1 kg U-235 może zastąpić 3000 ton węgla, ale wymaga infrastruktury, jakiej w Polsce dotąd nie było. Zderzenie ogromnej gęstości energii atomu z zaniedbaną siecią przesyłową rodzi pytania o koszty sięgające 300 miliardów złotych i realne możliwości wykonawcze państwa – pisze Adam Gniewecki.
W tym artykule:
- Szukając alternatyw dla węgla i atomu
- Polska próba zderzenia z atomem
- Ile przestrzeni potrzebuje zielona energia?
- Węzeł gordyjski polskiej sieci przesyłowej
- Rachunek końcowy i lekcja od liderów
Energetyka czeka na przełom — na nowy sposób wytwarzania energii, której w naturze nie brakuje. Nowa energetyka będzie musiała być bezpieczna, cicha, czysta, stabilna oraz łatwo sterowalna.
W bryłce uranu o masie 1 kg mieści się od 2 do 3 milionów razy więcej użytecznej energii niż w 1 kg węgla. 1 kg czystego U-235 (czystego izotopu uranu-235) to około 8 godzin pracy przeciętnej elektrowni o mocy 1 GW — zakładając pełne wykorzystanie energii rozszczepienia. Całkowite rozszczepienie 1 kg U-235 uwalnia około 24 milionów kWh energii cieplnej. Przy sprawności elektrowni rzędu 33% daje to około 8 milionów kWh energii elektrycznej, co wystarczyłoby do pracy elektrowni przez około 8 godzin.
Całkowicie rozszczepiony 1 kg czystego U-235 dostarcza tyle samo energii, ile energii chemicznej zawiera 3000 ton węgla czy około 2 miliony litrów benzyny. Z 1 kg całkowicie rozszczepionego U-235 można uzyskać ilość energii elektrycznej wystarczającą do zasilania 3–4 tys. przeciętnych polskich gospodarstw domowych przez rok (przy zużyciu ok. 2000 kWh rocznie na gospodarstwo). To właśnie ogromna gęstość energii sprawia, że paliwo jądrowe jest tak wyjątkowe w porównaniu z paliwami chemicznymi.
Szukając alternatyw dla węgla i atomu
Tak, atom to potęga i obecnie bezkonkurencyjne źródło energii. Elektrownie atomowe mają sens — to niewątpliwie najlepszy znany sposób pozyskiwania energii na dużą skalę. Ci, których na nie nie stać lub nie umieją sobie z takim zadaniem poradzić, póki co stosują elektrownie węglowe lub gazowe. Te nowoczesne, szczególnie gazowe, zanieczyszczają atmosferę bez porównania mniej niż niegdysiejsze.
Są jeszcze elektrownie „napędzane” wodorem, którego Rosja zamierzała zostać największym dostawcą na świecie. Jednak niespodziewanie dla Kremla zamiast efektownego blitzkriegu wojna z Ukrainą okazała się wieloletnim, absorbującym siły państwa zadaniem. Sankcje handlowe również nie pomogły i sprawa produkcji wodoru została zawieszona.
Obecnie liderem we wdrażaniu technologii wodorowych jest Japonia, która posiada elektrownie i instalacje wykorzystujące ogniwa paliwowe zasilane tym gazem. W Niemczech funkcjonują pilotażowe elektrownie i turbiny gazowe przystosowane do spalania wodoru lub jego mieszanek z gazem ziemnym. Wielka Brytania prowadzi projekty elektrowni opartych na turbinach spalających wodór, a w Stanach Zjednoczonych działają instalacje demonstracyjne.
Jeśli chodzi o duże elektrownie systemowe, na co dzień zasilające krajową sieć i napędzane wyłącznie wodorem, żaden kraj nie opiera jeszcze swojej energetyki na takiej technice. Główne przeszkody to wysoki koszt produkcji wodoru, trudności z jego magazynowaniem i transportem oraz niższa sprawność całego procesu w porównaniu z bezpośrednim wykorzystaniem energii elektrycznej. Wodór jest obecnie postrzegany przede wszystkim jako „magazyn energii” i paliwo dla przemysłu oraz sektorów trudnych do zelektryfikowania, a nie jako podstawowe źródło produkcji energii elektrycznej.
