Przed rokiem w Hiszpanii widzieliśmy blackout systemu energetycznego, spowodowany najprawdopodobniej zbyt dużym udziałem w systemie energetycznym OZE. Blackout miał dewastujący wpływ na gospodarkę hiszpańską, która na kilka długich godzin zamarła.
Czytaj więcej
Dziś 2 sierpnia zdarzyła się na Węgrzech rzecz nie mająca miejsca od 44 lat. To całkowite wyłączenie jedynej siłowni jądrowej kraju. Dostarcza ona...
Dlaczego Polska radzi sobie dobrze, a Węgry nie
Na początku sierpnia niespotykane upały w znacznej części Europy wywołały kryzys hydrologiczny, który obniżył nie tylko poziom wód gruntowych, ale na tyle istotnie poziom wody w rzekach, że rząd węgierski zmuszony został do znacznego ograniczenia produkcji energii w największej elektrowni jądrowej w tym kraju – Paks, wykorzystującej wodę z Dunaju do chłodzenia skraplacza obiegu parowego. To olbrzymi problem dla tego kraju, gdyż Paks odpowiada tam za ok. 50 proc. produkcji energii. Elektrownia ta jest absolutnie kluczowym elementem KSE (Krajowego Systemu Energetycznego) i fundamentem bezpieczeństwa energetycznego Węgier.
Dodatkowo nad Dunajem zlokalizowane są trzy bloki parowo-gazowe również pobierające wodę do chłodzenia. One też musiały zostać wyłączone. Ponadto Węgrzy planują rozbudowę kompleksu jądrowego o kolejne dwa bloki (Paks II), by zwiększyć udział stabilnej energii jądrowej w swoim miksie energetycznym. Co gorsze, nie posiadają oni dużo odnawialnych źródeł energii (OZE), które za rządów premiera Orbána były tępione ze względów ideologicznych. W kraju tym doszło zatem do wyłączeń dostaw prądu dla dużych zakładów przemysłowych. Ich wpływ na gospodarkę będzie zatem pewnie jeszcze większy niż w przypadku blackoutu hiszpańskiego.
Czytaj więcej
Rekordowo niski poziom wody w Dunaju grozi Węgrom energetyczną katastrofą. Elektrownia jądrowa w Paks, która dostarcza połowę potrzebnego krajowi p...
Tymczasem Polska radzi sobie z upałami nad wyraz dobrze. Poza przywołaniem przez PSE rynku mocy, co jest normalną praktyką rynkową i wykorzystaniem mechanizmu, za który odbiorcy i tak już zapłacili, nasz system energetyczny był niezagrożony i daleki od przymusowych odstawień. Jednak temat ograniczeń pracy elektrowni jądrowych z powodu wysokiej temperatury rzek, nad którymi są one zlokalizowane (jak Loara, Garonna czy Rodan), ale też konwencjonalnych bloków węglowych czy gazowych w Niemczech (chłodzonych wodą pobieraną z ich największych rzek: Łaby i Renu) jest bardzo aktualny i powszechny. W Polsce może to dotyczyć bloków węglowych w Kozienicach, Rybniku, Pątnowie, Połańcu czy Dolnej Odrze.
Skąd się biorą problemy z chłodzeniem
Wszystkie elektrownie cieplne, niezależnie od rodzaju paliwa – jądrowe, węglowe czy gazowe – potrzebują czynnika chłodzącego umożliwiającego odprowadzenie ciepła odpadowego. Ilość produkowanej przez elektrownie energii elektrycznej jest proporcjonalna do strumienia masy pary wodnej (jest ona potrzebna do napędzania turbiny, która z kolei napędza generator finalnie produkujący prąd) oraz różnicy entalpii (wynikającej z parametrów pary: ciśnienia i temperatury) pary wlotowej do turbiny oraz pary wylotowej opuszczającej turbinę. W najnowocześniejszych blokach węglowych na parametrach nadkrytycznych (np. w uruchomionym kilka lat temu bloku 910 MW Jaworzno III) temperatura pary przekracza 600 st. C, a temperatura wody po schłodzeniu jest zbliżona do temperatury otoczenia. Im wyższa temperatura pary, tym większa sprawność takiego bloku, co przekłada się na efektywność funkcjonowania elektrowni.
