إنَّ إزالة الكربون من أجل إنشاء اقتصاد عالمي محايد من حيث ثاني أكسيد الكربون تتطلَّب إزالة الكربون من جميع القطاعات التي تعتمد اليوم إلى حد كبير على أنواع الوقود الأحفوري. وتشمل هذه العمليات التدفئة، والعمليات الصناعية التي تتطلب الحرق والنقل، ولا سيما النقل الثقيل والبحري والجوي. وتولِّد الطاقة النووية نحو 10 في المائة من الكهرباء في العالم، وتعتبر ثاني أكبر مصدر للطاقة المنخفضة الكربون في العالم بعد الطاقة الكهرومائية، وفقاً للوكالة الدولية للطاقة. ويمكن كذلك استخدام الطاقة النووية لإزالة الكربون من التطبيقات
استخدام القوى النووية في ما هو أبعد من توليد الكهرباء: التطبيقات غير الكهربائية
إنَّ إزالة الكربون من أجل إنشاء اقتصاد عالمي محايد من حيث ثاني أكسيد الكربون تتطلَّب إزالة الكربون من جميع القطاعات التي تعتمد اليوم إلى حد كبير على أنواع الوقود الأحفوري. وتشمل هذه العمليات التدفئة، والعمليات الصناعية التي تتطلب الحرق والنقل، ولا سيما النقل الثقيل والبحري والجوي. وتولِّد الطاقة النووية نحو 10 في المائة من الكهرباء في العالم، وتعتبر ثاني أكبر مصدر للطاقة المنخفضة الكربون في العالم بعد الطاقة الكهرومائية، وفقاً للوكالة الدولية للطاقة. ويمكن كذلك استخدام الطاقة النووية لإزالة الكربون من التطبيقات
ما هي التطبيقات غير الكهربائية؟
هناك الكثير من التطبيقات التي تستخدم القوى النووية في ما هو أبعد من توليد الكهرباء. وتنطوي هذه التطبيقات، التي تتطلَّب الحرارة، على تحلية مياه البحر، وإنتاج الهيدروجين، وتدفئة الأحياء السكنية، وحرارة المعالجة الصناعية (تصنيع الزجاج والإسمنت، وإنتاج المعادن)، والتكرير، وإنتاج الغاز المركَّب. وبينما يسعى المجتمع العالمي جاهداً إلى تحقيق أهداف المناخ، فإنَّ توسيع دور الطاقة النووية في هذه التطبيقات يمكن أن يكون رئيسياً للانتقال بنجاح إلى الطاقة النظيفة.
تُستخدم الحرارة التي تنتجها محطات القوى النووية في توليد البخار الذي يحرك التوربينات المولِّدة للكهرباء. وتصل الأساطيل النووية الحالية إلى درجات حرارة تشغيل تناهز 300 درجة مئوية، بينما تتطلَّب عمليات تدفئة الأحياء السكنية وتحلية مياه البحر نحو 150 درجة مئوية. وحسب تصميم محطات القوى النووية، فإنَّها تحوِّل حالياً ثلث الحرارة المُنتَجة إلى كهرباء لأسباب تكنولوجية تتعلق في الغالب بخصائص المواد وأدائها. وعادة ما تُطلَق الحرارة المتبقية في البيئة.
وبدلاً من إطلاق هذه الحرارة، من الممكن استخدامها للتدفئة أو التبريد، أو كمصدر للطاقة يهدف إلى إنتاج مياه عذبة أو هيدروجين أو غير ذلك من المنتجات، كالنفط أو الوقود الاصطناعي. وقد تُنتَج هذه المنتجات بواسطة محطات قوى قائمة، وهو ما يُشار إليه بالتوليد المشترك للطاقة. والتوليد المشترك للطاقة النووية هو الإنتاج المتزامن للكهرباء والحرارة أو منتج مشتق من الحرارة. وبفضل استخدام الحرارة من أجل التوليد المشترك، يمكن تحسين الكفاءة الحرارية بنسبة تصل إلى 80 في المائة.