Magazynowanie energii działa w uproszczeniu tak: gdy OZE wytwarzają prąd z nadwyżką (np. przy silnym wietrze lub dużym nasłonecznieniu), zasila on elektrolizer, który rozkłada wodę na tlen i wodór. Wodór można przechowywać nawet przez miesiące w zbiornikach lub podziemnych kawernach solnych. W razie potrzeby można go wykorzystać w ogniwach paliwowych, spalić w turbinie gazowej albo użyć jako paliwa w przemyśle czy transporcie. Mimo że ten sposób magazynowania energii legitymuje się sprawnością sięgającą tylko 25–45%, rozwija się techniki wodorowe, ponieważ umożliwiają one przechowywanie gigantycznych ilości energii (rzędu GWh lub TWh) przez wiele miesięcy bez samorozładowania — tam, gdzie baterie są niepraktyczne (np. w hutnictwie, przemyśle chemicznym, żegludze czy lotnictwie).
Gdy mowa o elektrowniach węglowych, przeciętny Kowalski widzi oczami wyobraźni dymiące kominy i okolicę pokrytą pyłem, bowiem przekaz medialny często pomija ogromny postęp technologiczny w tej dziedzinie. Węgiel w wielu miejscach świata wciąż pozostaje fundamentem, chociaż w Europie dąży się do jego eliminacji na rzecz OZE — nierzadko przy użyciu technologii i urządzeń (np. wiatraków) dostarczanych przez przemysł niemiecki.
Polska próba zderzenia z atomem
Czy jest jednak w stanie zbudować elektrownię atomową państwo, które nie umie skutecznie zorganizować chociażby skupu kaucjonowanych butelek? Na początku lat dwutysięcznych pracowałem w zespole administracji centralnej mającym za zadanie przygotowanie kolejnej próby budowy elektrowni jądrowej. Zespół się mnożył. Przybywali nowi i coraz bardziej niekompetentni, za to dobrze ustosunkowani urzędnicy. Stworzono nawet stanowisko pełnomocnika rządu do tych spraw w randze ministra. Nie byłem przesadnie ideowo zaangażowanym pracownikiem, choć w przeciwieństwie do wielu kolegów miałem odpowiednie kwalifikacje. Brakowało mi jednak wiary, że taka elektrownia w naszym kraju kiedykolwiek powstanie. Założyłem się o to z jednym z współpracowników i jak dotychczas wygrywam — elektrowni atomowej w Polsce jak nie było, tak nie ma, mimo że minęło ponad 20 lat i wielokrotnie zmieniały się rządy.
Ile przestrzeni potrzebuje zielona energia?
Jak dużej trzeba by farmy wiatrowej albo jakiej powierzchni paneli słonecznych, aby zastąpić jedną średniej wielkości elektrownię atomową? Do porównania przyjmijmy rzeczywistą produkcję energii w ciągu roku.
Załóżmy, że średniej wielkości elektrownia jądrowa o mocy 1 GW (1000 MW) i współczynniku wykorzystania mocy 90–95% produkuje rocznie około 8–8,5 TWh (czyli 8–8,5 biliona Wh energii elektrycznej). Odpowiada to rocznemu zużyciu prądu przez około 2,5–4 mln gospodarstw domowych. Jeśli chodzi o zajmowaną powierzchnię, blok 1 GW wraz z całą infrastrukturą zajmuje zwykle 1–3 km², a większy kompleks ze strefami ochronnymi — kilka kilometrów kwadratowych.
