Ostatnimi czasy media podają sporo informacji w związku z potencjalnymi inwestycjami polskich przedsiębiorstw w tzw. SMR (ang. Small modular reactors). Należą do nich Synthos, Orlen i KGHM, które podpisały listy intencyjne w celu zbadania możliwości przyszłej implementacji SMR w Polsce. Należy się zastanowić, na ile ta technologia jest potrzebna Polsce i czy opłacalne są inwestycje z nią związane. Czy Polska potrzebuje SMR?
Czym są SMR i dlaczego jest o nich głośno?
SMR, czyli inaczej małe reaktory modułowe, działają na takiej samej zasadzie jak ich większe odpowiedniki. Wyróżniają się przede wszystkim mniejszą mocą (do 300 MWe, podczas gdy klasyczne reaktory jądrowe dysponują mocą około 1000 MWe). Na samym początku rozwoju jednostek jądrowych, po II wojnie światowej, małe reaktory używane były w odizolowanych bazach wojskowych, gdzie problemem były utrudnione dostawy paliw. Jeśli chodzi o zastosowania komercyjne, decydowano się na rozwój coraz większych jednostek ze względu na zjawisko ekonomii skali (im większa moc, tym niższe jednostkowe koszty wyprodukowania energii). To sprawiło, że poza zastosowaniami militarnymi, zaniechano rozwoju mniejszych reaktorów.
Sytuacja w świecie energetyki zmieniła się jednak na tyle, że znów uznano inwestycje w mniejsze reaktory jądrowe za uzasadnione, tym razem z zastrzeżeniem, że wyróżniać się będą dodatkowo modułowością (bądź modularnością), czyli możliwością prefabrykacji pewnych elementów w celu skrócenia czasu budowy oraz dostawiania kolejnych modułów do już istniejącej instalacji.
Zmiana ta spowodowana jest potrzebą szukania odpowiedzi na coraz bardziej rygorystyczne wymogi emisyjne w państwach zachodnich. Związane są z tym także czynniki czysto ekonomiczne. Po pierwsze, ceny uprawnień do emisji CO2 w Unii Europejskiej osiągnęły, jeśli spojrzeć na to z perspektywy kilkuletniej, niebotyczny poziom (w szczytowym momencie prawie 100 euro za tonę wyprodukowanego CO2). W związku z tym poszukiwane są inne, nisko- bądź zeroemisyjne źródła zaspokajające zapotrzebowanie na energię elektryczną oraz ciepło. Po drugie zaś, SMR wymagają mniejszych kosztów bezwzględnych w stosunku do klasycznych jednostek jądrowych. To zaś zawsze było przeszkodą nie do przejścia dla państw biedniejszych bądź po prostu tych dysponujących mniejszymi systemami elektroenergetycznymi. W przypadku osiągnięcia odpowiedniej dojrzałości, ta technologia będzie mogła znaleźć zastosowanie praktycznie w każdym państwie na świecie.
Czym różnią się SMR od dużych reaktorów?
Jakie zatem różnice dzielą małe reaktory modułowe od ich dużych odpowiedników? Przede wszystkim, poza wspomnianymi rozmiarami oraz modułowością, zmianie ulegają systemy bezpieczeństwa. W przypadku technologii SMR wykorzystuje się zazwyczaj systemy pasywne, które wykorzystują konwekcję naturalną do chłodzenia zbiornika. Maleje ryzyko wystąpienia zjawiska LOCA (utraty chłodziwa), a dzięki mniejszej mocy mamy do czynienia z mniejszą energią powyłączeniową. To z kolei powoduje możliwość instalowania jednostek tego typu bliżej potencjalnych odbiorców, co jest kluczem w przypadku zakładów przemysłowych oraz źródeł ciepłowniczych. Ważną cechą bezpieczeństwa jest także ulokowanie małych reaktorów pod powierzchnią ziemi, co ograniczy wpływ zjawisk naturalnych – trzęsienia ziemi czy tsunami (katastrofa w Fukushimie, 2011), a także ewentualnych działań ludzkich – katastrofy samolotu lub ataku terrorystycznego.
