Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

ENERGETYKA JĄDROWA

( stan obecny i perspektywy rozwoju )

Stanisław Drobniak

INSTYTUT

MASZYN

CIEPLNYCH

1. Analiza trendów zużycia energii.

2. Podstawy fizyczne energetyki jądrowej.

3. Przegląd konstrukcji reaktorów jądrowych.

4. Bezpieczeństwo energetyki jądrowej.

5. Składowanie odpadów radioaktywnych.

6.

Wybrane problemy eksploatacji reaktorów
jądrowych.

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

1

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Analiza trendów zużycia energii

( próba podsumowania )

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

2

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Czy musimy zajmować się problemami energii i jej

dostępności ?

- czy istnieje związek między ilością zużywanej energii a

poziomem zużycia ?

⇐ vide 1973 r. ( energia elektryczna )

Jakiego rodzaju maszyną energetyczną jest człowiek ?

- 100 W w pracy ciągłej ( niektóre szacunki

→

30 W )

- 30 W mocy cieplnej

Jaką ilość energii wytworzyć może człowiek w ciągu roku ?

52 (tygodnie)

×

5 (ilość dni roboczych)

×

8 (godzin)

×

100 W

≅

≅ 200 kWh

Produkcja energii elektrycznej w Polsce ~ 3500 kWh/ca

szacunki max - 17 mechanicznych robotów
średnie - 60 mechanicznych robotów

Na

Jednego

Obywatela

R.P.

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

3

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Rok 1973

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

2

3

4

5

TR

MEX CP

AR

VN

ML

CL YU ZA

LEIR

E

I

IL

F

NL

J

A

6B

SF

ISL

B

DK

D

CH

L

S

CN

USA

x 10

3

S

ca

x 10

3

kWh

ca

rozwoj

energooszczedny

rozwoj
energochlonny

czy istnieje korelacja - tak !!! (choć niejednoznaczna)

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

4

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Obserwowany w historii sposób zaspokajania potrzeb
energetycznych:

niewolnictwo

↓

praca zwierząt

↓

praca wiatru, wody

↓

praca z energii spalania

dowód:

1 J.E. = 10

15

kWh = 1 mln TWh

dostępne dane historyczne:

zużycie

do 1860 1,5

÷

2 J.E.

energii

1860

÷

1947 1,2 J.E.

pierwotnej

obecnie 0,2

÷

0,3 J.E./a

tendencja ogólna:

- podwajanie ilości

zużywanej energii

co 10 lat

tzn.

- roczna stopa wzrostu – 7 %

Dotychczasowy trend:
- wzrost ilości

zużytkowanej

energii

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

5

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Prognoza Klubu Rzymskiego (1968)

Podstawowe założenia:

- przyrost zużycia energii o 7% rocznie (trudny do
podważenia – obserwowany przez wiele stuleci

- gwałtowny przyrost liczby ludności

2

4

6

1800

1900

2000

prognoza z 1968 r.

prognoza z 1955

mld

- zasoby energetyczne świata:

- węgiel kamienny 38

÷

75 J.E.

- ropa naftowa 2,5 J.E.

- gaz ziemny 1 J.E.

- energia odnawialna 0,2 J.E. / a

- uran 120 J.E.

- reaktory powielające + 360 J.E.

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

6

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Wnioski:

- przy zamrożeniu zużycia energii na poziomie 1968 :

500

÷

600 lat

- przy wzroście 7% (bez reaktorów powielających)

~ 2035

÷

2040 (wyczerpanie zasobów)

- przy wzroście 7% i powszechnym stosowaniu reaktorów

powielających:

~ 2060

- wniosek:

niemożliwe utrzymanie 7% trendu

wzrostu

↓

pojawienie się barier rozwoju

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

7

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Zidentyfikowane przez Klub Rzymski bariery wzrostu:

- bariera wydobycia

- bariera transportu

- bariera atmosferyczna

- bariera wodna

bariera ekologiczna

Ostateczna prognoza Klubu Rzymskiego:

- obecne zasoby wystarczą do

2100

÷

2120

(uwzględniając

ograniczenia wzrostu

)

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

8

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Jaka jest wartość takich prognoz?

- przykłady negatywne

→

prognoza paryska (1860)

- przykład bardziej pozytywny:

Prognoza PAN z roku 1957

Założone tempo wzrostu zużycia energii elektrycznej w
Polsce

- 10% - wariant minimalny

- 12% - wariant optymalny

Przesłanka generalna:

- świat - 7%

- Polska wykazuje zapóźnienie w stosunku do innych

krajów w poziomie zużycia energii elektrycznej stąd:

wzrost o 10% rocznie -

to tempo minimalne

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

9

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

prognoza z 1985 r.

