Energetika 21. Století co patří k všeobecným znalostem

Transkript

1 Energetika 21. Století co patří k všeobecným znalostem M. Hron, F.Pazdera Ústav jaderného výzkumu Řež a.s. 1. Úvod - harmonický rozvoj světa Historie lidstva, je historií válek, historií vzniku a zániku impérií. Je dnešní realita pokračováním historie, nebo jsme na cestě přechodu k harmonické společnosti: o Války byly vedeny z mnoha různých důvodů, základním předpokladem pro existenci válek jsou však velké ekonomické rozdíly mezi regiony a nedostupnost některých komodit, o Sjednocování Evropy do jednoho celku s vyrovnanou a dostačující životní úrovní je předpokladem míru v Evropě, o Probíhající globalizace v celosvětovém měřítku povede k ekonomickému růstu v akových regionech s velkou populací, jako je Čína, Indie atd. o Globalizace bude mít za následek vznik řady superstátů schopných za určitých podmínek řídit harmonický rozvoj světa (opačný vývoj znamená lokální konflikty mezi těmito superstáty na cizích teritoriích, tajnou podporu teroristických aktivit až po případný globální konflikty mezi některými superstáty) Tento přechod ohrožuje nezajištění trvalé udržitelnosti rozvoje zejména v chudých zemích, ten však závisí na schopnosti zajistit dostatek: o Potravin o Vody o Energie o Sociálních potřeb o Přijatelné životní prostředí 161

2 Zajištění dostatku energie za přijatelné náklady a s přijatelným vlivem na životní prostředí je základním předpokladem naplnění ostatních položek. Naplnění tohoto cíle musí vycházet z objektivního poznání a ověřených znalostí, a to je možno zajistit v demokratické společnosti pouze poskytnutím vzdělání v této oblasti co největšímu počtu lidí. Náhrada poznání emocemi vede k fundamentalismu a zárodku konce demokracie. Kvalitní vzdělání je základním předpokladem udržení demokracie. 2. Trvale udržitelný rozvoj Trvale udržitelný rozvoj je zaklínadlo mnoha hnutí, vedoucí někdy až k požadavku na revoluční změny a návrat k pravěku. Tato cesta je nereálná. Druhým extrémem jsou tvrzení, že příroda a přirozený vývoj společnosti vyřeší tento problém sám. I toto tvrzení je nebezpečné a dosavadní zkušenosti potvrzují, že neřešení těchto problémů může mít nedozírné následky. Pravděpodobně nejlepší definicí trvale udržitelného rozvoje je Rio deklarace převzatá z Brundtlandovy komise definující trvale udržitelný rozvoj jako: development that meets the needs of the present generation without compromising the ability of future generations to meet their own needs [1] (rozvoj uspokojující potřeby současné generace bez omezení schopnosti budoucích generací uspokojovat jejich potřeby). Koncepce trvale udržitelného rozvoje Sustainable Development Sustainable Development: Societal and social objectives Economical Social dimensions Economy: Transformation-process for satisfaction of needs for goods and services Natural resources and assets 162

3 3. Trvale udržitelný rozvoj - energetika Jakým způsobem aplikovat trvale udržitelný rozvoj na oblast energetiky: Hodnocení životního cyklu je jediným správným přístupem ke koncepčnímu hodnocení jednotlivých alternativ dodávek energie. Toto hodnocení musí zahrnovat vlivy na: o Zdroje o Zdraví o Životní prostředí A musí zahrnovat nejen přímé vlivy na zdroje a životní prostředí z výstavby, provozu a vyřazení z provozu energetických zařízení, ale též všech předcházejících a následných procesů v energetickém řetězci. V úvahu je též nutno vzít dosažený technický rozvoj vytvářející prostor pro další využití energetických zdrojů budoucími generacemi. Příklad: Jak lze technologickým vývojem zvýšit parametr udržitelnosti jaderné energie: Stávající využití uranu: Pro roční výrobu elektřiny v reaktoru VVER 1000 (1000 MWe) s ročním využitím 0,85%: Vytěžený uran t U (99, 3% U238, 0,7 % U235) Obohacení na 3,6 % U t pro palivo, 144 t ochuzený uran (0,25 % U235) Spálení v reaktoru ve vyhořelém palivu 21,9 t uranu (0,8 % U235) a 0,4 t Pu239) Vyrobeno 7,446 TWh elektrické energie, spáleno 0,8 t U235. Komerčním zvládnutím rychlých reaktorů produkujícího na 1 spálený atom Pu 239 více P239 z U238, lze využít všechen zbytkový U238, U235 a Pu239 na skladech v ochuzeném uranu a vyhořelém palivu. Výrobou 7,4 TWh ve stávajících reaktorech je připraveno ve skladech pro budoucí generace palivo pro výrobu 1689,5 TWh elektřiny v budoucnu v technologii vyvinuté pro budoucí generace. 163

