|
O BEZPIECZEŃSTWIE ENERGETYCZNYM, ELEKTROWNIACH JĄDROWYCH I PRODUKCJI WODORU... Streszczenie
W artykule zarysowano aktualne problemy bezpieczeństwa energetycznego na tle zbliżających się trudności z ropą naftową i zapoczątkowanym już procesem jej zastępowania paliwem wodorowym, w celu nieodzownego ograniczenia emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Pokazano zalety, jakie posiada energetyka jądrowa w ich perspektywicznym rozwiązywaniu.
O ropie naftowej
Kiedy się skończą jej zasoby – nie wiadomo, możliwie, iż do tego czasu dożyją dzisiejsi czterdziestolatkowie. Na długo przed nastaniem owego dnia, gdy się wyczerpią, trzeba będzie wybrać najodpowiedniejszy plan rozwoju energetyki. Dopiero potomkowie będą w stanie ocenić trafność decyzji.
Jakieś zapasy tego surowca zawsze gdzieś zostaną. Problem polega na tym, że wkrótce jego źródła staną sie praktycznie niedostępne: wydobycie będzie trudne, spalanie zaś - zbyt kosztowne, a z ekologicznego punktu widzenia - niedopuszczalne.
W 1998 r. "Sientific American" pisał: "Ropa naftowa się nie kończy, przynajmniej jeszcze się nie kończy. Z czym się rzeczywiście stykamy, to jest koniec czasu obfitości taniej ropy, od której zależy ogólny rozwój naszego państwa."
Były doradca Białego Domu, Matthew Simmons ostrzegał: " To zdarzenie nie jest oddalone, do jego pojawienia się pozostają już liczone lata . Skutki okażą sie nieprzewidywalne i przerażające."
Według pesymistycznej oceny analityków, szczyt wydobycia ropy naftowej ze wszystkich możliwych pokładów przypadnie na 2015 r. i osiągnie 90 mln. baryłek dziennie, tzn. o ok. 15 mln. baryłek więcej niż wynosi dzisiejsza światowa produkcja. Taki poziom wydobycia potrwa ok. 30 lat, co oznacza, iż zasadniczych zmian należy się spodziewać po 2030 r. Będą poważne, jeśli zważyć, iż 90 % transportu na świecie zależy od ropy.
Skrajni pesymiści już dzisiaj nawołują do zaprzestania używania ropy naftowej do transportu, by pozostawić ją na potrzeby bardziej nieodzowne. Sprawa polega na tym, iż większość drobnych rzeczy , bez których nasze dzisiejsze życie jest niewyobrażalne, takich jak meble, lekarstwa, mieszkania, środki łączności - oparta jest na wyrobach chemicznych i tworzywach sztucznych, których produkcja bez stosowania ropy nie jest możliwa.
Dotąd nie znaleziono ani jednego tymczasowego rozwiązania, które by pozwoliło przetrwać okres przejścia od ropy i gazu do alternatywnych źródeł energii. Jedyna dostrzegalna obecnie możliwość, to zmniejszenie ilości używania tych nośników.
Wielu uczonych nalega na zasadnicze zmniejszenie ilości gazów cieplarnianych odprowadzanych do atmosfery. Twierdzą, że do połowy tego stulecia ich objętość należy zmniejszyć o 60 %, aby spowolnić postępujące zmiany klimatu. Oznacza to, że spalanie ropy i gazu uległoby znacznej redukcji, a wydobycie by się nie zwiększyło.
Dzisiaj, prawie 95 % światowej produkcji wodoru przypada na reforming gazu ziemnego. Niezbędna do tego energia cieplna pochodzi częściowo także ze spalania tego właśnie gazu, co zwiększa zawartość dwutlenku węgla w atmosferze. Drugą podstawową metodą produkcji wodoru jest elektroliza. Trzecia polega na bezpośrednim rozkładzie cząstek wody na wodór i tlen, w wysokotemperaturowym (od 700 do 900 st. C), termochemicznym procesie .
Jeśli wodór w niedalekiej przyszłości ma zastąpić benzynę i olej napędowy, to jego produkcja - wiążąca sie z emisją dwutlenku węgla - nie przyczyni się do zmniejszenia gazów cieplarnianych.
Potrzeba elektrowni jądrowych
Jedynie proces wydzielania wodoru z wody zapobiega powstawaniu dwutlenku węgla. Jest rzeczą zrozumiałą, iż jest to możliwe tylko wówczas, gdy źródła energii wykorzystywane do tego celu nie będą oparte na paliwie węglowodorowym. Najczystsza metoda produkcji wodoru jest oparta na energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Obecnie jej udział w światowej produkcji wynosi zaledwie ok. pół procent. Powstaje uzasadnione pytanie: czy energia słoneczna, wiatru i z innych źródeł odnawianych może być wystarczająca do produkcji wodoru? Analitycy tego zagadnienia dają odpowiedź negatywną, upatrując rozwiązanie w energii jądrowej.
