Projekt okładki i stron tytułowych: Przemysław Spiechowski

Ilustracje na okładce: Matthew/Adobe Stock

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Izabela Mika

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Magdalena Bystrzycka (magdalena.lewocka@pwn.pl)
Urszula Obrycka (urszula.obrycka@pwn.pl)

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.:
Michał Latusek

Recenzent: prof. dr hab. inż. Marcin Szega, Politechnika Śląska

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2024

ISBN 978-83-01-23406-5

https://doi.org/10.53271/2023.166

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2024r. (Wydanie I)

Warszawa 2024

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288; infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl, reklama@pwn.pl
www.pwn.pl

Druk i oprawa: OSDW Azymut Sp. z o. o.

Fragment

Podstawowe oznaczenia

Rozdział 1. Wprowadzenie

Rozdział 2. Podstawy termodynamiczne analizy silników hierarchicznych

2.1. Temperatury uśrednione entropowo

2.2. Bilans energii i egzergii hierarchicznego silnika j-obiegowego

Rozdział 3. Metodyka termodynamicznej i ekonomicznej analizy hierarchicznych, dwuobiegowych gazowo-gazowych elektrowni i elektrociepłowni jądrowych z wysokotemperaturowymi reaktorami i helem jako czynnikiem obiegowym

3.1. Wprowadzenie

3.2. Wybrane zagadnienia optymalizacji obiegu Joule’a

3.2.1. Ustalenie związków pomiędzy ciśnieniami gwarantującymi maksymalną sprawność energetyczną obiegu Joule’a z dwustopniowym rozprężaniem i dwustopniowym sprężaniem

3.2.2. Metodyka doboru optymalnych parametrów termicznych czynnika obiegowego w poszczególnych punktach obiegu Joule’a

3.2.3. Wyniki obliczeń termodynamicznych

3.3. Jednostkowe koszty produkcji energii elektrycznej i ciepła

3.4. Podsumowanie i wnioski końcowe

Rozdział 4. Termodynamiczna i ekonomiczna analiza hierarchicznych gazowo-gazowych elektrowni i elektrociepłowni jądrowych z wysokotemperaturowymi reaktorami i helem jako czynnikiem obiegowym

4.1. Wprowadzenie

4.2. Wyniki obliczeń termodynamicznych

4.3. Jednostkowe koszty produkcji energii elektrycznej i ciepła

4.4. Podsumowanie i wnioski końcowe

Rozdział 5. Porównawcze analizy termodynamiczna i ekonomiczna konwencjonalnej elektrowni gazowo-parowej z elektrownią gazowo-parową z wysokotemperaturowym reaktorem jądrowym

5.1. Wprowadzenie

5.2. Analiza termodynamiczna elektrowni w technologii gazowo-parowej z wysokotemperaturowym reaktorem jądrowym, helem oraz wodą i parą jako czynnikami obiegowymi

5.2.1. Analiza termodynamiczna części gazowej elektrowni gazowo-parowej

5.2.2. Analiza termodynamiczna części parowej elektrowni gazowo-parowej z reaktorem HTGR

5.2.3. Analiza termodynamiczna części parowej konwencjonalnej elektrowni gazowo-parowej

5.3. Jednostkowe koszty produkcji energii elektrycznej w elektrowniach gazowo-parowych z reaktorem HTGR i w elektrowniach konwencjonalnych

5.3.1. Jednostkowy koszt produkcji energii elektrycznej w elektrowni gazowo-parowej z wysokotemperaturowym reaktorem jądrowym

5.3.2. Jednostkowy koszt produkcji energii elektrycznej w konwencjonalnej elektrowni gazowo-parowej

5.4. Podsumowanie i wnioski końcowe

Rozdział 6. Porównawcze analizy termodynamiczna i ekonomiczna konwencjonalnej elektrociepłowni gazowo-parowej z elektrociepłownią gazowo-parową z wysokotemperaturowym reaktorem jądrowym