ما هي الطاقة النووية، وكيف تعمل محطة القوى النووية؟ اقرأ عن علوم القوى النووية.
القوى النووية وإنتاج الهيدروجين
يمكن أن يَحلَّ الهيدروجين مَحلَّ الوقود الأحفوري في قطاعات متعددة حتى يتسنى الوصول بالانبعاثات إلى مستوى الصفر أو إلى مستويات قريبة من الصفر في العمليات الكيميائية والصناعية ونظم الطاقة النظيفة والنقل. وينتج الهيدروجين اليوم من عملية إعادة تشكيل الميثان بالبخار، وهي عملية تستهلك الطاقة بكثافة وينبعث منها نحو 830 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنوياً، وهو ما يعادل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من المملكة المتحدة وإندونيسيا مجتمعتين، وفقاً للوكالة الدولية للطاقة. وهناك عدة أساليب لاستخدام الطاقة النووية، كمصدر للكهرباء والحرارة، لإنتاج الهيدروجين بكفاءة وبدون انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أو بالقليل منها.
القوى النووية وتدفئة الأحياء السكنية
تعتمد تدفئة الأحياء السكنية على محطة طاقة مركزية لتوزيع التدفئة على المباني السكنية والتجارية. وفي تدفئة الأحياء السكنية بالطاقة النووية، يعمل البخار الذي تنتجه محطة للقوى النووية على تدفئة شبكات التدفئة الإقليمية. ولقد نُفِّذت هذه الممارسة في العديد من البلدان - أوكرانيا وبلغاريا والجمهورية التشيكية وروسيا ورومانيا وسلوفاكيا وسويسرا والصين وهنغاريا.
وتوفِّر محطة أكاديميك لومونوسوف، وهي أول محطة قوى نووية عائمة في العالم بدأت التشغيل التجاري في أيار/مايو 2020، التدفئة لمنطقة تشوكوتكا في أقصى شمال شرق روسيا. ومنذ عام 1983، ما انفكت محطة بيسناو للقوى النووية في سويسرا توفِّر التدفئة للبلديات وللمستهلكين من القطاع الخاص والصناعي والزراعي لما مجموعه نحو 20000 شخص. ويبلغ طول شبكة التدفئة الرئيسية 31 كم، تنتقل منها التدفئة إلى شبكات ثانوية بطول إجمالي يبلغ 99 كم.
وفي الصين، يجري العمل على توسيع نطاق مشروع هايانغ للتدفئة بالطاقة النووية. ودخلت شبكة التدفئة التي تستخدم البخار من مفاعلي هايانغ حيز التشغيل في نهاية عام 2020، ومن المتوقع أن تتجنب المرحلة الأولى من المشروع استخدام 200 23 طن من الفحم سنوياً وانبعاث 60 ألف طن من ثاني أكسيد الكربون. ويعتبر مشروع التدفئة مثالاً على الكيفية التي يمكن من خلالها للطاقة النووية أن تؤدي دوراً في إزالة الكربون من تدفئة الأحياء السكنية، فضلاً عن القيمة المضافة لتشغيل محطة للقوى النووية بطريقة التوليد المشترك. وسيوفر المشروع، بحلول نهاية عام 2021 التدفئة لمدينة هايانغ بأكملها، وهي مدينة ساحلية في مقاطعة شاندونغ ويبلغ عدد سكانها نحو 000 670 نسمة.
القوى النووية وتحلية المياه
يمكن لتحلية مياه البحر أن تساعد على تلبية الطلب المتزايد على المياه الصالحة للشرب، وتخفِّف في الوقت نفسه من نقص المياه في العديد من المناطق الساحلية القاحلة أو شبه القاحلة. وتحتاج محطات تحلية المياه إلى طاقة في شكل حرارة للتقطير أو طاقة كهربائية/ميكانيكية لتشغيل مضخات لضغط مياه البحر عبر الأغشية لفصل الملح عن المياه المالحة. وفي الوقت الحالي، تُستمد معظم هذه الطاقة من أنواع الوقود الأحفوري. وتحلية المياه بالتقنيات النووية هي بديل منخفض الكربون يستخدم الحرارة والكهرباء المستمدة من المفاعل النووي. ويمكن أن تقترن تقنيات تحلية المياه بأنواع مختلفة من محطات القوى النووية لإنتاج الماء والكهرباء بشكل متزامن.
