Для создания нейтральной с точки зрения выбросов СО2 глобальной экономики требуется декарбонизация всех секторов, которые сегодня в значительной степени зависят от ископаемого топлива. К ним относятся отопление, промышленные процессы, требующие сжигания топлива, и перевозки, особенно большегрузные, морские и воздушные. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), на долю ядерной энергетики приходится около 10 процентов произведенной электроэнергии в мире и она является вторым (после гидроэнергетики) крупнейшим источником низкоуглеродной энергии. Ядерная энергия может также использоваться для декарбонизации неэлектрических применений.
Что такое неэлектрические применения?
Ядерная энергетика может применяться в разных областях, помимо производства электроэнергии. К таким теплоемким процессам относится опреснение морской воды, производство водорода, централизованное теплоснабжение и технологический нагрев для нужд промышленности (производство стекла, цемента, металлов), нефтепереработка и производство синтез-газа. Сегодня, когда мировое сообщество стремится к достижению целей по борьбе с изменением климата, повышение роли ядерной энергетики в этих областях может стать ключом к успешному переходу к экологически чистой энергии.
Тепло, вырабатываемое атомными электростанциями, используется для генерации пара, который приводит в движение турбины, вырабатывающие электроэнергию. Рабочие температуры на современных АЭС достигают около 300°C, в то время как для централизованного теплоснабжения и опреснения морской воды требуется около 150°C. Конструкция современных АЭС такова, что в электроэнергию преобразуется треть производимого ими тепла — это обусловлено технологическими причинами, связанными в основном со свойствами и характеристиками материалов. Остальное тепло обычно поступает в окружающую среду.
Вместо этого его можно использовать для отопления или охлаждения, а также в качестве источника энергии для опреснения воды, производства водорода или другой продукции, такой как нефть или синтетическое топливо. Эти продукты могут производиться на существующих электростанциях — это называется когенерацией. Ядерная когенерация — это одновременное производство электроэнергии и тепла либо продукта, полученного на основе тепла. Используя тепло для когенерации, можно повысить тепловой КПД до 80%.
Ядерная энергетика и производство водорода
Во многих отраслях ископаемое топливо можно заменить на водород, что потенциально позволит добиться нулевых или близких к нулю выбросов в химических и промышленных технологических процессах, экологически чистых энергетических системах и транспорте. Сегодня водород производится путем парового риформинга метана — энергоемкого процесса, в ходе которого, по данным МЭА, в атмосферу ежегодно выбрасывается около 830 миллионов тонн CO2, что эквивалентно выбросам CO2 Соединенного Королевства и Индонезии вместе взятых. Существует несколько способов использования ядерной энергии в качестве источника электричества и тепла для эффективного производства водорода с минимальными или нулевыми выбросами CO2.
Ядерная энергия и централизованное теплоснабжение
Теплоснабжение жилых и коммерческих зданий осуществляется посредством теплоэлектроцентралей. При централизованном теплоснабжении с использованием ядерной энергии пар, вырабатываемый атомной электростанцией, поступает в районные теплосети. Эта практика была внедрена в ряде стран: Болгарии, Венгрии, Китае, России, Румынии, Словакии, Украине, Чешской Республике и Швейцарии.
«Академик Ломоносов», первая в мире плавучая АЭС, коммерческая эксплуатация которой началась в мае 2020 года, обеспечивает теплом Чукотский автономный округ, расположенный на крайнем северо-востоке России. Швейцарская АЭС «Бецнау» с 1983 года обеспечивает теплом муниципалитеты, частных, промышленных и сельскохозяйственных потребителей — всего около 20 000 человек. Основная теплосеть протяженностью 31 км передает тепло в дополнительные сети общей протяженностью 99 км.
В Китае идет расширение проекта теплоснабжения с использованием АЭС «Хайян». В конце 2020 года началась эксплуатация теплосети, в которой используется пар, поступающий от двух реакторов АЭС «Хайян», и ожидается, что первый этап проекта позволит сэкономить 23 200 тонн угля в год и избежать выбросов 60 000 тонн CO2. Этот проект демонстрирует, какую роль может играть ядерная энергия в декарбонизации отопления жилых домов и какие дополнительные выгоды дает эксплуатация АЭС в режиме когенерации. В рамках проекта к концу 2021 года АЭС будет обеспечивать теплом весь Хайян — прибрежный город в провинции Шаньдун, население которого составляет около 670 000 человек.
