Identyfikacja i wycena kosztów i korzyści energetyki jądrowej – wyniki badań w programie ExternE Komisji Europejskiej (część druga)


W pierwszej części artykułu Autorka przedstawiła metodykę ExternE, koszt zewnętrzny cyklu paliwa jądrowego oraz ryzyka związane ze stosowaniem energetyki jądrowej. Zapraszamy na naszą stronę www.ekologia-info.pl oraz do lektury drugiej części publikacji.





Porównanie kosztów społecznych energetyki jądrowej i innych nowoczesnych technologii wytwarzania energii elektrycznej obecnie oraz w roku 2030
W projekcie CASES Komisji Europejskiej (kontynuacja projektu ExternE) przeprowadzono wyczerpujące porównanie opłacalności z punktu widzenia prywatnego, jak i społecznego technologii energetycznych na lata 2005-2010 oraz prognoz na 2020 oraz 2030 rok. Przedstawiono uśrednione wartości kosztu prywatnego i społecznego dla krajów UE-27. Wyniki dla okresu 2005-2010 wskazują na biomasę z zastosowaniem turbiny kondensacyjnej upustowej jako najtańszą technologię, której koszt społeczny wynosi 17,9 €/Mwh.

Kolejną technologią, odznaczającą się niskimi kosztami społecznymi, jest energetyka jądrowa (reaktor PWR): 33,2 €/Mwh oraz kogeneracja na węgiel kamienny: 40,7 €/MWh. Najdroższa jest fotowoltaika (w warunkach europejskich), nawet do 480 €/MWh, pomimo niskiego udziału kosztu zewnętrznego.

Energetyka jądrowa charakteryzuje się niskim udziałem kosztu zewnętrznego w koszcie społecznym produkcji energii. Podobnie technologie energetyki odnawialnej. Najwyższy udział kosztu zewnętrznego w koszcie społecznym mają klasyczne technologie oparte o węgiel kamienny – do 50 proc. Oznacza to, że gdyby zinternalizować koszt zewnętrzny, cena energii elektrycznej z węgla byłaby dwukrotnie wyższa. Dla technologii opartych o ropę naftową i gaz ziemny udział kosztu zewnętrznego w koszcie społecznym wynosi 20-25 proc.

Przewiduje się, że w horyzoncie 20 lat udział kosztu zewnętrznego w koszcie społecznym będzie rósł dla większości technologii. Wyjątkiem jest energetyka jądrowa, szczególnie do 2030 r., gdzie udział kosztu zewnętrznego jest marginalny. Dla technologii odnawialnych źródeł energii przewiduje się udział kosztu zewnętrznego na niezmienionym poziomie.

Porównując opłacalność technologii – warto również wspomnieć o problemach wynikających z założeń przyjętych odnośnie kształtowania się cen paliw kopalnych oraz uranu w horyzoncie czasowym 20 lat. Koszt produkcji energii elektrycznej w elektrowni jądrowej w dużej części jest pochodną kosztów inwestycyjnych i kosztów utrzymania ruchu. Koszt zakupu paliwa uranowego stanowi dzisiaj zaledwie 2-10 proc. (wg różnych źródeł) udziału w cenie energii elektrycznej uzyskiwanej z tego źródła.

Dla porównania cena paliwa stanowi od 30 do 60 proc. kosztów wytwarzania elektryczności w elektrowni opalanej węglem. W elektrowni opalanej gazem koszt paliwa stanowi nawet 70 proc. kosztów wytwarzania. Niektóre kraje utworzyły organizację nazwaną Global Nuclear Energy Partnership (GNEP), która wraz z International Atomic Energy Agency (IAEA) i Atomic Energy Agency (AEA – OECD) pracuje nad utworzeniem światowego systemu dostaw paliwa jądrowego z uwzględnieniem wszelkich aspektów nieproliferacji broni jądrowej. Podobne plany ma Sustainable Nuclear Energy Technology Platform Unii Europejskiej, w której dostawami paliwa zarządza EUROATOM Supply Agency. Nie możemy jednak spodziewać się, że uran będzie dostępny po obecnych cenach przez dłużej niż 100 lat. Poszukiwane są zatem metody uzyskiwania uranu z surowców ubogich i odpadów. Z drugiej strony cena energii z węgla i gazu jest w znacznie większym stopniu narażona na wzrost cen tych surowców. W wielu prognozach opłacalności produkcji energii w zależności od technologii zakłada się jednakową ścieżkę wzrostu cen paliw kopalnych.

