Wodór i energetyka jądrowa – czy mogą iść w parze?
Opublikowano: 17 marca 2023

Zmiany zachodzące obecnie w energetyce podążają w kierunku dekarbonizacji i wykorzystywania alternatywnych źródeł energii. Zastosowanie źródeł odnawialnych wprowadza jednak wiele problemów, których rozwiązanie jest kluczowe dla przeprowadzenia zmian z utrzymaniem obecnego standardu pracy systemu.

Niewątpliwie, największą wadą OZE jest niesterowalność i niski współczynnik wykorzystania mocy. System funkcjonujący obecnie, ze względu na przewidywalność podaży energii elektrycznej, pozwala dostosować produkcję do bieżącego zapotrzebowania. Z perspektywy odbiorcy jest to najbardziej komfortowe rozwiązanie – energia jest dostępna w dowolnym momencie. Utrzymanie takiego stanu rzeczy dla miksu energetycznego opartego na źródłach odnawialnych jest możliwe tylko i wyłącznie w przypadku zastosowania magazynowania energii w niespotykanej do tej pory skali. Tu istotną rolę może odegrać wodór, którego produkcja i wykorzystanie mogą być prowadzone w sposób bezemisyjny. Choć tempo rozwoju technologii wodorowych stale rośnie, koszty związane z realizacją łańcucha przetwarzania są wciąż zbyt wysokie, aby wykorzystać wodór w skali wymaganej dla energetyki opartej na OZE. Równolegle prowadzone są zatem działania mające na celu zastąpienie wysokoemisyjnych źródeł energii. Jedną z coraz częściej branych pod uwagę alternatyw jest wykorzystanie energetyki jądrowej, która umożliwia produkcję energii w sposób ciągły i bezemisyjny. Stabilne poszerzanie udziału zarówno gospodarki wodorowej, jak i energetyki jądrowej może zostać przyspieszone wzajemnym wspieraniem i przeplataniem się sektorów.

Elektroliza

Jednym ze sposobów koordynacji rozwoju tych technologii jest przeprowadzanie elektrolizy, umożliwiającej produkcję wodoru z wykorzystaniem energii elektrycznej pochodzącej z elektrowni jądrowej. Elektrownie jądrowe, podobnie jak konwencjonalne elektrownie węglowe, pracują z największą sprawnością dla mocy nominalnej (projektowej). Zmniejszanie mocy jednostki, chociażby podczas spadku zapotrzebowania na energię elektryczną w sieci, powoduje spadek sprawności, szybsze zużycie sprzętu, częstsze awarie i wzrost kosztów napraw. W związku z tym, opłacalnym może okazać się sztuczne zwiększenie zapotrzebowania na energię, które umożliwia jednostce pracę na optymalnych warunkach.

Najszerzej stosowane do tego celu są elektrownie szczytowo-pompowe, wykorzystujące fakt, że wraz ze spadkiem zapotrzebowania na energię w sieci, spada również jej cena. Rozbudowa magazynów szczytowo-pompowych związana jest jednak z wieloma wyzwaniami. Do budowy infrastruktury wymagana jest konkretna, rzadko spotykana, charakterystyka terenu. Proces magazynowania energii obarczony jest również sprawnością jednostki oraz stratami związanymi z dużymi odległościami, na które przesyłana jest energia. Dlatego konkurencyjnym rozwiązaniem może okazać się w przyszłości produkcja wodoru i jego magazynowanie na terenie elektrowni jądrowej, bez strat przesyłowych.

Sam wodór może być potem wykorzystany do produkcji energii elektrycznej w trakcie zwiększonego zapotrzebowania lub sprzedany. Analizy przeprowadzone w 2018 roku dla europejskiej części Rosji, zasilanej w dużej mierze przez elektrownie jądrowe, wskazały, że ze względu na rosnące ceny energii elektrycznej w nocy, wykorzystanie jednostek szczytowo-pompowych do bilansowania systemu będzie konkurencyjne tylko w najbliższej przyszłości, a w dłuższej perspektywie to cykl wodorowy prowadzony na terenie elektrowni okaże się bardziej opłacalny finansowo.

W praktyce opłacalność przeprowadzania elektrolizy uzależniona jest od ceny energii elektrycznej zasilającej proces, która w przypadku wykorzystania elektrowni jądrowych jest stosunkowo wysoka. Z tego powodu rozważane jest również przeprowadzanie elektrolizy wysokotemperaturowej, w której wodór pozyskuje się z pary wodnej. W ten sposób wymagana do przeprowadzenia elektrolizy energia pomniejszona jest o ciepło dostarczone przy odparowaniu wody. Proces wymaga dostarczenia zarówno energii elektrycznej, jak i cieplnej. Nadzieje w tym przypadku leżą w rozwijanych obecnie reaktorach chłodzonych helem, których wysoka temperatura dostarczania ciepła do procesu umożliwiłaby uzyskanie wyższych sprawności produkcji wodoru.

