Radomski: Zbudujmy w Warszawie system elektrociepłowni jądrowych (ANALIZA)

19 kwietnia 2023, 07:30 Atom

Rozbudowany system ciepłowniczy i elektroenergetyczny w stolicy wymaga wizji dekarbonizacji. Małe reaktory jądrowe oferują szereg możliwości wykraczających poza zdolności odnawialnych źródeł energii – pisze Daniel Radomski, współpracownik BiznesAlert.pl.

Kontekst

Moja pierwsza publikacja w Biznesalert.pl Elektrociepłownie jądrowe są szansą uniknięcia pułapki gazowej bazowała na analitycznej części pracy inżynierskiej, pisanej jesienią 2021 roku i obronionej w styczniu 2022 roku i opisuje szeroki kontekst transformacji energetycznej dla polskich warunków. Wprawdzie nie grozi nam już pułapka gazowa, ale w dalszym ciągu brakuje wizji odejścia od znaczącej roli gazu ziemnego i efektywnej dekarbonizacji dużych systemów ciepłowniczych. Procedowana aktualizacja polityki energetycznej ze względu na wczesny horyzont 2040 roku niczego w tym zakresie nie analizuje, zaś strategia dla ciepłownictwa, pomimo że jej publikację opóźniło rozpoczęcie rosyjskiej agresji wojskowej na Ukrainę, również nie zawiera propozycji pełnej dekarbonizacji pomimo uwzględnienia horyzontu roku 2050.

Możliwość wdrożenia elektrociepłowni jądrowych przeanalizowałem na przykładnie Warszawy. Wstęp do tej analizy, opisujący trwającą transformację warszawskich źródeł ciepła, zaktualizowany o dane dotyczące planowanego bloku gazowego w EC Siekierki został przedstawiony w publikacji CCGT Siekierki, czyli kolejny krok ku rezygnacji z węgla w elektrociepłowniach Warszawy.

Case Study: Założenia

Analiza została przeprowadzenia przy założeniu istniejącej w 2020 roku, to jest przed uruchomieniem bloku gazowego w EC Żerań, sumarycznych mocy zainstalowanych energii elektrycznej i ciepła wszystkich warszawskich elektrociepłowni i ciepłowni. Biorąc pod uwagę perspektywiczną produkcję wodoru przy siłowniach jądrowych, w analizie przestrzennej zbadano maksymalną możliwą do zabudowania moc w ramach terenu zajętego przez istniejące w 2020 roku siłownie (coal-to-nuclear).

Jako główne uwarunkowanie do analizy uwzględniono rozmiar siłowni oraz wielkość strefy planowania awaryjnego (EPZ). Ewentualne objęcie w zakres EPZ licznych obiektów mieszkalnych swoim zasięgiem mogłoby wywołać silne konflikty ze społeczeństwem. Bazowano na dokumentach amerykańskiej komisji dozoru jądrowego NRC lub Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej (IAEA). W pierwotnej analizie zbyt optymistycznie potraktowano technologię IMSR-400 oraz niesłusznie pominięto technologię HTGR Xe-100 oferowaną przez firmę X-energy.

W ramach erraty uzupełniono pracę o zakres Xe-100, zaktualizowano też informacje dotyczące postępującego procesu wdrożenia w Polsce technologii jądrowych. Zmiany i uzupełnienia oznaczono w wersji PDF kolorem czerwonym.

Technologie jądrowe możliwe do wdrożenia na cele związane z ciepłownictwem, opracowanie własne

Technologia	Moc el [MW]	Moc Th [MW]	Rozmiar siłowni [m]	Promień EPZ [m]	Zintegrowany magazyn ciepła	Data oddania FOAK	Możliwe w Polce od roku
BWRX-300	290	870	170×280	1000	nie	2028	2030
NuScale	308-924	1000-3000	Koło R=230	230	nie	2028	2030
MMR	10	30	196×180	brak	tak	2026	2029
IMSR-400	390	880	265×265	brak	tak	2030	2032
Natrium	354	840	425×425	brak	tak	2030	2032
Xe-100	320	800	200×200	400	Nie	~2030	~2032
SSR-W300	300	750	135×120	brak	tak	~2034	~2035

Analiza

Tereny oferowane przez EC Siekierki oraz Ciepłownię Kawęczyn oferują szerokie możliwości i mieszczą każdą z rozważanych technologii w kilku możliwych konfiguracjach i w skali większej do potrzeb. EC  Żerań oraz ciepłownia Wola oferuje dosyć ograniczoną przestrzeń, za małą dla siłowni NuScale, ale wystarczającą dla kilku innych technologii. Największy problem to dekarbonizacja Ciepłowni Międzylesie, gdzie teren nie pozwala na uruchomienie żadnej z rozpatrywanych technologii jądrowych bez znacznej ingerencji w tereny sąsiednie. Z tego względu dla tej siłowni zaproponowano połączenie z miejskim systemem ciepłowniczym oraz realizację rezerwowej kotłowni gazowej.

Oprócz kwestii dostępności przestrzeni, pozostaje jeszcze zagadnienie etapowania prac. Utrzymanie dostaw ciepła dla miasta podczas równoczesnej realizacji siłowni jądrowych na terenie EC Żerań i EC Siekierki wymaga wpierw uruchomienia nowych bloków w Ciepłowni Kawęczyn wespół z nową magistralą ciepłowniczą do EC Siekierki. Może to jednak nie wystarczyć dla zasilenia w ciepło północno-wschodnich terenów miasta. Rozwiązaniem może być uruchomienie nowej elektrociepłowni w sąsiedztwie Stacji energetycznej GPZ Mościska na Bielanach lub na terenach Huty Warszawa.