Najbardziej perspektywicznym sposobem produkcji wodoru, w ilościach niezbędnych w transporcie, jest elektroliza, do której energię elektryczną dostarczałyby elektrownie jądrowe, jako źródła o najwyższej enorgotwórczości..
Energia jądrowa już obecnie staje się ekonomiczna. Cechuje ją wysoki stopień pewności wytwarzania, i co ważniejsze - bez zanieczyszczeń atmosfery. W związku z rysującą się perspektywą przejścia do energetyki wodorowej, USA w coraz większym stopniu są skłonne do jej rozwijania. Także w innych państwach, takich jak Korea Południowa, Chiny, Indie można zaobserwować wzrost zainteresowania budową elektrowni jądrowych (EJ). Czyżby oznaczało to ich renesans, po ciężkim kryzysie wywołanym katastrofą czarnobylską? Przyczyną zainteresowania są zapewne dobre wskaźniki ekonomiczne tych elektrowni. Analiza kosztów wytwarzania energii elektrycznej w EJ Wielkiej Brytanii pokazuje, iż są one niższe od kosztów uzyskiwanych nawet w elektrowniach wiatrowych usytuowanych na wybrzeżu. Również w Japonii koszt energii z EJ kształtuje sie poniżej uzyskiwanych w elektrowniach węglowych, gazowych i wodnych.
O bezpieczeństwie energetycznym
Firmy niemieckie negocjują z "Electricite de France" w sprawie udziału w budowie nowoczesnego reaktora wodnego ciśnieniowego EPR (European Pressurised Water Reactor) o mocy elektrycznej 1600 MWe. Podobny typ reaktora, firmy Westinghouse - AP1000, jest obecnie przedmiotem studiów w Wielkiej Brytanii. "The European Economic & Social Committee" (ESC) w swym raporcie podkreśla konieczność zastosowania energii jądrowej, wychodząc z założenia, że Europa w przyszłości nie będzie w stanie sprostać wymaganiom stawianym w dziedzinie zmian klimatu i bezpieczeństwa energetycznego. Raport ESC zwraca uwagę na "całkowicie nierozsądne" założenie, że energia odnawialna jest w stanie zastąpić energię jądrową.
Zasadnicze zmiany w stosunku do energii jądrowej zachodzą na Ukrainie, tak okrutnie dotkniętej skutkami czarnobylskiej katastrofy. Zrobiła ona wiele, by zmniejszyć nieufność społeczeństwa do energii jądrowej. W 1993 r. cofnięte zostało moratorium na budowę EJ. Niezależny sondaż opinii społecznej pokazuje, że poparcie dla EJ wzrosło z 14 % do 43 %. Władze są przekonane, że w niedalekiej przyszłości uda się uzyskać większy stopień aprobaty. Obecnie, 45 % energii elektrycznej tego państwa pochodzi z czterech EJ (13 energetycznych bloków), których udział w zainstalowanej mocy wynosi ok. 25 %, co świadczy o ich wysokiej dyspozycyjności. W 2002 r., współczynnik rocznego czasu wykorzystania mocy wzrósł z 75,2% do 78,5 %. Ukraina stawia na budowę EJ w przekonaniu, że posiadając największe złoża uranu w Europie, uzyska znaczną niezależność energetyczną.
Jedną z ważnych cech EJ jest to, iż zwiększają bezpieczeństwo energetyczne kraju. W odróżnieniu bowiem od innych źródeł energii elektrycznej, ich produkcja praktycznie nie jest zależna od warunków klimatycznych, nie dających się przewidzieć zmienności cen surowców energetycznych, lub perturbacji politycznych i uwarunkowań importowych. Ekonomiczne korzyści płynące z ich produkcji powstają dzięki eksploatacji w reżimie pracy elektrowni podstawowych, czyli przez długi czas bez zmiany obciążenia. Już teraz średni czas pracy - bez przerwy na przeładunek paliwa - wynosi ok. 540 dób. Uzyskuje się także lepsze wskaźniki. Na przykład amerykańska EJ w Bruswik (z reaktorami lekkowodnymi ciśnieniowymi) w 2002 r. pracowała bez zatrzymania 707 dób, ale lepszym rezultatem może się poszczycić kanadyjska EJ z reaktorem ciężkowodnym typu CANDU, przystosowanym do wymiany paliwa w okresie pracy, której czas eksploatacji wynosił 894 doby. Przerwa potrzebna na przeładunek paliwa ciągłe się skraca. W USA w 2001 r. wynosiła średnio 37 doby, co było o 65 % mniej niż w 1990 r. Najkrótszy czas przeładunku osiągnięto tam w 2002 r. w EJ Browns Ferry: 14 dób i 16 godzin.