Porównanie kosztów energetyki jądrowej oraz alternatywnych źródeł energii
Przybliżoną ocenę konkurencyjności energetyki jądrowej i węglowej w oparciu o koszty inwestycyjne i paliwowe (tylko koszt prywatny) przedstawił A. Strupczewski. Przeprowadzono porównanie dla elektrowni o mocy zainstalowanej 1000 MWe produku jącej 8 TWh energii rocznie. Autor przeprowadził dokładne obliczenia kosztu produkcji 1 kg paliwa uranowego:

• uran naturalny w ilości 8,9 kg U3O8 x 92 USD/kg = 819 USD
• konwersja U3O8 na UF6 7,5 kg U x 12 USD/kg = 90 USD
• wzbogacanie uranu UF6, przy pracy rozdzielczej równej 7,3 SWU i cenie 135 USD/SWU = 985 USD
• produkcja paliwa = 240 USD/kg

Suma = 2134 USD/kg paliwa reaktorowego, przy założeniu ceny uranu naturalnego U3O8 92 USD/kg.

Przy wypaleniu 45 000 MWd/t otrzymujemy 360 MWh energii elektrycznej z kg, stąd koszt paliwa wynosi 5,9 USD/MWh, czyli 4,4 €/MWh. W rzeczywistości w obecnych elektrowniach jądrowych osiąga się większe wypalenie, a nowe elektrownie III generacji projektowane są na wypalenie 60 000 MWd/t. Przyjęto jednak 45 000 MWd/t jako wielkość nieulegającą dyskusji.

Do kosztów paliwa doliczono koszty unieszkodliwiania odpadów i likwidacji elektrowni. Wynoszą one łącznie 2-2,5 USD/MWh. W sumie można bezpiecznie przyjąć, że koszty paliwa wraz z unieszkodliwianiem odpadów i likwidacją elektrowni jądrowej wynoszą 7 €/MWh. Wielkość ta podawana jest jako pesymistyczna przez World Nuclear Association, a także w lutym 2009 r. była podana przez OECD w ramach założeń do obliczeń porównawczych publikowanych co 2 lata dla elektrowni różnego typu. Rocznie trzeba więc wydać dla elektrowni jądrowej o mocy 1000 MWe 7,0 €/MWh x 8 TWh = 56 mln €/rok.

W studium A. Strupczewskiego – dla elektrowni węglowej koszt węgla i emisji CO2 obliczono na 413 mln €/rok. Jest to wiele więcej niż dla elektrowni jądrowej, jednak nakłady inwestycyjne na elektrownię jądrową są wyższe niż na elektrownie węglowe. Według najnowszych ocen OECD nakłady inwestycyjne przyjmuje się w kwocie 2,75 mld € na 1000 MWe elektrowni jądrowej.

Dla drugiej i dalszych EJ w Polsce można uwzględnić pozytywny wpływ krzywej uczenia się przemysłu jądrowego i przyjąć nakłady inwestycyjne niższe niż obecnie, ale przyjęto pesymistycznie, że będą one nawet wyższe, niż podaje w OECD, i wyniosą, jak w USA dla drugiego bloku EJ Florida, 3220 €/kWe (koszty inwestycyjne w USA są wyższe o około 20-30 proc. niż koszty w Europie, nie tylko dla energetyki jądrowej, ale i dla elektrowni węglowych). Dlatego nakłady 3220 €/kWe przyjęto za maksymalne koszty budowy elektrowni jądrowej w Polsce.

Dla elektrowni węglowej w Polsce przyjęto koszt 1875 €/kWe – jako koszt dla obecnie projektowanych elektrowni. Różnica nakładów inwestycyjnych wynosi więc 1345 €/kWe. Jest to równowartość różnicy kosztów paliwowych i opłat za emisję CO2, jakie trzeba byłoby ponieść w razie spalania importowanego węgla zamiast paliwa jądrowego w ciągu kilku lat.

Powyższe stwierdzenia nie stanowią oczywiście kompletnego rachunku ekonomicznego, a mają jedynie służyć jako ilustracja do przedstawienia Czytelnikowi, jakie elementy wpływają w decydujący sposób na ostateczne koszty energii elektrycznej produkowanej w elektrowniach jądrowych i węglowych.

