Energetyka jądrowa i wodór

Zielony krajobraz z elektrownią atomową i wiatrakami

Wodór ma ogromny potencjał w odegraniu znaczącej roli w dekarbonizacji oraz transformacji na nisko/zeroemisyjną gospodarkę. Podobne nadzieje wiązały się i nadal wiążą z energetyką jądrową. Ważne jest zrozumienie relacji między elektrownią jądrową a produkcją oraz użyciem wodoru.

Najważniejszą kwestią jest zrozumienie, że wodór jest nośnikiem energii (podobnie jak prąd elektryczny), natomiast elektrownia jądrowa produkuje energię elektryczną i cieplną. Ponieważ energetyka jądrowa nie emituje gazów cieplarnianych, to wpisuje się we wszystkie strategie klimatyczne i należy się spodziewać, że w dalszym ciągu będzie rozwijana. Podobnie spodziewany jest postęp w dziedzinie technologii wodorowych, więc relacje między tymi elementami energetyki będą stopniowo ewoluować. Jeszcze raz należy podkreślić, że nie zachodzi żadna konkurencja, a zachodzące procesy można zoptymalizować.

Faza pierwsza – wykorzystanie obecnego ekosystemu – elektroliza wody

Elektrownie jądrowe działają z wysoką wydajnością, pracując przez całą dobę niezależnie od pór roku. Jednakże, zapotrzebowanie na energię ma charakter okresowy, gdzie występują godziny szczytu wraz z dużym zapotrzebowaniem na energię elektryczną i oraz okresami z mniejszym zapotrzebowaniem. Do tego nakłada się nieregularna moc w systemie energetycznym wynikająca z OZE. Wykorzystując obecną technologię wodorową możemy na bieżąco bilansować pozaszczytowe nadwyżki mocy bazując na niskotemperaturowej elektrolizie wody. Choć elektrolizery nie są bezpośrednio zintegrowane z elektrownią, możliwe jest przewidywanie obciążenia elektrolizerów dzięki charakterystyce generowanej mocy przez elektrownię i bieżącego zapotrzebowania na energię. Na każdy kilogram wodoru potrzeba 50-55 kWh energii, a wodór uzyskany w ten sposób ma kolor różowy. Ten scenariusz jest prosty i możliwy do wdrożenia bez konieczności dużych prac badawczych.

Faza druga – wykorzystanie ciepła – elektroliza pary wodnej

Druga faza to wykorzystanie ciepła/pary produkowanej w elektrowni jądrowej. Elektrolizery nisko-temperaturowe pracują z membranami, gdzie nośnikiem ładunku jest woda (Nafion, Flemion itp.), której elektroliza wymaga przyłożonego napięcia teoretycznego 1,48V. Do tego konieczna jest odpowiednie nawilżenie membrany, by nie wysuszała się w trakcie pracy, co komplikuje gospodarkę wodną. Możliwe jest zastosowanie pary wodnej jako medium przewodzące. Redukuje to napięcie teoretyczne do 1,23 V (redukcja o 17%), a postać gazowa ułatwia równomierne nawilżenie całej powierzchni elektrolitu. To rozwiązanie stosuje się jednak rzadko ze względu na dużą stratę energii potrzebną do procesu parowania. Ta konfiguracja przyniesie korzyści jeżeli wykorzystamy albo parę wodną z bloków elektrowni jądrowej albo ciepło do odparowania. Druga faza pozwoli zoptymalizować pracę elektrolizerów i zwiększyć ich wydajność – konieczna jest jednak integracja bloków energetycznych i elektrolizerów. Możliwe jest to jednak z istniejącymi już elektrowniami, co przyśpieszy wdrażanie tego typu rozwiązań.

Faza trzecia wysokotemperaturowa elektroliza

Trzecia faza to wykorzystanie ciepła i energii elektrycznej przy wykorzystaniu wysokotemperaturowych elektrolizerów. Wraz z temperaturą proces rozkładu wody jest coraz łatwiejszy, przez co efektywność całego procesu rośnie, możliwe jest stosowanie innych paliw niż woda. Bardzo intensywnie rozwijane są stałotlenkowe elektrolizery (SOE – Solid Oxide Electrolyser), które mogą pracować w temperaturach od 650 oC nawet do 1000 oC. Wysoka temperatura pracy powoduje zdecydowanie dłuższy czas rozruchu do osiągnięcia odpowiednich parametrów pracy, co w przypadku zintegrowania z blokiem energetycznym nie stanowi problemu. Taki układ może służyć do wykorzystania mocy pozaszczytowej, natomiast nie nadaje się do bieżącego bilansowania. Sprawność elektrolizerów wysokotemperaturowych wynosi około 60-65%, natomiast jeżeli wykorzysta się ciepło odpadowe do napędzania turbiny parowej (CHP – Combined Heat and Power) to sprawność można podnieść do 85%. Ponieważ są to rozwiązania ciężkie, stacjonarne i dość mocno zintegrowane z blokiem energetycznym, to dołączenie ich do istniejących układów nie zawsze będzie możliwe. Planując jednak nowe elektrownie jądrowe planuje się już produkcję energii elektrycznej, ciepła oraz wodoru.

Stosowanie wysokotemperaturowej elektrolizy poza wyższą sprawnością ma jeszcze kilka pozytywnych aspektów. Wysokie temperatury zapewniają odpowiednią szybkość katalizy i pozwalają używać elektrod z materiałów niebędących metalami szlachetnymi, co znacząco redukuje koszty produkcji elektrolizerów.

Kolor i emisyjność wodoru

Elektrownie jądrowe nie emitują gazów cieplarnianych, ale nie są też obojętne dla środowiska. Wodór produkowany przy wykorzystaniu energetyki jądrowej ma zatem swój kolor -purpurowy/fioletowy/różowy. W klasyfikacji prawnej wodór traktowany jest jako „niskoemisyjny”, co pozwoli na szersze zastosowanie wodoru i łatwiejszy dostęp do środków na badania i rozwój.   

Podsumowując  elektrownie jądrowe mogą stać się hybrydowymi systemami energetycznymi, dodając produkcję wodoru jako drugi strumień dochodów. Jednocześnie wodór może służyć jako optymalizacja produkcji energii elektrycznej oraz jako element bilansujący zapotrzebowanie sieci. Należy mieć na uwadze, że docelowo same odnawialne źródła energii nie wystarczą i musimy wspierać się stabilnymi elektrowniami. Różowy wodór w tym przypadku może pełnić rolę uzupełnieniem systemu energetycznego opartego na odnawialnych źródłach energii a także poprawiającego parametry pracy elektrowni jądrowej.