Primele reactoare nucleare care pot produce simultan apă potabilă, electricitate şi hidrogen au fost concepute de inginerii NuScale, cei care vor instala şi în România reactoare SMR

Compania americană NuScale — cea care a conceput reactoare nuclear modulare mici (SMR) de 77 MW şi care are în proces de proiectare şi instalarea lor la centrala de la Doiceşti din România — a anunţat de curând conceperea primelor reactoare nucleare din lume care pot produce simultan apă potabilă, electricitate şi hidrogen. E o realizare care pare genială şi intrigantă în acelaşi timp, pentru că apa potabilă, electricitatea şi hidrogenul par a fi elemente diferite al unui lanţ coerent de producţie, când din apă, cu ajutorul electricităţii, se poate produce hidrogen. Dar producţia lor simultană e cea care stârneşte cea mai mare curiozitate şi ne face să ne întrebăm cum e posibil şi să intrăm în profunzimea acestei realizări a celor de la NuScale.

Disponibilitatea apei potabile devine o problemă tot mai mare în lume, peste 2 miliarde de oameni de pe planetă având mari dificultăţi în accesul la ea, tocmai de asta, anul trecut scriam şi despre invenţia a doi tineri din Moldova, care obţinuseră media de aur la un concurs internaţional din SUA pentru inventarea unui dispozitiv autonom de extragere a apei din aer pe baza propriei energiei produse din soare, cu filtrarea ei şi utilizare pentru consum sau irigare în agricultură. De la această nevoie imensă de apă potabilă în lume au pornit şi cei de la NuScale, doar că principiul de obţinere a ei e diferit. Aparent, am putea să ne gândim că reactorul produce electricitate, iar acea electricitate ar putea fi divizată pentru extragere de apă din aer, dar şi pentru electroliză pentru a produce hidrogen. Dar totul e mult mai interesant, pentru că nu e vorba de o simplă divizare de funcţii, ci de folosire genială şi succesivă a energiei pierdute de o componentă pentru a o folosi la cealaltă parte componentă.

Foto: Lipsa de apă potabilă, o mare problemă globală. Sursa foto: UNICEF

Sistemul celor de la NuScale are la bază aceleaşi reactoare modulare mici SMR de 77 MW, care vor fi instalate şi în România.

Un reactor nuclear, însă, nu produce doar electricitate, ci şi căldură. De fapt, şi electricitatea e produsă e produsă pe baza căldurii de reactoarele nucleare — acestea înfierbântă un circuit de apă, iar aburul generat împinge o turbină de abur obişnuită, care produce electricitatea. Doar o parte din energia termică e transformată în căldură, de fapt, iar multe centrale nucleare construite inteligent captează apoi căldura rămasă de la turbine şi o folosesc pentru încălzirea centralizată a oraşelor din jur. Reactorul NuScale de 77 MMe (unde MWe înseamnă megawaţi de putere electrică) produce, de fapt, 250 MWt (unde MWt înseamnă putere termică). Şi el are un sistem de bypass al aburului, ca acesta să poată ocoli turbina la nevoie, pentru că reactorul a fost conceput iniţial să poată opera şi în zone îndepărtate sau cu scop industrial de generare de abur.

Foto: Construcţia reactorului SMR al NuScale

Ei bine, această construcţie de bază a reactorului SMR NuScale a fost acum integrată în noul sistem, în care energia generată de reactor e folosită diferit. Prima funcţie a sistemului e cea de producţie a apei potabile, iar ea nu e extrasă din aer aici, ci produsă prin osmoză inversă din apa oceanică salină. Un singur reactor SMR NuScale din acest sistem poate asigura producţia a 150 milioane de galoane pe zi, sau 568.000 metri cubi de apă. Cum se produce această apă, mai exact, şi ce energie e folosită?

E vorba de desalinizare prin osmoza inversă, care presupune trecerea apei oceanice printr-o serie de filtre cu membrane speciale, ce curăţă conţinutul de sare din ea. Filtrele sunt pasive, energia necesară pentru acest proces fiind sub forma unor pompe de înaltă presiune, care împing acea apă spre filtre. Procesele similare obişnuite de desalinizare au nevoie de 3-4 kWh/m3 de apă potabilă produs, însă cei de la NuScale spun că procesul lor e mult mai eficient energetic, fiind patentat cu tehnologie proprie.

Dacă facem un calcul sumar de la 77 MWe de putere electrică propusă, şi împărţim cantitatea de 568.000 metri cubi de apă pe zi la 24 ore, aflăm că într-o oră un reactor poate asigura energie suficientă pentru producţia a 23.667 m3 de apă. Dacă împărţim electricitatea generată dintr-o oră, de 77.000 kWh la 23.667 m3, avem un consum maxim de 3,25 kWh/m3. Dar cu siguranţă acesta nu e consumul maxim, întrucât NuScale spune că tot sistemul lasă electricitate liberă pentru furnizarea în reţea, şi ajungem mai jos şi la aceste calcule.

Aşadar, producţia de apă potabilă e relativ clară, iar o mare parte din electricitatea produsă de reactor e deja consumată pentru ea. Cum se produce hidrogenul, atunci? Se foloseşte acea apă potabilă fără a o livra consumatorului? Nu, şi tocmai aici curiozităţile devin şi mai interesante.

