Rola i znaczenie elektrowni w energetyce jądrowej

Bezpieczeństwo energetyczne

Jednym z najważniejszych celów polityki energetycznej państwa jest zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego. W przypadku zaopatrzenia w energię elektryczną sprowadza się to do zapewnienia odpowiedniego poziomu mocy zainstalowanej w systemie elektroenergetycznym dla pokrycia dzisiejszego oraz rosnącego z roku na rok zapotrzebowania na energię, spełniającą kryteria klimatyczne (Rys.1).

Źródło: opracowanie własne na podstawie danych ARE S.A. oraz PSE S.A.

W tym kontekście należy zwrócić uwagę na kilka istotnych cech elektrowni jądrowych. Są to zeroemisyjne źródła o dużej mocy elektrycznej (rzędu GW), które zdolne są do pracy niezależnie od warunków pogodowych, w przeciwieństwie do mało sterowalnych Odnawialnych Źródeł Energii (OZE), które zdominowały rynek wytwórców zeroemisyjnej energii. Poza czasem niezbędnym do wymiany paliwa, elektrownia jest zdolna do produkcji energii elektrycznej z pełną mocą. Wskaźniki wykorzystania mocy zainstalowanej pokazują, że do wyprodukowania takiej samej ilości energii elektrycznej w elektrowni jądrowej i w instalacji fotowoltaicznej należy wybudować farmy o mocy około dziesięciokrotnie większej niż w przypadku elektrowni jądrowej.
Elektrownie jądrowe są również najdłużej eksploatowanymi elektrowniami cieplnymi. Obecnie eksploatowane elektrownie pracują już około 40 lat, z perspektywą na kolejne 10 lat. Budowane dziś elektrownie jądrowe mają planowany czas pracy wynoszący 60 lat, a uwzględniając potencjalne wydłużenia, ich eksploatacja może trwać nawet do 100 lat. Dla porównania, czas życia elektrowni węglowej to około 40 lat a farm wiatrowych i fotowoltaicznych zaledwie 25 lat. W efekcie, w planowanym okresie eksploatacji należałoby ponad dwukrotnie odbudowywać farmę fotowoltaiczną lub wiatrową.

Niezaprzeczalną zaletą elektrowni jądrowych jest również ich niezależność od warunków atmosferycznych. Elektrownia jądrowa produkuje tyle energii elektrycznej, ile zadysponuje operator systemu. Ograniczenie i wyzwanie z perspektywy warunków hydrologicznych, które może się pojawić, związane jest z suszą i niskim stanem wód wykorzystywanych do chłodzenia kondensatora. Jednak miejsce budowy elektrowni jest tak dobierane, aby prawdopodobieństwo wystąpienia powyższej sytuacji było minimalne. Natomiast w ostatnich latach w Polsce występowały przypadki odstawiania bloków konwencjonalnych ze względu na niski stan wody w pobliskich ciekach wodnych, rzekach.

Powyższe jasno wskazuje, że elektrownie jądrowe są źródłem bardzo dobrze wpisującym się w realizację celu uzasadnionego technicznie zapewnienia mocy w systemie oraz ustabilizowania jego pracy w każdej godzinie doby. Jednocześnie należy pokreślić, że struktura mocy zainstalowanej powinna być zróżnicowana, a różne typy źródeł powinny pokrywać różne wymagania systemu elektroenergetycznego niezbędne do zapewnienia stabilnej i efektywnej pracy.

Innym istotnym aspektem bezpieczeństwa energetycznego jest realizacja potrzeb energetycznych w sposób uzasadniony ekonomicznie. Porównanie różnych technologii w zakresie kosztów dostaw energii elektrycznej wymaga uwzględnienia wielu aspektów, w tym m.in. nakładów inwestycyjnych, kosztów stałych i zmiennych, kosztów paliwa oraz uprawnień do emisji gazów cieplarnianych itp. Zgodnie z analizami zawartymi w Programie PEJ¹ koszt energii elektrycznej uzyskanej z elektrowni jądrowej szacowany jest w przedziale od 215 PLN/MWh do 557 PLN/MWh w zależności o kosztów kapitału (tzw. WACC od 3% do 12%). Analizy wskazują, że koszt energii z elektrowni jądrowej szybko rośnie wraz ze wzrostem kosztu kapitału, dlatego energia z elektrowni jądrowych jest najtańsza przy koszcie kapitału wynoszącym 3% i 6%. Natomiast gdy koszt kapitału sięga 9% i 12% tańsza okazuje się być energia z lądowych farm wiatrowych. Skutkiem tego jest konieczność zapewnienie taniego kapitału na realizację inwestycji, czyli jej realizacja ze środków publicznych, które co do zasady stanowią najtańszy kapitał dostępny na rynku.