ولقد أثبتت محطات التحلية النووية المتكاملة جدواها بما لها من خبرة تزيد عن 150 عاماً في مجال المفاعلات، خاصة في كازاخستان والهند واليابان. وأنتج مفاعل أكتاو النووي في كازاخستان، الذي أنشئ على شاطئ بحر قزوين، ما يصل إلى 135 ميغاواط من الكهرباء و000 80 متر مكعب في اليوم من المياه الصالحة للشرب لمدة 27 عاماً حتى تاريخ إغلاقه في عام 1999. وفي اليابان، ينتج العديد من منشآت التحلية المرتبطة بالمفاعلات النووية نحو 000 14 متر مكعب في اليوم من المياه الصالحة للشرب. وفي عام 2002، أُنشئت محطة تجريبية موصولة بمفاعلين توأمين للقوى النووية بطاقة قدرها 170 ميغاواط كهربائي في محطة مادراس للقوى الذرية في جنوب شرق الهند. وهذه هي أكبر محطة تحلية نووية تعتمد على التكنولوجيا الهجينة الحرارية والتناضحية باستخدام مياه البحر والبخار المنخفض الضغط المستمد من محطة قوى نووية.
مبادرات تتعلق بالتطبيقات غير الكهربائية
مع أنَّ نحو 1 في المائة فقط من الطاقة النووية هي النسبة التي تُستخدم حالياً فيما يتعلق بالتطبيقات غير الكهربائية، إلا أن هناك مبادرات حول العالم انطلاقاً من المملكة المتحدة وفرنسا ووصولاً إلى روسيا واليابان وغيرها، لتمهيد الطريق من أجل اعتمادها على نطاق أوسع. ويشمل ذلك مبادرة H2-@-Scale، التي أطلقتها الولايات المتحدة في عام 2016، والتي تدرس آفاق إنتاج الهيدروجين عن طريق القوى النووية. وفي كندا، تخطِّط المختبرات النووية الكندية لإطلاق حديقة الابتكار والبحث في مجال تطوير الطاقة النظيفة، وستكون بمثابة موقع اختبارات لتطبيقات التوليد المشترك للطاقة باستخدام مفاعلات نمطية صغيرة.
وفي الصين، من المقرر أن يدخل مفاعل نمطي صغير مرتفع الحرارة ومبرَّد بالغاز حيز التشغيل بحلول نهاية عام 2021. والمفاعل مصمَّم لدعم توليد الكهرباء والتوليد المشترك والحرارة المستخدمة في المعالجة الصناعية وإنتاج الهيدروجين. وأعادت اليابان تشغيل مفاعل الاختبارات الهندسية العالي الحرارة التابع لها في تموز/يوليه 2021. والحرارة التي ينتجها مفاعل الاختبارات الهندسية العالي الحرارة لها تطبيقات لتوليد القوى وتحلية مياه البحر وإنتاج الهيدروجين عن طريق عملية كيميائية حرارية.
وفي درجات تتراوح بين 250 و550 درجة مئوية، يمثل سوق التدفئة الأوروبي أكثر من 100 غيغاواط-حرارية، وهناك فرصة لكي تعالج الطاقة النووية هذه السوق. وتعتمد بولندا بنسبة 100 في المائة على الوقود الأحفوري لإنتاج التدفئة؛ ولكنَّ نشر الطاقة النووية من أجل إنتاج التدفئة مسألة مُدرجة في استراتيجية البلد للتنمية.
ما هو دور الوكالة؟
- تدعم الوكالة وتُسهِّل تطوير التطبيقات غير الكهربائية الجديدة والناشئة للتكنولوجيات النووية من خلال المنشورات العلمية والتقنية والندوات عبر الإنترنت والمشاريع البحثية المنسَّقة.