6.1. Wprowadzenie

6.2. Analizy termodynamiczna i ekonomiczna wpływu objętości akumulatora ciepła na jednostkowy koszt produkcji ciepła w elektrociepłowni gazowo-parowej

6.2.1. Wprowadzenie

6.2.2. Analiza termodynamiczna stosowania akumulatorów ciepła w elektrociepłowniach

6.2.3. Analiza ekonomiczna stosowania akumulatorów ciepła w elektrociepłowniach

6.2.4. Wyniki przykładowych obliczeń

6.2.5. Podsumowanie i wnioski końcowe

6.3. Analiza termodynamiczna elektrociepłowni w technologii gazowo-parowej z wysokotemperaturowym reaktorem jądrowym i helem oraz wodą i parą jako czynnikami obiegowymi

6.3.1. Analiza termodynamiczna części gazowej elektrociepłowni gazowo-parowej

6.3.2. Analiza termodynamiczna części parowej elektrociepłowni gazowo-parowej z reaktorem HTGR

6.4. Analiza ekonomiczna jednostkowych kosztów produkcji ciepła w elektrociepłowniach zmodyfikowanej i konwencjonalnej

6.4.1. Jednostkowy koszt produkcji ciepła w elektrociepłowni gazowo-parowej z wysokotemperaturowym reaktorem jądrowym

6.4.2. Jednostkowy koszt produkcji ciepła w konwencjonalnej elektrociepłowni gazowo-parowej

6.5. Podsumowanie i wnioski końcowe

Rozdział 7. Porównawcze analizy termodynamiczna i ekonomiczna elektrowni i elektrociepłowni jądrowych z reaktorami SMR i HTGR

7.1. Wprowadzenie

7.2. Wyniki obliczeń termodynamicznych i ekonomicznych

7.2.1. Analiza termodynamiczna elektrowni z ciśnieniowym reaktorem wodnym SMR

7.2.2. Analiza porównawcza efektywności ekonomicznej elektrowni z reaktorami HTGR i SMR

7.3. Analiza termodynamiczna i ekonomiczna elektrociepłowni z ciśnieniowym reaktorem wodnym SMR

7.4. Podsumowanie i wnioski końcowe

. Bibliografia

Pozostałe rozdziały dostępne w pełnej wersji e-booka.

Podstawowe oznaczenia

A – roczna rata amortyzacji,

Ḃ – strumień egzergii,

cp – pojemność cieplna właściwa przy stałym ciśnieniu,

Ċ – strumień pojemności cieplnej,

DPBP – zdyskontowany okres zwrotu nakładów inwestycyjnych,

e – jednostkowe ceny,

F – koszt finansowy (odsetki od nakładów inwestycyjnych),

i – entalpia właściwa,

i – jednostkowe nakłady inwestycyjne,

IRR – wewnętrzna stopa zwrotu,

J – nakłady inwestycyjne,

kc – jednostkowy koszt produkcji ciepła,

kel – jednostkowy koszt produkcji energii elektrycznej,

Ke – roczne koszty eksploatacji elektrowni lub elektrociepłowni,

Kkap − roczny koszt kapitałowy,

KR – roczne koszty działania elektrowni lub elektrociepłowni,

KRc – roczny koszt produkcji ciepła w elektrociepłowni,

L – praca mechaniczna,

ṁ – strumień masy,

N – moc,

NPV – wartość zaktualizowana netto,

p – ciśnienie,

p − stopa podatku dochodowego,

Q̇ – strumień ciepła,

QR – roczna produkcja ciepła,

r – stopa oprocentowania kapitału,

s – entropia właściwa,

S – entropia,

Ṡ – strumień entropii,

t – temperatura [°C],

T – wyrażony w latach okres eksploatacji elektrociepłowni, elektrowni,

T – temperatura bezwzględna [K],

– temperatura uśredniona entropowo,

z – stosunek sprężania,

z – współczynnik zamrożenia kapitału inwestycyjnego,

ZR – średni roczny zysk brutto osiągany z pracy elektrowni lub elektrociepłowni,

ρ – stopa amortyzacji oprocentowanej,

Δ – symbol przyrostu,

δ rem – roczna stopa kosztów stałych zależnych od nakładów inwestycyjnych (roczna stopa kosztów konserwacji i remontów),

ε el – względny wskaźnik elektrycznych potrzeb własnych,

η – sprawność,

k – wykładnik izentropy czynnika obiegowego,

σ – wskaźnik skojarzenia,

τ – czas.

