Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej Synergia Węglowo - Jądrowa dla bezemisyjnej produkcji paliw i wychwytu CO2 KONWERSATORIUM Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej 17 styczeń 2008 roku Ludwik Pieńkowski Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytet Warszawski

Rosnące ceny paliw konwencjonal-nych i ograniczony do nich dostęp oraz konieczność redukcji emisji CO2 skłaniają do: Bardziej racjonalnego korzystania z energii Stosowania odnawialnych i jądrowych źródeł energii Wdrażania nowych technologii wykorzystania paliw konwencjonalnych, w szczególności węgla

Przy wzroście PKB o 4 – 6 % rocznie, można spodziewać się 1 – 2 % rocznie wzrostu zużycia energii elektrycznej Obecne zużycie to około 150 TWh/rok Za kilka lat zapotrzebowanie może wzrosnąć o około 10 TWh/rok Potrzeba nowych elektrowni o mocy: 1,25 GW pracującej 8000 h/rok (1 węglowa, lub 1 jądrowa) 5,00 GW pracującej 2000 h/rok (2500 wiatraków, każdy o mocy 2MW) Energetyka odnawialna jest w Polsce konieczna Elektrownie jądrowe są również potrzebne i prognozy wskazują aby pierwszą uruchomić w 2021 roku Należy dysponować solidnymi prognozami na 15 lat 1 rok = 8760 h

Węgiel jest gwarantem dostaw energii elektrycznej w Polsce i dlatego jesteśmy szczególnie zainteresowani technologiami węglowymi, które: Zwiększą efektywność elektrowni węglowych Zmniejszą emisję CO2 Umożliwią produkcję paliw węglowodorowych z węgla przy ograniczonej emisji CO2

Idea synergii węglowo – jądrowej CO2 Elektrownia węglowa CO2 + 3H2  CH3OH +H2O 2H2O  2H2 +O2 O2 H2 900oC Węgiel Reaktor wysokotemperaturowy Paliwa i woda

Konsorcjum wiodących polskich uczelni i instytutów AGH w Krakowie Główny Instytut Górnictwa w Katowicach Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Warszawa Instytut Energii Atomowej, Świerk Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie Instytut Inżynierii Chemicznej PAN w Gliwicach Instytut Problemów Jądrowych, Świerk Politechnika Częstochowska Politechnika Śląska w Gliwicach Politechnika Warszawska Politechnika Wrocławska Uniwersytet Śląski Uniwersytet Warszawski Konsorcjum zawiązano 28 czerwiec 2006 Lider: Kazimierz Jeleń – Prorektor AGH w Krakowie Koordynatorzy: Ludwik Pieńkowski - Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów UW Jerzy Cetnar - Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH w Krakowie

Wizja realizacji synergii węglowo – jądrowej Polsce Przyciągnąć do Polski technologie reaktorów wysokotemperaturowych Wykorzystując kompetencje w technologiach węglowych przygotować systemy Wymiany i transportu ciepła Rozkładu wody Recyclingu CO2, chemii węgla Zademonstrować integracje tych systemów; jest to zasadniczy element innowacyjny Nadać projektowi wymiar europejski, tak aby pierwsza instalacja europejska wybudowana została w Polsce

Demonstracja Recyklingu CO2 Carbon Dioxide Recycling in Hydrocarbon Fuel Production – Demonstration of Synergy Approach Jerzy Cetnar AGH

EOI 7PR: Carbon Dioxide Recycling Demonstration Facility H2O O2 H2O Water Splitter H2 Methanol synthesis micro-reactor electricity CH3OH (methanol) CO2 heat Oxy- combustion chamber Helium Heat Exchanger CH4 (natural gas) O2 CO2

7 Program Ramowy Poly-generation with Carbon Dioxide Recycling – Demonstration of Synergy Approach CDR-DSA Work programme topics addressed: ENERGY.2007.6.2.1: Poly-generation concepts for coal fired power plants Coordinating person: Jerzy Cetnar

