„Parowóz” z odchodzącej epoki, czyli błędna polityka energetyczna rządu

0
179

Celem niniejszego artykułu jest analiza obecnej polityki energetycznej rządu oraz wyboru przez niego rozwiązania parowego. Artykuł wpisuje się w moje wypowiedzi w Sejmie RP na ten temat z dnia 22 lutego 2017.

Dzisiejsza Elektrownia Wielkoskalowa to wciąż „parowóz” z odchodzącej epoki, w którym parowe tłoki zastąpiono turbiną parową, a następnie, w niektórych, z pozoru nowszych, ale znacznie droższych i niebezpiecznych modelach, zamiast komory spalania węgla zastosowano naczynie ciśnieniowe do rozszczepiania uranu/plutonu! Ciągnięta przez taki „parowóz” ludzkość zajedzie donikąd.

Prąd elektryczny z uranu/węgla? Dlaczego wciąż elektrownia parowa i epoka pary? Jak to jest naprawdę?

W obu przypadkach: uran/węgiel mamy do czynienia z wytworzeniem energii.

Dla węgla, z energią promieniowania: EM i cieplnego (drgania generowane przez energię kinetyczną nowo powstałej cząsteczki CO²(44), jako efekt połączenia atomu węgla (C12) z dwoma atomami tlenu (O16) w cząsteczkę dwutlenku węgla, w komorze spalania sproszkowanego węgla kamiennego/brunatnego.

Dla uranu, z energią promieniowania: EM, neutronowego i cieplnego (drgania generowane przez energię kinetyczną nowo powstałych rdzeni atomowych), jako efekt rozszczepienia w rdzeniu reaktora, jądra Uranu 235 (na mniejsze rdzenie atomowe), zawartego w nowo wytworzonych pastylkach dwutlenku uranu, z którego są zbudowane (z czasem dochodzi w nich do powstawania i rozszczepiania pewnych ilości Plutonu 239).

Te małe pastylki, zwane „pellet” o wadze ok. 7 gramów, włożone w wodoszczelne rurki o długości ok. 4 m., wykonane za stopu „Zircaloy” (mówiąc w uproszczeniu, „paliwowy hardware”) tworzą, tzw. pręty paliwowe (fuel rods), a całe dziesiątki ton tych prętów paliwowych, pogrupowanych w kasety paliwowe (assemblies) tworzą tzw. rdzeń paliwowy reaktora, będący de facto rozszczepialnią uranu/plutonu na wielką skalę.

W przypadku węgla, w komorze spalania energetycznego bloku dochodzi też do spalania węgla na gigantyczną skalę, orientacyjnie kilku setek ton węgla na godzinę.

Wróćmy jednak do reaktora. W reaktorze Gen3/3x wsad paliwowy rdzenia jest tak imponujący, że aż przerażający! Kasety paliwowe w liczbie 241 sztuk ważą aż 177 ton! I dlatego, na skutek rozszczepiania bardzo małej części tej olbrzymiej masy paliwowej, wytwarzana jest w sposób ciągły znaczna energia o wartości energetycznej równej: defekt masy razy c kwadrat (znany wzór Einsteina).

Ta energia, upraszczając, dzięki paliwowemu hardware, jest w sposób ciągły absorbowana, przekształcana i przekazywana wodzie chłodzącej. Jest to tzw. energia cieplna o mocy cieplnej P=4,3GWthermal.

Skutki

Te 177 ton wsadu paliwowego to szok, gdyż nowy wsad kosztuje ok. $200 mln. (dwieście milionów dolarów) i po załadowaniu do naczynia ciśnieniowego, zalaniu wodą i zainicjowaniu rozszczepiania staje się w całości wysokoaktywnym odpadem promieniotwórczym. Innym zagadnieniem jest również fakt, że reaktor, zanim ów wsad paliwowy stanie się w całości wysokoaktywnym odpadem promieniotwórczym, wykorzysta zaledwie, ok. 1% (jeden procent) zawartego w nim paliwa! Jeśli wspomniany reaktor pracuje w rocznym cyklu paliwowym, wytwarza rocznie 44,5 tony paliwowego, wysokoaktywnego odpadu promieniotwórczego, który trzeba uzupełniać nowymi kasetami paliwowymi.

