Úkoly energetiky a možnosti jak je komplexně ekologicky řešit

Závěry Pařížského jednání jednoznačně rozhodly, že na oteplování celé planety mají vinu skleníkové plyny. Novináři a televizní komentátoři hned také zdůraznili, že americký prezident Bush ve svém projevu požaduje nezávislost na ropě z nejistého Středního východu a zahájení nové etapy výstavby jaderných elektráren. Evropští odborníci požadují zvýšení podílu výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů a výstavbu nových jaderných elektráren. Investice do výstavby si vyžadují dlouhodobou koncepci. Od investičního záměru do uvedení do provozu zpravidla uplyne 15 let. Bohužel právě takovou dobu naše země prakticky žádnou energetickou koncepci neměla. V poměrně krátké době bude na konci své životnosti několik tepelných elektráren v severních Čechách. Podobně zanedlouho bude končit původně plánovaná 30letá životnost JE Dukovany, tam asi dojde k prodlužování životnosti, ale nebude to bez komplikací, neboť většina z aparátů havarijních systémů primárního okruhu byla projektována vskutku na 30letou životnost, bez možnosti výměny - protože jsou v zabetonovaných kobkách (viz výměníky SAOZ, ty po napadení chloridovou korozí musely být rozřezány, po částech vyneseny a nahrazeny novými, trojdílnými modulární konstrukce). Rozšiřování těžby uhlí naráží na rozhodný odpor místních obyvatel. Dovoz ropy a zemního plynu je u nás jednoznačně orientován na Rusko, skutečně delší výpadek by měl velmi vážné důsledky a moc by nepomohl ani ropovod z Ingolstadtu, vždyť Německo rovněž většinu ropy dováží z Ruska. Takže dnes nejen lidé v ČEZ uvažují o výstavbě dalších dvou bloků v Temelíně. Zdá se to být nejjednodušší řešení a pro ČEZ je to zdánlivě logicky bez větších komplikací a rizik. Otázkou však je, zda jde o optimální řešení pro celý stát. Budeme opravdu stavět další bloky JE s tepelnou účinností pouhých 30 %? Bez většího využití nízkopotenciálního tepla? Budeme to dělat bez řádného vyřešení zadní strany palivového cyklu a trvalého uložiště vyhořelého paliva? Budeme dále budovat „měsíční krajinu v severních Čechách a vypouštět ještě více skleníkových plynů“? Ministr Bursík sice mluví o nutnosti zvýšit úspory elektrické energie zvýšením účinnosti spotřebičů, ale těch je moc a zásadní zvýšení zatím nabízí pouze náhrada žárovek výbojkami. Ty jsou však drahé, časté vypínání a zapínání výrazně zkracuje jejich životnost, a tak většinou svítí pořád - úspora energie je pak dost iluzorní. Zásadní velké úspory primární energie lze dosáhnout nejen u tepelných, ale také u jaderných elektráren zvýšením teploty média na turbíně. Dnešní JE pracují se sytou párou o teplotě pouhých 300 ?C, proto je jejich tepelná účinnost jen kolem 30 %. Naše klasické uhelné elektrárny pracují většinou s ostrou párou o teplotě cca 550 °C a jejich účinnost je kolem 35 %. Z materiálových důvodů nelze teplotu páry zásadně zvýšit a úpravou schéma se stěží podaří dosáhnout účinnosti něco málo přes 40 %. Nejvyšší účinnost mají paroplynové elektrárny. Teplota plynů na spalovací turbíně může být až 1200 °C a účinnost je těsně kolem 50 %. Znám však pouze dva velké paroplyny s prokazatelně dobrými ekonomickými parametry. Elektrárna Vřesová spaluje především levný, doma vyráběný svítiplyn. Teplárna Červený mlýn v Brně sice spaluje drahý zemní plyn z dovozu, ale výhodně prodává nízkopotenciální teplo - horkovody pro vytápění města. Staré elektrárenské bloky na hnědé uhlí se blíží ke konci své životnosti a budou muset být nahrazeny novými zdroji. Měly by to být zdroje s vysokou účinností, neprodukující skleníkové plyny a nezávislé na nejistých dovozech ropy i zemního plynu. Zdánlivě se jedná o neřešitelný problém. Pozor! Existuje reálné řešení, nejen splňující všechny uvedené požadavky, ale i nabízející komplexní řešení pro energetiku, a také pro ekologickou výrobu chemických surovin. Navíc je třeba si uvědomit, že výroba elektrické energie představuje u nás jen necelou jednu třetinu spotřeby primárních zdrojů energie a podílí se na jedné čtvrtině vznikajících skleníkových plynů. Podstatnou část fosilních paliv totiž