Для создания нейтральной с точки зрения выбросов СО2 глобальной экономики требуется декарбонизация всех секторов, которые сегодня в значительной степени зависят от ископаемого топлива. К ним относятся отопление, промышленные процессы, требующие сжигания топлива, и перевозки, особенно большегрузные, морские и воздушные. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), на долю ядерной энергетики приходится около 10 процентов произведенной электроэнергии в мире и она является вторым (после гидроэнергетики) крупнейшим источником низкоуглеродной энергии. Ядерная энергия может также использоваться для декарбонизации неэлектрических применений.
Не только электричество: различные области применения ядерной энергии
Что есть что в ядерной сфере
Для создания нейтральной с точки зрения выбросов СО2 глобальной экономики требуется декарбонизация всех секторов, которые сегодня в значительной степени зависят от ископаемого топлива.
Что такое неэлектрические применения?
Ядерная энергетика может применяться в разных областях, помимо производства электроэнергии. К таким теплоемким процессам относится опреснение морской воды, производство водорода, централизованное теплоснабжение и технологический нагрев для нужд промышленности (производство стекла, цемента, металлов), нефтепереработка и производство синтез-газа. Сегодня, когда мировое сообщество стремится к достижению целей по борьбе с изменением климата, повышение роли ядерной энергетики в этих областях может стать ключом к успешному переходу к экологически чистой энергии.
Узнайте, как ядерная энергетика может заменить уголь в рамках перехода к экологически чистой энергии.
Тепло, вырабатываемое атомными электростанциями, используется для генерации пара, который приводит в движение турбины, вырабатывающие электроэнергию. Рабочие температуры на современных АЭС достигают около 300°C, в то время как для централизованного теплоснабжения и опреснения морской воды требуется около 150°C. Конструкция современных АЭС такова, что в электроэнергию преобразуется треть производимого ими тепла — это обусловлено технологическими причинами, связанными в основном со свойствами и характеристиками материалов. Остальное тепло обычно поступает в окружающую среду.
Вместо этого его можно использовать для отопления или охлаждения, а также в качестве источника энергии для опреснения воды, производства водорода или другой продукции, такой как нефть или синтетическое топливо. Эти продукты могут производиться на существующих электростанциях — это называется когенерацией. Ядерная когенерация — это одновременное производство электроэнергии и тепла либо продукта, полученного на основе тепла. Используя тепло для когенерации, можно повысить тепловой КПД до 80%.
Что такое ядерная энергия и как работает атомная электростанция? Узнайте о научных основах ядерной энергетики.
Ядерная энергетика и производство водорода
Во многих отраслях ископаемое топливо можно заменить на водород, что потенциально позволит добиться нулевых или близких к нулю выбросов в химических и промышленных технологических процессах, экологически чистых энергетических системах и транспорте. Сегодня водород производится путем парового риформинга метана — энергоемкого процесса, в ходе которого, по данным МЭА, в атмосферу ежегодно выбрасывается около 830 миллионов тонн CO2, что эквивалентно выбросам CO2 Соединенного Королевства и Индонезии вместе взятых. Существует несколько способов использования ядерной энергии в качестве источника электричества и тепла для эффективного производства водорода с минимальными или нулевыми выбросами CO2.
Ядерная энергия и централизованное теплоснабжение
Теплоснабжение жилых и коммерческих зданий осуществляется посредством теплоэлектроцентралей. При централизованном теплоснабжении с использованием ядерной энергии пар, вырабатываемый атомной электростанцией, поступает в районные теплосети. Эта практика была внедрена в ряде стран: Болгарии, Венгрии, Китае, России, Румынии, Словакии, Украине, Чешской Республике и Швейцарии.
«Академик Ломоносов», первая в мире плавучая АЭС, коммерческая эксплуатация которой началась в мае 2020 года, обеспечивает теплом Чукотский автономный округ, расположенный на крайнем северо-востоке России. Швейцарская АЭС «Бецнау» с 1983 года обеспечивает теплом муниципалитеты, частных, промышленных и сельскохозяйственных потребителей — всего около 20 000 человек. Основная теплосеть протяженностью 31 км передает тепло в дополнительные сети общей протяженностью 99 км.
В Китае идет расширение проекта теплоснабжения с использованием АЭС «Хайян». В конце 2020 года началась эксплуатация теплосети, в которой используется пар, поступающий от двух реакторов АЭС «Хайян», и ожидается, что первый этап проекта позволит сэкономить 23 200 тонн угля в год и избежать выбросов 60 000 тонн CO2. Этот проект демонстрирует, какую роль может играть ядерная энергия в декарбонизации отопления жилых домов и какие дополнительные выгоды дает эксплуатация АЭС в режиме когенерации. В рамках проекта к концу 2021 года АЭС будет обеспечивать теплом весь Хайян — прибрежный город в провинции Шаньдун, население которого составляет около 670 000 человек.
