Může jaderná energie odvrátit klimatickou krizi?
O klimatické hrozbě existuje mezi klimatickými vědci široký konsenzus, který je vyšší než 97 %. V české populaci je shoda nižší, okolo 75 %. Tento rozdíl patrně odráží tradicionalistický pohled veřejnosti na život, nechuť cokoliv měnit, či se dokonce ve svých životních zvyklostech uskrovnit.
Podle Pařížské dohody z roku 2015 se 195 zemí světa (včetně České republiky) zavázalo snížit emise skleníkových plynů do roku 2050 na nulu, či téměř na nulu. Zbývá nám tedy reálně 25 let.
Řešením při snižování emisí skleníkových plynů, především oxidu uhličitého a metanu, jsou především nízkoemisní technologie, které jsou dnes prezentovány obnovitelnou a jadernou energetikou, systémové změny v dopravě, v zemědělství a v neposlední řadě také odstraňování oxidu uhličitého z atmosféry.
Na konferenci COP28 v Dubaji vyzvala dvacítka zemí světovou komunitu k trojnásobnému rozšíření jaderné výroby elektřiny. V závorkách je podíl jaderné energie v roce 2023. Jedná se o Francii (64,8 %), Slovensko (61,3 %), Ukrajinu (55 %), Maďarsko (48,8 %), Finsko (42,0 %), Belgii (41,2 %), Bulharsko (40,4 %), Českou republiku (40 %), Slovinsko (36,8 %), Jižní Koreu (31,5 %), Švédsko (28,6 %), Rumunsko (18,9 %), USA (18,6 %), Kanadu (13,7 %), Japonsko (5,6 %), Nizozemsko (3,4 %), Moldavsko (0 %), Ghanu (0 %), Mongolsko (0 %), Maroko (0 %) a Polsko (0 %).
V současné chvíli (11/24) je podle WNISR v provozu 408 reaktorů, které pokrývají 9,15 % elektrické spotřeby světa. Plán dvacítky zemí by znamenal výstavbu přes 1000 (1 GW) reaktorů (820 nových a nejméně 260 dalších, které by nahradily k roku 2050 starší reaktory.
To by znamenalo do roku 2040 ročně započít se stavbou nejméně 70 nových jaderných bloků, protože v průměru můžeme počítat s dobou výstavby deset let. Podle této představy by jedna nová stavba měla začít přibližně každý pátý den. Toto množství přesahuje více jaknež dvojnásobně počet staveb ve zlatém období jaderné expanze v 70. a 80. letech. V této souvislosti se nabízejí ještě další otázky, zda třeba existuje dostatek výrobních kapacit pro výstavbu nových jaderných elektráren i vhodných míst pro jejich lokalizaci.
Při provozu se chlazení v letních měsících může v místech mimo mořské pobřeží stát limitujícím faktorem. Během vlny veder v roce 2003 byl snížen výkon nebo muselo být odstaveno 30 jaderných elektráren. Obdobná situace se pravidelně opakuje a je téměř jisté, že s postupující klimatickou katastrofou se situace nebude zlepšovat, ale naopak.
Současný přínos jaderné energie pro klima je marginální: současná flotila jaderných reaktorů snižuje celkové světové emise GHG o 2-3 %, ztrojnásobení by tedy vedlo k 6–9 % omezení emisí skleníkových plynů. Využití jaderné energie jako nástroje boje proti klimatické krizi oponují ve svých publikacích autoři a organizace, jako například Amory Lovins, Evropská síť pro klimatickou akci, Allison Macfarlane, někdejší předseda Americké jaderné regulační komise, článek v Deutsche Welle , v Physic Today, obsáhlá publikace M. V. Ramany Nuclear is Not the Solution a velké mezinárodní ekologické organizace Friends of Earth a Greenpeace.
Je jaderná výroba elektřiny bezemisní?
Jaderná energetika není bezemisní, jak se při její obhajobě často uvádí, je nízkoemisní. Množství emisí vzniká při výstavbě jaderných zařízení ale především při těžbě, obohacení uranu a výrobě palivových článků a pohybuje se podle různých autorů v dosti širokém rozmezí. Jaderné organizace většinou uvádějí ve srovnání s jinými autory nižší hodnoty emisí. Není jednoduché rozhodnout, kdo má pravdu, je ale pravděpodobné, že profesní jaderně orientované organizace budou z podstaty své funkce uvádět nižší emisní hodnoty skleníkových plynů spojené s jadernou výrobou elektřiny za účelem vylepšení obrazu jaderné energetiky.
