Atom wobec zmian klimatu. Nowa era projektowania elektrowni

Elektrownia jądrowa działa jak każda elektrownia cieplna. Ciepło powstające w reaktorze zamienia wodę w parę napędzającą turbinę i generator. Następnie para musi zostać schłodzona i ponownie skroplona, aby mogła wrócić do obiegu.

To właśnie na tym etapie pojawia się problem. Im wyższa temperatura wody wykorzystywanej do chłodzenia, tym trudniej odebrać ciepło z instalacji. Podczas fal upałów poziom wody w rzekach spada, a sama woda jest coraz cieplejsza. Po wykorzystaniu w procesie technologicznym nie może zostać odprowadzona do środowiska zbyt gorąca, ponieważ mogłoby to zagrozić lokalnym ekosystemom.

Dlatego ograniczenia pracy reaktorów wynikają najczęściej nie z zagrożenia dla ich bezpieczeństwa, lecz z wymogów środowiskowych i coraz trudniejszych warunków hydrologicznych.

Francja dostosowuje się do zmian

Podczas tegorocznych upałów francuski operator EDF ponownie ograniczył produkcję energii w części swoich reaktorów. Jednocześnie spółka zapowiedziała program inwestycyjny o wartości 8,7 mld euro, którego celem jest przygotowanie elektrowni do coraz bardziej ekstremalnych warunków pogodowych.

Program obejmuje modernizację systemów chłodzenia, budowę nowych wież chłodniczych, przebudowę gospodarki wodnej oraz dostosowanie infrastruktury energetycznej do częstszych fal upałów. To jeden z największych w Europie projektów adaptacyjnych realizowanych w sektorze energetycznym.

Francuskie doświadczenia pokazują jednak, że takie inwestycje przynoszą efekty. Podczas rekordowej fali upałów w 2003 roku elektrownie chłodzone wodą rzeczną utraciły około 5,5 TWh produkcji energii. W równie trudnym pod względem temperatur roku 2022 straty wyniosły już około 0,5 TWh. To blisko 90-procentowa poprawa osiągnięta dzięki modernizacji instalacji, zmianom organizacji pracy bloków i lepszemu planowaniu remontów.

Problem dotyczy całej Europy

Francja nie jest wyjątkiem. Jak informowaliśmy niedawno na Węgrzech elektrownia jądrowa Paks okresowo zmniejszyła moc bloków z powodu wysokiej temperatury Dunaju, do którego odprowadzana jest woda chłodząca. Podobne problemy pojawiły się również w Rumunii i Bułgarii.

Coraz częściej ograniczeniem nie staje się więc nie sama technologia, ale dostępność odpowiednich zasobów wodnych. Dotyczy to wszystkich elektrowni wykorzystujących wodę do chłodzenia.

Z tego powodu także elektrownie gazowe podczas ekstremalnych upałów tracą część swojej sprawności i mocy. W praktyce oznacza to, że zmiany klimatu stają się wyzwaniem dla całego systemu elektroenergetycznego, a nie wyłącznie dla energetyki jądrowej.

Problem z wodą pokazuje też jedną z różnic między energetyką jądrową a częścią odnawialnych źródeł energii. Elektrownie słoneczne i wiatrowe praktycznie nie wymagają wody do procesu produkcji energii, ale ich zależność od warunków pogodowych wymaga z kolei m.in. rozwoju magazynów energii.

Zmiany klimatu wymuszają adaptację

Według Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej (MAEA)  jedynie około 14 proc. światowych reaktorów wykorzystuje chłodzenie przepływowe wodą rzeczną, czyli rozwiązanie najbardziej narażone na skutki susz i fal upałów. Dziś większość nowych elektrowni powstaje nad morzem albo korzysta z zamkniętych układów chłodzenia z wieżami chłodniczymi.

MAEA szacuje, że w 2022 roku ograniczenia produkcji wynikające z problemów z chłodzeniem odpowiadały za około 0,3 proc. światowej produkcji energii jądrowej. We Francji straty związane z warunkami środowiskowymi nie przekroczyły 0,2 proc. rocznej produkcji energii.

