Jaderné teplo na tisíc způsobů

Jaderná energetika je dnes nejen zdrojem levné a bezpečné elektrické energie, ale teplo z jaderných reaktorů pomáhá i v řadě dalších průmyslových oblastí zajištujících dostatek energie na Zemi.

Od roku 2003 vzniklo v kanadské provincii Alberta několik návrhů, jak pomocí tepla z jaderných elektráren těžit ropu z tamějšího ložiska tzv. ropných písků (tar sands). V současnosti se k tomuto účelu využívá zemní plyn – jeho spálením vznikne teplo, které přemění vodu na páru, ta pak rozpouští ložisko a umožní separaci ropy od písku a dalších součástí. Spotřebuje se 30 krychlových metrů zemního plynu na barel ropy. Za předpokladu těžby 3 milionů barelů denně v roce 2016 to znamená nejen dramaticky vysoké náklady (a domácí plyn by nestačil, musel by se dovézt), ale i významné emise CO_2. Ze získané ropy by se spotřebovalo 20 % energie na její těžbu a na každý barel by se vyprodukovalo 80 kg CO₂.

Podle návrhu společnosti Energy Alberta Corp. by se mohl k podobnému účelu využít jeden blok reaktoru CANDU 6 (cca 1800 MW_t) přizpůsobený tak, že by ze 75 % produkoval páru a z 25 % elektřinu. Nahradil by 6 milionů krychlových metrů zemního plynu denně a pomohl vytěžit 175-200 tisíc barelů ropy denně. Zabránilo by se tak emisím 3,3 milionu tun CO₂ ročně.

Rafinace ropy

Při separaci různých frakcí ropy se užívá katalytické krakování pomocí vodíku. Vodík se získává ze zemního plynu (na barel ropy je ho potřeba kolem 5 kg) parním reformingem. Na tuto hydrogenaci se v současnosti spotřebovává většina vodíku vyrobeného na Zemi. Na rafinaci se tedy spotřebuje asi 15-20 % energie obsažené v surové ropě.

Jaderná energie může pomoci vyrobit potřebné teplo, páru a elektřinu, aniž by se přitom vypouštěl CO₂. Jaderná elektřina by se použila pro výrobu vodíku vysokoteplotní elektrolýzou. Cenným vedlejším produktem by navíc byl kyslík a těžká voda.

Zkapalňování uhlí

Ve dvacátých létech v Německu byla vyvinuta metoda Fischer-Tropsch pro úpravu uhlí, díky níž mělo Německo dostatek paliva po celou druhou světovou válku. Fischerův-Tropschův proces je soubor chemických reakcí, které přeměňují směs oxidu uhelnatého a vodíku ze zplynovaného uhlí na kapalné uhlovodíky. Proces produkuje náhražku ropy, obvykle z uhlí, pro použití jako syntetické mazací oleje a jako syntetické palivo. Tato metoda se posléze stala základem pro většinu palivové produkce v Jižní Africe. Firma Sasol nyní zásobuje takto získaným benzínem a motorovou naftou okolo 30 % území Jihoafrické republiky. Ovšem ve velkém se při tom opět používá vodík, produkovaný ve směsi s oxidem uhelnatým při zplyňování uhlí. Při použití černého uhlí se ze 14 600 tun vyprodukuje 25 000 barelů syntetické ropy a 25 000 tun CO₂.

Jaderný zdroj na výrobu vodíku spolu s procesním teplem z reaktoru by více než zdvojnásobil získané množství kapalných uhlovodíků z uhlí a eliminoval by emise CO₂.

Vodík pro zemědělství

Jaderná energie má velký potenciál pro využití v zemědělství. Podle laureáta Nobelovy ceny (1970) Normana Borlauga, „dědečka zelené revoluce”, stačí organický dusík v půdě na zemědělskou produkci pouze pro třetinu dnešního lidstva. Zbytek se musí dodat v umělých hnojivech. Většina dusíkatých hnojiv se dnes vyrábí tzv. Haberovým procesem, kombinujícím vzdušný dusík s vodíkem (N₂ + 3H₂ => 2NH₃.) Výsledný amoniak se pak oxiduje na dusičnany. Vodík se však pro tento proces vyrábí z fosilních paliv, většinou ze zemního plynu (CH₄ + O₂ => CO₂ + 2H₂). Je to drahé a produkuje to oxid uhličitý, skleníkový plyn – na získání tuny vodíku se vypustí 11 tun CO₂.

