Dlaczego nie ma jeszcze SMR-ów?

Data dodania: wtorek, 28 marca 2023, autor: ekomoderna.blogspot.com

Główną barierą rozwoju energii jądrowej jest finansowanie budowy reaktorów: kolosalny koszt gigawatowej jednostki oraz struktura wydatków zdominowana przez koszty kapitałowe (Rys. 1, Rys. 2), czyniąca ją wybitnie podatną na problemy w długiej budowie (mediana 8 lat/GWe). Za energię jądrową płaci się z góry i aby się zwróciła, potrzebuje stabilnego kształtu rynku i przewidywalnej sytuacji politycznej przez dekady.

Gdyby reaktory dało się budować w mniejszych porcjach i szybciej - np. 8 x 200 MW zamiast 1600 MW - parametry finansowe tych inwestycji znacznie poprawiłyby się i miałyby potencjalnie większą liczbę kogeneracyjnych zastosowań w przemyśle i ciepłownictwie.

Rys. 1. Rozkład kosztu LCOE energii jądrowej wg różnych źródeł za Carelli & Ingersoll (2020)

Rys. 2. Finansowanie energetyki jądrowej wg World Nuclear Association

Na przeszkodzie małym reaktorom stoi pionowy efekt skali (economy of scale), czyli podzespoły reaktora względnie tanieją ($/kW) ze zwiększaniem jednostkowej mocy (Rys. 3). Dlatego pierwotnie małe reaktory urosły już w latach 60. do obecnej skali gigawata w poszukiwaniu redukcji kosztów. W praktyce jednak trudno jest zrealizować zyski ze skalowania pionowego dużych reaktorów i rzadko obserwowano redukcję kosztów konstrukcji w czasie ich powielania (Rys. 4, Rys. 5). Propozycja SMR-ów jest taka, żeby wycofać się trochę z paradygmatu skalowania pionowego, maksymalnie uprościć reaktor i zredukować jego koszt skalowaniem poziomym (economy of volume), czyli optymalizacją seryjnej produkcji wielu jednostkek (Rys. 6). "M" w Small Modular Reactor odnosi się do modularyzacji podzespołów, które mają być w możliwie szerokim zakresie produkowane w fabryce, gdzie łatwiej jest gromadzić doświadczenie i kontrolować jakość, a następnie składane w jak najprostszy sposób w miejscu instalacji.

Rys. 3. Wpływ skalowania pionowego na koszt budowy wg szacunków CEA (Francja) w 1991 r. Skalując reaktor z 300 do 1350 MW moc wzrasta 4.5x a OCC tylko 2.15x. Źródło: OECD (2000)

Rys. 4. "Trend" OCC oraz przyczyny eskalacji kosztów w USA wg Eash-Gates et al. (2020)

Rys. 5. OCC (2010$) dla większości reaktorów OECD z Lovering et al. (2016)

Mimo kilku dekad debatowania nad powyższym konceptem (e.g. Adams, 1996) wciąż nie jest jasne, które technologie i w jakiej mocy (np. bliżej 100 czy 500 MWe) mogą okazać się ekonomiczne. Nie wystarczy tylko zmniejszyć reaktor - trzeba w empiryczny sposób wykazać spadek kosztów pomiędzy FOAK-iem a NOAK-iem poprzez optymalizację konstrukcji, co zrekompensuje utratę pionowego skalowania. Wymagana jest na wstępie budowa kilku, kilkunastu jednostek, aby ten efekt ocenić. Modelowania wskazują, że to będzie trudne i zależne od rozwiązań zastosowanych w konkretnych modelach reaktorów (Stewart (2022), Rys. 7, Rys. 8, Rys. 9). Niemniej na średni koszt wytwarzania energii jądrowej LCOE mają przede wszystkim wpływ 3 parametry (Rothwell, 2018):

• koszt konstrukcji (OCC, Overnight Construction Cost),
• czas budowy,
• koszt finansowania (WACC, Weighted Average Cost of Capital),

Odpowiadając zatem na tytułowe pytanie - SMR-ów nie ma, bo podstawy teoretyczne i empiryczne twierdzenia, że małe reaktory da się skomercjalizować, są nieprzekonujące. Być może po nałożeniu ograniczeń emisyjnych na przemysł, SMR-y znalazłyby swoje nisze, także warto je rozwijać, ale nie należy oczekiwać, że będzie to gejmczendżer. Duże reaktory są trudne w finansowaniu, budowie i nie pasują do dziś modnej "wizji" transformacji energetycznej, lecz również nie zanosi się, że SMR-y będą lepszym sposobem na redukcję kosztów energii jądrowej.

Rys. 9. Po lewej beton per GWe a po prawej stal per MWe vs koszt budynków wg Stewart (2022). Redukcja pionowego skalowania na ogół oznacza konsumpcję większej ilości materiałów i elementy strukturalne SMR-ów są sporo droższe. Oznaczenia jak na Rys. 7 & 8.


Rys. 10. Szacunkowy osiągalny średni koszt energii LCOE dla NOAK-ów na podst. Fig. 7 & 8 i Rothwell (2018). Jako czas konstrukcji przyjąłem medianowe ryzyko z Fig. 8. Koszt paliwa, O&M i rozbiórki dla wszystkich reaktorów $25/MWh

Żaden z SMR-ów w Europie i USA nie ma certyfikacji regulatorów ani sfinalizowanych projektów. NuScale ma co prawda certyfikację jednostki 50 MWe, ale już próbuje upratingu do 77 MWe ze względów ekonomicznych. FOAK-i SMR-ów mogą pojawić się najwcześniej gdzieś około 2030 r. (NuScale, BWRX-300, Xe-100, Natrium), ale to nie oznacza, że będziemy je od razu opłacalnie budować w Polsce. Po budowie FOAK-a trzeba zredukować koszt skalowaniem poziomym - co jest przedmiotem wątpliwości - i być może po 2040 r. NOAK-i SMR-ów pojawią się w Polsce domykając bezemisyjny system energetyczny.

Autor: ROB, https://ekomoderna.blogspot.com/

Cytowana literatura

• Carelli, M. D. & Ingersoll, D. T (Eds.) (2020). Handbook of small modular nuclear reactors. [Link]
• Eash-Gates, P., Klemun, M. M., Kavlak, G., McNerney, J., Buongiorno, J., & Trancik, J. E. (2020). Sources of cost overrun in nuclear power plant construction call for a new approach to engineering design. Joule, 4(11), 2348-2373. [Link]
• Lovering, J. R., Yip, A., & Nordhaus, T. (2016). Historical construction costs of global nuclear power reactors. [Link]
• OECD (2000). Reduction of capital costs of nuclear power plants. [Link]
• Rothwell, G. (2018). Economics of nuclear power. [Link]
• Stewart, W. R. (2022). Capital cost evaluation of advanced reactor designs under uncertaint and risk. [Link]