Rozdział 1

Wprowadzenie

Niepodobna znać rzeczy tego świata,
jeśli się nie zna ich matematycznie

For the things of this world cannot be made
known without a knowledge of mathematics

Roger Bacon (1214–1294)

Energetyka jądrowa powinna odgrywać na świecie wręcz podstawową rolę. I to z wielu powodów. Jednym z najważniejszych jest ogromna ilość uranu na Ziemi, którego wystarczy na miliardy lat. Paliwo jądrowe zapewni zatem bezpieczeństwo energetyczne światu na miliardy lat. Energetyka jądrowa jest ponadto „czystą” technologią energetyczną, nieemitującą pyłów, związków siarki, azotu ani dwutlenku węgla, za którego emisję politycy Unii Europejskiej nałożyli duży podatek. Mało tego, bardzo mocno forsują w górę jego wysokość, co w końcu spowoduje, że nawet elektrownie i elektrociepłownie w hierarchicznej technologii gazowo-parowej z turbinami gazowymi, w których spalany jest gaz ziemny, staną się ekonomicznie nieopłacalne, choć już w tej chwili są na granicy opłacalności (patrz wartości jednostkowej ceny pozwoleń na emisję dwutlenku węgla w tab. 6.1 i 6.2 – rozdz. 6). Nie można bez końca podnosić cen energii elektrycznej i ciepła, co właśnie wymusza wzrost podatku od emisji CO_2! Delikatnie mówiąc, jest karygodnym błędem, że politycy unijni „niszczą” technologię, która charakteryzuje się, co szalenie ważne, największą sprawnością wytwarzania energii elektrycznej. Zielona ideologia klimatyczna [19–23] doprowadzi w końcu do ostrego kryzysu gospodarczego świata i oby tylko na tym się skończyło. Kto i dlaczego to wymyślił? Quo Vadis świecie polityki?

Z tych powodów oraz z konieczności rozwijania technologii jądrowej w monografii poddano analizie elektrownie i elektrociepłownie jądrowe w hierarchicznych, dwuobiegowych technologiach gazowo-gazowej i gazowo-parowej, w których turbinę gazową zastąpiono wysokotemperaturowym reaktorem HTGR chłodzonym helem (ang. High Temperature Gas-cooled Reactor). Pozwala to zachować bardzo wysoką sprawność elektryczną tych technologii, która gwarantuje bardzo niskie jednostkowe koszty produkowanej w nich energii elektrycznej i ciepła. Przeanalizowano ponadto elektrownie i elektrociepłownie jądrowe, w których realizowany jest wyłącznie obieg Clausiusa–Rankine’a z reaktorami SMR (ang. Small Modular Reactor).

Być może w przyszłości rolę energetyki jądrowej przejmie fuzja termojądrowa, pod warunkiem że prace prowadzone nad jej technicznym opanowaniem zostaną uwieńczone sukcesem. Ludzkość będzie dysponowała wówczas niewyczerpanym źródłem „czystej” energii. Od lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku słyszymy jednak, że jest już blisko, i ciągle nic. Czy zatem w ogóle to nastąpi, czy jest bowiem możliwa kontrolowana ingerencja techniczna człowieka w strukturę jądra atomu? W przypadku bowiem reakcji jądrowej ma miejsce jedynie kontrola liczby rozbijanych jąder i proces ten odbywa się na zewnątrz samych atomów przez ograniczanie liczby neutronów bombardujących je dzięki stosowaniu prętów regulacyjnych. Możność kontrolowanej ingerencji człowieka w strukturę budowy atomu dawałaby nieprawdopodobne, wręcz niewyobrażalne możliwości. Możliwości tworzenia nowej rzeczywistości, tworzenia nowego świata zarówno w wymiarze fizycznym, jak i duchowym. Jakie byłyby tego konsekwencje? Czy dotyk Midasa zamieniający wszystko w złoto nie stałby się wówczas rzeczywistym przekleństwem?