- ولقد استحدثت الوكالة أدوات برامجية، مثل برنامج التقييم الاقتصادي للهيدروجين وأداة حساب الهيدروجين من أجل تقييم خيارات إنتاج الهيدروجين. وتُتاح هنا وصلتان لتنزيل كلتا الأداتين.
- ولتقييم تحلية المياه بالتقنيات النووية، طورت الوكالة برنامج التقييم الاقتصادي لتحلية المياه (DEEP) وبرنامج التجويد الديناميكي الحراري لتحلية المياه (DE-TOP) من أجل إجراء تحليلات اقتصادية وديناميكية حرارية وتجويدية لمختلف موارد القوى إلى جانب عمليات التحلية المختلفة. ويتاح البرنامجان لتنزيلهما هنا.
- وما انفكت الوكالة تُنسِّق دراسات الجدوى بشأن تحلية المياه بالتقنيات النووية منذ عام 1989. والفريق العامل التقني التابع للوكالة والمعني بالتحلية النووية هو شبكة عالمية من الخبراء وهو يقدِّم الدعم لتقييم البرامج وتخطيطها ولإجراء البحث والتطوير والتصميم والتشييد وفي مجال الاقتصاديات وجوانب الأمان والتعاون الدولي في مجال المشاريع الإيضاحية وتشغيل وصيانة محطات تحلية المياه بالتقنيات النووية.
What are non-electric applications?
There are many applications beyond electricity generation that can use nuclear power. These applications, which require heat, include seawater desalination, hydrogen production, district heating and process heating for industry (glass and cement manufacturing, metal production), refining and synthesis gas production. As the global community strives to meet climate goals, expanding nuclear’s role in these applications could be key to a successful clean energy transition.
Learn how nuclear can replace coal as part of the clean energy transition.
The heat produced by nuclear power plants is used to create steam, which drives electricity-generating turbines. Existing nuclear fleets today reach operating temperatures in the range of 300°C, while district heating and seawater desalination processes require about 150°C. By design, nuclear power plants currently convert one third of the heat produced into electricity because of technological reasons mostly related to material properties and performances. The remaining heat is usually released to the environment.
Instead of releasing this heat, it could be utilized for heating or cooling, or as an energy source towards the production of fresh water, hydrogen or other products, such as oil or synthetic fuel. These products may be produced by existing power plants, in what is referred to as cogeneration. Nuclear cogeneration is the simultaneous production of electricity and heat or a heat-derivative product. By using heat for cogeneration, the thermal efficiency can be improved up to 80 per cent.
What is nuclear energy, and how does a nuclear power plant work? Read about the science of nuclear power.
Nuclear power and hydrogen production
Hydrogen can replace fossil fuels across multiple sectors to potentially enable zero or near-zero emissions in chemical and industrial processes, clean energy systems and transportation. Hydrogen is produced today from the steam methane reforming process, an energy-intensive process that emits around 830 million tonnes of CO2 per year, equivalent to the CO2 emissions of the United Kingdom and Indonesia combined, according to the IEA. There are several methods to use nuclear energy, as a source of electricity and heat, to produce hydrogen efficiently and with little to no CO2 emissions.
Nuclear power and district heating
District heating relies on a centralized energy plant for the distribution of heat to residential and commercial buildings. In nuclear district heating, steam produced by a nuclear power plant serves to heat regional heating networks. This practice has been implemented in several countries – Bulgaria, China, Czech Republic, Hungary, Romania, Russia, Slovakia, Switzerland and Ukraine.
The Akademik Lomonosov, the world’s first floating nuclear power plant that began commercial operation in May 2020, provides heat to the Chukotka region in far northeastern Russia. Since 1983, Switzerland’s Beznau nuclear power plant has been providing heat for municipalities, private, industrial and agricultural consumers totalling about 20 000 people. The main heating network has a length of 31 km, from which heat is transferred to secondary networks with a total length of 99 km.
