednoczesnym zachowaniu niskich kosztów wytwarzania energii elektrycznej. Elektrownie jądrowe oparte o sprawdzoną technologię reaktorów lekkowodnych z powodzeniem mogą konkurować nie tylko z elektrowniami węglowymi ale również z bezemisyjnymi elektrowniami wiatrowymi. We Francji, w której elektrownie jądrowe stanowią główne źródło energii elektrycznej, średni koszt produkcji 1 MWh wynosi 42 euro. Szacuje się, że po wprowadzeniu reaktorów III generacji, których koszty budowy są wyższe, cena energii wzrośnie do euro/mwh, jednak nadal będzie konkurencyjna dla cen energii pozyskiwanych z farm wiatrowych czy ogniw fotowoltaicznych. Rys. 7. Szacunkowy jednostkowy koszt wytwarzania energii elektrycznej dla różnych źródeł energii Źródło: 7

8 Z raportu Ernst and Young opublikowanym w 2012 roku wynika, że jednostkowy koszt wytwarzania energii elektrycznej dla elektrowni jądrowej wynosi 313 zł/mw; dla porównania w przypadku fotowoltaiki uważanej powszechnie za tanie źródło energii jest to aż 1091 zł/mwh. W przypadku elektrowni jądrowych, na uwagę zasługuje również niski udział ceny paliwa w kosztach produkcji energii elektrycznej dzięki czemu nawet jej dwukrotny wzrost powoduje zaledwie 5% przyrost ceny energii elektrycznej. Dla porównania, taki sam wzrost ceny gazu spowodowałbym skok ceny energii nawet o 75%. Oznacza to, że wprowadzenie energetyki jądrowej do struktury energetycznej kraju przyczyni się do stabilizacji cen energii. Rys. 8. Wpływ zmian ceny paliwa na koszt produkcji energii elektrycznej dla elektrowni gazowej i jądrowej Źródło: Ministerstwo Gospodarki Budowa elektrowni jądrowej bez wątpienia jest kosztowną inwestycją. Według danych przygotowanych przez firmę Ernts and Young, nakłady inwestycyjne na budowę elektrowni jądrowej, o współczynniku obciążenia 0,9, wynoszą 15,8 mln PLN/MW mocy średniej i 14,8 mln PLN/MW mocy szczytowej. W przypadku Polski, całkowite koszty inwestycyjne dla pierwszego bloku elektrowni jądrowej szacowane są na ok euro za kw - czyli 4,68 mld euro za 1000 MW. W związku z wysokimi kosztami inwestycyjnymi powszechną praktyką jest zaciąganie kredytów na budowę elektrowni jądrowych, które z reguły przyznawane są na 20 lat. Czas ten uwzględnia zazwyczaj 5 lat budowy elektrowni i kolejne 15 lat jej eksploatacji, w czasie którym następuje spłata kredytu. Konieczny jest też pewien wkład własny inwestora. W Polsce za budowę pierwszej elektrowni jądrowej odpowiedzialna jest Polska Grupa Energetyczna PGE, która ma to zrobić z trzema innymi państwowymi koncernami: KGHM, 8

9 Tauron oraz Enea. Parafowana we wrześniu 2013 r. umowa przewiduje, że PGE sprzeda swoim wspólnikom po 10 proc. udziałów w spółce PGE EJ1, która operacyjnie zajmuje się projektem. W opracowaniu korzystano z: 1. Prezentacja prof. A. Strupczewskiego Reaktory III generacji a bezpieczeństwo ludności Program Polskiej Energetyki Jądrowej (PEJ) stworzony przez Ministerstwo Gospodarki 9