Na rysunku 1.1 przedstawiono wartości jednostkowego kosztu produkcji energii elektrycznej w elektrowni jądrowej z reaktorem wodnym w funkcji czasu jej eksploatacji T dla szerokiego zakresu zmian wartości jednostkowych (na jednostkę zainstalowanej mocy elektrycznej) nakładów inwestycyjnych i oraz stopy oprocentowania kapitału inwestycyjnego r (rekordową wręcz wartość równą i = 23 mln PLN/MW osiągnęły nakłady jednostkowe dla bloku o mocy elektrycznej 1600 MW oddanego do eksploatacji w kwietniu 2023 r. w Finlandii na wyspie Olkiluoto; tak bardzo wysokie nakłady są wynikiem prawie jego dwudziestoletniej budowy z licznymi, bardzo dużymi problemami). Obecnie można uzyskać oprocentowanie kapitału inwestycyjnego na budowę elektrowni jądrowych w wysokości już nawet od ok. r = 1% do ok. r = 3%. Tak nisko oprocentowane kredyty są udzielane dzięki pośrednictwu agencji kredytów eksportowych (ang. Export Credit Agency – ECA). Agencje takie istnieją w krajach, które posiadają technologie jądrowe, np. we Francji i w USA. Podstawowym jednak warunkiem uzyskania takich środków jest wykorzystanie pożyczki na zakup towarów i usług w krajach ojczystych, w których funkcjonują agencje ECA. Gwarancje rządowe dla inwestora istotnie przy tym wpływają na zmniejszenie tego oprocentowania. Jak wynika z rysunku 1.1, jednostkowy koszt produkcji energii elektrycznej w bloku jądrowym z reaktorem wodnym dla wartości stopy r = 3% (oraz oczywiście i niższych) i dla czasu eksploatacji T = 60 lat (czas ten jest obecnie normą dla bloków jądrowych) wynosi nawet znacznie poniżej 200 PLN/MWh, a więc jest istotnie mniejszy od kosztów uzyskiwanych w pozostałych technologiach. Gdyby natomiast należało spłacić kredyt o oprocentowaniu r = 3% nie w okresie T = 60 lat, a w okresie T = 20 lat, to wówczas cena sprzedaży energii elektrycznej musiałaby wynosić powyżej ok. 280 PLN/MWh dla jednostkowych nakładów inwestycyjnych i = 18 mln PLN/MW oraz powyżej ok. 240 PLN/MWh dla jednostkowych nakładów inwestycyjnych i = 15 mln PLN/MW – rysunek 1.1 (dla stopy r = 8% oraz i = 18 mln PLN/MW cena ta musiałaby być wyższa od 419 PLN/MWh). Po okresie T lat, czyli gdy elektrownia jest już zamortyzowana, jednostkowy koszt produkcji energii elektrycznej wynosiłby już tylko 115 PLN/MWh.

Rysunek 1.1. Jednostkowe koszty wytwarzania energii elektrycznej w elektrowni jądrowej z reaktorem wodnym w funkcji lat T jej eksploatacji dla jednostkowych nakładów inwestycyjnych i oraz stopy dyskonta r jako parametrów: 1 – i = 18 mln PLN/MW, r = 8%, 2 – i = 18 mln PLN/MW, r = 5%, 3 – i = 18 mln PLN/MW, r = 3%, 4 – i = 15 mln PLN/MW, r = 8%, 5 – i = 15 mln PLN/MW, r = 5%, 6 – i = 15 mln PLN/MW, r = 3%