4 Palivový cyklus reaktoru VVER 1000 Uhelná elektrárna Elektrický výkon: MWe 1000 Elektrický výkon: MWe 1000 Účinnost 33,0% Účinnost 35,0% Teplný výkon MW 3030 Teplný výkon MW 2857 Koeficient využití 85,0% Koeficient využití 85,0% Vyrobená elektřina TWhel. 7,446 Vyrobená elektřina TWhel. 7,446 Vyrobená teplo TWh 22,564 Vyrobené teplo TWh 21,274 Palivo Palivo Vytěženo tu 166,9 % U 235 0,715% Vytěženo t uhlí Obohaceno tu 23,2 % U 235 3,600% Výhřevnost kj/kg Ochuzený odpad tu 143,7 % U 235 0,250% Výhřevnost TWh/t 4,17E-06 Vsazeno na rok do rektoru: tu 23,2 % U 235 3,600% Přepočet kj/kg na TWh/t [TWh/t]/kJ/kg] 3,60E+09 Vyjmuto z reaktoru ve vyhořelém palivu Emise Obohacený uran tu 21,889 % U 235 0,804% Emise CO2 t CO Plutonium tpu 0,440 % Pu 239 0,715% Emise CO2 t CO2/TWh el Na výrobu 7,446 TWh el. spotřebováno CO 2 daň EUR/t CO 2 10 tu 0,834 U 235 CO2 daň EUR/t CO2 60 tu/twh el. 0,112 CO 2 daň 10 - navýšení ceny za kwh Kč/KWh 0,75 CO2 daň 60 - navýšení ceny za kwh Kč/KWh 4,53 Potencilání energie ve skladech: TWhel. Násobek vyrobené V ochuzeném reaktoru 1490,1 200 Atomová hmotnost C 12 Ve vyhořelém palivu 199,4 27 Atomová hmotnost O 16 Na výrobu 7,446 TWh el. spotřebováno t uhlí Celkem 1689,5 227 t uhlí/twh el Klimatické změny Potenciální klimatické změny z lidské činnosti začínají být celosvětovou hrozbou. Jednou z největších hrozeb jsou emise skleníkových plynů vznikajících spalováním fosilních paliv v: o Energetice, o Dopravě, o Průmyslu a vytápění. Klimatickými změnami se již zabývají nejenom odborníci ale i prezidenti světových velmocí. Program USA toho je příkladem [3]. Uwww.climatescience.gov, HTwww.usgcrp.govTH V Evropě již existuje direktiva na obchodování s limity COB2B a uvažuje se zavedením daně. Odhadované výše jsou: o EUR /t COB2B o EUR /t COB2 A Conceptual Matrix 164

5 Příklad: Jak lze uložit COB2B do oceánů? Ukládání CO 2 do oceánů Do jaké hloubky a pod jakým tlakem je tř eba č erpat CO 2 CO 2 kritický tlak M PA 7,381 kritická teplota o C 31,04 hustota v kritickém stavu kg/m Potř ebný tlak M PA 7,381 Hloubka poč ítána pro teplotu 31 o C, pro teplotu 4 o C bude hloubka odpovídajícně menší Potř ebná hloubka m 738,1 Jaký objem bude zaujímat CO2 potř ebný k výrobě 7,444 TW h elektř iny Emise CO 2 t C O Objem kapalného plynu v moř i m Plocha vrstvy o tloušť ce 10 m km 2 4,00 5. Světová energetika Energetika je jedním z klíčových celosvětových problémů, nejdůležitějšími aspekty jsou: o Emise COB2B o Strategická nezávislost na zdrojích z rizikových oblastí o Postupné vyčerpávání zdrojů fosilních paliv Tyto problémy jsou analyzovány a jsou připravovány nové energetické strategie jak celosvětově [4, 5 ], tak v USA [6 ], EU [7, 8, 9 ] a dalších zemích a regionech. 165