A. Strupczewski w swoim opracowaniu podaje również wyniki najnowszego pełnego studium ekonomicznego, z wykazem założeń technicznych i ekonomicznych dla elektrowni jądrowej, węglowej i gazowej, wykonanego przez amerykański ośrodek uniwersytecki Massachussettes Institute of Technology (MIT). W studium MIT przyjęto nakłady inwestycyjne bezpośrednie (overnight) dla elektrowni jądrowej równe 4 mld USD/1000 MWe, dla elektrowni węglowych 2,3 mld USD/1000 MWe, a dla elektrowni gazowych 0,85 mld USD/1000 MWe.

Przyjęto, że koszt uranu naturalnego jest równy 80 USD/kgU, koszt wzbogacania – 160 USD/SWU, koszt konwersji z U3O8 na UF6 równy 6 USD/kgU oraz koszt produkcji paliwa z uranu wzbogaconego – 250 USD/kgU. Głębokość wypalenia paliwa reaktorowego przyjęto w wysokości 50 MWd/kgU. Wzrost kosztu paliwa uranowego z czasem przyjęto w wysokości 0,5 proc. na rok (taki sam wskaźnik wzrostu ceny zastosowano dla węgla i gazu), co daje średnią cenę w ciągu 40 lat równą 0,76 USD/GJ, średnią cenę węgla przez 40 lat wynoszącą 2,94 USD/GJ, a gazu 7,9 USD/GJ.

Czas pracy dla wszystkich elektrowni – jądrowej EJ, węglowej EW i gazowej EG – przyjęto jednakowy, tj. 40 lat, podobnie przyjęto jednakowy współczynnik obciążenia 0,85. Są to założenia niekorzystne dla EJ, bo już obecnie połowa elektrowni jądrowych w USA ma zezwolenie na pracę przez 60 lat, a EJ z reaktorami III generacji projektuje się z założenia na 60 lat, przy współczynniku obciążenia 90 proc. Sprawność cieplną przyjęto dla EJ równą 0,33, dla EW 0,385, a dla EG 0,50. Czas budowy przyjęto dla EJ równy 5 lat, dla EW 4 lata i dla EG 2 lata.

Udział kapitału z kredytu bankowego przyjęto równy 60 proc., a z kapitału akcyjnego 40 proc., z oprocentowaniem kredytu 8 proc. i oprocentowaniem kapitału akcyjnego 12 proc. Opłaty za emisję dwutlenku węgla przyjmowano w różnej wysokości. W przypadku opłat emisyjnych 40 USD/t CO2 otrzymano wyniki pokazane na rysunku 1.


Jak widać, energetyka jądrowa jest źródłem najtańszej energii elektrycznej 66 USD/MWh (nie uwzględniono w pełni kosztów zewnętrznych, jednak jak to wcześniej pokazano – energetyka jądrowa ma najniższe koszty zewnętrzne, więc nie zmieniłoby to rankingu), a ewentualne podwyżki cen paliw zwiększą jeszcze bardziej jej przewagę nad paliwem organicznym. Druga w kolejności jest energetyka gazowa – 80 USD/MWh, najdroższa jest energia z węgla 96 USD/MWh.

Według innej oceny, przedstawionej przez Biuro Ocen Kongresu USA – całkowite uśrednione koszty wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych wyniosą 83,2 USD’2007/MWh, (a więc w przeliczeniu 59 €’2007/MWh), a według ocen francuskich energia elektryczna z nowej elektrowni we Flamanville 3 będzie kosztować 56 €’2008/MWh.

A. Strupczewski przedstawił również wyniki studium fińskiego z lutego 2008 r., stanowiącego najbardziej reprezentatywną wersję studium (istnieje nowsze opracowanie, jednak – przy zmienionych warunkach cen surowców – opracowanie z lutego 2008 r. daje bardziej miarodajne wyniki), wykonywanego już wielokrotnie od 2000 r., kiedy to Finlandia podjęła decyzję o budowie nowej elektrowni jądrowej.

Studium fińskie przedstawia porównanie sześciu możliwych źródeł energii: jądrowej (EJ), elektrowni węglowej kondensacyjnej (WK), elektrowni gazowej z obiegiem kombinowanym gazowo-parowym (Gaz), elektrowni opalanej torfem (Torf) lub drewnem (Drew) i elektrowni wiatrowej (Wiatr). Dla elektrowni wiatrowejnie uwzględniano subsydiów, natomiast założono, że system elektroenergetyczny odbierze energię wiatru zawsze, kiedy tylko zostanie ona wytworzona, i nie uwzględniano kosztów elektrowni rezerwowych.