W związku z tym w ramach niniejszego opracowania zaproponowano trzyetapowy proces realizacji projektu wdrożenia Warszawskich Elektrociepłowni Jądrowych. Pierwszy etap to realizacja nowych mocy jądrowych na terenie Ciepłowni Kawęczyn oraz w rejonie Huty Warszawa, wespół z niezbędną rozbudową sieci ciepłowniczej i elektroenergetycznej. Pozwoli to na wyłączenie wszystkich bloków węglowych jednocześnie w EC Żerań i EC Siekierki, gdzie w ramach drugiego etapu powstaną kolejne bloki jądrowe.  Etap drugi  stanowi rozwiązanie wystarczające w zakresie dojścia do energetyki zeroemisyjnej w zakresie ciepłownictwa w Warszawie oraz pozwala na produkcję dużych ilości wodoru poza szczytem sezonu grzewczego, co będzie istotne pod względem zapewnienia odpowiedniej ekonomiki pracy systemu. Ewentualna dalsza rozbudowa systemu o kolejne bloki jądrowe w ramach trzeciego etapu służyłaby już wyłącznie do produkcji wodoru i wymaga przeprowadzenia analiz ekonomicznych w okolicy roku 2030.

Pod względem gotowości do rozpoczęcia inwestycji dominujące konstrukcje reaktorów to NuScale oraz BWRX-300, aczkolwiek w Stanach Zjednoczonych depcze im po piętach technologa HTGR od firmy X-energy. Oferowany przez nią reaktor Xe-100 wiąże się ze znacznie mniejszą strefą EPZ niż reaktor BWRX-300, a jako HTGR umożliwia produkcje wodoru w procesie elektrolizy pary wysokotemperaturowej.

Wnioski

Duże miasta już dziś skupiają duże zapotrzebowanie na prąd i ciepło. Termomodernizacja budynków powinna znacznie ograniczyć zapotrzebowanie na ciepło z sieci miejskiej, co będzie częściowo rekompensowane przez rozbudowę tej sieci i przyłączenia nowych obiektów. Jednakże postępująca elektryfikacja transportu i przemysłu będzie się wiązała ze znaczącym wzrostem zapotrzebowania na energię elektryczną, co najbardziej skumuluje się w miastach.

Ewentualna realizacja szczytowych elektrociepłowni wodorowych w mniejszych miastach stanowi dodatkowy bodziec do realizacji reaktorów jądrowych w największych miastach. Siłownie te będą jednak w stanie oferować znacznie więcej niż produkcję ciepła, prądu, i wodoru. Na terenie elektrociepłowni już dziś działają magazyny ciepła. Wzbogacenie oferty o produkcję wodoru umożliwia sterowanie mocą kierowaną do produkcji wodoru w zależności od aktualnych cen i zapotrzebowania na prąd i ciepło, co pozwala na oferowanie usług stabilizacji pracy sieci lub udział w rynku mocy.

Systemy elektrociepłowni jądrowych mogą się zatem istotnie przyczynić do wzmocnienia niezależności, stabilności i bezpieczeństwa systemu elektroenergetycznego i ciepłownictwa oraz pozwolą na całkowitą rezygnację ze stosowania gazu ziemnego w ciepłownictwie systemowym.

Ciąg dalszy nastąpił

Od dnia obrony mojego dyplomu miało miejsce wiele zdarzeń istotnych dla wdrożenia w Polsce technologii jądrowych, zarówno w formie dużego jak i małego atomu. Pod koniec stycznia Łukasz Sawicki i Bożena Horbaczewska zaproponowali nowy spółdzielczy model finansowania inwestycji jądrowych, z dominującą rolą państwa na początku procesu inwestycyjnego. Możliwe że rządowa inwestycja w gminie Choczewo będzie realizowana częściowo lub całkowicie w oparciu o ten model.  W maju zainaugurowano finansowany przez NCBiR projekt badawczy DeSire, którego celem jest opracowanie „Planu dekarbonizacji krajowej energetyki zawodowej na drodze modernizacji z wykorzystaniem reaktorów jądrowych”. Idea projektu opiera się o wykorzystaniu reaktorów SMR zarówno III, jak i IV generacji, w domyśle w formie coal-to-nuclear, do otworzenia węglowych mocy wytwórczych w wersji bezemisyjnej i działającej niezależnie od warunków pogodowych.

W styczniu 2023 roku Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej opublikowała raport Nuclear–Renewable Hybrid Energy Systems, w którym jedną z wielu ścieżek współistnienia OZE i Atomu jest integracja reaktora z systemem ciepłowniczym oraz elektrolizerami, przy regulacji mocy kierowanej na produkcję wodoru w zależności od aktualnego zapotrzebowania na prąd lub ciepło. Wymienione okoliczności potwierdzają słuszność i wykonalność założeń przyjętych podczas prac nad uproszczonym case study dla utworzenia systemu elektrociepłowni jądrowych w Warszawie.

Najbardziej radosną nowiną w świetle ogółu zaprezentowanych tutaj rozważań okazało się jednak umieszczenie Warszawy i innych miast na krótkiej liście 7 pierwszych lokalizacji dla wdrożenia reaktorów BWRX-300 przez Orlen Synthos Green Energy, które mają być zdolne do produkcji ciepła, prądu i wodoru. Można to uznać za komercyjny dowód na sens i słuszność zaproponowanych pomysłów na dekarbonizację ciepłownictwa w formie elektrociepłowni jądrowych jako metody na odejście od zależności od gazu ziemnego w polskim systemie elektroenergetycznym i ciepłownictwie systemowym.

Do pobrania:

Ocena roli energetyki jądrowej w Polsce w perspektywie dochodzenia do energetyki zeroemisyjnej

Orlen chce budować mały atom w Warszawie, Krakowie i dwudziestu kilku innych miejscach