6 Ukazatele průmyslových států za rok 1996 Ukazatele rozvojových států za rok 1996 Pořadí Stát Počet obyvatel PPP/ob. Spotřeba Spotřeba elektřiny PEZ Pořadí Stát Počet obyvatel PPP/ob. Spotřeba elektřiny Spotřeba PEZ mil. USD/ob. kwh/ob. kgoe/ob. 1 USA 265, Ruská federace 147, Japonsko 125, SRN 81, Spoj. Království 58, Francie 58, Itálie 57, Ukrajina 50, Španělsko 39, Polsko 38, Kanada 29, Rumunsko 22, Austrálie 18, Nizozemí 15, Jugoslávská FR 10, Řecko 10, Česká republika 10, Bělorusko 10, Maďarsko 10, Belgie 10, Portugalsko 9, Švédsko 8, Bulharsko 8, Rakousko 8, Švýcarsko 7, Izrael 5, Slovensko 5, Dánsko 5, Finsko 5, Chorvatsko 4, Norsko 4, mil. USD/ob. kwh/ob. kgoe/ob. 1 Čína Indie Indonésie Brazílie Pákistán Bangladéš Nigérie Mexiko Vietnam Filipíny Irán Turecko Thajsko Egypt Etiopie Korejská rep Česká republika Regionální nerovnováha mezi spotřebou a ložisky zemního plynu- mezinárodní obchod 166

7 Spotřeba elektřiny na obyvatele v zemích EU ( ) ve srovnání s ČR a USA Švédsko Finsko Lucembursko Belgie Francie Rakousko Nizozem í Dánsko Německo Anglie Irsko Česká republika Španělsko Itálie Řecko Portugalsko Průměr EU USA kwh/obyvatele NUCLEAR SHARE OF ELECTRICITY GENERATION 0,00% 10,00% 20,00% 30,00% 40,00% 50,00% 60,00% 70,00% 80,00% France Lithuania Belgium Bulgaria Slovakia Sweden Ukraine Kore, Rep. of Hungary Slovenia Armenie Sw itzerland Japan Finland Germany Spain United Kingdom Taiwan Czech Republic United States Rus sia Canada Romania Argentina South Africa Mexico Nethe rlands India Brazil China Palistan Iran 47,12% 47,02% 46,80% 43,77% 42,84% 38,30% 37,18% 36,36% 36,03% 34,65% 33,05% 31,21% 30,99% 28,87% 25,32% 20,77% 19,80% 14,41% 12,44% 10,60% 9,04% 7,08% 5,21% 4,02% 2,65% 1,25% 1,15% 0,12% 57,74% 75,00% 73,11% Podíl jaderné energetiky na světové produkci elektřiny 167

8 6. Perspektivy světové energetiky Vztah reálného GDP/ob. (PPP/ob.) a spotřeba elektřiny v roce průmyslové státy 25 1$/kWh 1,5$/kW 20 2$/kWh [MWh/ob.] ČR 3$/kWh 5 4$/kWh PPP/ob. [tis.$/ob.] Úkolem světové energetiky je vyrovnat se s: o Omezit závislost na dodávkách surovin z nestabilních oblastí o Prudkým nárůstem cen ropy a zemního plynu o Emisemi COB2B Postupně krystalizují následující opatření: o Nahradit ropu a zemní plyn v domácnostech jiným nosičem, neboť distribuované spalování ropy a zemního plynu neumožňuje se vyrovnat s emisemi COB2B a navíc tyto zásoby budou vyčerpány v první řadě o Připravuje se nasazení vodíkových technologií (vodík je však pouze nosič energie, neřeší otázku její výroby a zajištění zdrojů) o Vyvinout technologie umožňující využití vodíku (palivové články a spalovací motory) o Připravit obecně přijatelné a cenově dostupné technologie výroby elektřiny a vodíku k nasazení po roce 2020 (krystalizují následující klíčové technologie): o Jadernou energetiku o Čisté uhlí o??? 168