Przy ocenie kosztów produkcji energii elektrycznej przyjęto stopę procentową w wysokości 5 proc. rocznie i ustalony poziom cen ze stycznia 2008 roku. Czas budowy elektrowni jądrowej przyjęto równy 5 lat. Wszystkie wydatki na gospodarkę odpadami radioaktywnymi (łącznie z paliwem wypalonym) i likwidację elektrowni ujęte są w zmiennych kosztach eksploatacji i napraw, poprzez coroczne wpłaty do funduszu odpadów jądrowych.

Wyniki studium fińskiego przedstawia rysunek 2. Koszt energii elektrycznej wytwarzanej w elektrowni jądrowej wynosi 35 €/MWh, w elektrowni węglowej 64,4 €/MWh, w elektrowni gazowej 59,2 €/MWh, opalanej torfem 65,5 €/MWh a drewnem – 73,6 €/MWh (drewno nie jest obciążone podatkiem od CO2). Elektrownie wiatrowe dostarczać mogą energię elektryczną po cenie 52,9 €/MWh przy założeniu, że pracują na pełnej mocy przez 2200 godzin w roku i nie ponoszą żadnych kosztów z powodu pracy nieciągłej.


Dominującą składową kosztów w przypadku elektrowni jądrowej są nakłady inwestycyjne, natomiast koszt paliwa jądrowego jest niski. W przypadku innych źródeł energii dominującą składową stanowi koszt paliwa, za wyjątkiem elektrowni wiatrowych, dla których jednostkowe nakłady inwestycyjne są dwukrotnie wyższe niż dla elektrowni jądrowych.

Warto zwrócić uwagę na tę ostatnią informację – wiatraki wymagają na jednostkę mocy zainstalowanej więcej betonu i stali niż dla elektrowni jądrowej. Wieża wiatraka o wysokości 100 m, na której znajduje się kabina o wielkości autobusu i wadze ponad 70 ton oraz trzy 50-metrowe łopaty wirnika tnące powietrze z prędkością ponad 150 km/h, wymaga na początek dużych i solidnych fundamentów. Według danych dla wiatraków VESTAS dominujących w Polsce i Niemczech, w przypadku wiatraka o mocy nominalnej 3 MW (chociaż obecnie dominują wiatraki 2 MW), waga elementów stalowych wnosi 370 ton, a waga betonu stanowiącego fundamenty – ponad 800 ton.

A jakie stąd wnioski dla Polski?
Studium ExternE jest największym i najbardziej obiektywnym zestawem analiz prowadzonych przez wszystkie państwa Unii Europejskiej i uznanym przez Komisję Europejską za najbardziej miarodajną ocenę wpływu energetyki z różnych źródeł na środowisko i zdrowie człowieka. Pomimo że z każdym oszacowaniem kosztów zewnętrznych wiąże się spora doza niepewności, z przedstawionych wyników można wnioskować, że energia jądrowa i źródła odnawialne mają wyraźnie niższe koszty zewnętrzne niż inne technologie.

Co więcej, wśród przyszłych perspektywicznych technologii wytwarzania energii elektrycznej elektrownie jądrowe charakteryzuje się najniższym kosztem społecznym. Na konkurencyjność energetyki jądrowej wpłynęło ograniczenie nakładów inwestycyjnych, mimo osiągnięcia znacznego wzrostu bezpieczeństwa, a także korzyści dla zdrowia człowieka i środowiska, jakie zapewnia energetyka jądrowa – brak emisji tlenków siarki, azotu, pyłów, metali ciężkich i oczywiście brak emisji CO2. Energetyka jądrowa bierze pełną odpowiedzialność za unieszkodliwianie odpadów i zapewnia fundusze na ich usuwanie z biosfery i na likwidację EJ.

Fakt, że energia jądrowa zajęła jedno z najlepszych miejsc pod względem kosztów zewnętrznych, przy jednoczesnej konkurencyjności ekonomicznej i niezawodności dostaw energii, był przyczyną decyzji Parlamentu Europejskiego, który w październiku 2007 r. uznał energię jądrową za niezbędną dla energetyki europejskiej, podkreślając jednocześnie jej znaczenie dla zachowania czystego powietrza oraz wody i pewności dostaw energii przez setki i tysiące lat.

Jednak publiczna percepcja elektrowni jądrowych nie idzie w zgodzie z powyższą oceną ekspercką, co wynika ze specyficznego postrzegania ryzyka związanego z energetyką jądrową.