World Nuclear Association uvádí na základě dat IPPC 12 g CO2 na kWh, což se vcelku shoduje s materiálem IAEA , který uvádí, že emise CO2 z jaderného palivového cyklu se pohybují v oblasti 0,5-4 % emisí z ekvivalentní uhelné výrobní kapacity. Což při 820 g CO2/kWh v případě uhlí činí cca 4 až 33 g, v průměru tedy 18 g CO2/kWh.
Uvedené emisní hodnoty ale nejsou všeobecně sdíleny. Podle Jacobsona ze Stanfordské univerzity jsou celkové emise z nových jaderných elektráren v rozmezí 78–178 g, v průměru 128 g CO2/kWh. Množství ekvivalentních emisí spojených s jadernou energií během životnosti elektrárny bylo určeno na základě zkoumaných studií v článku Benjamina Sovacoola a pohybovalo se v rozmezí 1,4 g – 288 g s průměrnou hodnotou v ekvivalentu oxidu uhličitého 66 g CO2e/kWh.
Tato průměrná hodnota je v dobré shodě s tím, co uvádí Manfred Lenzen ze Sydneyské univerzity. Ze studie vyplývá, že emise skleníkových plynů v lehkovodních a těžkovodních reaktorech se pohybujeí v rozmezí 10–130 g, s průměrem 65 g CO2e/kWhel. To odpovídá spotřebě 0,1 až 0,3 kWhtep, v průměru asi 0,2 kWhtep na každou kWh vyrobené elektřiny. Fthenakis a Kim uvádějí ve své studii emise pro jadernou energii v rozmezí 16–55 g s průměrem 35,5 CO2e/kWh.
S klesající koncentrací uranu v rudě zcela logicky poroste spotřeba energie na mletí a loužení, což zvýší náklady nejenom na přímou těžbu, ale i na následné ekologické škody zvýšeným množstvím loužicích chemikálií a likvidací zbylých substancí. Současně porostou měrné emise skleníkových plynů. Dnešní průměrně těžený obsah je v rozmezí 0,5–1 g U/kg rudy. Jan Storm předpokládá, že při konstantní jaderné produkci bude dosaženo hranice 0,1g U na kg rudy kolem roku 2080. Za předpokladu realizace uvedených jaderných plánů bude tato hranice dosažena dříve.
Mohla by pomoci odvrátit klimatickou krizi fúze (slučování jader deuteria a tritia), jako předpokládaný nevyčerpatelný zdroj energie? Praktická realizace tohoto záměru je podle Roberta Rosnera, někdejšího předsedy Vědeckého a bezpečnostního výboru Bulletinu atomových vědců, je do roku 2050 zcela nereálná. Mezi problémy uvádí především dostupnost tritia a materiálové křehnutím stěn nádoby, kde by fúze probíhala.
Odhady dostupnosti uranu
Uran není volně dostupným elementem, nepočítáme-li zásoby ve světových mořích. Jeho zásadní ložiska jsou v lokalizovaná v několika zemích: v Kanadě, Kazachstánu a Namibii, které podle zprávy GlobalData Uranium Mining to 2030 společně produkovaly 70 % světového uranu v roce 2023. Dalších 15 % tvořila produkce z Austrálie a Uzbekistánu, což znamená, že 85 % celosvětového uranu pocházelo pouze z pěti zemí. V letošním roce 2024 se těžba pohybovala okolo 60.000 tun , z čehož je po obohacení na průměrně 4 % U235 cca 7500 tun, což by při roční spotřebě 27,6 tun obohaceného uranu odpovídalo 272 reaktorům o výkonu 1 GW. Nemalá část spotřeby se tedy kryje ze zásob a demontovaných jaderných zbraní. Předpoklad těžby uranu podle této publikace v roce 2030 je asi 75.000 tun.
Kdyby se vytěžily i méně výnosné rudy s cenou nad 130 USD/kg uranu, nedostatek se může projevit v nejlepším případě kolem roku 2050.
Cenová srovnání jaderné a obnovitelné energie
Autoři Fraunhoferova institutu ve výzkumné zprávě z letošního roku uvádějí cenové rozpětí pro jadernou energii z nových zdrojů od 13,6 do 49 euro centů/kWh, zatímco pro průmyslový rozměr fotovoltaiky s bateriovou zálohou (3:2) uvádějí cenu 6,5–11 euro centů/kWh. Průměrná cena jaderné elektřiny z nových reaktorů ve srovnání s fotovoltaikou s bateriemi je více jak čtyřnásobná. Výhled ceny k roku 2024 by se u průmyslového rozměru fotovoltaiky měl pohybovat v rozmezí 2 - 5 euro centů/kWh.