To wartości niewielkie, ale pokazujące wyraźny trend. Zmiany klimatu nie podważają roli energetyki jądrowej jako stabilnego źródła energii, ale wymuszają jej stopniową adaptację.

Lokalizacja może stanowić przewagę

W praktyce wybór lokalizacji elektrowni jądrowej staje się dziś nie tylko decyzją techniczną i ekonomiczną, ale również decyzją klimatyczną. Elektrownia projektowana na 60–80 lat musi uwzględniać warunki środowiskowe, które mogą wystąpić dopiero za kilka dekad.

Dla Polski ma to szczególne znaczenie. Pierwsza polska elektrownia jądrowa powstanie nad Morzem Bałtyckim, a nie nad rzeką. To rozwiązanie znacznie bardziej odporne na skutki suszy i wysokich temperatur, ponieważ zasoby wody morskiej są zdecydowanie stabilniejsze niż przepływy rzeczne.

Nie oznacza to jednak, że problem znika. Elektrownia budowana obecnie będzie pracowała przez co najmniej sześć dekad. Projektanci muszą więc uwzględniać nie dzisiejszy klimat, lecz warunki, jakie mogą panować w drugiej połowie XXI wieku.

SMR-y i reaktory generacji IV to przyszłość

W ostatnich latach zmienia się nie tylko sposób projektowania elektrowni jądrowych, lecz także same technologie reaktorowe. Na świecie rozwijanych jest coraz więcej projektów małych reaktorów modułowych (SMR) oraz mikroreaktorów wykorzystujących alternatywne technologie chłodzenia — z użyciem helu, ciekłego sodu lub stopionych soli zamiast tradycyjnego chłodziwa wodnego. Wśród firm rozwijających tego typu rozwiązania znajdują się m.in. X-energy, Oklo Inc., Westinghouse Electric Company, Kairos Power, Nano Nuclear Energy oraz TerraPower.

Reaktory wykorzystujące alternatywne technologie chłodzenia należą jednocześnie do najważniejszych kierunków rozwoju współczesnej energetyki jądrowej.

Opublikowany w grudniu 2021 roku przez Agencję Energii Jądrowej OECD (OECD/NEA) raport Advanced Nuclear Reactor Systems and Future Energy Market Needs wskazuje, że zaawansowane technologie jądrowe — w tym SMR-y i reaktory generacji IV — mogą odegrać istotną rolę w przyszłym systemie energetycznym. Ich potencjalne zastosowania obejmują nie tylko produkcję energii elektrycznej, ale również dostawy ciepła przemysłowego i produkcję wodoru.

Jednocześnie eksperci podkreślają, że większość nowych konstrukcji znajduje się nadal na etapie testowym przed uruchomieniem komercyjnej produkcji. Głównym wyzwaniem ich rozwoju są wysokie koszty, regulacje oraz stworzenie przemysłowego zaplecza dla masowej produkcji tego typu reaktorów.

Zmiany klimatu obejmują całą energetykę

Problem ograniczonej dostępności wody dotyczy także konwencjonalnej energetyki. Podobne wyzwania obejmują również elektrownie węglowe i gazowe, które w procesie produkcji energii wykorzystują parę wodną i duże ilości wody do chłodzenia. Podczas długotrwałych upałów i susz rosnąca temperatura rzek oraz spadek poziomu wód mogą ograniczać ich pracę lub wymuszać czasowe zmniejszenie mocy.

Zmiany klimatu stają się więc wyzwaniem dla całego sektora energetycznego, a nie tylko dla pojedynczych technologii. Elektrownie coraz częściej muszą dostosowywać się do nowych warunków poprzez modernizację systemów chłodzenia, stosowanie zamkniętych obiegów wodnych, budowę wież chłodniczych czy wybór lokalizacji mniej narażonych na skutki suszy. Dlatego w przyszłości większe znaczenie mogą zyskać także technologie ograniczające zużycie wody lub wykorzystujące alternatywne sposoby odprowadzania ciepła.