ENERGETYKA JĄDROWA. Stanisław Drobniak INSTYTUT MASZYN CIEPLNYCH. 2. Podstawy fizyczne energetyki jądrowej.

Transkrypt

1 EKOLOGA ENERGETYKA ( stan obecny i perspektywy rozwoju ) Stanisław Drobniak NSTYTUT MASZYN CEPLNYCH 1. Analiza trendów zużycia. 2. Podstawy fizyczne energetyki jądrowej. 3. Przegląd konstrukcji reaktorów jądrowych. 4. Bezpieczeństwo energetyki jądrowej. 5. Składowanie odpadów radioaktywnych. 6. Wybrane problemy eksploatacji reaktorów jądrowych.

2 EKOLOGA 1 Analiza trendów zużycia ( próba podsumowania )

3 EKOLOGA 2 Czy musimy zajmować się problemami i jej dostępności? - czy istnieje związek między ilością zużywanej a poziomem zużycia? vide 1973 r. ( energia elektryczna ) Jakiego rodzaju maszyną energetyczną jest człowiek? W w pracy ciągłej ( niektóre szacunki 30 W ) - 30 W mocy cieplnej Jaką ilość wytworzyć może człowiek w ciągu roku? 52 (tygodnie) 5 (ilość dni roboczych) 8 (godzin) 100 W 200 kwh Produkcja elektrycznej w Polsce ~ 3500 kwh/ca Na Jednego Obywatela R.P. szacunki max - 17 mechanicznych robotów średnie - 60 mechanicznych robotów

4 EKOLOGA 3 Rok 1973 x 103 S ca rozwoj energooszczedny USA 5 4 CH S CN L E AR VN MEX CP LER CL ZA YU TR ML F B DK NL A J D 6B SF SL L rozwoj energochlonny x 103 kwh ca czy istnieje korelacja - tak!!! (choć niejednoznaczna)

5 EKOLOGA 4 Obserwowany w historii sposób zaspokajania potrzeb energetycznych: niewolnictwo praca zwierząt praca wiatru, wody praca z spalania Dotychczasowy trend: - wzrost ilości zużytkowanej dowód: dostępne dane historyczne: 1 J.E. = kwh = 1 mln TWh zużycie do ,5 2 J.E ,2 J.E. pierwotnej obecnie 0,2 0,3 J.E./a tendencja ogólna: - podwajanie ilości zużywanej co 10 lat tzn. - roczna stopa wzrostu 7 %

6 EKOLOGA 5 Podstawowe założenia: Prognoza Klubu Rzymskiego (1968) - przyrost zużycia o 7% rocznie (trudny do podważenia obserwowany przez wiele stuleci - gwałtowny przyrost liczby ludności mld 6 prognoza z 1968 r. prognoza z zasoby energetyczne świata: - węgiel kamienny J.E. - ropa naftowa 2,5 J.E. - gaz ziemny 1 J.E. - energia odnawialna 0,2 J.E. / a - uran 120 J.E. - reaktory powielające J.E.

7 EKOLOGA 6 Wnioski: - przy zamrożeniu zużycia na poziomie 1968 : lat - przy wzroście 7% (bez reaktorów powielających) ~ (wyczerpanie zasobów) - przy wzroście 7% i powszechnym stosowaniu reaktorów powielających: ~ wniosek: niemożliwe utrzymanie 7% trendu wzrostu pojawienie się barier rozwoju

8 EKOLOGA 7 Zidentyfikowane przez Klub Rzymski bariery wzrostu: - bariera wydobycia - bariera transportu - bariera atmosferyczna - bariera wodna bariera ekologiczna Ostateczna prognoza Klubu Rzymskiego: - obecne zasoby wystarczą do (uwzględniając ograniczenia wzrostu)

9 EKOLOGA 8 Jaka jest wartość takich prognoz? - przykłady negatywne prognoza paryska (1860) - przykład bardziej pozytywny: Prognoza PAN z roku 1957 Założone tempo wzrostu zużycia elektrycznej w Polsce - 10% - wariant minimalny - 12% - wariant optymalny Przesłanka generalna: - świat - 7% - Polska wykazuje zapóźnienie w stosunku do innych krajów w poziomie zużycia elektrycznej stąd: wzrost o 10% rocznie - to tempo minimalne

10 EKOLOGA 9 mln TWh prognoza 12% z 1957 prognoza 10% z 1957 rzeczywistosc prognoza z 1985 r. 144, prognoza 1957 wykonanie błąd prognozy 12% 10% % ,2 28,5 28-1, ,8 45-1, , , , ,5 - prognoza 10% - bardzo dokładna przez 15 lat - odchodzenie od prognozy od roku w ostatnich latach ciągła korekta w dół (nawet dla najnowszych prognoz