Podle newyorské banky Lazard, která financuje desítky let velké světové energetické koncerny, se současná cena větrné elektřiny s akumulací pohybuje v rozmezí 42–114 s průměrem 99 USD/MWh, fotovoltaika s akumulací v rozmezí 46–102 s průměrem 97 USD/MWh. Jaderná energie z nových elektráren dosáhla v tomto roce dvojnásobné ceny v rozmezí 141–221 s průměrem 181 USD/MWh.
Když bychom porovnali výzkumný potenciál věnovaný větrným a fotovoltaickým zdrojům či bateriové akumulaci s výzkumem jaderným, bude na první pohled zřetelné, že práce na obnovitelných a akumulačních technologiích budou v podstatě přístupné kterékoliv technické univerzitě či odbornému pracovišti, zatímco u jaderných bude takových možností mnohem méně. Tento rozdíl určuje množství inovací v akumulaci i fotovoltaických zařízeních. Příklady perspektivních a materiálově nenáročných akumulačních baterií pro síťová použití jsou například holandská Aquabattery pracující s vodou a kuchyňskou solí na principu flow baterie a severoamerická FORM ENERGY, ukládající energii do železa, čtvrtého nejrozšířenějšího prvku zemské kůry.
Malé celosvětové podpoře jaderné energiie odpovídá rovněž objem investic podle Mezinárodní energetické asociace (IEA), směrovaných v loňském roce do obnovitelných zdrojů, který činil 771 miliard dolarů, do síti a akumulace celkem 452 miliard dolarů, zatímco do jádra plynuly investice ve výši 80 miliard dolarů.
Plánovat podstatnou jadernou expanzi je strategická chyba. Jaderná energie není a nemá potenciál stát se klíčovým prvkem dekarbonizace. Odčerpá obrovské prostředky, které by se jinak mohly využít pro mnohem rychlejší výstavbu podstatně větší výrobní kapacity obnovitelných zdrojů energie a akumulace.
Ani malé modulární reaktory nejsou řešením
Česká vláda uzavřela koncem října minulého roku s firmou Rolls Royce smlouvu o společném vývoji, financování a výstavbě malých modulárních reaktorů (MMR). Česká strana, reprezentovaná skupinou ČEZ, by měla vedle spoluprácie na vývoji zajistit především financování.
Malé modulární reaktory jsou chváleny průmyslem, politiky i médiíi jako slibný vývoj v technologii jaderné energetiky nabízející řadu potenciálních výhod ve srovnání s tradičními většími reaktory. V této souvislosti se především hovoří o ceně, bezpečnosti a hromadné výrobě.
Některé navrhované konstrukce MMR jsou upravenými zmenšenými verzemi velkých vodou chlazených reaktorů, zatímco jiné návrhy používají odlišná chladiva jako kapalný sodík, plynné helium nebo roztavené soli. Většinou se uvádí, že MMR budou mít nižší výrobní cenu elektřiny než velké reaktory.
Snížení nákladů má být dosaženo zavedením tří principů: modularizace, která poskytuje vyšší stupeň tovární výroby a montáže; standardizace procesů navrhování a výstavby zařízení; a sériovoué výrobuy více kusů.
Cenové relace a doba výstavby MMR
Jaké jsou předpoklady ceny MMR, především vzhledem k tolik vynášeníé hromadné výrobě reaktorů? Vzhledem ke konstrukci a předpokládané sériové výrobě by měly být investiční náklady nižší, ale hromadná výroba může podle studie z Univerzity v Cambridge přinést maximálně 30 % úspory. Zrušený projekt NuScale, jenž chtěl vybudovat 6 jednotek MMR 460 MW v Idaho, vykázal investiční náklady více než 20 000 USD/kW.
Na dalším zobrazení jsou uvedeny plánované ceny malých modulárních reaktorů různých výrobců v různých letech. Pro srovnání je uveden také nárůst ceny velké jaderné elektrárny Vogtle.
Obr. 1 Nárůst cen SMMR různých výrobců
Uvedený obrázek, s výjimkou elektrárny Vogtle 3 a 4, se týká cen MMR, tak jak zaznamenaly rekordní nárůst nákladů. V některých případech se jednalo o vícenásobný nárůst ceny na instalovanou kilowattu výkonu v rozmezí pouhých několika let. Dlužno podotknout, že výstavba uvedených elektráren, ještě ani nezačala, jedná se tedy o předpokládané náklady.
Situace v případě MMR, které byly postaveny, či které jsou ve výstavbě, potvrzuje shora řečené. V těchto případech došlo ke zvýšení ceny na trojnásobek, resp. čtyřnásobek. Argentinský model, se sedminásobkem původní ceny, stále ve výstavbě, je rekordmanem.