Wówczas, przy utrzymaniu ceny sprzedaży energii elektrycznej na poziomie z lat spłaty kredytu, inwestor osiągałby wysokie zyski, co wiązałoby się z płaceniem wysokich podatków. Aby tego uniknąć, musiałby do rozwiązania tego problemu „zaprząc” zawczasu metody inżynierii finansowej i tak skonstruować dla wszystkich lat budowy i eksploatacji bloku harmonogram rocznych przepływów pieniężnych (ang. cash flow), tj. przychodów i wszelkich płatności związanych z kosztami finansowymi kredytu (tj. sumą odsetek od niego) oraz podatkami, by zmaksymalizować swój zysk. Należy zawsze przy tym jednak pamiętać, że wydłużanie łańcucha wszelkich płatności, tj. dokładanie do niego kolejnych ogniw, zawsze przynosi tylko straty. I jest to nie tylko fundamentalna zasada w ekonomii, ale we wszystkich dziedzinach nauki, co więcej, we wszystkich sferach życia. Posługując się kolokwializmem, należy powiedzieć, że wszelkie „kombinacje” przynoszą w konsekwencji zawsze wyłącznie złe skutki, chociaż prawdą jest też i to, że czasami zgodnie z przysłowiem zdarza się jednak, że nie ma tego złego, co by na dobre nie wyszło. Najgorsze w tym wszystkim jest jednak zdecydowanie to, że jest regułą, że światem, w interesie jego możnych, zawsze rządziło, rządzi i z całą pewnością niestety będzie rządziło kłamstwo, a prawda, by nie powiedzieć dobitnie, propaganda, jest wyłącznie taka, która je uwiarygodnia.

Należy powrócić jeszcze do wysokiego podatku od zysku, o którym wspomniano powyżej. Jak należy sądzić, a nawet należy z całą pewnością stwierdzić, bo jest to oczywiste, że najkorzystniejsze jest jak najszybsze spłacenie jak najtańszego kredytu, co więcej, branego kolejnymi transzami w miarę postępu realizacji inwestycji, gdyż minimalizuje to koszt finansowy kredytu, a następnie po jego spłaceniu należy zmniejszyć cenę sprzedaży energii elektrycznej. Taki powinien być końcowy wynik analiz maksymalizujących zysk inwestora przeprowadzonych za pomocą wszelkich znanych z inżynierii finansowej sposobów uzupełniających finansowanie dowolnych inwestycji. Jest to grupa trzech sposobów: (1) rewolwing, (2) depozyty (mówiąc bez ogródek, pseudo zabezpieczenia) i (3) mechanizmy transferowe. Są to sposoby, w których stosowaniu prym wiodą korporacje ponadnarodowe wynajęte przez inwestora do realizacji inwestycji i załatwiające przy tym jednocześnie jej finansowanie. Jednak wykorzystują one te sposoby nie w interesie inwestora, a w złej wierze tylko po to, by zwiększyć swój zysk i nie płacić podatków w ogóle (straty ponosi wówczas inwestor oraz Skarb Państwa, w którym realizowana jest inwestycja, a więc i obywatele tego państwa; Skarb Państwa też może być inwestorem). Jak już powyżej wspomniano, sposoby te to mechanizmy tzw. cen transferowych (ang. transfer pricing), jest to również rolowanie części niespłaconego kredytu podstawowego za pomocą kolej-nych tzw. pożyczek rewolwingowych, tj. odnawialnych kredytów obrotowych branych w wielu bankach. Kredyty te istotnie zwiększają koszt finansowy inwestycji (standardowo koszt finansowy kredytu wynosi od ok. 25% do 50% jego wartości, rewolwing może go zwiększyć nawet do 100%; jest to zatem zabójcza broń wymierzona w inwestora). Co więcej, zarabiają na tym banki mające z reguły siedziby nie w kraju, w którym realizowana jest inwestycja, a w kraju siedziby centrali podmiotu, który został do jej realizacji wynajęty. W końcu sposobami zmniejszania zysku inwestora są też różnego rodzaju zabezpieczenia, których żąda realizujący inwestycję. Z reguły jest to konieczność zdeponowania przez zamawiającego inwestycję pewnej kwoty pieniędzy, z reguły bardzo dużej, na nieoprocentowanym (dla niego) rachunku w banku wskazanym przez podmiot wynajęty do jej realizacji (oczywiście realizujący inwestycję pobiera odsetki od tych pieniędzy). Mechanizmy cen transferowych natomiast pozwalają zagranicznym korporacjom, międzynarodowym koncernom, na transferowanie zysków za granicę. Tam, gdzie państwo jest nieudolne, a prawo „dziurawe”, sztucznie manipulują w ramach koncernu zyskami i kosztami, tak aby zyski i straty były tam, gdzie im najwygodniej. Transferują nielegalnie zyski za granicę, na przykład w postaci opłat, będących oczywiście fikcyjnymi kosztami, na rzecz swoich central, w postaci opłat licencyjnych, bardzo wysokich opłat za ekspertyzy prawne, techniczne, finansowe, eksportują z kraju, w którym realizują inwestycję tanio, importują drogo itd. Jak już zaznaczono, straty ponosi zawsze Skarb Państwa i jego obywatele. To oni przecież, odbiorcy energii, ostatecznie będą musieli płacić za elektryczność cenę, w której zawarte są wszystkie nieuzasadnione, bardzo mocno przy tym wywindowane koszty jej produkcji. Jeśli zatem coś należy zrobić dobrze, by nie powiedzieć dobitnie, że uczciwie, wydając przy tym środki finansowe w uzasadniony sposób, to należy postępować zgodnie z zasadą: zrób to sam! Jeżeli jednak inwestora nie stać, by samemu zrealizował inwestycję, to musi pogodzić się z faktem, że inwestycja będzie bardzo droga. Z uwagi na „kombinacje” inżynierii finansowej nawet dwa razy droższa, niż zrealizowałby ją sam, bowiem suma kosztów finansowych wszystkich kredytów będzie dorównywała nakładowi inwestycyjnemu. Wynajęcie zatem do budowy na przykład elektrowni jądrowej zagranicznego podmiotu, który jednocześnie załatwia jej finansowanie, jest najgorszym z najgorszych, bo najdroższym sposobem jej zbudowania. Dotyczy to oczywiście także każdej innej dowolnej inwestycji. Warto zatem by inwestor sam realizował inwestycję, nawet gdyby stopa oprocentowania kredytu wynosiła 5% i więcej.