11 EKOLOGA 10 Przyczyna załamania prognozy w roku 1972: - gwałtowny wzrost eksportu Przyczyna późniejszego załamania prognozy: - bariera wydobycia - przyrost głębokości wydobycia 15 m/a (konieczność stosowania materiału i energochłonnych technik górniczych) - szkody górnicze (eksploatacja systemu na zawał zapadliska do 35 m) - zasolenie wód kopalnianych (do 2000 t soli/dobę) Wniosek: Prognozy (w tym ilościowe) poprawne jeżeli prawidłowo zidentyfikowane są trendy jakościowe Przykłady błędnej identyfikacji trendów rozwoju: - prognoza paryska - ekstrapolacja energochłonnego sposobu rozwoju świata ( kryzys energetyczny )

12 EKOLOGA 11

13 EKOLOGA 12 Największa (bo aktualna) wartość prognozy Klubu Rzymskiego uwagi uzupełniające - ograniczoność pojemności ekologicznej i zasobów naturalnych - utrzymanie obecnych trendów grozi zachwianiem równowagi ekologicznej - kraje rozwijające się nie mogą osiągnąć poziomu życia krajów rozwiniętych Uwaga: groźba konfliktów społecznych i politycznych Wniosek oparty na założeniu, że rozwój może opierać się jedynie na ciągłym wzroście zużycia

14 EKOLOGA 13 Ad. Zmiana jakościowa w podejściu do kwestii energetycznej w latach 80: X World Energy Conference (Delhi 1983) przyjęty przedział czasowy: zużycie wariant 2,6 (5%) 2,6 (5%) wariant 2 (3,5%) 2 (3,5%) X World Energy Conference (Cannes 1986) warianty wariant 10,7 mld t.p.u ,7 (1,6%) (2,6%) wariant 10,7 mld t.p.u. 21,6 29,5 (1,2%) (1,5%) wariant 10,7 mld t.p.u. 10,7 10,7 (0%) (0%) Zmniejszenie przyrostów zużycia nowe zjawisko w energetyce

15 EKOLOGA 14

16 EKOLOGA 15

17 EKOLOGA 16

18 EKOLOGA 17 Prognoza energetyczna dla Polski: - zmiana nośników - przyrost zużycia gazu i ropy - stagnacja zużycia z węgla kamiennego - nieobecność energetyki jądrowej Scenariusze zużycia pierwotnej (milionów ton paliwa umownego) Niski Wysoki Razem 143,7(1,2%) 163,2(0,8%) 177,2 181,8(1,4%) 209,7 Węgiel kam. 87,9 92,7 92,1 107, Węgiel brun. 19,2 17,5 17,5 17,5 17,5 Gaz ziemny 12,7 17,9 23,2 21,9 28,6 Paliwa płynne 22,0 30,3 35,8 29,3 37,8 Energia atom. 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 nne 1,9 4,9 8,6 5,1 9,6 Wniosek najważniejszy: Potwierdzenie niemożności utrzymania dotychczasowego tempa zużycia

19 EKOLOGA 18 Rezerwy w sprawności przemian energetycznych (czynnik przemawiający za ograniczeniem wzrostu tempa zużycia ) energia wykorzystana η = energia dostarczona 1,0 duży generator duży kocioł parowy 0,9 duży silnik elektryczny 0,8 kotłownia c.o. gaz ziemny akumulator samochodowy 0,7 0,6 mały silnik elektryczny kotłownia c.o. węgiel kamienny 0,5 piec węglowy 0,4 najwyższa sprawność elektrowni silnik wysokoprężny 0,3 średnia sprawność elektrowni w Polsce silnik benzynowy 0,2 świetlówka 0,1 lokomotywa parowa żarówka Wniosek: rezerwy nieznaczne, stąd konieczność innego spojrzenia na procesy generacji

20 EKOLOGA 19 Ad., (ekologiczne bariery rozwoju) lustracja istnienia barier ekologicznych na przykładzie Polski - bariera wodna 1 kwh elektrycznej - 2 kwh cieplnej odprowadzanej do środowiska ( chłodzenie kondensatora) przyrost temperatury wody w kondensatorze 8 10 o C 1 kwh elektrycznej - 0,17 m 3 wody podgrzanej o 10 o C Konsekwencje: (dla Polski, rok 1989, max. produkcja elektrycznej) W roku 1989 produkcja elektrycznej: 144 TWh kwh 25 mld m 3 wody podgrzanej o 10 o C Średnioroczny odpływ wód powierzchniowych z terytorium Polski 58 mld m 3 Podwojenie produkcji cała woda do elektrycznej kondensatorów!!!