spotřebují energeticky náročné technologické provozy, jako jsou hutě, rafinérie, těžká chemie, doprava, individuální vytápění atd. Takže každý rozumný hospodář by začínal s likvidací největšího zla. A ta možnost zde je! Nabízí se totiž konečně jednou řešit energetické problémy komplexně, tedy nejen výrobu elektrické energie, ale i plynofikaci, výrobu syntetického metanolu, čpavku, syntetického zemního plynu, syntetického benzínu a dalších surovin z vlastních zdrojů, a podstatně tak snížit závislost na dovozech ropy i zemního plynu. Současně také nabízí šetrněji zacházet se zbývajícími zásobami uhlí. Nejen to, existuje i možnost využít CO2 z kouřových plynů stávající uhelné elektrárny pro výrobu syntetického zemního plynu. Základem takového řešení je využití vysokopotenciálního tepla z modulárního vysokoteplotního plynem chlazeného reaktoru HTGR. Ten je 100krát bezpečnější než současné JE, navíc spotřebuje na výrobu jednotky tepla jen poloviční množství uranu a vyhořelé palivo nepotřebuje mezisklady. Manipulace s ním je bez rizik a trvalé uložiště nepřináší ekologickou zátěž pro příští generace. Tyto malé modulární JE o výkonu 100 MWt lze stavět přímo do chemických provozů, na okrajích měst atd. HTGR (High Temperature Grafite Reactor = Vysokoteplotní grafitový plynem chlazený reaktor) Původní vývoj sahá až do období 2. světové války a Hitlerových tzv. zázračných zbraní. Zatím co v USA vyvíjeli jadernou bombu, v Německu vědci pracovali na jaderném leteckém motoru pro tzv. Amerikabomber. Po válce výsledky jejich práce převzali Američané a pokračovali ve vývoji monstrózního dálkového bombardéru Convair X-6, upravili B-36 se 6 pístovými motory, čtyřmi proudovými a doplnili dalšími čtyřmi velkými proudovými motory s jaderným ohřevem vzduchu. Další, projektovaná, čistě jaderná verze měla označení B- 60 a zůstala jen u projektu. Nakonec X-6 létal sice s jaderným reaktorem, ten však byl odstavený a nedával za letu žádný výkon. Zkoušky se brzy ukončily - důvodem byly obavy, že při havárii dojde k zamoření životního prostředí. To riziko tehdy opravdu hrozilo, palivové články byly v kovových pouzdrech a při havárii se mohly poškodit. Zajímavé je, že v USA nadále setrvávají u tohoto druhu palivových článků, přinášejících další rizika i po vyhoření. Takto upravené palivo bylo použito u desítky amerických vysokoteplotních reaktorů. Samozřejmě, že zároveň probíhal i vývoj stacionárních HTGR. Následovaly experimentální GCRE, MGCR, EGCR a další. V 60. letech pak již byly postaveny a komerčně provozovány elektrárny s HTGR Peach Bottom a Vrain (o výkonu 342 MWe). Projekty velkých elektráren Fulton 1160 MWe, Summit 700 MWe a Vidal 1540 MWe byly zastaveny před dokončením z důvodů laciné ropy - stejně jako tam tehdy byly odstaveny již pracující jednotky na zplyňování uhlí. Také ve Velké Británii vzniklo několik HTGR. Velmi úspěšný byl projekt Dragon, ověřující možnost JE s malými HTGR. Na HTGR pracovali také v SSSR, Japonsku a ve Francii. Japonci dnes využívají malý HTGR na výrobu čistých kovů a slitin. Moderní vysokoteplotní plynem chlazený reaktor vyvinuli v bývalém NSR a nabízí velké možnosti. Experimentální JE AVR - Jülich má originální koncepci založenou na kulovém palivovém článku. Na rozdíl od všech ostatních typů reaktorů jsou kulové články volně sypány do grafitového lože. Jejich uspořádání má statistický charakter a nevytváří přesně definovanou palivovou mříž. Referenční palivový článek obsahuje 1 g uranu obohacený na 93 % U-235 a 5 g thoria Th-232. Palivové mikročástice jsou zde ve tvaru maličkých kuliček, tvořících jádro palivových článků ve tvaru koulí velikosti asi tenisového míče, a i po vyhoření lze s nimi jednotlivě volně manipulovat, bez rizika radioaktivního zamoření. Právě u JE AVR byla ověřena vysoká inherentní bezpečnost malých HTGR. Při experimentálně vyvolané havárii s výpadkem dmychadel - odpovídající na JE typu VVER nejhorší havárii LOCA (se ztrátou chladiva), aniž zde došlo k havarijnímu odstavení reaktoru. Během 24 hodin reaktor, díky záporné zpětné teplotní vazbě, dosáhl podkritického stavu a tepelný výkon se pak ustálil