Dzięki wielkiemu postępowi w konstrukcji EJ maleje liczba nieplanowanych wyłączeń, co także przyczynia się do zwiększenia stopnia dyspozycyjności. Wszakże nie ona jest głównym czynnikiem decydującym o zaletach EJ z punktu widzenia bezpieczeństwa energetycznego, lecz wysoka kaloryczność (wartość opałowa) paliwa jądrowego. Dla porównania podamy kilka wartości (źródło: ):
wodór....................................................................................121 MJ/kg
ropa naftowa...........................................................................45 - 46 MJ/kg
(produkt uboczny spalania, CO2: 70 - 73 g/MJ)
gaz ziemny.................................................................................49 MJ/kg
(CO2: 59 g/MJ)
węgiel....................................................................................18- 30,5 MJ/kg
(CO2: 90 g/MJ)
uran naturalny (w reaktorach lekkowodnych).............................500 GJ/kg
uran naturalny (w reaktorach ciężkowodnych typu CANDU)......650 GJ/kg
uran wzbogacony do 3,5 % w izotop U - 235............................3900 GJ/kg
uran naturalny (w reaktorach prędkich powielających)................28000 GJ/kg
Powyższe dane świadczą dobitnie, że nawet przy względnie niewielkich zapasach paliwa jądrowego, państwu posiadającemu EJ będzie o wiele łatwiej przetrwać kryzys wywołany zaburzeniami w dostawach węgla, gazu lub ropy - surowców niezbędnych do produkcji energii elektrycznej, niż takiemu, który takich elektrowni w swym systemie energetycznym nie ma.
Dla przykładu - nie wnikając w zawiłość tematu - można podać, że w reaktorze wodnym ciśnieniowym o mocy 1000 MW, roczne zapotrzebowanie paliwa wynosi od 25 do 37 ton dwutlenku uranu wzbogaconego do ok. 3 % w izotop U - 235. Obrazuje to możliwości stworzenia zapasów. Należy przy tym podkreślić, iż świeże paliwo jądrowe (w postaci kaset paliwowych) przechowuje się w magazynie położonym w budynku reaktora, lub w pomieszczeniu obok. Praktycznie biorąc nie stanowi ono zagrożenia radiologicznego i nie wymaga osłon przed promieniowaniem.
Przejście do produkcji wodoru metodą elektrolizy, opartą na energii z EJ jest możliwe już dzisiaj. Na drodze do tego stoją wszakże: znaczna część opinii publicznej, wypowiadająca się przeciw ich budowie, dotąd nierozwiązane w pełni problemy przechowywania promieniotwórczych odpadów i groźba ubocznej produkcji plutonu. Ponadto, protokół z Kioto nie kwalifikuje EJ, jako czyste źródło energii.
Za przejściem do "energetyki wodorowej" wypowiadają się takie opiniotwórcze amerykańskie instytucje jak: "National Research Council" i "National Academy of Engineering". Upatrują w niej ogromne korzyści, zarówno z punktu widzenia bezpieczeństwa energetycznego państwa, jak i ekologii. Aczkolwiek, jak wynika z badań, ucieczka wodoru z samochodów, rurociągów i zakładów produkcyjnych, może powodować uszkodzenia warstwy ozonowej.
O produkcji wodoru
W bliskiej perspektywie, źródłem energii elektrycznej potrzebnej do produkcji wodoru metodą elektrolizy będą elektrownie wiatrowe. W USA koszt jednego kilograma wodoru otrzymanego tym sposobem wynosi ok. 10 dolarów. Jednakże w dalszej perspektywie, w celu pokrycia wzrastającego zapotrzebowania - potrzebne będą elektrownie jądrowe. Departament Energetyki przewiduje docelowo roczną produkcję 30 mln. ton wodoru, co pozwoli zastąpić czwartą część obecnie zużywanej ilości ropy. Wymagać to będzie zainstalowania w EJ 240 GW mocy cieplnej (50 % generowanej obecnie) niezbędnej do procesów elektrolizy i reformingu za pomocą reaktorów wysokotemperaturowych.
W 2002 r. Unia Europejska przyznała Islandii 60 mln. euro na przejście do energetyki wodorowej w ciągu najbliższych 5 - 10 lat. Między innymi z tych pieniędzy zbudowana została i uruchomiona 24 kwietnia 2003 r. pierwsza na świecie paliwowa stacja wodorowa, produkująca wodór na miejscu. Wytwarzanie wodoru odbywa się metodą elektrolizy za pomocą urządzeń norweskiej firmy Norsk Hydro Elektrolysers, a potrzebną do tego energię elektryczną otrzymuje się z elektrowni wiatrowych i geotermicznych. Jej zużycie waha się w zależności od typu urządzenia: od 4,1 do 4,8 kWh/Nm3 H2, a napięcie prądu stałego wynosi : od 60 V do 216 V. Elektrolitem jest 25% roztwór wodorotlenku potasu (KOH).