Czy można zastąpić te 177 ton wsadu paliwowego węglem? Tak! Należałoby zamienić reaktor na komorę spalania węgla kamiennego, która musiałaby spalać ok 880 ton zmielonego na proszek węgla kamiennego w ciągu godziny!

Na świecie, w skali globalnej, spalamy obecnie gigantyczne ilości paliw węglowych, liczone w miliardach ton rocznie. Jak jest nad Wisłą?

W Polsce, dla uzyskania mocy elektrycznej 1 GWe (jeden gigawat), w naszych elektrowniach parowych konwencjonalnych spalamy ok. 550 ton węgla kamiennego w ciągu godziny, czyli ok 13 200 ton na dobę, ok. 4 miliony ton rocznie.., i tylko po to, by osiągnąć jeden gigawat!

Jeśli, np. założymy, ze w Polsce będziemy wytwarzać ze spalania węgla kamiennego moc elektryczną (na poziomie mocy zainstalowanej w węglu kamiennym), ok. 20 GWe, to natychmiast możemy obliczyć, że wtedy roczny poziom spalania węgla kamiennego w elektrowniach powinien wynosić ok. 80 milionów ton, a roczna ilość wytwarzanego dwutlenku węgla, bez mała, 300 milionów ton! (Ministerstwo Energii zakłada, że polskie kopalnie wydobędą w tym roku (2017) ok. 65 milionów ton węgla kamiennego, w roku 2016 wydobyto ok. 70 milionów ton).

Ciepło to (drgania) jest przekazywane wodzie stykającej się w rdzeniu bezpośrednio z hardware prętów paliwowych, woda ta jest oczywiście bardzo radioaktywna, ulega wciąż podgrzewaniu do ok. 350 stopni, lecz nie wrze i nie zmienia stanu skupienia ze względu na duże ciśnienie panujące w ciśnieniowym naczyniu reaktora/w rdzeniu/w obwodzie pierwotnym, ok. 170 bar, utrzymywane na praktycznie stałym poziomie przez „pressurizer„, bardzo zaawansowane naczynie ciśnieniowe wypełnione w dolnej części wodą obwodu pierwotnego, w górnej parą pod wspomnianym ciśnieniem, wyposażone w zaawansowane urządzenia będące w stanie podtrzymywać i regulować ciśnienie pary w nim zawarte, a przez to ciśnienie w pierwotnym obwodzie; pressurizer jest integralną częścią obwodu pierwotnego.

Podgrzewana w rdzeniu gorąca woda cyrkuluje bezustannie w obwodzie pierwotnym, dzięki pracy pomp, tzn. przepływa w sposób ciągły, z odpowiednią dynamiką przez generator pary (steam generator) (SG) i rdzeń reaktora, odbierając mu energię – chłodząc go. Z tego względu obwód pierwotny reaktora nazywany bywa obwodem chłodzącym, a jest w rzeczywistości obwodem wyprowadzania energii poza reaktor. W Gen3/3x, np. Olkiluoto3, mamy cztery takie obwody (cztery odprowadzenia i cztery doprowadzenia, odpow. z/do naczynia ciśnieniowego reaktora, cztery pompy napędzane przez nowoczesne indukcyjne silniki asynchroniczne i cztery SG.)

SG są jedynymi odbiornikami ciepła z wysokociśnieniowych obwodów pierwotnych i jego przekaźnikami do wykorzystania poza reaktorem. Tak naprawdę są to wielkoobjętościowe wymienniki ciepła i dlatego, m. in. ze względów bezpieczeństwa są aż cztery (zakłada się, że jest nie do wyobrażenia, by mogło dojść choćby na parę sekund do sytuacji, kiedy wszystkie cztery obwody pierwotne równocześnie uległyby awarii, podczas pełnego, rozpędzonego procesu rozszczepiania uranu/plutonu).

Przez cztery generatory pary (SG) przechodzą także cztery, odseparowane od radioaktywnej wody obwodu pierwotnego, obwody wodno-parowe, tzw. wtórne, zaprojektowane na ok. 100 bar/300 stopni, przez które, z jednej strony, do SG pompowana jest woda, a z drugiej strony SG odbierana gorąca para. SG jest wyposażony w suszarkę i separator pary (dryer/separator), gdyż wytworzona para, za pomocą rur parowych obwodu wtórnego opuszcza pomieszczenie reaktora (containment vessel) i kierowana jest do hali turbogeneratora (turbine island), gdzie następuje ciągły proces przemiany energii cieplnej pary w energię mechaniczną turbiny. Energia wewnętrzna pary zamieniana jest w sposób ciągły w energię kinetyczną (zjawisko rozprężania i ekspansji), a utrzymywane w turbinach ciągłe strugi pary, osiągając znaczne prędkości oddziałują aerodynamicznie na dopracowane do perfekcji powierzchnie całych grup układów łopatek turbin, wytwarzając stały, olbrzymi, mechaniczny moment obrotowy na wale turbiny.