Dotychczasowe analizy wskazują, że pomimo wysokich nakładów inwestycyjnych niezbędnych do wybudowania elektrowni jądrowej, koszty energii elektrycznej z takiej elektrowni mogą być niższe niż z innych źródeł, jednocześnie zapewniając produkcję niezależnie od warunków atmosferycznych. Trzecim aspektem kluczowym z punktu widzenia bezpieczeństwa energetycznego jest natomiast zgodność z wymaganiami ochrony środowiska. W tym kontekście energetyka jądrowa charakteryzuje się brakiem emisji zanieczyszczeń do powietrza w trakcie normalnej eksploatacji. Niewielkie emisje związane są z cyklicznym uruchamianiem awaryjnych spalinowych generatorów energii elektrycznej oraz z Scope 3 związanym z m.in. dostawą transportem na potrzeby pracy elektrowni.

Istotnym aspektem ochrony środowiska w przypadku elektrowni jądrowych jest również postępowanie z odpadami promieniotwórczymi. Od początku swojego istnienia do zakończenia likwidacji elektrowni, wszystkie tego typu odpady są przetwarzane zgodnie z wymaganiami określonymi w przepisach (ustawa Prawo atomowe² oraz rozporządzenia³ ). Wszystkie odpady są sortowane i poddawane przetwarzaniu w sposób bezpieczny dla środowiska, a te odpady, które tego wymagają są następnie składowane w odpowiednio przygotowanych składowiskach. Należy jednocześnie podkreślić, że ilość odpadów jest niewielka, w porównaniu np. z ilością emisji uwalnianych z elektrowni konwencjonalnych.

Należy zatem stwierdzić, że eksploatacja elektrowni jądrowych odgrywa bardzo ważną rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa energetycznego kraju. Stanowi rozwiązanie uzasadnione technicznie i ekonomicznie, jednocześnie spełniając wymagania z zakresu ochrony środowiska. Praca elektrowni jądrowej zapewnia stabilizację pracy systemu elektroenergetycznego i w obecnej sytuacji, w której odchodzi się od elektrowni węglowych oraz gazowych na rzecz niesterowanych źródeł OZE, elektrownie jądrowe stanowią kluczowy element zapewniający bezpieczną pracę systemu.

Emisje gazów cieplarnianych

Redukcja emisji gazów cieplarnianych jest jednym z kluczowych elementów polityki klimatycznej Unii Europejskiej, w tym Polski. Według danych IPCC poziom emisji gazów cieplarnianych w całym cyklu życia elektrowni jądrowej jest porównywalny do poziomu emisji w przeliczeniu na 1 MWh wyprodukowanej energii wytworzonej w farmach wiatrowych. W przypadku bloków jądrowych emisyjność wynosi 12g CO2e/kWh.

- Tomasz Gasiński, Dyrektor, Sustainability Consulting Central Europe

Źródło: opracowanie własne na podstawie, ACER, Komisja Europejska, World Nuclear oraz „Łańcuch Wartości Energetyki Jądrowej”, Uniwersytet Warszawski, Klub Energetyczny 2022

Można zatem stwierdzić, że energetyka jądrowa jest niskoemisyjnym sposobem produkcji energii elektrycznej i jako taka powinna stanowić istotny element zdekarbonizowanej struktury produkcji energii elektrycznej .„Budowa bloków jądrowych oraz ich modernizacja została uwzględniona w treści aktu delegowanego do Taksonomii UE z lutego 2022 r., co oznacza, że energetyka jądrowa jest klasyfikowana jako technologia zrównoważona i zgodna z polityką klimatyczną UE.”⁴  Ten moment możemy uznać za przełomowy z uwagi na to, że we wcześniejszych regulacjach klimatycznych UE nie było miejsca na atom jako zrównoważone źródło energii. Dzięki wpisaniu atomu w Taksonomię UE, z uwagi na koszt kapitału oraz finale koszty energii elektrycznej, z dużym prawdopodobieństwem także instytucje finansujące będą bardziej zainteresowane finansowaniem inwestycji opartej o energetykę jądrową.