Ядерная энергия и опреснение воды
Опреснение морской воды может помочь удовлетворить растущий спрос на питьевую воду и одновременно снизить дефицит воды во многих засушливых или полузасушливых прибрежных районах. Для опреснительных установок требуется тепловая энергия для дистилляции или электрическая/механическая энергия, чтобы приводить в действие насосы, перекачивающие под давлением морскую воду через мембраны для отделения воды от соли. В настоящее время эта энергия получается в основном из ископаемого топлива. Ядерное опреснение — это низкоуглеродный альтернативный процесс, в котором используется тепло и электроэнергия, вырабатываемые ядерным реактором. В паре с опреснительной установкой могут работать АЭС различных видов, и таким образом достигается одновременное производство воды и электроэнергии.
Целесообразность комплексных ядерных опреснительных установок была доказана опытом эксплуатации на протяжении более 150 реакторо-лет, в основном в Индии, Казахстане и Японии. Ядерный реактор в Актау (Казахстан), расположенный на берегу Каспийского моря, производил до 135 МВт электроэнергии и 80 000 м3 питьевой воды в день в течение 27 лет, пока не был остановлен в 1999 году. В Японии на нескольких опреснительных установках, работающих совместно с ядерными реакторами, производится около 14 000 м3 питьевой воды в день. В 2002 году на Мадрасской АЭС на юго-востоке Индии была создана демонстрационная установка, соединенная с двумя ядерными реакторами мощностью 170 МВт. Это крупнейшая ядерная опреснительная установка, в основе которой лежит гибридная технология с использованием тепла поступающего с АЭС пара низкого давления и осмоса морской воды.
Инициативы в области неэлектрических применений
В настоящее время только около 1 процента ядерной энергии используется в целях, не связанных с электроэнергией, однако во всем мире — от Великобритании и Франции до России, Японии и других стран — предпринимаются инициативы, призванные проложить путь к более широкому внедрению таких применений. К ним относится инициатива Соединенных Штатов H2-@-Scale, («Доступный водород») начатая в 2016 году, в рамках которой изучаются перспективы производства водорода с помощью ядерной энергии. Ядерные лаборатории Канады (CNL) планируют открыть в Канаде парк «Демонстрация инноваций и исследований в области экологически чистой энергии» (CEDIR), в котором будут вестись испытания когенерации с использованием малых модульных реакторов (ММР).
До конца 2021 года в Китае должна начаться эксплуатация высокотемпературного газоохлаждаемого ММР. Он предназначен для выработки электроэнергии, когенерации, производства технологического тепла и водорода. В июле 2021 года в Японии была возобновлена работа высокотемпературного реактора для технических испытаний (HTTR). Вырабатываемое HTTR тепло может применяться в производстве электроэнергии, опреснении морской воды и производстве водорода термохимическим способом.
Европейский рынок тепловой энергии в диапазоне 250–550°C превышает 100 ГВт тепловой мощности, и здесь есть также потенциал для применения ядерной энергии. В Польше теплогенерация на 100 процентов зависит от ископаемого топлива, однако в стратегии развития страны предусмотрено использование ядерной энергии для производства тепла.
Какую роль играет МАГАТЭ?
- МАГАТЭ помогает и содействует разработке новых и перспективных неэлектрических применений ядерных технологий посредством научно-технических публикаций, вебинаров и проектов координированных исследований.
- МАГАТЭ разработало такие программные средства, как Программа экономической оценки водорода (HEEP) и Калькулятор водорода для оценки возможных вариантов при производстве водорода. Скачать обе программы можно по этой ссылке.
- В целях оценки ядерного опреснения МАГАТЭ разработало Программу экономической оценки опреснения (DEEP) и Программу термодинамической оптимизации опреснения (DE-TOP) для проведения экономического, термодинамического и оптимизационного анализа различных энергоресурсов, используемых в тех или иных процессах опреснения. Программу можно скачать по этой ссылке.
- МАГАТЭ координирует работу по технико-экономическому обоснованию ядерного опреснения с 1989 года. Техническая рабочая группа по ядерному опреснению МАГАТЭ — это глобальная сеть экспертов, которая помогает в оценке и планировании программ, исследовании, разработке, проектировании, строительстве, экономике, вопросах безопасности, международном сотрудничестве по демонстрационным проектам, а также в эксплуатации и обслуживании ядерных опреснительных установок.
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.
Ресурсы по теме
Подробнее
Sustainable Development Goal 13: Climate action
Sustainable Development Goal 7: Affordable and clean energy
Sustainable Development Goal 6: Clean water and sanitation
Industry
Industrial applications
Nuclear power and climate change: Decarbonization
Nuclear power and climate change: Decarbonization
Non-electric applications
Planning and Economic Studies Section
Nuclear Power Technology Development Section
Division of Nuclear Power
Department of Nuclear Energy