Dla wiatraków przyjmijmy współczynnik wykorzystania mocy na poziomie 30–40% i instalację nowoczesnych turbin o mocy 5–7 MW. Aby wiatraki wyprodukowały tyle samo energii co omówiona elektrownia jądrowa, potrzeba około 2500–3000 MW mocy zainstalowanej, czyli około 350–600 dużych turbin. Cały obszar farmy wiatrowej (z zachowaniem odpowiednich odstępów) wyniesie 300–600 km². Należy jednak zaznaczyć, że większość tej powierzchni nadal może być wykorzystywana rolniczo — same fundamenty, drogi i infrastruktura zajmują zwykle tylko kilka procent terenu.
W przypadku paneli fotowoltaicznych w warunkach polskich współczynnik wykorzystania mocy wynosi skromne 11–13%. Do uzyskania 8 TWh rocznie potrzeba więc około 7000–8000 MWp mocy szczytowej (GWp). Nowoczesne farmy fotowoltaiczne wymagają przeciętnie 1,2–2 ha na 1 MWp, co daje 85–140 km² paneli i infrastruktury.
Podsumowując: aby zastąpić elektrownię jądrową 1 GW (≈8 TWh/rok) zajmującą 1–3 km², należy zainstalować 350–600 turbin wiatrowych na obszarze 300–600 km² (obszar porównywalny z powierzchnią Warszawy) albo panele fotowoltaiczne na obszarze 85–140 km² (powierzchnia średniej wielkości miasta).
Jest jeszcze jeden ważny aspekt: stabilność. Nawet jeśli farma wiatrowa lub fotowoltaiczna wyprodukuje w skali roku tyle samo energii co elektrownia atomowa, nie zapewni tej samej dyspozycyjności. Elektrownia jądrowa pracować może niemal nieprzerwanie z mocą bliską nominalnej, podczas gdy produkcja z wiatru i słońca zależy od pogody, pory dnia i roku. Dlatego system oparty na OZE wymaga kosztownych elementów kompensacyjnych: magazynów energii, elektrowni szczytowo-pompowe czy elastycznych źródeł rezerwowych.
Węzeł gordyjski polskiej sieci przesyłowej
Rzadko porusza się problem stanowiący temat niewygodny, bo dotyczący wieloletnich zaniedbań. Chodzi o system przesyłu energii elektrycznej.
Elektrownia jądrowa jest źródłem o bardzo dużej mocy skoncentrowanej w jednym punkcie. Dla porównania: farma wiatrowa o mocy 1000 MW jest rozproszona na dużym obszarze i przyłączona do sieci w wielu miejscach. Blok jądrowy 1000–1700 MW oddaje całą moc w jednym punkcie, co wymaga wyjątkowo mocnej infrastruktury przesyłowej. Z tego powodu budowa elektrowni jądrowej wiąże się z wieloletnim programem modernizacji sieci. Krajowy system elektroenergetyczny w Polsce trzeba dostosować do specyfiki tak potężnego, punktowego źródła.
To inwestycje towarzyszące, których koszty są porównywalne z kosztami samej elektrowni. Polskie sieci elektroenergetyczne są niedoinwestowane od lat — funkcjonują na granicy wydolności. Powoduje to konieczność ogromnych nakładów finansowych sięgających nawet 100 mld zł w ciągu kilku lat poprzedzających uruchomienie elektrowni.
Elektrownie jądrowe stawiają wobec sieci rygorystyczne wymogi:
- Odpowiednio mocna sieć przesyłowa: zdolna do odbioru całej mocy (220 kV lub 400 kV) bez przeciążeń.
- Wiele niezależnych linii przesyłowych: awaria jednej linii nie może uniemożliwić odprowadzenia mocy ani zasilania potrzeb własnych elektrowni.
- Niezawodne zasilanie potrzeb własnych: chłodzenie paliwa po wyłączeniu reaktora wymaga zasilania zewnętrznego, awaryjnych generatorów diesla oraz akumulatorów (UPS). Gdyby 11 marca 2011 roku w Fukushimie generatory nie zostały zalane, a linie energetyczne nie uległy zniszczeniu przez trzęsienie ziemi, do katastrofy by nie doszło.