Na niekorzyść mniejszych reaktorów wskazuje ich sprawność cieplna, która różni się o parę procent w stosunku do dużych jednostek (około 30 do 37%). Czynnik ten może być jednak zminimalizowany przez możliwość kogeneracji, czyli skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Podczas gdy duże bloki dysponują zazwyczaj zbyt dużą mocą w cieple, mniejsze jednostki mogą być lepiej dopasowane do lokalnego zapotrzebowania. W przypadku modułowych elektrowni możliwa jest również praca łączona, tj. część reaktorów przeznaczona będzie jedynie do produkcji energii elektrycznej, a część do generacji skojarzonej. Poza produkcją ciepła sieciowego, realnymi opcjami będą również choćby realizacja przemian chemicznych (np. produkcja wodoru czy synteza amoniaku) bądź odsalanie wody morskiej.
Zobacz także: PKN ORLEN i Synthos Green Energy planują wspólną inwestycję w import energii z Ukrainy
Dzięki wspomnianej modularności, montaż ulegnie uproszczeniu, a w konsekwencji można mieć nadzieję na skrócenie docelowego okresu budowy. Po osiągnięciu dojrzałości technologicznej i nabraniu doświadczenia w prefabrykacji modułów, elektrownia złożona z SMR ma być budowana w 2-5 lat, co jest okresem porównywalnym do elektrowni gazowo-parowych. Na dziś jednak trzeba by było doliczyć około 3-letni okres przygotowawczy związany z wyprodukowaniem elementów w fabrykach. W takim wypadku całkowity okres budowy niewiele różni się od tego dla klasycznej elektrowni jądrowej. Dodatkowym atutem dla SMR jest zaś proces przeładowania paliwa. Nie dość, że ma zajmować jedynie tydzień (a nie 3-4, jak dla dużych reaktorów), to jeszcze ma być dokonywany co 5-7 lat (w porównaniu do 1-2 lat).
Kolejnym atutem reaktorów mniejszej mocy jest ich elastyczność. Dla rozwiniętych jednostek tempo zmiany mocy ma wynieść 10% na minutę. Nie jest to wciąż wystarczająco dużo, aby obwieścić SMR jako następcę elektrowni gazowych (tempo 20% na minutę), ale w porównaniu do klasycznych bloków jądrowych (1-5% na minutę) różnica jest spora. Czynnik ten pozwoli na współpracę SMR z odnawialnymi źródłami energii, co wydaje się kluczową zaletą w perspektywie przyszłej struktury energetycznej.
Z potencjalnych zastosowań SMR kluczowe są zastosowania nieelektryczne, bo to one dają przewagę nad konwencjonalnymi jednostkami jądrowymi. Najważniejsza jest z pewnością wyżej wymieniona kogeneracja, która pozwala na szereg zastosowań w zależności od uwarunkowań. Kluczowa tu będzie produkcja ciepła sieciowego, przyczynić się to ma do modernizacji lokalnych systemów ciepłowniczych. Nie wspomniano jeszcze o innej potencjalnej zalecie – recyklingu paliwa jądrowego. Ma to być możliwe w najnowszych reaktorach IV generacji dzięki wykorzystaniu ciepła wysokotemperaturowego. Jest to jednak melodia przyszłości, reaktory te wejdą na rynek zapewne długo po pierwszych komercyjnych projektach SMR. Co ważne, reaktory mniejszej mocy mogą doskonale sprawdzić się przy zakładach przemysłowych. Wspomniane zastosowania chemiczne pozwolą koncernom uniezależnić się od większych dostawców energii i związanych z tym fluktuacji na rynku energii. Tą ścieżką już zaczęły podążać wspomniane polskie przedsiębiorstwa.
Rodzaje reaktorów SMR (które dla Polski?)
Niestety, póki co większość projektów SMR jest w fazie licencjonowania bądź prototypów, a zatem nie doczekała się jeszcze rzeczywistej eksploatacji. Ogranicza to wyżej wymienione czynniki do roli teoretycznych i dopiero czas pokaże, czy przeprowadzane analizy będą miały swoje odzwierciedlenie w rzeczywistości. Jedynie w dwóch przypadkach elektrownia bazująca na małych reaktorach modułowych rozpoczęła już produkcję energii.