21 EKOLOGA 20 Rzeczywistość (1989): - roczny pobór wody na cele przemysłowe 16 mld m 3 Ad., - w tym energetyka 9 mld m 3 (stosowanie obiegów zamkniętych zmniejsza ilość wody potrzebnej do chłodzenia) - bariera atmosferyczna palenisko kotłowe - temperatura 1370 o 1650 o C S + O 2 H 2 SO 3 H 2 SO 4 N + O 2 NO x (powyżej 1090 o C) Zawartość siarki w węglach energetycznych: 1,7 3,5% skutek:

22 EKOLOGA 21 Obowiązujące w Polsce normy dotyczące zawartości zanieczyszczeń powietrza Rzeczywistość: mg/m 3 a Obszar specjalnie SO 2-0,011 Chroniony NO x - 0,0079 Obszar chroniony SO 2-0,064 (0.032) NO x - 0,032 (0,022) ( ) - normy europejskie - 50% powierzchni kraju > 0,02 mg/m 3 a - GOP, Kraków > 0,1 mg/m 3 a 0,02 mg/m 3 a SO 2 - granica szkodliwości dla lasów iglastych 0,06 mg/m 3 a SO 2 - granica szkodliwości dla człowieka!!! Czynnik pomijany w Polsce: - zawartość CO 2 (gazu cieplarnianego) Polska nie ratyfikowała konwencji o redukcji emisji gazów cieplarnianych. Konwencjonalna energetyka wykorzystuje proces spalania emisja CO 2 jest niemożliwa do uniknięcia. Sposoby redukcji emisji: NO x - katalizatory (transport) SO 2 - odsiarczanie (w Polsce redukcja emisji SO 2 o 30% w ostatnich latach) CO 2 - niemożliwa neutralizacja!

23 EKOLOGA 22 Ad., - bariera odpadów punkt wyjścia: - zawartość popiołu w węglach energetycznych dochodzi do 30% Roczna produkcja odpadów z przemysłu energetycznego w Polsce: Popioły ~ 19 mln t Żużle ~ 3,5 mln t - średni stopień wykorzystania odpadów w Polsce ~ 15% (stosunkowo wysoki w porównaniu z innymi krajami) dodatkowo: - jeżeli wprowadzi się mokrą metodę odsiarczania wówczas: np. elektrownia Połaniec MW - 40 tys. t/dobę pulpy gipsowej

24 EKOLOGA 23 Kategorie zasobów: Światowe zasoby paliw - zasoby geologiczne możliwe do wydobycia w dalszej przyszłości - rezerwy zasoby nadające się do ekonomicznej eksploatacji Węgiel kamienny Zasoby geologiczne ~ 7700 mld t.p.u Rezerwy ~ 480 mld t.p.u Wydobycie ~ 3 mld t/a Węgiel brunatny Zasoby geologiczne ~ 2400 mld t.p.u Rezerwy ~ 140 mld t.p.u Wydobycie ~ 1 mld t/a Ropa naftowa Rezerwy Wydobycie ~ 95 mld t ~ 3 mld t/a

25 EKOLOGA 24 Gaz ziemny Rezerwy ~ 90 bln m 3 Wydobycie ~ 1,5 2 bln m 3 Energia wód Zasoby ~ TWh/at Rezerwy ~ TWh/a 1 t.p.u ~ 8100 kwh Rezerwy ~ 1,2 mld t.p.u/a Materiały rozszczepialne Rezerwy - Uran ~ 300 mld t.p.u (jeżeli powielenie paliwa 3) Rezerwy U ~ 4 mln t Produkcja U ~ 45 tys. t/a

26 EKOLOGA 25 Próba podsumowania: - bezpieczne rezerwy - emisja SO 2, NO x, CO 2 - bariera odpadów - ograniczone rezerwy - emisja CO 2 - niewielka emisja SO 2, NO x - brak odpadów Węgiel kamienny, brunatny Ropa naftowa, gaz Energetyka wodna, wiatrowa, słoneczna - bardzo małe rezerwy energetyczne - bariera kosztów - brak odpadów i emisji Energetyka jądrowa - bezpieczne rezerwy - brak emisji i odpadów (w liczącej się skali) - dojrzałość technologiczna - negatywna percepcja społeczna (syndromy: Hiroszima, NMBY) - koszty wyższe niż w energetyce konwencjonalnej (przy zapewnieniu należytego poziomu bezpieczeństwa) Co dalej?