Szczegółowa analiza wykonana przez Wspólne Centrum Badawcze, służby Komisji Europejskiej ds. nauki i wiedzy dotycząca wpływu energetyki jądrowej na środowisko wykazała, że:

• „Średnie emisje CO2 w cyklu życia określone dla produkcji energii elektrycznej z energii jądrowej są porównywalne z wartościami charakterystycznymi dla energii wodnej i wiatrowej.
• Energia jądrowa ma bardzo niską emisję NOx (tlenków azotu), SO2 (dwutlenku siarki), PM (cząstek stałych). Wartości te są porównywalne lub lepsze niż odpowiadające im emisje z łańcuchów energii słonecznej PV i wiatrowej.
• Całkowity wpływ na zdrowie ludzkie zarówno radiologicznych, jak i nieradiologicznych emisji z łańcucha energii jądrowej są porównywalne z oddziaływaniem na zdrowie ludzkie morskiej energii wiatrowej.
• Trzy strategiczne obszary, które wymagają szczególnej uwagi przy rozwoju projektów EJ: zanieczyszczenie termiczne zbiorników wodnych, duże zużycie wody, gospodarowanie odpadami radioaktywnymi w całym cyklu życia.”⁵
  

Warto doprecyzować, że w przypadku energii jądrowej nie dochodzi do bezpośrednich emisji gazów cieplarnianych czy zanieczyszczeń, jednak takich emisji wymaga chociażby budowa infrastruktury, więc emisje takie mogą pojawić się w całym łańcuchu wartości.

Biorąc pod uwagę zarówno wyniki analizy, aktualny etap Polski na drodze do budowy siłowni, jak i fakt, że atom został uwzględniony w Taksonomii UE, energetyka jądrowa oraz źródła OZE powinny być rozpatrywane komplementarnie jako technologie przyszłościowe, wspólnie tworzące miks energetyczny Polski.

- Szymon Urbanowicz, Partner | Lider Zespołu Energii i Zasobów Naturalnych w Deloitte

W myśl szczególnych wymagań w stosunku do prowadzenie projektów elektrowni jądrowych należy dołożyć wszelkiej staranności, by projekty realizowane z zagranicznymi partnerami spełniały wymogi wyznaczone w sekcji 4.27 aktu delegowanego do Taksonomii UE (dla nowo budowanych bloków jądrowych).

Rola dużych i małych reaktorów

Rola elektrowni jądrowej w systemie elektroenergetycznym, tak jak role innych typów elektrowni, zależy od jej charakterystyki technicznej i ekonomicznej. Co do zasady w systemie potrzebne są duże i stabilne jednostki, które pokrywają podstawę zapotrzebowania. Część wahań zapotrzebowania pokrywana jest przez jednostki średniej wielkości, a reszta przez najmniejsze. Źródła niesterowalne, takie jak OZE stanowią w tym zakresie czynnik, który wpływa destabilizująco na pracę sieci.

Ocena techniczna wskazuje, że większe elektrownie mają mniejsze możliwości zmiany wielkości produkcji niż małe, dlatego też duże elektrownie, w tym elektrownie jądrowej pełnią rolę jednostek pracujących w podstawie systemu i w niewielkim stopniu wykorzystywane są do regulacji poziomu produkcji. Natomiast mniejsze jednostki mają zdolność szybszego uruchomienia oraz sprawniejszej zmiany wielkości produkcji, zatem mogą w szerszym zakresie pełnić funkcje regulacyjne w systemie.

Podejście ekonomiczne wskazuje, że największą produkcję powinny mieć źródła o niskich kosztach zmiennych (w tym kosztach paliwa) takie jak elektrownie jądrowe. Elektrownie o dużych kosztach zmiennych (np. elektrownie gazowe) powinny pracować jedynie w szczycie zapotrzebowania, kiedy energia jest najdroższa. Dodatkowo, należy zwrócić uwagę na obecny miks energetyczny w Polsce, a także kluczową zmianę w sposobie wytwarzania energii elektrycznej z wykorzystaniem gazu (Rys. 3).

Źródło: opracowanie własne na podstawie danych ARE S.A. oraz PSE S.A.

Analogiczną sytuację można zauważyć w przypadku dużych reaktorów jądrowych oraz małych SMRów.

Ze względów technicznych i ekonomicznych duże reaktory powinny pracować w podstawie, natomiast małe stanowić źródło umożliwiające dostosowywanie produkcji energii elektrycznej w systemie do zapotrzebowania. Ponadto zakłada się, że będzie możliwość lokalizacji elektrowni opartych o reaktory SMR w sąsiedztwie miast i zakładów przemysłowych co umożliwiałoby dostawy ciepła do celów komunalnych i przemysłowych. W przypadku dużych elektrowni jądrowych jest to trudne z uwagi na wymogi w zakresie lokalizacji elektrowni jądrowych.

- dr inż. Przemysław Żydak, Członek Zarządu/Współwłaściciel, Sotis Advisors.

Paliwo dla elektrowni jądrowych

Istotnym elementem podnoszonym przez przeciwników wdrożenia energetyki jądrowej w Polsce jest brak krajowych źródeł rudy uranu oraz zaplecza niezbędnego do produkcji paliwa dla elektrowni jądrowych. W tym kontekście kluczowe jest wyjaśnienie kilku istotnych kwestii.