144,5

prognoza

12% z 1957

prognoza

10% z 1957

mln TWh

30

70

110

150

1950

1960

1970

1980

1990

rzeczywistosc

prognoza 1957 wykonanie błąd prognozy
12% 10% %
1960

31,2 28,5 28 - 1,7

1965

55 45,8 45 - 1,7

1970

97 74 73 - 1,3

1972

122 94 85 - 9,5

1975

170 119 98 - 17,6

1980

125

1985

139

1989

144,5

- prognoza 10% - bardzo dokładna przez 15 lat
- odchodzenie od prognozy od roku 1972
- w ostatnich latach ciągła korekta w dół (nawet dla
najnowszych prognoz

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

10

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Przyczyna załamania prognozy w roku 1972:

- gwałtowny wzrost eksportu

Przyczyna późniejszego załamania prognozy:
- bariera wydobycia
- przyrost głębokości wydobycia 15 m/a (konieczność
stosowania materiału i energochłonnych technik
górniczych)
- szkody górnicze (eksploatacja systemu „na zawał’ –
zapadliska do 35 m)
- zasolenie wód kopalnianych (do 2000 t soli/dobę)

Wniosek:

Prognozy (w tym ilościowe) poprawne jeżeli prawidłowo
zidentyfikowane są trendy jakościowe

Przykłady błędnej identyfikacji trendów rozwoju:

- prognoza paryska
- ekstrapolacja energochłonnego sposobu rozwoju świata

(I kryzys energetyczny 1972-1974)

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

11

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

12

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Największa (bo aktualna) wartość prognozy Klubu

Rzymskiego

⇓

uwagi uzupełniające

I

- ograniczoność pojemności ekologicznej i zasobów

naturalnych

II

- utrzymanie obecnych trendów grozi zachwianiem

równowagi ekologicznej

III

- kraje rozwijające się nie mogą osiągnąć poziomu życia

krajów rozwiniętych

⇓

groźba konfliktów społecznych

i politycznych

Uwaga:

Wniosek III oparty na założeniu, że rozwój może
opierać się jedynie na ciągłym wzroście zużycia energii

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

13

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Ad. III

Zmiana jakościowa w podejściu do kwestii energetycznej w

latach ’80:

XII World Energy Conference (Delhi 1983)

przyjęty przedział czasowy:

zużycie energii

1980 2000 2020

wariant I

×

2,6

(5%)

×

2,6

(5%)

wariant II

×

2

(3,5%)

×

2

(3,5%)

XIII World Energy Conference (Cannes 1986)

warianty 1980 2040 2060

wariant I 10,7 mld t.p.u. 28 47,7

(1,6%) (2,6%)

wariant II 10,7 mld t.p.u. 21,6 29,5

(1,2%) (1,5%)

wariant III 10,7 mld t.p.u. 10,7 10,7

(0%) (0%)

Zmniejszenie przyrostów zużycia energii – nowe zjawisko w

energetyce

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

14

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

15

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

16

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

17

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Prognoza energetyczna dla Polski:

- zmiana nośników energii
- przyrost zużycia gazu i ropy
- stagnacja zużycia energii z węgla kamiennego
- nieobecność energetyki jądrowej

Scenariusze zużycia energii pierwotnej

(milionów ton paliwa umownego)

Niski Wysoki

1990 2000 2010 2000 2010

Razem 143,7

(1,2%)

163,2

(0,8%)

177,2 181,8

(1,4%)

209,7

Węgiel kam. 87,9 92,7 92,1 107,8 115.3
Węgiel brun. 19,2 17,5 17,5 17,5 17,5
Gaz ziemny 12,7 17,9 23,2 21,9 28,6
Paliwa płynne 22,0 30,3 35,8 29,3 37,8
Energia atom. 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Inne 1,9 4,9 8,6 5,1 9,6

Wniosek najważniejszy:

Potwierdzenie niemożności utrzymania

dotychczasowego tempa zużycia energii

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

18

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Rezerwy w sprawności przemian energetycznych (czynnik

przemawiający za ograniczeniem wzrostu tempa zużycia

energii)

η

=

1,0

duży generator

duży kocioł parowy

0,9

duży silnik elektryczny

0,8

kotłownia c.o. gaz ziemny

akumulator samochodowy

0,7

0,6

mały silnik elektryczny

kotłownia c.o. węgiel kamienny

0,5

piec węglowy

0,4

najwyższa sprawność elektrowni

silnik wysokoprężny

0,3

średnia sprawność elektrowni w Polsce

silnik benzynowy

0,2

świetlówka

0,1

lokomotywa parowa
żarówka

Wniosek:
rezerwy nieznaczne, stąd konieczność innego spojrzenia
na procesy generacji energii

energia wykorzystana
energia dostarczona

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

19

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Ad. I, II (ekologiczne bariery rozwoju)
Ilustracja istnienia barier ekologicznych na przykładzie
Polski

- bariera wodna

1 kWh energii elektrycznej - 2 kWh energii cieplnej
odprowadzanej do środowiska
( chłodzenie kondensatora)

przyrost temperatury wody w kondensatorze

8

÷

10

o

C

⇓

1 kWh energii elektrycznej - 0,17 m

3

wody podgrzanej

o 10

o

C

Konsekwencje:

(dla Polski, rok 1989, max. produkcja energii elektrycznej)

W roku 1989 produkcja energii elektrycznej: 144 TWh

144

⋅

10

9

kWh

≡

25 mld m

3

wody podgrzanej o 10

o

C

Średnioroczny odpływ wód powierzchniowych z terytorium

Polski – 58 mld m

3

Podwojenie produkcji cała woda do

energii elektrycznej kondensatorów !!!