- Odpowiednia odporność systemu: wyłączenie bloku (np. 1600 MW) nie może naruszyć stabilności całej sieci (zasada N-1).
- Rozbudowane stacje elektroenergetyczne: wyposażone w zaawansowaną automatykę przeciwawaryjną i systemy synchronizacji.
Planowana pierwsza polska elektrownia jądrowa na Pomorzu ma składać się z trzech bloków o łącznej mocy około 3,7–3,8 GW. Aby przesłać tę energię z północy do głównych odbiorców w centrum i na południu Polski, konieczne są nowe „autostrady energetyczne” 400 kV. Same wydatki Polskich Sieci Elektroenergetycznych (PSE) do 2034 roku szacuje się na 64 mld zł, a dodatkowe miliardy będą musieli zainwestować operatorzy systemów dystrybucyjnych. Łączne nakłady całego sektora na sieci w najbliższej dekadzie przekroczą 100 mld zł.
Rachunek końcowy i lekcja od liderów
Ile naprawdę będzie kosztować nowa polska elektrownia atomowa?
Według aktualnych szacunków sam koszt budowy elektrowni w lokalizacji Lubiatowo–Kopalino (3 reaktory AP1000) wyniesie około 192 mld zł. Rozbudowa sieci przesyłowej PSE to kolejne 64 mld zł, a modernizacja sieci dystrybucyjnych pochłonie dziesiątki miliardów. Całkowite nakłady związane z uruchomieniem elektrowni i dostosowaniem infrastruktury przekroczą 250 mld zł, a mogą zbliżyć się do 300 mld zł.
Powtarzam więc pytanie: czy podoła takiemu wyzwaniu państwo, które ma trudności z organizacją podstawowych procesów logistycznych i infrastrukturalnych? Projekt polskiego atomu wałkuje się od ponad 40 lat. Konkretne prace podjęto jedynie za czasów Edwarda Gierka w Żarnowcu, ale po katastrofie w Czarnobylu inwestycję wstrzymano. Odpowiedź na pytanie o gotowość organizacyjną budzi uzasadnione obawy.
Na koniec spójrzmy na liderów transformacji energetycznej w Europie — Francję i Szwajcarię.
- Francja opiera swój system na atomie, który generuje 65–70% energii elektrycznej. Hydroelektrownie zapewniają 10–13%, wiatr 10–12%, a fotowoltaika 4–6%. Dzięki 56 reaktorom jądrowym Francja jest stabilnym eksporterem energii o jednym z najniższych poziomów emisji CO₂ na kWh w Europie.
- Szwajcaria stawia na dwa filary: wodę (55–60%) i atom (30–35%). Posiada jeden z najbardziej rozwiniętych systemów hydroenergetycznych na świecie (elektrownie przepływowe oraz zbiorniki wysokogórskie ze szczytowo-pompowymi), co pozwala jej elastycznie bilansować system i świadczyć usługi stabilizacyjne dla sąsiadów.
Los rzucił mnie kiedyś do pracy w Szwajcarii, w kantonowym przedsiębiorstwie Services Industriels de Genève. Odwiedzając elektrownię wodną Barrage de Verbois na Rodanie, dostrzegłem pamiątkową tablicę z datą inauguracji: 2 czerwca 1944 roku. Gdy tam otwierano nowoczesną elektrownię wodną, w Warszawie za dwa miesiące miało wybuchnąć powstanie. To porównanie dobrze obrazuje historyczny dystans dzielący nasze infrastruktury.
Oba te kraje pokazały, że stabilną i niskoemisyjną energetykę można zbudować odmiennymi ścieżkami, łącząc kapitał, konsekwencję technologiczną i sprawne zarządzanie — cechy, których w rodzimych realiach wciąż tak bardzo brakuje.
Autor: Adam Gniewecki