na hodnotě 1 nominálního. Teplota paliva i moderátoru při tom nepřevýšily normální provozní teploty!!! AVR sloužil nejen k testování jednotlivých komponentů zařízení, palivových článků, ale i k chemickotechnologickým aplikacím, včetně výroby syntetického zemního plynu z přehřáté páry a kouřových plynů klasické uhelné elektrárny a následného dálkového studeného přenosu tepla ADAM-EVA, když zchlazený syntetický zemní plyn (směs CO a H2) je veden dálkovým potrubím na místo spotřeby. Tam se na katalyzátoru se mění na zemní plyn - metan (CH4), při čemž se uvolňuje velké množství tepla a získává ostrá pára o teplotě 450 °C, aniž by se kouřilo z komínu, je zde možnost další čisté elektrárny. Zemní plyn lze využít pro místní plynofikaci, nebo vrátit druhým potrubím zpět a teplem z HTGR opět rozložit na syntetický zemní plyn. Tento HTGR pracoval s kulovými palivovými články, zabezpečujícími nejen superbezpečný provoz vlastního reaktoru, ale také ekologicky čistou zadní stranu palivového cyklu, bez zátěže pro příští generace. Stejný typ paliva je projektován i pro malé modulární HTGR o výkonech 100 - 200 MWt. Elektrárna THTR-300 o jmenovitém výkonu 307,5 MWe, pracovala s teplotou helia 700 °C (pára asi 650 °C), jen pro výrobu el. en. a bez dalších technologických aplikací palivo bylo v hexagonálních článcích - podobně jako ve většině dosavadních HTGR. Po několika letech bezpečného provozu však byla tato elektrárna odstavena, protože náklady na vyrobenou KWh byly u ní vyšší, než u klasických (doba laciné ropy a plynu). Nejperspektivnější se jeví malé modulární jednotky HTGR s výkonem 100 - 200 MWt. Při teplotě helia 950 °C nabízí nejen velmi efektivní výrobu elektrické energie s účinností přes 50 %, ale také široké technologické aplikace. Bezpečnost je 100krát vyšší než u současných VVER, bezproblémová je zadní strana palivového cyklu (kulové články). Technologické aplikace podstatně vylepší celkovou ekonomii. Malý modulární HTGR je zdrojem vysokopotenciálního tepla - chladivo helium má teplotu 950 °C. A právě tato vysoká teplota při využití umožňuje: ? vyrábět elektrickou energii s téměř dvojnásobnou účinností než je tomu u současných reaktorů VVER (v podstatě za reaktorem je paroplyn, tj. heliová turbína a za ní parní) ? vyrábět páru o vysokých parametrech pro průmyslové využití ? zplyňovat uhlí bez odpadu - druhotná surovina je koks a nekouří se z komínu ? přenášet vysoké tepelné výkony studenou cestou i na vzdálenosti stovky km, na které již nelze použít horkovody (ADAM-EVA) ? vyrábět syntetický benzín, čpavek, plasty atd., aniž by se kouřilo z komínu ? vyrábět syntetický zemní plyn (jaderný parní reforming) ? ohřev vzduchu pro hutní výrobu ? vyrábět vodík pro těžkou chemii i energetiku a dopravu ? postavit reaktor přímo v průmyslovém objektu, případně i sídlišť, vysoká bezpečnost zmenšuje ochrannou zónu. JEDEN PŘÍKLAD VYUŽITÍ MALÝCH MODULÁRNÍCH JEDNOTEK HTGR 100 MWT 1. Reaktory budou postaveny v relativně malé budově v těsné blízkosti povrchového lomu uhlí, někde na Mostecku. Helium z reaktorů přichází přes výměníky do aparátu zplyňujícího uhlí a na parní reforming. Vysokopotenciální teplo je využito pro výrobu synplynu, nízkopotenciální pak pro výrobu páry o vysokých parametrech k pohonu turbíny a výrobě el. energie v klasické elektrárně, odpadní teplo ohřívá vodu pro vytápění v okolí. To vše bez toho, aby se kouřilo z komínu. 2. Vyrobený syntetický zemní plyn - synplyn - je zchlazen (při tom se vyrobí další pára o vysokých parametrech pro elektrárnu) a studený je poslán potrubím do teplárny v Praze. Zde je synplyn zaveden na katalyzátor a mění se na zemní plyn, při čemž se uvolňuje velké množství tepla (pára o teplotě 450 °C), které je využito pro výrobu elektrické energie a horké vody pro vytápění - opět vše, aniž by se kouřilo z komínu. 