W ostatnim czasie można również zauważyć tendencję do podkreślania w studiach opłacalności technologii energetycznych porównania energetyki jądrowej z wiatrową; przykładowo raport amerykańskiej firmy konsultingowej McKinsey na zlecenie Konfederacji Przemysłu Brytyjskiego (Confederation of British Industry, CBI) – studium ekonomiczne możliwych dróg osiągnięcia celów ochrony środowiska przyjętych przez rząd brytyjski, gdzie porównano ekonomikę elektrowni jądrowej o mocy 1000 MWe z typowym reaktorem wytwarzającym 8,6 GWh energii rocznie z serią elektrowni wiatrowych o tych samych możliwościach wytwórczych.

Tendencja ta pokazuje, że świat stawia na energetykę jądrową i odnawialną, w szczególności wiatrową. Problem jest istotny, gdyż postawienie na energetykę jądrową znacznie ogranicza możliwości rozwoju wiatrowej i odwrotnie. Czynniki ograniczające są różnorodne: finansowe (ograniczone możliwości wsparcia), ale również techniczne (związane z funkcjonowaniem sieci elektroenergetycznej). Jest to również specyfika Polski.



Literatura:
1. CASES Cost Assessment of Sustainable Energy Systems DELIVERABLE No D.4.1 Private costs of electricity and heat generation, August 2008, www.externe.info.
2. Chmielewski A.G.: Na jak długo wystarczy pierwiastków rozszczepialnych? Referat na II Szkołę Energetyki Jądrowej, 3-5 listopada 2009, Warszawa.
3. Deutch J.M. et al.: Update of the MIT 2003 Future of Nuclear Power Study, June 2009.
4. ExternE Externalities of Energy. Methodology 2005 Update, www.externe.info.
5. ExternE-Pol Externalities of Energy: Extension of Accounting Framework and Policy Applications. Final Report on Work Package 6: New Energy Technologies, 15 July 2005. www.externe.info.
6. ExternE-Pol Externalities of Energy: Extension of Accounting Framework and Policy Applications. Final Report on Work Package 2: Improving the Methodology, 30 November 2004. www.externe.info.
7. Latek S.: Stosunek społeczeństwa polskiego do energetyki jądrowej, prezentacja na II Szkołę Energetyki Jądrowej, Państwowa Agencja Atomistyki, 3-5 listopada 2009, Warszawa.
8. NEEDS New Energy Externalities Developments for Sustainability, D 14.2 – RS 1a Final report on technical data, costs and life cycle inventories of nuclear power plants, 21.12.2007. www.externe.info.
9. NEEDS New Energy Externalities Developments for Sustainability, D 12.2 RS 2b Reporting and evaluation of the survey on the “externality concept”, 2007 www.externe.info.
10. Pearce D.: Energy Policy and Externalities: An Overview, In: Externalities and Energy Policy: The Life Cycle Analysis Approach, Workshop Proceedings, Nuclear Energy Agency, Organisation for Economic Co-operation and Development, Paris, France, 15-16 November 2001, p. 23-44.
11. Power Generating Cost Assumptions, WEO 2008.
12. Projekt „Programu polskiej energetyki jądrowej” www.mg.gov.pl/node/10960.
13. Rabl A., Spadaro J.V.: The ExternE Project: Methodology, Objectives and Limitations, In: Externalities and Energy Policy: The Life Cycle Analysis Approach, Workshop Proceedings, Nuclear Energy Agency, Organisation for Economic Co-operation and Development, Paris, France, 15-16 November 2001, p. 45-61.
14. Radovic U.: Porównanie wpływu na zdrowie człowieka i środowisko naturalne różnych źródeł energii – wyniki badań w programie ExternE, referat na II Szkołę Energetyki Jądrowej, 3-5 listopada 2009, Warszawa.
15. Schieber C., Schneider T.: The external cost of the nuclear fuel cycle, In: Externalities and Energy Policy: The Life Cycle Analysis Approach, Workshop Proceedings, Nuclear Energy Agency, Organisation for Economic Co-operation and Development, Paris, France, 15-16 November 2001, p. 111-129.
16. Strupczewski A.: Aspekty ekonomiczne rozwoju energetyki jądrowej, referat na II Szkołę Energetyki Jądrowej, 3-5 listopada 2009, Warszawa.
17. Tarjanne R., Kivistö A.: Comparison of Electricity Generation Costs, Research Report, Lappeenranta University of Technology, 2008.
18. Virdis M.R.: Energy Policy and Externalities: The Life Cycle Analysis Approach, In: Externalities and Energy Policy: The Life Cycle Analysis Approach, Workshop Proceedings, Nuclear Energy Agency, Organisation for Economic Co-operation and Development, Paris, France, 15-16 November 2001.