Ядерная энергия и опреснение воды
Опреснение морской воды может помочь удовлетворить растущий спрос на питьевую воду и одновременно снизить дефицит воды во многих засушливых или полузасушливых прибрежных районах. Для опреснительных установок требуется тепловая энергия для дистилляции или электрическая/механическая энергия, чтобы приводить в действие насосы, перекачивающие под давлением морскую воду через мембраны для отделения воды от соли. В настоящее время эта энергия получается в основном из ископаемого топлива. Ядерное опреснение — это низкоуглеродный альтернативный процесс, в котором используется тепло и электроэнергия, вырабатываемые ядерным реактором. В паре с опреснительной установкой могут работать АЭС различных видов, и таким образом достигается одновременное производство воды и электроэнергии.
Целесообразность комплексных ядерных опреснительных установок была доказана опытом эксплуатации на протяжении более 150 реакторо-лет, в основном в Индии, Казахстане и Японии. Ядерный реактор в Актау (Казахстан), расположенный на берегу Каспийского моря, производил до 135 МВт электроэнергии и 80 000 м3 питьевой воды в день в течение 27 лет, пока не был остановлен в 1999 году. В Японии на нескольких опреснительных установках, работающих совместно с ядерными реакторами, производится около 14 000 м3 питьевой воды в день. В 2002 году на Мадрасской АЭС на юго-востоке Индии была создана демонстрационная установка, соединенная с двумя ядерными реакторами мощностью 170 МВт. Это крупнейшая ядерная опреснительная установка, в основе которой лежит гибридная технология с использованием тепла поступающего с АЭС пара низкого давления и осмоса морской воды.
Инициативы в области неэлектрических применений
В настоящее время только около 1 процента ядерной энергии используется в целях, не связанных с электроэнергией, однако во всем мире — от Великобритании и Франции до России, Японии и других стран — предпринимаются инициативы, призванные проложить путь к более широкому внедрению таких применений. К ним относится инициатива Соединенных Штатов H2-@-Scale, («Доступный водород») начатая в 2016 году, в рамках которой изучаются перспективы производства водорода с помощью ядерной энергии. Ядерные лаборатории Канады (CNL) планируют открыть в Канаде парк «Демонстрация инноваций и исследований в области экологически чистой энергии» (CEDIR), в котором будут вестись испытания когенерации с использованием малых модульных реакторов (ММР).
До конца 2021 года в Китае должна начаться эксплуатация высокотемпературного газоохлаждаемого ММР. Он предназначен для выработки электроэнергии, когенерации, производства технологического тепла и водорода. В июле 2021 года в Японии была возобновлена работа высокотемпературного реактора для технических испытаний (HTTR). Вырабатываемое HTTR тепло может применяться в производстве электроэнергии, опреснении морской воды и производстве водорода термохимическим способом.
Европейский рынок тепловой энергии в диапазоне 250–550°C превышает 100 ГВт тепловой мощности, и здесь есть также потенциал для применения ядерной энергии. В Польше теплогенерация на 100 процентов зависит от ископаемого топлива, однако в стратегии развития страны предусмотрено использование ядерной энергии для производства тепла.
Какую роль играет МАГАТЭ?
МАГАТЭ помогает и содействует разработке новых и перспективных неэлектрических применений ядерных технологий посредством научно-технических публикаций, вебинаров и проектов координированных исследований. МАГАТЭ разработало такие программные средства, как Программа экономической оценки водорода (HEEP) и Калькулятор водорода для оценки возможных вариантов при производстве водорода. Скачать обе программы можно по этой ссылке.
В целях оценки ядерного опреснения МАГАТЭ разработало Программу экономической оценки опреснения (DEEP) и Программу термодинамической оптимизации опреснения (DE-TOP) для проведения экономического, термодинамического и оптимизационного анализа различных энергоресурсов, используемых в тех или иных процессах опреснения. Программу можно скачать по этой ссылке.
МАГАТЭ координирует работу по технико-экономическому обоснованию ядерного опреснения с 1989 года. Техническая рабочая группа по ядерному опреснению МАГАТЭ — это глобальная сеть экспертов, которая помогает в оценке и планировании программ, исследовании, разработке, проектировании, строительстве, экономике, вопросах безопасности, международном сотрудничестве по демонстрационным проектам, а также в эксплуатации и обслуживании ядерных опреснительных установок.