Pokud by se vodík dělal elektrolýzou z vody, například za použití vysokoteplotních jaderných reaktorů, zachová se pro jiné chemické použití zemní plyn a zabrání se emisím CO₂. Zásoby levně získaného vodíku by přispěly k produkci dostatku dusíkatých hnojiv.

Produkce etanolu z biomasy

Komerční výroba etanolu z celulózy je energeticky náročná. Používají se dva způsoby: biochemická fermentace, nebo termochemická přeměna. V každém případě je třeba z energie výsledného produktu odečíst energii potřebnou k jeho získání, tj. 25 až 38 % energie.

Bezemisní energie může být samozřejmě získána z jaderného reaktoru – výtěžek produkce etanolu by se zdvojnásobil. Stačila by nízkopotenciální pára jako vedlejší produkt výroby elektřiny v jaderné elektrárně, která by tím pádem byla velmi levná.

Výroba vodíku pomocí jaderné elektřiny

Budoucí vývoj použití jaderné energie pro výrobu vodíku bude asi následující:

• Elektrolýza vody, (využila by se jaderná elektřina mimo špičky výroby)


• Použití jaderného tepla pro parní reforming zemního plynu


• Vysokoteplotní elektrolýza (high-temperature electrolysis – HTE) páry za současného použití elektřiny i tepla z reaktoru


• Vysokoteplotní termochemická produkce za použití jaderného tepla

Parní reforming metanu vyžaduje teploty přes 800 °C, vzniká vodík a oxid uhelnatý.

Jaderný zdroj tepla by ušetřil 30 % spotřeby zemního plynu (tedy tu část, která se používá k produkci tepla), a eliminoval by emise CO₂ z ní. Navíc by účinnost celého procesu stoupla z dnešních 25 % na 36 %, při použití vysokoteplotní elektrolýzy páry až na 45 %, a na 50 % a víc při přímé termochemické produkci.
Nízkoteplotní elektrolýza elektřinou z jaderných zdrojů, při níž se na 1 kg vodíku spotřebuje cca 50 kWh, se dnes zatím používá jen v malém měřítku. Vysokoteplotní elektrolýza při 800 °C a více je odzkoušená a slibná. Potřebuje o třetinu méně energie než nízkoteplotní. Výzkum probíhá v Idaho National Laboratory a v Ceramatec v USA.

Výroba vodíku pomocí jaderného tepla

Na výrobu vodíku z vody bylo vyvinuto několik termochemických procesů. Aby byla produkce ekonomická, je potřeba vysokých teplot – vždy alespoň (800-1000 °C). Jednou z metod je nízkotlaký endotermický rozklad kyseliny sírové:

H₂SO₄ ==> H₂O + SO₂ + 1/2O₂

Následuje několik kroků: SO₂ se kombinuje s jódem a vodou, vzniká jodovodík (jodan, HI), který se rozkládá na vodík a jód. Kyselina sírová i jód se vracejí do reakce, nejsou žádné odpady.

I₂ + SO₂ + 2H₂O ==> 2HI + H₂SO₄ (při teplotě 120°C)

2HI ==> H₂ + I₂ (při 350°C)

Při laboratorních zkouškách byl výtěžek 30 litrů vodíku za hodinu.

Sandia National Laboratory v USA a Francouzská CEA tuto metodu zkoušejí rovněž s použitím vysokoteplotního reaktoru. Cena se odhaduje na 1,5 až 2 dolary za kg vodíku. Využít se dá i vedlejší produkt – kyslík. Kombinovaný cyklus výroby tepla, vodíku a elektřiny by měl účinnost 60 %. Nejpokročilejší je projekt čínského reaktoru HTR-PM, demonstrační jednotka se bude stavět v Shidaowan, bude mít dva bloky 250 MW_t s výstupem 750 °C a 210 MW_e parní turbínou.

V roce 2012 NGNP Industry Alliance vybrala 625MW_t HTR reaktor čtvrté generace známý pod názvem Antares (firmy Areva), kde bude primárním chladivem helium o teplotě 750 °C.

Zdroj: http://www.world-nuclear.org