1 AGH University of Science and Technology (Akademia Górniczo-Hutnicza - AGH) Poland 2 AREVA NP SAS - AREVA France 3 Commissariat à l'énergie atomique - CEA 4 Czestochowa University of Technology (Politechnika Częstochowska - CzUT) 5 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. in der Helmholtz-Association - DLR Germany 6 Empresarios Agrupados Internacional, S.A. – EA Spain 7 Forschungszentrum Dresden-Rossendorf e.V., Institut für Sicherheitsforschung - FZD 8 Forschungszentrum Jülisch GmbH - FZJ 9 General Atomics - GA USA 10 "Gwiazdowski+Capital Investments spolka z o. o." S.K.A. – GCI 11 Central Mining Institute – GIG 12 Institute for Chemical Processing of Coal – IChPW 13 Institute of Chemical Engineering Polish Academy of Science – IICh 14 European Commission Joint Research Center, – JRC Belgium 15 The Nuclear Research and Consultancy Group – NRG The Netherlands 16 Nuclear Research Institute Rez plc – NRI Czech Republic 17 Technische Universität Clausthal - TUC 18 Technische Universität Dresden - TUD 19 University of Science and Technology Beijing – USTB China 20 Universität Stuttgart – MPA.USTUTT 21 University of Warsaw – UW 22 VEIKI Institute for Electric Power Research – VEIKI Hungary

Reaktor wysokotemperaturowy High Temperature Reactor (HTR) Reaktor jest źródłem ciepła do T=900°C Na świecie są firmy posiadające technologię HTR: AREVA, PBMR, GA - żadna z nich nie sprzedała ani jednego reaktora HTR Na obecnym etapie energetyka nie jest zainteresowana nakładami na wdrożenie HTR Kluczem do obietnicy bezpieczeństwa globalnego HTR są pasywne systemy bezpieczeństwa: ucieczka helu nie powoduje katastrofy paliwo uranowe jest umieszczenie w niemal niezniszczalnych, ceramicznych mikrokapsułkach (TRISO) ANTARES The AREVA HTR-VHTR Design

Reaktor wysokotemperaturowy High Temperature Reactor (HTR) Reaktor HTR chłodzony jest helem Reaktor jest źródłem ciepła do T=900°C Na świecie są firmy posiadające technologię HTR: AREVA, PBMR, GA - żadna z nich nie sprzedała ani jednego reaktora HTR Na obecnym etapie energetyka nie jest zainteresowana nakładami na wdrożenie HTR Kluczem do obietnicy bezpieczeństwa globalnego HTR są pasywne systemy bezpieczeństwa: ucieczka helu nie powoduje katastrofy paliwo uranowe jest umieszczenie w niemal niezniszczalnych, ceramicznych mikrokapsułkach (TRISO) Paliwo TRISO,  = 1 mm http://web.mit.edu/pebble-bed/index.html

Werner von Lensa, Forschungszentrum Juelich

ICAPP07, Nice, 16 May 2007, Werner von Lensa, Forschungszentrum Juelich

High Temperature Reactor Technology Network AMEC Ansaldo Nucleare Areva NP Areva NC Belgonucléaire Commissariat à l’Energie Atomique (CEA) Delft University of Technology (TU Delft) Electricité de France (EdF) Empresarios Agrupados Forschungszentrum Jülich (FZJ) GrafTech Joint Research Centre of the European Commission (JRC) NEXIA Solutions Nuclear Research & consultancy Group (NRG) Paul Scherrer Institut (PSI) Suez-Tractebel Universität Stuttgart University of Applied Sciences Zittau/Görlitz VTT Technical Research Centre of Finland

High Temperature Reactor Technology Network HTR-TN Mission: HTR-TN shall coordinate and manage expertise and resources required for the development of advanced HTR technologies. It shall assist the European nuclear industry in designing competitive HTR-type power plants with outstanding safety and waste management features including the possibility of burning civil and military plutonium Dominique HITTNER, AREVA, France, Chairman HTR-TN Werner von LENSA, Research Center Jülich, Germany, Vice Chairman Michael FÜTTERER, JRC Petten, The Netherlands, Operating Agent Representative and Network Manager

