font_preload
PL / EN
Atom Energetyka Węgiel 10 sierpnia, 2016 godz. 14:44   
REDAKCJA

Strupczewski: Reaktory wysokotemperaturowe będą wsparciem dla górnictwa (ANALIZA)

atom energetyką jądrowa

KOMENTARZ

Dr inż. Andrzej Strupczewski,

Prof. nadzw. Narodowego Centrum Badań Jądrowych 

Zamieszczenie w planie wicepremiera Morawieckiego rozwoju reaktorów wysokotemperaturowych pokazuje, że rząd zamierza pomóc górnictwu węglowemu przez utworzenie alternatywnej drogi wykorzystania węgla dla przemysłu i energetyki przy uniknięcia szkodliwych emisji.

Spalanie węgla w elektrowniach wiąże się nieuchronnie z emisjami CO2 i zanieczyszczeń powietrza takich jak powodujące choroby górnych dróg oddechowych pyły, dwutlenek siarki i tlenki azotu – ostatnia z tych substancji przyczynia się pośrednio do powstawania ozonu. Szkodliwe dla zdrowia są też emitowane przy spalaniu węgla takie zanieczyszczenia jak związki rtęci czy benzo-a-piren. Powodują one przewlekłe zapalenie oskrzeli, rozedmę płuc, raka płuc, oraz choroby układu krążenia, na przykład zawał mięśnia sercowego, niewydolność serca, choroby niedokrwienne serca, arytmię. Do ostrych skutków można zaliczyć objawy ze strony układu oddechowego, w tym uczucie ucisku w klatce piersiowej czy kaszel, a także napady astmy.

Jak stwierdza raport HEAL „… zanieczyszczone powietrze zwane „cichym zabójcą” – jest obecnie jednym z najpoważniejszych zagrożeń dla zdrowia. Zbyt długie oddychanie nim prowadzi do zwiększenia ryzyka różnorakich schorzeń, w tym chorób układu oddechowego oraz układu krążenia.”

Choć elektrownie węglowe odpowiadają jedynie za część całkowitych zanieczyszczeń atmosferycznych, stanowią najważniejsze źródło przemysłowe przyczyniające się do skażenia powietrza. Duża elektrownia węglowa emituje rocznie do atmosfery kilka tysięcy ton niebezpiecznych dla zdrowia substancji, a jej średni okres funkcjonowania to 40 lat.

W skali całej Unii Europejskiej (UE) roczny efekt emisji zanieczyszczeń to ponad 18 200 przedwczesnych zgonów, około 8 500 nowych zachorowań na przewlekłe zapalenie oskrzeli oraz 4 mln utraconych dni pracy. Koszt finansowy wpływu energetyki węglowej w krajach UE na zdrowie jest szacowany na niemal 180 mld PLN rocznie (górna wartość).

Polska energetyka zrobiła już dużo dla redukcji tych emisji. Trend redukcji emisji SO2 z elektrowni w Polsce pokazany jest na rys.1.

wykres1

Rys. 1 Trend krajowej emisji SO2, rysunek zaczerpnięty z raportu KOBIZE

W 2013 r. emisje SO2 powodowane przez energetykę wyniosły one 400 tys. ton. Emisje innych zanieczyszczeń z energetyki pozostają w przybliżeniu na stałym poziomie , np. w 2013 r. emisje tlenków azotu wynosiły koło 243 tys. ton,  nie-metanowych lotnych związków organicznych (NMLZO) 20 tys. ton, całkowitych pyłów TSP 35.8 tys. ton, a pyłu PM10 23,8 tys. ton. Łącznie zanieczyszczenie z sektora energetyki węglowej powoduje rocznie w naszym kraju około 3 500 przedwczesnych zgonów oraz niemal 800 000 utraconych dni pracy. Odpowiednie koszty w Polsce wynoszą 34,32 mld PLN rocznie.

Szkodliwe są też zanieczyszczenia organiczne, na przykład dioksyny czy wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. Substancje te dostają się do organizmu bezpośrednio – wraz z wdychanym powietrzem lub pośrednio – w żywności czy wodzie. Szczególne obawy budzi emisja rtęci, gdyż substancja ta może upośledzić rozwój funkcji kognitywnych u dzieci oraz w sposób nieodwracalny uszkodzić podstawowe organy płodu. Elektrownie węglowe stanowią największe źródło rtęci w Europie.

 

wykres1

Rys. 2 Wpływ elektrowni węglowych na zdrowie ludzkie w UE 27 (rocznie), raport HEAL 2013

 

Co rok 54500 Europejczyków umiera na raka płuc spowodowanego zanieczyszczeniem powietrza.

 

Tabl. 1 Skutki zdrowotne spalania węgla, wg HEAL

Skutki zdrowotne Wpływ elektrowni węglowych w UE (2009) Koszty w mln PLN rocznie Wpływ elektrowni węglowych w Polsce Koszty w mln PLN rocznie
Umieralność (przedwczesne zgony, VSL) 18247 158 837 3 496 30 433
Umieralność (Utracone lata życia, VOLY) 196 218 44 344 37625 8 504
Przewlekle zapalenie oskrzeli 8 580 7 470 1644 1431
Dni ograniczonej aktywności (osoby w wieku produkcyjnym) 18 242034 7403 3 495 061 1 419

 

Energetyka węglowa stanowi również główny czynnik prowadzący do zmian klimatycznych. Dyrektor generalny Światowej Organizacji Zdrowia uznał je za największe wyzwanie w zakresie zdrowia publicznego w XXI wieku. Węgiel to najbardziej emisyjny nośnik energetyczny wykorzystywany w UE – przyczynia się do około 20% całkowitej emisji gazów cieplarnianych.