Prowadzi się badania nad otrzymywaniem wodoru z użyciem innych elektrolitów. Ciekawe własności fizyczne wykazuje roztwór kwasu siarkowego; (; . W roztworze tym (będącym w cieplnej równowadze z otaczającym środowiskiem), spora część molekuł H2SO4 - wskutek rozkładu - znajduje się w postaci jonów 2H+ i SO4-. Stąd, przewodność 30,4% roztworu tego kwasu jest zaledwie o 30% mniejsza od przewodności rtęci, czyli jest dostatecznie wysoka. Już przy bardzo niskim napięciu, między zanurzonymi weń elektrodami, powstaje dość duży prąd. Jest on wywołany jedynie ruchem jonów, przewodnictwo elektronowe bowiem w elektrolitach nie istnieje.
Pod wpływem przyłożonego napięcia U, część jonów H+ dąży do katody, traci elektryczny ładunek, i w postaci zwyczajnego wodoru odkłada się na niej. Ilość powstałego wodoru nie zależy od pracy prądu elektrycznego P, a jedynie - od liczby ładunków elektrycznych Q = P/U, jaka przepływa przez elektrolit (prawo Faradaya). Jednocześnie część jonów ujemnych SO4- osiągnie dodatnią elektrodę: anodę, i również straci na niej swój ładunek, stając się chemicznie aktywnym produktem, który rozkładając wodę na H2 i O, tworzy molekuły H2SO4. Uwolniony zaś tlen, w postaci gazowej wydzieli się na anodzie. Wynik końcowy nie różni się od procesu elektrolizy czystej wody. Jednakże dysocjacja wody jest mało wydajna, ilość jonów H+ jest niewielka, dużego prądu się nie uzyska.
Na dysocjację pracy prądu się nie zużywa. Jak wiadomo przy spalaniu, wydzielające się - wskutek rozkładu wody - wodór i tlen dają ponownie wodę w postaci pary, gdyż jeden mol (2 grama) wodoru wydziela ok. 0,07856 kWh/mol. Skąd więc powstaje ta energia? SO4 w wyniku zderzenia z molekułą wody oraz powstania wodoru i tlenu, część swej kinetycznej energii i część kinetycznej energii molekuły wody zużywa na jej rozdzielenie. W rezultacie, suma kinetycznych energii powstałych produktów: H2SO4 i O, będzie mniejsza sumy kinetycznych energii molekuł SO4 i H2O. Oznacza to, iż z elektrolitu będą ubywać cząsteczki o większej energii kinetycznej od ich średniej energii kinetycznej przy danej temperaturze, co sprawi, że średnia energia kinetyczna pozostałych cząstek w roztworze zmaleje, czyli jego temperatura się obniży. Inaczej mówiąc, dysocjacja wody w procesie elektrolizy odbywa się kosztem zmniejszania wewnętrznej energii roztworu.
Przy niskim napięciu U, różnica W - P (gdzie: W =m*67540 cal = m*67540 * 4,187 = m*282,8 kJ = 0,07856 kWh, P =m*2*F/(4, 187*U) cal, F = 96500 C - liczba Faradaya, U - w woltach, m - liczba powstałych moli wodoru) będzie większa od zera.
Stosunek ciepła otrzymanego przy spalaniu: W, do pracy prądu wykonanej wewnątrz elektrolitu: P, równa się W/P = 1,458/U. Wynika z niego, że przy napięciu od 0,07 V do 0,05V wyniesie: 20 - 30. Czy oznacza, iż mamy do czynienia z perpetuum mobile ? Oczywiście, że nie. Rzecz polega na tym, iż część wewnętrznej energii zostaje przetransportowana w okolicę palnika (np. do pokoju), gdzie się zrobi cieplej. Gdyby ze spalonego wodoru otrzymać energię elektryczną, a następnie - także pracę, to jej zawsze będzie mniej niż ilość pobrana ze środowiska. Jeśli produkcja wodoru i tlenu będzie się odbywać w cyklu: proces elektrolizy - powstawanie (z tych produktów) wody w turbinie, to praca wykona przez turbinę będzie zawsze mniejsza od tej energii, która została pobrana ze środowiska przy jego ochładzaniu.
Przyszłe badania nad tym interesującym problemem pokażą, czy opisana idea da się zrealizować.
Autor: dr Jerzy Kubowski
Promocje:
|
|