9 o Připravit jadernou fúzi ke komerčnímu nasazení do roku o Vyjma toho je třeba zvyšovat úsporná opatření v používání energií a v maximální míře využívat cenově výhodných energetických zdrojů kde je to možné. 7. Vodíková ekonomie Hydrogen a «U.S. Vision»? [10, 11] 169

10 P (-252 C) P P P P P P Vlastnosti vodíku LHV H kj/nmp 3 CH kj/nmp 3 UHV ρ (gas) ρ (liquid) kj/nmp kj/nmp kj/kg kj/kg kg/nmp 70.9 kg/mp kg/nmp 430 kg/m3 (-162 C) Ignition limits 4 tot 75 vol % in air 5 tot 15 vol % Laminar flame speed ~ 250 à 300 cm/s ~ 35 à 45 cm/s 3 3 Výroba vodíku electrolysis of H2O η ~ 70 % - electricity from renewables - electricity from nuclear plants (fission & fusion) reforming of CH4 (or other fossil fuels): especially for fuel cells gassificatie of coal or biomassa - syngas CO, CHB4B, HB2B - with steam supply (high T) => CO + CHB4B HB2B (low T) CO => + Thermal-chemical splitting of water COB2B HB2B * direct cracking 2 HB2BO => 2 + HB2B * by means of catalysts OB2B T ~ 2500 C Ca BrB2 B+ 2 H2O => Ca (OH)B2B + 2 H Br 730 C Hg + 2 H Br => Hg C BrB2B HB2B Hg BrB2B + Ca (OH)B2B => Ca BrB2B + Hg O + HB2BO 200 C Hg O => Hg + ½ 600 C OB2B HB2BO => HB2B combined with photosynthesis photobiological route + ½ OB2BBy biological means; through bacterial action 170

11 8. Čisté uhlí Rozvoj konvenčních uhelných elektráren 171

12 Kombinovaný (paroplynový) cyklus na zemní plyn Projekty tepelných elektráren se superkritickými parametry páry 172

13 Snížení emisí COB2 Bnahrazením starých uhelných elektráren moderními uhelnými a plynovými elektrárnami 9. Jaderná energetika Jaderná energetika: NUCLEAR POW ER STATUS AROUND THE W ORLD REACTORS IN OPERATION REACTORS UNDER CONSTRUCTION NO. OF UNITS TOTAL NET MW E NO. OF UNITS TOTAL NET MW E Argentina Arm enie Belgium Brazil Bulgaria Canada China Czech Republic Finland France G erm any Hungary India Ira n Japan Kore, Rep. of Lithuania M exico Netherlands Palistan Rom ania Russia South Africa Slovakia Slovenia Spain Sw eden Sw itzerland Taiw an United Kingdom Ukraine United States W O RLD TO TAL Současný stav jaderné energetiky ve světě o Generace IV [12, 13] o Jaderné elektrárny k nasazení do roku 2010 [14, 15]Palivový cyklus [16, 17] 173

14 Dlouhodobá strategie rozvoje jaderné energetiky Role jaderné energetiky Jaderná energetika USA v roce 2010 ve státní energetické politice USA 174

15 Které koncepty vybrány pro další vývoj? 6 vybraných z 94 navržených Jaderně energetické systémy IV. Generace (jaderná energetika pro nové století) Otevřený a částečně otevřený (MOX) palivový cyklus : Velmi-vysokoteplotní plynem chlazený reaktor VHTR Superkritický lehkovodní reaktor - SCWR Sodíkem chlazený rychlý reaktor - SFR Olovo-vizmutem chlazený rychlý reaktor - LFR Plynem chlazený rychlý reaktor - GFR Tekutými solemi chlazený rychlý reaktor - MSR Různé koncepty budou přednostně vyvíjeny v různých zemích Velikost Large Monolit LFR* MSR SFR* SCW * Range of Mid- GFR VHT R Small Modul LF Produkty Palivový cyklus Electricity Productio Bot Hydrogen Productio Once- Through Eithe Actinide Managemen SCWR SFR GFR LFR MSR 500 C Outlet Temperature VHTR 1000 C VHT SCW GFR LFR MSR SFR 175