Reforming parowy

Reforming parowy metanu jest obecnie najbardziej rozpowszechnioną metodą produkcji wodoru. Jest to proces, w którym para wodna reaguje z metanem w wysokiej temperaturze i ciśnieniu, rozkładając go. Po separacji i oczyszczeniu otrzymywany jest czysty wodór oraz produkty uboczne, m.in. dwutlenek węgla. Ze względu na wysokie temperatury wymagane do przeprowadzenia reformingu, standardowe układy stosowane w elektrowniach jądrowych typu PWR czy BWR nie mogą być źródłem ciepła dla procesu. W kontekście przeprowadzania reformingu parowego z wykorzystaniem energetyki jądrowej brane są zatem pod uwagę reaktory wysokotemperaturowe, w których czynnikiem chłodzącym reaktor jest hel.

Wykorzystanie takiej technologii umożliwiłoby przygotowanie pary wodnej, wstępny podgrzew gazu ziemnego i sam reforming, ponieważ temperatura czynnika za reaktorem może sięgać 1000°C. Już w latach 70. XX wieku w Niemczech przeprowadzone zostały wstępne badania, w których grzałki elektryczne o dużej mocy symulowały pracę reaktora wysokotemperaturowego, ogrzewając hel, który następnie przekazywał energię dla rozkładu metanu. Wnioski z tych badań wskazały, że obieg z helem w roli czynnika chłodzącego może zostać wykorzystany do przeprowadzenia reformingu parowego. Jednym z wyników badań był projekt reaktora wysokotemperaturowego wykonany przez firmę Siemens-Interatom, zakładający generację 170 MW mocy cieplnej i podgrzew helu do temperatury 950°C.

Cykle termochemiczne

Często rozważaną metodą masowej produkcji wodoru są cykle reakcji chemicznych umożliwiających rozbicie cząsteczki wody na wodór i tlen, przy wykorzystaniu tylko i wyłącznie energii cieplnej. Bezpośrednie przeprowadzenie rozpadu wymaga temperatury rzędu 2000°C, co czyni proces trudnym do realizacji ze względów technicznych. W związku z tym proponowane są cykle wykorzystujące reakcje pośrednie, wymagające niższych temperatur. W założeniu następuje recyrkulacja substancji pośredniczących, umożliwiająca uzyskanie wodoru i tlenu bez produktów ubocznych. Ze względu na możliwość wykorzystania wysokotemperaturowych reaktorów jądrowych lub wysokotemperaturowej energii słonecznej do zasilenia masowej produkcji wodoru, najczęściej pojawiającym się w rozważaniach i najintensywniej badanym jest cykl jodowo-siarkowy (I-S).

Podsumowanie

Zmiany w energetyce i przemyśle wymagają innowacyjnego myślenia i ciągłego wdrażania nowych technologii. Zarówno te związane z energetyką jądrową, jak i produkcją i wykorzystaniem wodoru wydają się być obiecujące. Produkcja wodoru przez elektrolizę wykorzystującą energię elektryczną z komercyjnych elektrowni jądrowych (PWR, BWR) związana jest ze stosunkowo niską sprawnością i wysokim kosztem, dlatego prawdopodobne jest wykorzystanie jej głównie w celu zwiększenia współczynnika wykorzystania mocy samej elektrowni. Nadzieje związane z masową produkcją wodoru leżą w rozwoju reaktorów IV generacji, umożliwiających dostarczanie do procesów ciepła wysokotemperaturowego.

W tym zakresie przodują obecnie Chiny, posiadające już dwa reaktory wysokotemperaturowe, sprzężone z turbiną i generatorem o wyjściowej mocy elektrycznej 210 MW. Rozwój tej technologii nabiera tempa na całym świecie, również w Polsce. Polscy naukowcy biorą udział w międzynarodowych projektach rozwoju reaktorów wysokotemperaturowych i materiałów w nich wykorzystywanych. Prowadzony jest również polski program przygotowania instrumentów wdrażających technologię reaktorów IV generacji, finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Wraz z komercjalizacją technologii można spodziewać się w pierwszej kolejności wykorzystania jej do reformingu parowego. Biorąc jednak pod uwagę cele klimatyczne oraz związane z nimi trendy w energetyce, wydaje się, że najkorzystniejszymi technologiami są wysokotemperaturowa elektroliza oraz wykorzystanie cykli termochemicznych. Rozwój tych technologii może okazać się jednym z fundamentalnych aspektów wdrażania gospodarki wodorowej.

Maciej Parmee, SKN Energetyki SGH

Źródła:

• Aminov, Rashid & Bairamov, A. & Garievskii, Michael. (2019). Assessment of the Performance of a Nuclear–Hydrogen Power Generation System. Thermal Engineering. 66. 196-209. 10.1134/S0040601519030017.
• INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Hydrogen Production Using Nuclear Energy, IAEA Nuclear Energy Series No. NP-T-4.2, IAEA, Vienna (2012)
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0196890419311884
• https://cordis.europa.eu/article/id/87939-massive-hydrogen-production-from-sulphuric-acid/pl
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0959652620338816
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0920586108004100
• http://ncbj.edu.pl/htgr-r-gazowy-wysokotemperaturowy/zastosowanie-reaktorow-htgr