⇒

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

20

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Rzeczywistość (1989):

- roczny pobór wody na cele przemysłowe – 16 mld m

3

- w tym energetyka – 9 mld m

3

(stosowanie obiegów

zamkniętych zmniejsza ilość wody potrzebnej do
chłodzenia)

Ad. I,II

- bariera atmosferyczna

palenisko kotłowe - temperatura 1370

o

÷

1650

o

C

⇓

S + O

2

→

H

2

SO

3

→

H

2

SO

4

N + O

2

→

NO

x

(powyżej 1090

o

C)

Zawartość siarki w węglach energetycznych:

1,7

÷

3,5%

skutek:

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

21

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Obowiązujące w Polsce normy dotyczące zawartości
zanieczyszczeń powietrza

mg/m

3

a

Obszar specjalnie SO

2

- 0,011

Chroniony NO

x

- 0,0079

Obszar chroniony SO

2

- 0,064 (0.032)

NO

x

- 0,032 (0,022)

( ) - normy europejskie

Rzeczywistość:

- 50% powierzchni kraju > 0,02 mg/m

3

a

- GOP, Kraków . . . . . . . . > 0,1 mg/m

3

a

0,02 mg/m

3

a SO

2

- granica szkodliwości dla lasów

iglastych
0,06 mg/m

3

a SO

2

- granica szkodliwości dla człowieka !!!

Czynnik pomijany w Polsce:
- zawartość CO

2

(gazu cieplarnianego)

Polska nie ratyfikowała konwencji o redukcji emisji gazów
cieplarnianych.

Konwencjonalna energetyka wykorzystuje proces spalania

– emisja CO

2

jest niemożliwa do uniknięcia.

Sposoby redukcji emisji:

NO

x

- katalizatory (transport)

SO

2

- odsiarczanie (w Polsce redukcja emisji SO

2

o 30%

w ostatnich latach)
CO

2

- niemożliwa neutralizacja !

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

22

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Ad. I,III

- bariera odpadów

punkt wyjścia:
- zawartość popiołu w węglach energetycznych dochodzi do

30%

Roczna produkcja odpadów z przemysłu energetycznego w
Polsce:

Popioły ~ 19 mln t

Żużle ~ 3,5 mln t

- średni stopień wykorzystania odpadów w Polsce

~ 15% (stosunkowo wysoki w porównaniu z innymi

krajami)

dodatkowo:

- jeżeli wprowadzi się mokrą metodę odsiarczania wówczas:

np. elektrownia Połaniec 6

×

200 MW

- 40 tys. t/dobę pulpy gipsowej

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

23

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Światowe zasoby paliw

Kategorie zasobów:

- zasoby geologiczne – możliwe do wydobycia w dalszej

przyszłości

- rezerwy – zasoby nadające się do ekonomicznej

eksploatacji

Węgiel kamienny

Zasoby geologiczne ~ 7700 mld t.p.u
Rezerwy ~ 480 mld t.p.u
Wydobycie ~ 3 mld t/a

Węgiel brunatny

Zasoby geologiczne ~ 2400 mld t.p.u
Rezerwy ~ 140 mld t.p.u
Wydobycie ~ 1 mld t/a

Ropa naftowa

Rezerwy ~ 95 mld t
Wydobycie ~ 3 mld t/a

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

24

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Gaz ziemny

Rezerwy ~ 90 bln m

3

Wydobycie ~ 1,5

÷

2 bln m

3

Energia wód

Zasoby ~ 20000 TWh/at
Rezerwy ~ 10000 TWh/a

1 t.p.u ~ 8100 kWh

Rezerwy ~ 1,2 mld t.p.u/a

Materiały rozszczepialne

Rezerwy - Uran ~ 300 mld t.p.u

(jeżeli powielenie paliwa

⇒

×

3)

Rezerwy U ~ 4 mln t
Produkcja U ~ 45 tys. t/a

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

25

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 1 - Analiza trendów zużycia
energii

Próba podsumowania:

Węgiel kamienny, brunatny

- bezpieczne rezerwy
- emisja SO

2

, NO

x

, CO

2

- bariera odpadów

Ropa naftowa, gaz

- ograniczone rezerwy
- emisja CO

2

- niewielka emisja SO

2

, NO

x

- brak odpadów

Energetyka wodna, wiatrowa, słoneczna

- bardzo małe rezerwy energetyczne
- bariera kosztów
- brak odpadów i emisji

Energetyka jądrowa

- bezpieczne rezerwy
- brak emisji i odpadów (w liczącej się skali)
- dojrzałość technologiczna
- negatywna percepcja społeczna (syndromy: Hiroszima,

NIMBY)

- koszty wyższe niż w energetyce konwencjonalnej (przy

zapewnieniu należytego poziomu bezpieczeństwa)

Co dalej ?