Elektrownie jądrowe wykorzystują paliwo jądrowe jako źródło energii w procesie produkcji energii elektrycznej, które w reaktorze jądrowym wymieniane jest co 12 - 18 miesięcy w zależności od typu reaktora oraz jego historii eksploatacji. Wymianie podlega około 1/3 zestawów paliwowych przy jednoczesnym przetasowaniu paliwa (zmianie położenia zestawów w zbiorniku reaktora). W praktyce reaktor jądrowy potrzebuje co roku około 1/3 paliwa zgromadzonego w reaktorze, co stanowi około jednej dużej ciężarówki (TIR). Jednocześnie należy zaznaczyć, że istnieje możliwość zgromadzenia znacznej ilości tego paliwa na kilka, a nawet kilkanaście lat eksploatacji. Jest to ogromna zaleta w porównaniu do elektrowni opalanych węglem lub gazem, gdzie przerwy w dostawach paliwa skutkują ograniczeniami produkcji lub jej przerwaniem, a magazynowanie jest mocno ograniczone z uwagi na niezbędne do tego ogromne powierzchnie/objętości magazynowe.

Możliwość gromadzenia i magazynowania dużych ilości paliwa jądrowego ma też ogromne znaczenie dla kontroli kosztów produkcji. Należy pamiętać, że koszty paliwa w elektrowniach jądrowych stanowią zaledwie kilka procent kosztów produkcji energii elektrycznej, więc nawet podwojenie kosztów paliwa nie będzie miało znaczącego wpływu na cenę wytwarzanej energii elektrycznej.

Proces produkcji paliwa nie jest zmonopolizowany. Podzielony jest on na kilka etapów, które realizowane są przez niepowiązane przedsiębiorstwa w różnych krajach stabilnych politycznie, a paliwo dla danego typu reaktora może być dostarczane przez różne kraje. Trudno jest zatem spodziewać się zmonopolizowania rynku dostaw paliwa jądrowego i uzależnienia krajów od jednego dostawcy.

Ilość dostępnych złóż uranu jest również duża. Przy obecnych cenach złoża uranu wystarczą na kilkadziesiąt lat, a uwzględniając wzrost cen uranu, zasoby będą jeszcze większe. Szczególnie dużym i niewykorzystanym ze względów ekonomicznych (technologie temu służące już istnieją) źródłem uranu jest woda morska w której rozcieńczony jest uran. Dodatkowo w przyszłości dzięki masowemu wykorzystaniu recyklingu paliwa wypalonego i produkcji paliwa mieszanego (ang. mixed oxide, MOX) oraz wdrożeniu reaktorów prędkich powielających (FBR), okres - w którym możemy wykorzystać uran w energetyce - ulegnie znacznemu wydłużeniu.

Warto też wspomnieć, że istnieje możliwość wykorzystania również toru jako paliwa. Występuje on w skorupie ziemskiej w znacznie większych ilościach niż uran. Zatem nie należy obawiać się, że zabraknie uranu do produkcji energii elektrycznej. Prowadząc racjonalną gospodarkę paliwową można zapewnić stabilną produkcję energii w elektrowni jądrowej i zabezpieczyć gospodarkę przed wysoką zmiennością oraz nadmiernym wzrostem cen energii co jest kluczową wartością zarówno dla przemysłu, jak i gospodarstw domowych

 Przypisy:

¹ Program polskiej energetyki jądrowej 2020 r. http://www.gov.pl

² Ustawa z dnia 29 listopada 2000 r. Prawo atomowe (t.j. Dz. U. z 2021 r. poz. 1941 z późn. zm.).

³ Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 14 grudnia 2015 r. w sprawie odpadów promieniotwórczych i wypalonego paliwa jądrowego (t.j. Dz. U. z 2022 r. poz. 1320).; Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 11 lutego 2013 r. w sprawie wymagań bezpieczeństwa jądrowego i ochrony radiologicznej dla etapu likwidacji obiektów jądrowych oraz zawartości raportu z likwidacji obiektu jądrowego (Dz. U. poz. 270). Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 10 października 2012 r. w sprawie wysokości wpłaty na pokrycie kosztów końcowego postępowania z wypalonym paliwem jądrowym i odpadami promieniotwórczymi oraz na pokrycie kosztów likwidacji elektrowni jądrowej dokonywanej przez jednostkę organizacyjną, która otrzymała zezwolenie na eksploatację elektrowni jądrowej (Dz. U. poz. 1213).

⁴ „Łańcuch Wartości Energetyki Jądrowej”, Uniwersytet Warszawski, Klub Energetyczny 2022

⁵ „Łańcuch Wartości Energetyki Jądrowej”, Uniwersytet Warszawski, Klub Energetyczny 2022