Turbina jest dwustrumieniowa i wielokadłubowa, co oznacza, że składa się z niezależnych sekcji turbin, jednej wysokociśnieniowej i trzech niskociśnieniowych, które mają optymalne przekroje przepływowe i geometrie łopatek w stosunku do parametrów termodynamicznych kierowanej na nie pary i wytwarzanych prędkości strug opływu, w czterech kadłubach. W ostatniej sekcji turbiny zastosowano łopatki wielkowymiarowe dla ograniczenia strat wylotowych. Tak rozumiana „turbina” jest gigantyczna, liczy ok. 50 m. długości , posiada zintegrowane, własne układy sterowania i kontroli, w tym do precyzyjnej automatycznej regulacji prędkości obrotowej, które sterują układami automatyki dodatkowych układów parowych, także przepustowymi na sekcje, tak by wszystkie „razem”, osadzone na wspólnym wale, docelowo obracały się synchronicznie, ze stałą prędkością obrotową 25 obr/sek i optymalnym (maksymalnym) potężnym, mechanicznym momentem obrotowym.

Wał turbiny jest sprzężony bezpośrednio z wałem wirnika generatora prądu zmiennego. Generator (to stary, dobry wynalazek N. Tesli), jest indukcyjny, synchroniczny, 4-polowy, 3-fazowy, bezszczotkowy, chłodzony wodorem lub wodą. Obracający się, również gigantyczny wirnik, o długości 17 m., i masie 250 ton ma uzwojenie chłodzone wodorem. Wirnik ten indukuje w uzwojeniu stojana, chłodzonym wodą, zmienne pole magnetyczne, które przeciwdziała jego obrotom. Jednak na wirnik działa moment obrotowy turbiny, dlatego pokonuje on oddziaływanie pola stojana i obraca się ze stałą synchronizowaną prędkością turbiny (1500 obr/min), z pewnym przesunięciem kątowym w stosunku do wirującego pola stojana. W taki oto sposób w uzwojeniu stojana indukowany zostaje w sposób ciągły, sinusoidalny prąd zmienny o określonej częstotliwości, np. 50 Hz, a na odpowiednich zaciskach jego uzwojeń wyjściowych można zmierzyć, wytwarzane pod obciążeniem, skuteczne napięcie zmienne (w kV) oraz skuteczną moc elektryczną, najogólniej, jako trzykrotny iloczyn skutecznych wartości prądu i napięcia jednej fazy, a wtedy skuteczna moc elektryczna P=1.6 GWelectric.

Cały powyższy tekst, to oczywiście pewien zamierzony skrót myślowy. Jak łatwo zauważyć, tylko część mocy cieplnej z rdzenia jest wykorzystywana, gdyż mamy cały szereg strat, np. na chłodzenie. W szczególności sprawność termodynamiczna turbiny parowej jest tutaj na niskim poziomie. I jeśli jest to turbina na parę podkrytyczną, to mamy mizerną sprawność całego systemu przemiany energii cieplnej w energię elektryczną, na poziomie ok. 36% w całości.

***
Tak samo jest w elektrowniach parowych na węgiel kamienny lub brunatny. Poza źródłem ciepła oba rodzaje elektrowni parowych (te z komorą spalania węgla/ te z reaktorem rozszczepiającym uran lub pluton) niczym się nie różnią. Jak widać, pod względem koncepcyjnym, wciąż trwa w najlepsze era pary i chociaż mamy bardziej efektywne rozwiązania parowe nadkrytyczne a ostatnio także ultra nadkrytyczne, należy stwierdzić, że era pary/węgla i/lub pary/uranu trwa w najlepsze. Moim zdaniem trwa ona zbyt długo, przekraczając już dawno próg nieuleczalnej choroby zwanej „paranoją i schizofrenią” cywilizacyjną i należy od niej odchodzić – im szybciej, tym lepiej!