Pierwszym z nich jest tzw. FNPP (floating nuclear power plant), czyli pływająca elektrownia jądrowa znajdująca się w Peweku (Czukotka, Rosja). Złożona jest ona z pary reaktorów KLT-40S (rosyjskie projekty typu PWR) i od 2020 roku, jako pierwsza tego typu jednostka komercyjna, zasila lokalną aglomerację w energię elektryczną oraz ciepło. Należy przy tym zwrócić uwagę na kolejne potencjalne zastosowanie SMR: implementacja w regionach odizolowanych, gdzie nie ma rozwiniętej infrastruktury przesyłowej. Jeśli chodzi o drugi przypadek działającej elektrowni złożonej z SMR, znajduje się ona w Chinach i rozpoczęła produkcję energii w 2021 roku. Oparta na reaktorach typu HGTR (high temperature gas reactor) jest jednak jedynie jednostką eksperymentalną, która w normalnych warunkach byłaby ekonomicznie nieopłacalna.
W Polsce, zgodnie z ustawą Prawo atomowe, rozważa się jedynie uprzednio sprawdzone projekty. Wydaje się, że najszybciej stanie się to w przypadku amerykańskiego projektu NuScale (reaktor wodny ciśnieniowy) oraz BWRX-300 (reaktor wodny wrzący), stąd też wybór tych reaktorów w umowach intencyjnych podpisanych przez wymienione wyżej polskie przedsiębiorstwa.
Czy to się Polsce opłaca?
Należy się zastanowić jednak, czy Polska potrzebuje w ogóle tego typu technologii. Jeśli weźmiemy pod uwagę sam system elektroenergetyczny, ostatnio modnym kierunkiem wydaje się być energetyka rozproszona, do czego przyczyniłoby się z pewnością użycie SMR. Z drugiej jednak strony, mniejsze reaktory lepiej sprawdzą się w przypadku mniejszych krajów (a więc i mniejszych systemów elektroenergetycznych), gdzie duży blok jądrowy stanowiłby zbyt duży udział mocy w systemie, co prowadziłoby do zagrożeń związanych z wahaniami napięcia i częstotliwości.
Dlatego, zwracając uwagę na zapotrzebowanie i wielkość systemu, wydaje się, że SMR nie są optymalnym rozwiązaniem na wielkoskalowe problemy polskiej energetyki. Pamiętając, że Polska zakłada 6-9 GW nowych mocy zainstalowanych w energetyce jądrowej, należałoby zbudować w jak najkrótszym czasie około 120 małych reaktorów modułowych o mocy 50 MWe każdy. Byłoby to wielkie i niepotrzebne wyzwanie logistyczne i organizacyjne. Z uwagi na powyższe, ewentualna zamiana konwencjonalnych elektrowni jądrowych nowoczesną technologią SMR wiązałaby się zapewne z opóźnieniem w realizacji programu jądrowego nawet o 10-15 lat.
Istnieje jednak obszar, w którym mniejsze reaktory mogłyby znaleźć zastosowanie, nawet w polskich warunkach. Mowa tu w szczególności o wspomnianej już kogeneracji. W przyszłości mogłyby one dostarczać ciepło do polskich miast, a także pracować w przemyśle, między innymi dla przedsiębiorstw chemicznych. Prowadzone analizy wykazują, że inwestycja w SMR w momencie osiągnięcia przez nie dojrzałości technologicznej (a więc zapewne w dekadzie 2030-2040) byłaby rentowna przy uśrednionych czynnikach zewnętrznych.
Jednym z najważniejszych czynników pozostaje koszt omawianej technologii w stosunku do dużych reaktorów. Trzeba pamiętać, iż wartości finansowe są jedynie przewidywaniami, które mogą jeszcze ulec wielu zmianom do czasu osiągnięcia spodziewanej dojrzałości. Zgodnie z udostępnianymi danymi, koszt inwestycji wykorzystującej dojrzałe technologicznie reaktory NuScale (a zatem analizowane pod kątem instalacji w Polsce) wyniesie 3600 dolarów amerykańskich za każdy kilowat mocy zainstalowanej. Jest to zatem proporcjonalnie zbliżona wartość względem planowanych kosztów w polski program jądrowy. Ma on kosztować bowiem 105 mld zł i przyczynić się do zaaplikowania od 6 do 9 GW mocy zainstalowanej. Gdyby przekalkulować odpowiednio podane koszty, można dojść do wniosku, iż końcowa cena dużej elektrowni jądrowej o tej samej mocy ma niemal taką samą wartość kosztów inwestycyjnych w porównaniu do jednostki opartej o SMR. W związku z tym widać, iż inwestycja w SMR może być finansowo opłacalna, jednak jedynie w przypadku osiągnięcia przez tę technologię wymaganej dojrzałości.