16 Portfolio systémů IV. Generace Superkritický lehkovodní reaktor -SCWR Charakteristiky chladivo-h2o při superkritických podmínkách 500 C výstupní teplota 1700 MWe Zjednodušený sekundární systém Výhody Účinnost téměř 45% s vynikající ekonomikou Tepelné nebo rychlé spektrum neutronů Charakteristiky Chladivo He >1000 C výstupní teplota 600 MWe Grafitové bloky jako GT-MHR Výhody vysoká účinnost Výroba vodíku Výroba procesního tepla Vysoká úroveň pasivní bezpečnosti Velmi-vysokoteplotní plynem chlazený reaktor - VHTR 176

17 Sodíkem chlazený rychlý reaktor- SFR Charakteristiky chladivo Na 150 to 500 MWe Kovové palivo pyro processing / MOX palivo s pokročilým přepracováním Výhody Spotřeba aktinidů z LWR Charakteristiky Pb or Pb/Bi chladivo 540 C to 750 C výstupní teplota MWe let životnost AZ Výhody distribuovaná výroba el. energie Vodík a pitná voda Kazetová AZ, oblastní přepracování Vysoká pasivní bezpečnost Odolnost proti zneužití jaderných materiálů Olovem chlazený rychlý reaktor LFR 177

18 Plynem chlazený rychlý reaktor Charakteristiky Chladivo He (S-CO2) 850 C výstupní teplota přímý cyklus, Brayton účinnost 48%? 600 MWBthB/288 MWBeB Několik možností paliva a konfigurací AZ Výhody Minimalizace odpadu a efektivní využití suroviny potenciál nízké kapitálové náročnosti Reaktor s kapalným palivem a chladivem na bázi roztavenýcvh fluoridových solí - MSR Charakteristiky palivo: tekuté Li, Be, Th a U fluoridy 700 C Texit 1000 MWe Nízký tlak (<0.5 MPa) & vysoká T (>700 C) Výhody Nízký zdrojový člen díky on-line přepracování Minimalizace odpadu a efektivní využití suroviny 178

19 SPCWR proč? Významné zjednodušení oproti PWR a BWR Kompaktnější systém (malý specifický objem) Eliminace recirkulačního systému a separace páry (oproti BWR) Eliminace parogenerátoru oproti PWR Vysoká účinnost (44% versus 33%) Lepší ekonomika! Zdokonalený palivový cyklus minimalizující ukládání štěpitelných materiálů 179

20 P cyklus P v P => P + P + P = P 7000 Electrical generating capacity, GWe TOTAL Open cycle LWR Closed cycle LWR Year Perspektivní scénář růstu jaderně energetické kapacity bez rychlých reaktorů (uváženy potenciálně levnější uranové reservy přibližně 10 miliónů tun) 7000 Electrical generating capacity, GWe TOTAL NUCLEAR FAST REACTORS (U-Pu) THERMAL REACTORS 235 U (Th - 233U) Year Perspektivní scénář růstu jaderně energetické kapacity s rychlými reaktory (uváženy potenciálně levnější uranové reservy přibližně 10 miliónů tun) 10. Jaderná fúze Popis technologie V současné době B1BDP V budoucnu snad také B1BDP 2 P+ B1BDP 2 2 P+ B1BTP Tritium je získáváno ozařováním B3BLiP 3 B2BHeP nebo B1BDP B0BnP 1 B2BHeP přírodní směsi s B3BLiP MeV Plazma musí být ve stavu charakterizovaném vysokou hodnotou Loschnitova čísla (ntt) Plazma je stlačována magnetickým polem 3 180