Jednym z rozwiązań pozwalających na spalanie węgla przy małym poziomie emisji gazów cieplarnianych jest wychwyt i podziemne składowanie dwutlenku węgla (CCS- Carbon Capture  and Storage). Jednakże jest to rozwiązanie jeszcze nie sprawdzone w praktyce. Obok wysokich kosztów inwestycyjnych wprowadzenie CCS będzie obniżało sprawność elektrowni węglowej – a więc będzie wymagało spalenia większej ilości węgla dla uzyskania potrzebnej energii elektrycznej – oraz spowoduje różnorakie zagrożenia  dla zdrowia ludzkiego.

Tymczasem Unia Europejska dąży do wyeliminowania szkodliwych następstw spalania węgla w elektrowniach węglowych. Dla Polski opierającej swą energetykę na spalaniu węgla stwarza to poważne trudności. Zamieszczenie w planie wicepremiera Morawieckiego  rozwoju reaktorów wysokotemperaturowych pokazuje, że rząd  zamierza pomóc górnictwu węglowemu przez utworzenie alternatywnej drogi wykorzystania węgla dla przemysłu i energetyki przy uniknięcia szkodliwych emisji.

Reaktorami wysokotemperaturowymi (High Temperature Graphite Reactor – HTGR) nazywa się reaktory chłodzone helem z moderatorem grafitowym, w których temperatura gazu na wyjściu z rdzenia sięga powyżej 700ºC.

 

wykres1

 

Rys. 3 Zakresy temperatur wymaganych w różnych procesach przemysłowych. Pionowe linie pokazują temperatury pary produkowanej przez reaktory lekkowodne (IPWR i BWR p- 300 oC) i reaktory wysokotemperaturowe HTGR ( powyżej 800 oC). Rysunek wg. prezentacji L. Pieńkowskiego.

Jak widać z rys. 3, dla wielu procesów przemysłowych temperatura pary produkowanej przez reaktory PWR i BWR jest zbyt mała… Ale w większości procesów przemysłowych wystarcza temperatura do 800°C, osiągnięcie której w reaktorach HTGR nie sprawia kłopotów. Uzyskanie wyższych temperatur jest możliwe, ale powoduje problemy konstrukcyjne i materiałowe; stal nie wytrzymuje takich temperatur i do produkcji wielu elementów trzeba stosować bardzo drogie stopy niklowe i tytanowe. Czasami można używać elementów ceramicznych.

Ciepło z reaktorów HTGR można wykorzystać do produkcji wodoru, coraz bardziej potrzebnego w rafineriach i przemyśle chemicznym, a w przyszłości samodzielnego paliwa lub dodatku do innych paliw, np. poprawiającego jakość olejów lub do produkcji paliw syntetycznych z węgla bądź gazu.

Schemat takiego układu – ze źródłem węgla (kopalnia) – elektrownią spalającą węgiel i reaktorem zapewniającym rozkład wody na tlen i wodór, a na końcu z układem produkcji metanolu – paliwa płynnego pokazany jest na rys. 4 zaczerpniętym z pracy prof. Pieńkowskiego.

wykres1

 Rys. 4 Schemat synergii węglowo-jądrowej (rys. z pracy prof. L. Pieńkowskiego)

Takie rozwiązanie jest szczególnie atrakcyjne dla Polski, mającej wiele elektrowni węglowych.

Ważną zaletą reaktorów HTGR jest ich wrodzone bezpieczeństwo – dzięki odporności paliwa na wysokie temperatury, dzięki wielkiej bezwładności cieplnej masy grafitu w rdzeniu i niskiej gęstości mocy, awarie układu chłodzenia tego reaktora nie powodują uszkodzenia paliwa. Współczynnik temperaturowy reaktora HTGR jest ujemny, czyli liczba reakcji rozpadu zmniejsza się ze wzrostem temperatury i moc reaktora spada w razie jego awarii. Cztery bariery, chronią przed wydostaniem się substancji promieniotwórczych do otoczenia: pirowęglowe pokrycie granulek, gęsty grafit otaczający paliwo, blok reaktora z betonu sprężonego i obudowa bezpieczeństwa. Chłodzący hel jest gazem szlachetnym nie reagującym z otoczeniem, więc nie ma niebezpieczeństwa takiego, jak w Fukushimie, gdzie wskutek reakcji pary i gorącej wody z cyrkonowymi koszulkami paliwowymi został wyprodukowany wybuchowy wodór. Nie ma więc zagrożenia radiacyjnego w okolicy reaktora. Pozwala to na stworzenie kombinatów składających się z elektrowni węglowej, instalacji do produkcji wodoru, reaktora HTGR i instalacji chemicznej wytwarzającej paliwa płynne.

W sytuacji rosnących kosztów wydobycia węgla z polskich kopalni i planowanych coraz wyższych opłat za emisje przy spalaniu węgla, wskazana w planie wicepremiera Morawieckiego perspektywa rozwoju reaktorów wysokotemperaturowych z dających możność wykorzystaniem węgla do produkcji płynnych paliw węglowodorowych jest ważnym kierunkiem rozwoju dla polskiego przemysłu wydobycia węgla i pozyskiwania paliw ciekłych.