RAPHAEL - ReActor for Process heat, Hydrogen And ELectricity generation

Źródła ograniczeń europejskiego programu HTR W Europie nie ma kraju–gospodarza projektu Ograniczenie finansowania projektu z funduszy europejskich (EURATOMu, Programów Ramowych) Brak przemysłu zainteresowanego wykorzystaniem reaktorów HTR Pierwsza instalacja przemysłowa (początek budowy około 2013 roku) wymaga wsparcia środkami publicznymi, ale brak jest „drugiej połowy” środków od przemysłu

Relacje między europejską siecią HTR-TN i polską inicjatywy Poszukuje przemysłowych partnerów, nabywców reaktorów HTR Posiada wiedzę jak zbudować reaktor HTR, ale w Europie brak jest ośrodka wiodącego Inicjatywa polska Odwołuje się do przemysłu węglowego, który poszukuje nowych technologii Fundusze strukturalne dają szansę budowy infrastruktur w Polsce HTR-TN razem z polską inicjatywa mogą nadać projektowi synergii węglowo – jądrowej wymiar europejski

Korzyści Spotkanie z HTR TN Paryż 26 stycznia 2007 Mission: HTR-TN shall coordinate and manage expertise and resources required for the development of advanced HTR technologies. Wnioski ze spotkania: Istota polskiej inicjatywy, polega na wskazanie użytkownika tlenu i wodoru, który może zagospodarować te produkty w krótkiej perspektywie czasu Wdrożenie polskiej inicjatywy uwolni znaczne środki unijne na badania HTR już w 7PR. Unia Europejska ogranicza finansowanie na badania HTR bo brak dużych inwestycji narodowych Potrzebna jest europejska mapa drogowa wdrożenia technologii HTR

A roadmap for HTR/VHTR development in Europe Listopad 2007

Ramy europejskiego programu synergii węglowo – jądrowej realizowanego w Polsce Przyciągnięcie technologii HTR do Polski Budowa w Polsce infrastruktur europejskiego programu reaktorów HTR i udział w badaniach i wdrożeniach Programy R&D wykorzystania w przemyśle bezemisyjnych źródeł ciepła Najistotniejszy wkład Polski do europejskiego programu bazująca na sile polskiego węgla Uruchomienie w Polsce około 2020 roku pierwszej europejskiej instalacji przemysłowej wykorzystującej reaktor typu HTR o mocy około 500 MW cieplnych Demonstracja dojrzałości technologii cieplnych i chemicznych w skali 10 – 20 MW z klasycznym źródłem ciepła, we współpracy z partnerem przemysłowym

Najczęstsze pytania i wątpliwości (1/4) Reaktory wysokotemperaturowe należą do tzw. IV generacji i ich aplikacje będą możliwe po roku 2030 Uruchomienia pierwszej instalacji przemysłowej w Polsce około 2020 jest zupełnie nierealne Reaktory typu VHTR (Very High Temperature Reactor) należą do IV generacji. Będą budowane gdy będą dostępne materiały do pracy w temperaturach powyżej 1000oC Reaktory HTR mają pracować w temperaturze do 900oC (może 950oC) i być zbudowane z dostępnych dziś materiałów

Najczęstsze pytania i wątpliwości (2/4) Czy nie lepiej zbudować reaktor testowy o mocy 10 – 50 MW cieplnych i wokół niego skoncentrować cały projekt? Program przewidujący budowę reaktora o mocy 500 MW cieplnych, przy udziale przemysłu jest niepotrzebnie tak ambitny Konstrukcja reaktora HTR o cylindrycznej strukturze rdzenia jest nieskalowalna Małe reaktory HTR, o mocy kilkudziesięciu MW mają inną strukturę rdzenia Programy w USA, RPA i Europie (HTR-TN) nie przewidują potrzeby zbudowania małego reaktora HTR przed budową HTR o mocy ~ 500 MW