Obr. 2 Nárůst cen proběhlé a probíhající výstavby MMR
Další grafika přináší rozdíly v projektových a reálných dobách výstavby MMR.
Obr.3 Předpokládané doby vs skutečné či průběžné doby výstavby MMR
Podle předpokladů by se měla cena i doba výstavby snížit zavedením hromadné výroby. Pro realizaci takového záměru by ale bylo zapotřebí stovek objednávek MMR, což je v tuto chvíli sporné.
Bezpečnost, odpad, proliferace
Kromě ceny ale budou mít MMR, podle publikovaných předpokladů, ještě i další problémy. MMR nebudou mít snížené riziko úniku radioaktivity do okolí. Nižší riziko u MMR bude anulováno tím, že vyrábí alikvotně méně elektřiny. Budeme-li předpokládat více MMR vedle sebe, může poškození jednoho vyvolat poškození dalších a pak by celkové riziko bylo větší.
Pro MMR bude zapotřebí více obohacené palivo, což zvýší náklady na něj o 15-70 %. Většina nelehkovodních konstrukcí reaktorů vyžaduje palivo s vysoce testovaným obsahem a nízkým obohacením uranu (High-assay low-enriched uranium - HALEU), jinými slovy palivo obohacené izotopem uranu-235 mezi 10-19,99 %, těsně pod úrovní toho, co se nazývá „"vysoce obohacený uran"“, vhodný pro jaderné bomby. Mimo Rusko dnes neexistují žádné obohacovací společnosti, které by vyráběly HALEU, ale Rusko požaduje investice do rozvoje výroby HALEU. Allison Macfarlane, bývalá předsedkyně americké Nuclear Regulatory Commission, soudí v citovaném článku, že za podporou MMR stojí pouze ideologie, a uvádí, že díky tomu získaly miliardy rizikového kapitálu a bezprecedentní mediální pozornost.
Použití HALEU bude mít rovněž za následek zvýšení požadavků na bezpečnost a záruky, které zvýší cenu. Studie Stanfordské univerzity předpokládá díky vysokému neutronovému toku 2-30krát vyšší radioaktivitu.
Práce z holandských univerzit se zabývá etickými otázkami jaderné energie z hlediska ohrožení klimatickou katastrofou a vidí jako i jiní autoři níže uvedené studie veliký problém v riziku proliferace jaderných zbraní. Holandská studie ale nesdílí realistický pohled na skutečný potenciál jaderné energie jako nástroje boje proti klimatické katastrofě.
MMS, zejména v případě předpokládaného širokého rozšíření, s sebou také přinesou zvýšené proliferační riziko šíření jaderných zbraní a to především díkykvůli zvýšené produkci plutonia na jednotku vyrobené elektrické energie. Toto nebezpečí je pro náš svět protkaný násilím ve všech možných formách rostoucího rizika zcela nepřijatelné. S přihlédnutím k současným možnostech obnovitelných zdrojů energie a akumulace, i ze hlediska předpokládaného dalšího vývoje těchto možností, je orientace na MMR bezpečnostním, ekonomickým a sociálním rizikem.
Jiná řešení
Rychlý vývoj zdrojů obnovitelné elektřiny i akumulačních technik dává jaderným plánům jen malou šanci na úspěch. Mezi mnohými možnostmi z poslední doby lze uvést fotovoltaiku s kvantovými mikrotečkami, která může v budoucnu přeměnit jakýkoliv povrch na zdroj elektřiny či vodíku, který by vznikal na krystalech oxidu titaničitého po zachycení vodní páry v sirníku molybdeničitém. Kvantové mikrotečky s různou velikostí mohou být použity pro různé vlnové délky a jejich účinnost může být ve srovnání se současným Shockley–Queisser limitem pro jednu vrstvu až dvojnásobná.
Nová konstrukce vlnového generátoru pro moře umožňuje získat ze stejné plochy 5pětkrát více energie ve srovnání s větrem a desetkrát více ve srovnání s fotovoltaikou. Náklady na výrobu jedné MWh se budou podle velikosti pohybovat v rozmezí 32–68 euro, tedy od 80 haléřů po 1,7 Kč za kWh. Prototyp zařízení s výškou 18,5 m již stojí v Portugalsku.
Perspektivní metoda akumulace vodíku do systému formiát/hydrogenkarbonát s hustotou energie 1,77 kWh/l má vysokou účinnost okolo 99,5 %. Letos má jít projekt do komerční verze.
AUTOR: Milan Smrž, Eurosolar
_thumbnail.png)