21 Dva nejznámější systémy: Tokamak a Stellarator Také inertní fúze Ukázka různých versí termojaderného zařízení typu Tokamak 11. Závěr Energetika z celosvětového pohledu: Emise CO2 Strategická nezávislost na zdrojích z rizikových oblastí Postupné vyčerpávání zdrojů fosilních paliv Z pohledu ČR - prosperita ČR závisí na: Ceně pracovní síly (poroste) Kvalitě pracovní síly (vzdělanosti) Surovinových zdrojích (nejsou) Ceně energií Český průmysl má dostatek zkušeností, aby sehrál důstojnou roli v energetice 21. Století [20]. Vliv veřejného mínění a politiků má často negativní vliv na rozhodovací procesy: Potřebujeme plošnou vzdělanost v technických vědách Schopnost komunikace technické inteligence mezi sebou a politiky, novináři a obyvatelstvem pro ně srozumitelným způsobem, umožňujícím udělat si vlastní názor Základní úkol školství je naučit studenty chápat základní principy techniky a jednoduchá kvantitativní ocenění. 181

22 Literatura [1] ALFRED Voß: Energy in a sustainable development perspective. University of Stuttgart. [2] Strategic Plan for the U.S. Climate Change Science Program. A Report by the Climate Change Science Program and the Subcommittee on Global Change Research. [3] F.Pazdera, F.Klik: Jaderná energetika (Klady a rizika v ČR, výhledy, ukládání paliva). Seminář Elektroenergetika a životní prostředí, Brno 25. září [4] F.Pazdera, F.Klik: Jaderná energetika (Klady a rizika v ČR, výhledy, ukládání paliva). Seminář Elektroenergetika a životní prostředí, Brno 25. září folie. [5] Reliable, Affordable, and Environmentally Sound Energy for America s Future. Report of the National Energy Policy Development Group. May [6] World Energy, Technology and Climate Policy Outlook (WETO). EC EUR 20366, [7] GREEN PAPER. Towards a European strategy for the security of energy supply. EC, November 2001.GREEN PAPER. Towards a European strategy for the security of energy supply. Brief presentation. 29 November Toward a More Secure and Cleaner Energy Future for America. NATIONAL HYDROGEN ENERGY ROADMAP. PRODUCTION DELIVERY STORAGE CONVERSION APPLICATIONS PUBLIC EDUCATION AND OUTREACH. Based on the results of the National Hydrogen Energy Roadmap Workshop, Washington, DC, April 2-3, 2002 November DOE. [10] Toward a More Secure and Cleaner Energy Future for America. A NATIONAL VISION OF AMERICA'S TRANSITION TO A HYDROGEN ECONOMY TO 2030 AND BEYOND. Based on the results of the National Hydrogen Vision Meeting, Washington, DC, November 15-16, February 2002, DOE. [11] A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems. December Issued by the U.S. DOE Nuclear Energy Research Advisory Committee and the Generation IV International Forum. Hejzlar, Massachusetts Institute of Technology. Současný stav výzkumu a vývoje reaktorů 4. generace. Seminář ÚJV, Rez [13] A Roadmap to Deploy New Nuclear Power Plants in the United States by Volume I Summary Report. Prepared for the United States Department of Energy 182

23 Office of Nuclear Energy, Science and Technology and its Nuclear Energy Research Advisory Committee Subcommittee on Generation IV Technology Planning. October 31, [14] A Roadmap to Deploy New Nuclear Power Plants in the United States by Volume II Main Report. Prepared for the United States Department of Energy Office of Nuclear Energy, Science and Technology and its Nuclear Energy Research Advisory Committee Subcommittee on Generation IV Technology Planning. October 31, 2001.Professor V.I. Ratchkov, MINATOM, Nuclear Power Development Strategy of RUSSIA. EAES combined meeting 2001, NIDA, LITHUNIA, May [16] Generation-IV Roadmap. Report of the Fuel Cycle Crosscut Group. March 18, [17] The Nuclear Energy Future The Nuclear Energy Future William D. Magwood, IV, Director Office of Nuclear Energy, Science and Technology U.S. Department of Energy. June 2, Presentation at the 2003 American Nuclear Society Annual Meeting San Diego, California. [18] Report to Congress on Advanced Fuel Cycle Initiative: The Future Path for Advanced Spent Fuel Treatment and Transmutation Research. January Prepared by Office of Nuclear Energy, Science, and Technology. U.S. Department of Energy. [19] František Pazdera, František Klik, Nuclear Research Institute Řež plc: Contribution of Czech Research to Nuclear Energy Development. 17th International Conference on STRUCTURAL MECHANICS IN REACTOR TECHNOLOGY, Prague, Czech Republic, August 17-22,

24 184