Produsul rezultat de la desalinizarea prin osmoză inversă e o apă cu concentraţie mare de sare — ceea ce numim de obicei saramură. Ei bine, această saramură e folosită ca materie primă pentru producţia de hidrogen, fără a folosi electroliza şi electricitatea folosită de reactor.

La producţia a 568.000 metri cubi de apă potabilă, se generează şi aproximativ 700.000 m3 de saramură. Sistemul capturează CO2 din aer sau din alte surse, şi foloseşte energia termică uriaşă a reactorului, rămasă după propulsia turbinei electrice. În mod normal capturarea de CO2 din aer mai are nevoie de energie pentru compresoare şi separare, iar apoi acel CO2 într-o serie de reacţii cu saramura pentru a crea formiatul de sodiu. După asta are loc dezintegrarea termodinamică în hidrogen curat, Na2CO3 şi CO2.

Dacă toate aceste procese ar fi alimentate doar de electricitate, s-ar consuma minim vreo 72 kWh per kilogram de hidrogen produs. Dar în lanţul de reacţii de mai sus, CO2-ul intră în reacţie, apoi e eliberat înapoi, ceea ce înseamnă că poate fi folosit în ciclu închis şi nu e nevoie de compresoare pentru capturarea de CO2 de fiecare dată, acelaşi CO2 fiind refolosit. Asta reduce consumul de energie. Iar pentru reacţiile termodinamice se foloseşte căldura imensă reziduală a reactorului, care, la temperaturile ei, face reacţiile foarte eficiente.

Totul devine atât de eficient, încât un sistem de 12 reactoare poate produce 200 tone de hidrogen pe zi, spune cei de la nu Scale. Asta înseamnă 16.667 kg de hidrogen produs pe zi de un reactor, sau circa 694 kg pe oră! Şi paradoxul e că dacă facem calcule profunde, datorită folosirii energiei termice de la reactor, tot procesul abia de va consuma circa 4,5-4,7 MWe din cei 77 MWe ai reactorului, ceea ce ar fi un consum de electricitate de 6,5-6,8 kWh per kg de hidrogen produs.

Şi aici amintim că într-o oră un reactor nuclear din acest sistem produce 23.667 tone de apă potabilă, iar pe lângă ea şi 694 kg de hidrogen. Şi cei de la NuScale spun că mai rămâne şi electricitate pe deasupra, de livrat în reţea. Un sistem de 12 reactoare poate rămâne cu electricitate suficientă încât să acopere consumul a 400.000 case.

Acest indice, menţionat astfel în SUA, de obicei ia o medie de 1 kW putere livrată în mediu pentru o casă, deci ar fi nevoie de 400 MW putere rămasă din cele 12 reactoare, pentru a acoperi 400.000 case, unde fiecare casă ar consuma în mediu 1 kW putere sau 24 kWh de electricitate pe zi, ceea ce pentru 400.000 case ar însemna 9,6 GWh de electricitate pe zi. Cei 400 MW putere, ce trebuie asiguraţi de 12 reactoare, ar însemna 33,3 MWe pentru un singur reactor de 77MWe.

Cei de la NuScale spune că au eficientizat atât de mult consumul de energie la osmoză inversă şi desalinizare, încât putem estima că ei s-au apropiat de standardele teoretice de randament maxim, sub 2 kWh/m3. La cei 23.667 m3 pe oră, asta înseamnă circa 46,5 MWe. Asta înseamnă că un singur reactor ar putea consuma energia distribuită cam în următoarele categorii şi cifre pentru a produce apă potabilă, hidrogen şi electricitate:

• Circa 46,5 MWe + MWt pentru producţia a 23.667 tone de apă potabilă
• Circa 4,5 MWe + MWt pentru producţia a 694 kg de hidrogen
• Circa 33 MWe pentru producţia de electricitate livrată în sistem.

Suma puterilor de electricitate rezultă în 84 MWe, ceea ce e un pic peste puterea electrică de 77 MWe a reactorului, dar nu e foarte departe la această scară. Secretul celor 7 MWe de neconcordanţă în consumul de electricitate se ascunde cel mai probabil în şi mai multă eficienţă în folosirea energiei termice imense disponibile a acestui reactor.

Iar până la urmă avem un sistem genial, dacă e să gândim, care produce cantităţi imense de apă, hidrogen şi electricitate. Un asemenea sistem cu 12 reactoare NuScale ar produce 284.000 tone de apă potabilă pe oră sau 6.816.000 tone de apă pe zi, suficientă cât să asigure cu apă 2,3 milioane de oameni, deci un întreg oraş mare, sau chiar o ţară mai mică. Pe an, asta înseamnă 2,5 miliarde de metri cubi de apă. Pe lângă asta, sistemul ar mai produce 9,6 GWh de electricitate pe zi, ceea ce înseamnă 3,5 TWh de electricitate anual şi e suficient pentru 400.000 case în SUA. În România, asta e 7% din consumul anual al ţării, iar în Moldova e 78% din consumul anual. Iar pe lângă toate se produc şi 200 tone de hidrogen pe zi, ceea ce într-un an înseamnă 73.000 tone de hidrogen, mai mult decât produce oricine în lume acum cu zero CO2.

Deci, se pare că producţia simultană de apă, hidrogen şi electricitate e posibilă. De aici încolo rămâne să vedem şi construcţia acestui sistem în viaţa reală de către cei de la NuScale.