3. Zemní plyn je možné z části použít přímo pro plynofikaci v Praze, zbytek je veden druhým potrubím zpět do elektrárny na Mostecko, tam je pomocí vysokopotenciálního tepla z HTGR (přes výměník) opět rozložen na synplyn a po doplnění je opět veden do Prahy. Tomuto studenému přenosu tepla se říká ADAM-EVA. Mimo již zmíněné zplyňování uhlí se nabízí další možnost, vyrábět synplyn ze spalin klasické uhelné elektrárny. Z CO2 z kouřových plynů uhelné elektrárny a ostré páry získané pomocí HTGR se vyrobí synplyn, el. energie, zemní plyn, další elektrická energie, teplo pro horkovody a vše nejen bez kouření z komínu, ale navíc to sebere CO2 z komína ze stávající uhelné elektrárny, a tím se i tato ekologizuje. Koncem 80. let se ve vývoji HTGR velmi angažovali Japonci. Mimořádně zajímavou průmyslovou aplikací pak bylo využití vysokopotenciálního tepla (teploty přes 1200 °C) z malé jednotky cca 3 MWt pro výrobu velmi čistých kovů a jejich slitin. Před čtvrt stoletím jsem byl členem mezinárodní komise pro využití aplikací HTGR. Naši experti celkem logicky prosazovali stavbu malých modulárních jednotek o výkonech 100 - 200 MWt, se širokými možnostmi technologických aplikací a vysokou inherentní bezpečností, u kterých je záruka brzké ekonomické návratnosti investice. Rusové naopak požadovali HTGR velkých výkonů kolem 1500 MW elektrických, určených především pro výrobu elektrické energie Vsjo bolšoje! U tak velkých jednotek chybí ona iherentní bezpečnost, vyžadují složité a drahé bezpečnostní systémy. Větší jednotku, určenou pouze pro výrobu elektrické energie s výkonem 300 MWe, teplotou páry asi 700 °C postavili a několik let komerčně provozovali v NSR. Velká stavba, složité systémy znamenaly složité schvalovací řízení, prodlužování doby výstavby a enormní nárůst ceny. Náklady na vyrobenou KWh přerostly běžnou cenu, provoz nebyl rentabilní a tato JE byla později odstavena. To je riziko velkých jednotek určených pouze pro výrobu el. energie, bez technologických aplikací a využití nízkopotenciálního tepla pro vytápění. Naopak využití malých modulárních HTGR se shora naznačenými technologickými aplikacemi přináší superbezpečné jednotky, stavěné přímo v technologických provozech a využívajících všech uvedených výhod. Zajímavé je, že téměř po dvaceti letech se k těmto závěrům dopracovali i ruští experti a i oni nyní projektují malé modulární HTGR. Samozřejmě, že se jedná o špičkovou technologii, avšak již před čtvrt stoletím byla tato, až na výrobu paliva a heliová čerpadla, zvládnutelná českými výrobními podniky (Škoda, Sigma, Královopolská, ZVÚ Hradec Králové) ve spolupráci s německou KWU (energetická divize Siemens). Navíc tento projekt umožňuje efektivní zaměstnanost horníků na Mostecku a hospodárné využití této suroviny. Dlouhodobě je velmi výhodný i proto, že umožňuje plynofikaci bez nároku na dovoz zemního plynu ze zahraničí. Je to vůbec ekologicky nejšetrnější řešení. Bezpochyby však narazí na odpor v podnicích zavedených na výrobu komponent pro současné tlakovodní JE typu VVER a tito budou lobovat proti takovému projektu. Největším problémem však je přesvědčit lidi, kteří o tomto rozhodují, aby si těchto pár stran pozorně přečetli a pochopili, jaké možnosti jsou zde nabízeny. Od odpůrců a hlavně rozumných oponentů bych moc rád slyšel připomínky, nebo ještě lépe nějaké jiné, lepší komplexní řešení, pokud je znají. Těsně po listopadu jsem tento projekt nabízel tehdejšímu poslanci Ing. Miloši Zemanovi, ten si jej přečetl a odepsal mi, že dle jeho názoru: „Je zbytečné něco takového těm současným strejcům v parlamentu nabízet, protože si to nepřečtou až do konce a ti, co to přečtou, to stejně nepochopí!“ Opravdu nevím, zda je sestava v parlamentu dnes lepší než tehdy, ale tento projekt tam zatím předložen nebyl. Stručnou verzi tohoto článku jsem nedávno poslal místopředsedovi vlády a ministru životního prostředí Martinu Bursíkovi, který slíbil v blízké době předložit svoji energetickou koncepci...Jeho úředník na ministerstvu mi odepsal krátkým dopisem, ve kterém bylo několik nesmyslů takového charakteru, že mi hned bylo jasné, že pisatel vůbec neví o čem vlastně píše. Snad normální občané - naši čtenáři - budou mít o problémy ekologie a energetiky větší zájem než páni poslanci a ministerští úředníci. Mám zato, že právě nyní je doba, kdy by se měly začít řešit problémy komplexně a ne jen vyrážet klín klínem. ING. LUBOMÍR KOUTNÝ