Rekomendacje na przyszłość
Zmierzając ku konkluzjom, Polska potrzebuje technologii SMR do konkretnych zastosowań, takich jak przemysł czy ciepłownictwo. Małe reaktory modułowe nie muszą być konkurencją dla ich większych odpowiedników, a jedynie cennym uzupełnieniem, które przyczyni się do zabezpieczenia i dywersyfikacji krajowej energetyki.
Należy pamiętać, iż transformacja energetyczna nie może opierać się jedynie na odnawialnych źródłach energii, które cechują się niestabilnością i niesterowalnością. W celu zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego konieczne jest oparcie systemu elektroenergetycznego również o stabilne źródła zeroemisyjne. Idealnym przykładem tego typu rozwiązania są jednostki jądrowe, w tym SMR, które są w stanie skutecznie bilansować fluktuacje wynikające ze zmiennej pracy OZE.
W przypadku aktywnego uczestnictwa w łańcuchu dostaw, inwestycje w jednostki wykorzystujące SMR w Polsce mogłyby być jeszcze bardziej opłacalne. W tym celu wymagane jest jednak bezzwłoczne podjęcie współpracy międzynarodowej. Zaangażowanie się w prace badawczo-rozwojowe, umowy intencyjne albo wspieranie firm odpowiedzialnych za rozwój konkretnych reaktorów mogą być wykorzystane w wypracowaniu mocnej pozycji na dopiero rozwijającym się rynku SMR.
Zobacz także: Plan REPowerEU nadzieją na bezpieczeństwo energetyczne i stabilne ceny energii w Europie
Współpraca powinna przebiegać także na szczeblu prawnym, aby przyspieszyć proces licencjonowania i dostosowywania regulacji prawnych, korzystając np. z doświadczeń amerykańskich. W tym samym czasie powinno starać się o uzyskanie akceptacji społecznej na nowe zastosowania w energetyce jądrowe, jakie oferuje SMR, jak chociażby produkcja ciepła sieciowego. Jeśli chodzi o wspomniany łańcuch dostaw, sugeruje się, aby w Polsce powstawały przynajmniej niektóre z komponentów wykorzystywanych potem w budowie elektrowni modułowych.
Powstanie nowych gałęzi przemysłu pobudzi gospodarkę i zneutralizuje częściowo potrzebę importu paliwa jądrowego zamiast węgla pochodzącego z krajowych kopalń. Sąsiedzi Polski, a więc Czechy, Litwa i Ukraina, już rozpoczęły współpracę z dostawcami obiecujących SMR-ów. Wielka Brytania natomiast ma zainwestować 210 mln funtów w rozwój technologii małych reaktorów modułowych, które mają przyczynić się do spełnienia ograniczenia emisji gazów cieplarnianych. Na ten sam cel Francja planuje przeznaczyć nawet miliard euro do 2030 roku. Kolejnym krajem, który nie pozostaje w tyle w tym wyścigu, jest Rumunia, w której mówi się o potencjale pierwszego rozmieszczenia SMR w Europie, co możliwe będzie dzięki znacznemu wsparciu otrzymanemu od USA. W świetle tych informacji cieszyć może fakt, że niedawno również polskie przedsiębiorstwa podjęły pierwsze próby współpracy z firmami zagranicznymi odpowiedzialnymi za rozwój małych reaktorów modułowych. Pozostaje mieć nadzieję, że inne polskie przedsiębiorstwa również dostrzegą szansę rozwoju przy technologii SMR. W takim wypadku, przyszła implementacja tego typu reaktorów w Polsce będzie dużo bardziej opłacalna.
Fryderyk Karp