Reflektor wewnętrzny R ~ 1 m Aktywny rdzeń (paliwo); warstwa o grubości ~ 1 m Reflektor zewnętrzny; warstwa o grubości ~ 1 m  ~ 6 m Reaktor musi mieć średnicę ~ 6 m, co wynika z istoty jego konstrukcji, z wewnętrznego reflektora neutronów o promieniu ~ 1 m. Konstrukcja jest nieskalowalna. http://nuclear.inl.gov/deliverables/docs/ngnp-core-analyses-report-ext-04-02331-9-29-04.pdf http://www.areva-np.com/common/liblocal/docs/Brochure/VHTR_A_2005.pdf

Najczęstsze pytania i wątpliwości (3/4) Polska nie jest w stanie samodzielnie zaprojektować i zbudować reaktora wysokotemperaturowego Czy w programie synergii węglowo – jądrowej ważniejsza jest część węglowa, czy też jądrowa? Czy warto skupić się jedynie na samym reaktorze jądrowym? Program ma przyciągnąć do Polski technologie budowy reaktora HTR Firmy technologiczne do zbudowania w Europie reaktora HTR potrzebują ● ośrodka koncentrującego badania ● rynku zbytu na reaktory HTR

Program można prowadzić w oparciu o inny przemysł niż węglowy, na przykład petrochemiczny, ale wtedy ● program nie będzie bezpośdednim wsparciem dla przemysłu węglowego ● rynek na reaktory HTR będzie w Polsce ograniczony ● można szacować, że dopiero rynek na 5 – 10 reaktorów (jedna docelowa instalacja przemysłowa, to zestaw ~ 5 reaktorów) da zysk wszystkim uczestnikom programu ● możliwe, że pierwszy reaktor HTR łatwiej będzie zintegrować z petrochemia. W takim przypadku powinien być to jedynie etap programu, bo największy rynek zbytu na reaktory HTR w Polsce i na świecie jest w przemyśle węglowym ● możliwe, że otworzy się rynek na HTRy u wytwórców energii elektrycznej

Najczęstsze pytania i wątpliwości (4/4) Polska potrzebuje elektrowni jądrowej o dużej mocy, 1000 – 3000 MW elektrycznych, a budowa jednego reaktora o mocy 500 MW cieplnych tego problemu nie rozwiąże Czy nie lepiej skupić wszystkie wysiłki jedynie na budowie elektrowni jądrowej? Budowa elektrowni jądrowej to przedsięwzięcie biznesowo – gospodarczym Synergii węglowo – jądrowej jest programem badawczo – wdrożeniowym Są to równoległe programy, które wzajemnie będą się wspierać: ● Wymagają takiego samego otoczenia przez struktury rządowe ● Program badawczy jest w stanie szkolić kadry w samo-odtwarzalny sposób dla obu projektów i struktur rządowych

Strategiczna rola projektu dla Polski i Europy w wymiarach Europejskim element koncepcji politycznej budowy w Polsce silnej Europy, czyli lokalizacji w Polsce ważnych struktur europejskich Gospodarczym i ekologicznym nowe źródło paliw, redukcja emisji CO2, zwiększenie efektywności energetyki węglowej Społecznym wizja dla Śląska Naukowym integracja środowisk, nowe technologie Edukacyjnym kształcenie kadr dla energetyki

Spotkanie 11 stycznia 2008 w sprawie projektu Odbyło się na zaproszenie Prorektora AGH, profesora Kazimierza Jelenia w Środowisko-wym Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego Projekt uzyskał poparcie między innymi od Posła do Europarlamentu, profesora Jerzego Buzka i Wicemarszałka Senatu RP Zbigniewa Romaszewskiego Zdecydowano o przygotowaniu krótkiego listu intencyjnego wraz z prośbą o rekomendację celem przedłożenia jej Rządowi

Projekt rekomendacji Uznanie przez Rząd projektu za kluczowy i o znaczeniu strategicznym Zarezerwowanie kwoty nie mniejszej niż 100 milionów Euro na realizację programu Wyznaczenie AGH roli lidera projektu Przyznanie trzech milionów złotych na przygotowanie projektu i zobowiązanie AGH do przedstawienia projektu najpóźniej po 10 miesiącach od daty przyznania środków

Dziękuję za uwagę Podziękowania dla Kazimierza Jelenia, Jerzego Cetnara i Tomasza Lotza