We wszystkich elektrowniach cieplnych (nie tylko jądrowych), wykorzystujących obieg parowy konieczne jest odprowadzenie części energii pary w postaci ciepła w skraplaczu (kondensatorze) – wymaga to skroplenia pary i utrzymanie w kondensatorze ciśnienia bliskiego próżni (im niższe ciśnienie, tym wyższa sprawność obiegu cieplnego).
W elektrowniach jądrowych wpływ procesowy chłodzenia jest zbliżony do bloku węglowego, ponieważ tam również występuje obieg parowy, turbina i skraplacz (tzw. część konwencjonalna). Różnica polega jedynie na znacznie wyższej randze wymagań bezpieczeństwa oraz konieczności bezwarunkowego zapewnienia odbioru ciepła. Chłodzenie wody może być natomiast realizowane w różny sposób. I to właśnie tu należy szukać rozwiązania problemu.
Czytaj więcej
Problemy energetyczne na Węgrzech i innych sąsiadów wywołane upałami, nie wpływają na bezpieczeństwo funkcjonowania polskiego systemu elektroenerge...
Kto jest winien problemów
Winni problemów z koniecznością wyłączeń elektrowni poza suszą, na którą nie mamy oczywiście żadnego wpływu, są nie tylko inwestorzy, którzy próbowali zaoszczędzić na kosztach inwestycji, by maksymalizować swoje zyski, ale też, a może przede wszystkim, regulatorzy rynku, którzy nie nadążyli za szybkimi zmianami klimatu. Wina wynika przede wszystkim z faktu, że w czasie, gdy powstawały krajowe elektrownie, problem hydrologii i klimatu nie był tak zaawansowany. Kryteria środowiskowe (zarówno krajowe, jak i unijne), decyzje ekonomiczne i technologiczne inwestorów w trakcie realizacji inwestycji oraz zwiększająca się częstotliwość występowania ekstremalnych temperatur zewnętrznych, nawarstwiły się, powodując obecną sytuację. W większości przypadków budowano bowiem najtańsze rozwiązania oparte na tzw. otwartych układach chłodzenia.
Woda chłodząca pobierana jest w nich z rzek, jezior czy morza, a po schłodzeniu jest odprowadzana do nich z powrotem. Temperatura wody po odebraniu ciepła ze skraplacza jest z reguły o ok. 10 st. C wyższa od temperatury wody w źródle. Regulacje środowiskowe (Council Directive 78/659/EEC) nie pozwalają, aby zrzut wykorzystanej do chłodzenia wody podniósł temperaturę źródła powyżej 28 st. C, ograniczając jednocześnie maksymalną dopuszczalną różnicę temperatur do 3 st. C w strefie zmieszania. Nie jest to problemem w dużych akwenach, takich jak otwarte morza, szczególnie wtedy, gdy mają one dużą głębokość przy brzegu, albo w przypadku wielkich jezior w USA i Kanadzie, ale w przypadku elektrowni zlokalizowanych blisko rzek staje się to problemem na całym świecie.
Problemy z otwartymi układami chłodzenia w Europie występują powszechnie od lat. Czy w warunkach galopujących zmian klimatycznych nie ma na to rozwiązań? Nie. Rozwiązaniem znanym od lat, ale droższym jest zastosowanie w elektrowniach tzw. zamkniętych układów chłodzenia, które w znacznie mniejszym zakresie odciążają systemy hydrologiczne. W zależności od rodzaju zamkniętego układu chłodniczego (możemy rozróżniać między układem zamkniętym z chłodnią mokrą, suchą bądź rozwiązaniem hybrydowym łączącym obie technologie – suchą i mokrą) zastosowanie tych technologii może zmniejszyć zapotrzebowanie na wodę do chłodzenia elektrowni nawet kilkadziesiąt razy! Tym samym elektrownie nie potrzebują dużych zasobów wodnych i nawet przy niskim poziomie wód w rzekach nie ma potrzeby ich wyłączania.