Zakończenie
Wielkoskalowe spalarnie węgla oraz reaktory starsze i te przykładowo opisane powyżej, czyli Gen3/3x, rozszczepiające uran235/pluton239, podobnie jak wielkoskalowe spalarnie węgla powinny zdecydowanie odejść w przeszłość. Stają się na naszych oczach, jeszcze przed końcem ich przewlekających się o wiele lat budów, trupami technologicznymi, których racjonalna animacja nie wytrzymuje żadnych obiektywnych reguł ekonomicznych/ekologicznych. Nie wspominam tutaj o nowych metodach syntezy wodoru, o bezneutronowej syntezie proton-boron (p+Boron11), czy o zimnej syntezie, np. niklowo-wodorowej (System Ni_H), ale jednak, nadchodzi już kolejna nowa era wytwarzania energii, określana przez fizyków jako Gen4. Chciałbym w formie zakończenia, zawrzeć pewną nową, bardzo istotną cechę tej nowej ery. Reaktory Gen4, a wśród nich także bezpieczne rozwiązania torowe, są już wysokotemperaturowe, a temperatury ich pracy, ok 900 stopni i skalowanie mocy, pozwolą dostosowywać je do różnych procesów przemysłowych w sferze technologicznej, tak, by dostarczały, w szczególności konkretnym procesom, konkretne ilości mocy cieplnej, niezbędnej dla ich przebiegu i/lub wykonania. Dostarczanie przez reaktory ciepła procesowego jest tą nowa drogą! A wytwarzanie prądu? Powinno zostać przekazane nowym technologiom, a wsród nich technologiom OZE!

Wniosek końcowy
Pokazane powyżej cywilizacyjne, paranoiczne idee wytwarzania prądu elektrycznego są bardzo chore, niebezpieczne dla środowiska, chociażby ze względu na ich skalę, w porównaniu do ziemskiej skali (Ziemia jest małą skalną planetą o promieniu zaledwie ok. 6300 km) i niezwykle kosztowne. Kosztują dziesiątki miliardów dolarów/funtów/euro i ustawiają w statystycznie przyspieszanej kolejce po „śmierć” miliony istnień ziemskich organizmów żywych, w tym również istnień ludzkich. Ludzkość nie może i nie powinna utrwalać i pogłębiać tej paranoi oraz patologii, w szczególności z uwagi na główny cel, jakim jest przetrwanie życia na Ziemi oraz już istniejące, nowe, czyste i niewyczerpalne źródła energii, także nowe, znakomite sposoby, technologie i strategie wytwarzania, magazynowania i wykorzystywania energii elektrycznej.

Copyright © 2017 by Stanisław W Tenerowicz , common: Stan Tenerowicz
All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, distributed, or transmitted in any form or by any means, including photocopying, recording, or other electronic or mechanical methods, without the prior written permission of the publisher, except in the case of brief quotations embodied in critical reviews and certain other noncommercial uses permitted by copyright law.

PODZIEL SIĘ
Poprzedni artykułDo czego mogą nam się przydać płatności mobilne?
Następny artykułGROM – Grupa Reagowania Operacyjno-Manewrowego
Stan Tenerowicz
Stan Tenerowicz to b. prezes i CEO firmy HT Sp. z o.o. zorientowanej na tworzenie i projektowanie nowoczesnej, mikroprocesorowej/komputerowej aparatury elektronicznej (w tym m.in. analizatora Fast Fourier Transformation wystawianego na Targach Nauki Światowej w Wiedniu). Jest założycielem firmy komputerowej Microtest, w której przez około 25 lat zajmował się kompleksowymi dostawami sprzętu i oprogramowania obliczeniowego, głównie do instytutów naukowych (np. Instytut Badań Systemowych PAN) oraz wykonywaniem obliczeń, głównie na eksport. Wcześniej pracował w Zakładach Unitra-Polkolor, odbywając równolegle pełny, półroczny podyplomowy staż projektowy w OBR MERA ZSM (Zakład Systemów Minikomputerowych) w Warszawie. W 1981 roku odbył też zaawansowany staż zagraniczny w Szkocji, w amerykańskim koncernie komputerowym NCR. Stan Tenerowicz ukończył studia na Wydziale Elektroniki Politechniki Warszawskiej pisząc pracę nt. implementacji maszynowej z dziedziny teorii automatów.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here