In China, the Haiyang Nuclear Energy Heating Project is expanding. The heating network using steam from Haiyang's two reactors became operational at the end of 2020, and the first phase of the project is expected to avoid the use of 23 200 tonnes of coal annually and the emission of 60 000 tonnes of CO2. The Heating Project is an example of how nuclear energy can play a role in decarbonizing residential heating, as well as the added value of operating a nuclear power plant in cogeneration mode. The project will provide heat to the entire city of Haiyang, a coastal city in Shandong province that has a population of about 670 000, by the end of 2021.
Nuclear power and desalination
Desalination of seawater can help to meet the growing demand for potable water, while alleviating water shortages in many arid or semi-arid coastal areas. Desalination plants require energy in the form of heat for distillation or electrical/mechanical energy to drive pumps for pressurization of seawater across membranes to separate salt from saline waters. Currently most of this energy is derived from fossil fuels. Nuclear desalination is a low-carbon alternative that utilizes the heat and electricity from a nuclear reactor. Desalination techniques can be coupled with different types of nuclear power plants to produce water and electricity concurrently.
The feasibility of integrated nuclear desalination plants has been proven with over 150 reactor-years of experience, mainly in India, Japan and Kazakhstan. The Aktau nuclear reactor in Kazakhstan, on the shore of the Caspian Sea, produced up to 135 MWe of electricity and 80 000 m3/day of potable water for 27 years until it was shut down in 1999. In Japan, several desalination facilities linked to nuclear reactors produce about 14 000 m3/day of potable water. In 2002, a demonstration plant coupled to twin 170 MWe nuclear power reactors was set up at the Madras Atomic Power Station, in southeast India. This is the largest nuclear desalination plant based on hybrid thermal and osmotic technology using seawater and low-pressure steam from a nuclear power station.
Initiatives for non-electric applications
Though only about 1 per cent of nuclear energy is currently used for non-electric applications, there are initiatives around the world from the United Kingdom and France to Russia, Japan and beyond, to pave the way for broader adoption. This includes the H2-@-Scale initiative, launched in 2016 by the United States, which examines the prospects for hydrogen production via nuclear power. In Canada, the Canadian Nuclear Laboratories (CNL) are planning to launch the Clean Energy Demonstration, Innovation, and Research (CEDIR) Park, which will serve as a testing site for cogeneration applications using small modular reactors (SMRs).
In China, a high-temperature gas cooled SMR, is slated to begin operation by the end of 2021. The reactor is designed to support electricity generation, cogeneration, process heat and hydrogen production. Japan restarted its High-Temperature Engineering Test Reactor (HTTR) in July 2021. The heat produced by the HTTR has applications for power generation, desalination of seawater and hydrogen production via thermochemical process.
In the range of 250-550°C, the European heat market represents more than 100 gigawatts-thermal (GWth), and there is an opportunity for nuclear to address this market. Poland relies 100 per cent on fossil fuel for heat production; however, the deployment of nuclear for heat is included in the country’s development strategy.
What is the role of the IAEA?
- The IAEA supports and facilitates the development of new and emerging non-electric applications of nuclear technologies through scientific and technical publications, webinars and coordinated research projects.
- The IAEA has developed software tools, such as the Hydrogen Economic Evaluation Program (HEEP) and Hydrogen Calculator, to assess options for hydrogen production. Links to download both tools are available here.
- To assess nuclear desalination, the IAEA has developed the Desalination Economic Evaluation Program (DEEP) and the DEsalination Thermodynamic Optimization Programme (DE-TOP) to perform economic, thermodynamic and optimization analyses of different power resources coupled to various desalination processes. The software are available for download here.
- The IAEA has been coordinating feasibility studies on nuclear desalination since 1989. The IAEA Technical Working Group on Nuclear Desalination is a global network of experts that supports programme assessment and planning, research, development, design, construction, economics, safety aspects, international collaboration for demonstration projects, and operation and maintenance of nuclear desalination plants.