Mimo wszystko anomalie pogodowe mogą obniżyć ich sprawność. Z punktu widzenia operatora KSE to jednak istotna sprawa, gdyż w sytuacjach kryzysowych może liczyć na energię z nich dostarczaną. I mogą być one uznane za źródła stabilne, uniezależnione, w przeciwieństwie do OZE, od warunków pogodowych.
W układzie zamkniętym woda musi zostać schłodzona, aby móc wrócić do obiegu i ponownie zapewnić chłodzenie skraplacza. W tym celu przy zastosowaniu technologii mokrej woda jest rozprowadzana wewnątrz chłodni (w dużych elektrowniach najczęściej w chłodni kominowej), a omywające powietrze zapewnia schłodzenie wody. W trakcie procesu schładzania występują straty (odparowania, odsalania, unosu). W układzie suchym nie dopuszcza się do kontaktu wody z powietrzem, woda prowadzona jest w zamkniętych instalacjach i chłodzona przez omywające je powietrze (najczęściej chłodnie wentylatorowe). W obu przypadkach możliwości chłodzenia są bezpośrednio zależne od temperatury powietrza, a wyższa temperatura powietrza powoduje niższą sprawność bloku.
Dlaczego układ hybrydowy jest lepszy
Rozwiązanie hybrydowe pozwala na współpracę chłodnic wentylatorowych z częścią mokrą uruchamianą przy wysokich temperaturach otoczenia lub dużych obciążeniach, , łącząc w sobie zalety układu suchego i mokrego. Pozwala zniwelować zużycie wody wobec układu mokrego i jest bardziej odporne na ekstremalne temperatury powietrza w porównaniu z układem suchym. Układ hybrydowy wydaje się zatem pożądanym rozwiązaniem ograniczającym zależność układu od przepływu rzeki, zużycia wody uzupełniającej czy ilości ciepła oddanego do źródła wody.
Wymaga to jednak istotnie wyższych nakładów inwestycyjnych w porównaniu z układem otwartym oraz zwiększonych kosztów eksploatacyjnych. Technologicznie jest to dużo bardziej skomplikowany układ, wymagający dużej przestrzeni zabudowy. Przy panujących warunkach klimatyczno-hydrologicznych całkowita zależność dużych bloków energetycznych od otwartych układów rzecznych stała się istotnym problemem systemowym oraz technicznym.
Wydarzenia nad Dunajem potwierdzają, że jednoczesne ograniczenie kilku dużych jednostek wytwórczych może wymagać wymuszania redukcji zapotrzebowania, zwiększenia importu oraz nadzwyczajnych działań hydrotechnicznych. Należy zacząć traktować układy chłodzenia hybrydowego jako preferowane dla nowych bloków oraz jako kierunek modernizacji dla istniejących jednostek narażonych na regularne ograniczenia wodne.
Dlaczego uniezależnienie energetyki od upałów jest kosztowne
Stosowane rozwiązania muszą jednak być dostosowane do konkretnych obiektów i mogą się różnić. To nie jest rozwiązanie typu „one size fits all”. Niezależnie od technologii, którą realizowany jest proces chłodzenia w elektrowni, warunki otoczenia , jak i stan hydrologiczny pozostają jednym z kluczowych elementów wpływających na efektywność ich pracy. Musimy zadbać, by nasze krajowe źródła wytwórcze, istniejące i te nowe, nie podzieliły losu elektrowni we Francji czy na Węgrzech, dlatego muszą być zaprojektowane na klimat (wraz z uwzględnieniem wzrostu średnich temperatur) przewidywany w latach 2040-2090 r., a nie na podstawie przeciętnych danych ostatnich 20 lat..
Dodatkowe koszty nakładów inwestycyjnych i operacyjnych (CAPEX i OPEX) na układy chłodzenia są niczym w porównaniu ze stratami gospodarczymi w przypadku wystąpienia blackoutów czy konieczności wyłączeń bloków energetycznych ze względu na upały i sytuację hydrologiczną. Dlatego też należy wymagać, by zapytania ofertowe na układy chłodzenia zawierały niezbędne wymagania, tak aby utrzymywać produkcję energii elektrycznej przy ekstremalnych temperaturach utrzymujących się np. przez dwa miesiące, nawet jeśli Capex/Opex miałyby być wyższe o kilka proc., ale pewność dostaw energii wzrosłaby np. o 80 proc.
Kierunek zmian w polskiej energetyce
Kierunek zmian w polskim systemie energetycznym jest oczywisty: następuje dywersyfikacja źródeł wytwórczych i odejście od bloków opartych na paliwach kopalnych. Jednak sama rozbudowa OZE nie wystarczy, a może być nawet przyczyną blackoutów, co pokazał przykład Hiszpanii. Aby móc w pełni korzystać z ich możliwości w bezpieczny sposób, potrzeba magazynów energii (wbrew malkontentom wieszczącym powszechną katastrofę Europy, europejskie problemy z dostępnością mocy energetycznych były w sierpniu ograniczone w czasie i dodatkowe 5 GW magazynów energii już by im zaradziły), ale przede wszystkim stabilnej i pewnej podstawy miksu wytwórczego zasilającego naszą sieć – niezależnego od stanu wody czy warunków atmosferycznych.
Ta zmiana już się zaczęła. Powstaje sporo jednostek gazowych, ale przede wszystkim trwają prace nad pierwszą polską elektrownią jądrową, której chłodzenie oparte jest na wodzie morskiej, co częściowo omija problem upałów czy hydrologii śródlądowej. Również sektor prywatny wraz z publicznym intensywnie dążą do budowy SMR-ów (małych reaktorów modułowych), dzięki czemu Polska może stać się pionierem wdrożenia tej coraz bardziej popularnej technologii w świecie drastycznie wzrastającego zapotrzebowania na moce obliczeniowe wywołanego przez rewolucję AI.
To dążenie do wymiany przestarzałych źródeł węglowych na nowoczesne jednostki nuklearne będzie w najbliższych dekadach napędzało tę przemianę. Najbardziej rozwinięta i przygotowana do wdrożenia na świecie technologia SMR – BWRX-300 oparta jest na założeniu stworzenia floty jednostek wytwórczych oraz powtarzalności ich rozwiązań projektowych, może adaptować na swoje potrzeby każdą z opisanych wcześniej technologii chłodzenia. Ta uniwersalność w wyborze rozwiązań systemu chłodzenia pozwoli każdej inwestycji w BWRX-300 niezależnie od lokalizacji uodpornić ją w znacznym stopniu przed skutkami ekstremalnych warunków pogodowych.
Lekcją, którą dają nam europejskie problemy jednostek wytwórczych na fali ostatnich upałów, nie jest potrzeba odejścia od konwencjonalnych i nuklearnych źródeł energii, lecz przygotowanie istniejących i nowo powstających na wyzwania zmieniającego się klimatu oraz zapewnienie ich bezpiecznej i niezaburzonej pracy w każdych warunkach pogodowych. Dziś energetyka jądrowa jest jedyną skalowalną opcją, która jednocześnie zapewnia odporność, dekarbonizację i strategiczną autonomię. Jeśli chcemy przeprowadzić transformację energetyczną, która będzie nie tylko zielona, ale też wiarygodna i dająca akceptowalne ceny energii, energetyka jądrowa musi powrócić z marginesu do centrum, co na szczęście się dzieje.