Pomimo tego że książka nie jest poświęcona energetyce wodorowej, to jednak konieczne jest poświęcenie i jej uwagi, jako że niektórzy politycy na nią wskazują, a nie na energetykę jądrową, jako na technologię mającą mieć wiodącą rolę w powszechnej energetyce, przynajmniej w Europie. Jest to wręcz kuriozalny pogląd, jako że wodór trzeba produkować. Tak, wodór trzeba produkować (sic!), bo w przyrodzie w stanie wolnym nie występuje! Należy zatem odpowiedzieć na pytanie, czy energetyka wodorowa ma sens? Aby na nie odpowiedzieć, należy przyjrzeć się stechiometrii produkcji wodoru. Właśnie ta konieczność produkcji, ale nie tylko, każe zastanowić się nad sensem energetyki wodorowej. Wyprzedzając wyniki przeprowadzonych poniżej krótkich, ale całkowicie wystarczających analiz, bo dotyczą one sedna sprawy, należy expressis verbis stwierdzić, że energetyka wodorowa jest termodynamicznym, technicznym, ekonomicznym i środowiskowym absurdem, i, na szczęście, jest niemożliwa.

Wodór można produkować w procesie reformingu gazu ziemnego parą wodną (reakcja (1.1)) lub w procesie zgazowania węgla. W procesie reformingu produkuje się go z paliw zawierających metan lub inne węglowodory. Na przykład, w przypadku metanu produkcja odbywa się według endotermicznej reakcji (potrzeby energetyczne na wysokotemperaturowe ciepło dla tej reakcji w temperaturze normalnej 25°C wynoszą 206  280 kJ na każdy kilomol CH_4; entalpia dewaluacji 1 kilomola metanu CH_4 w temperaturze normalnej 25°C wynosi 802  870 kJ, pary wodnej H_2O jest równa zeru, tlenku węgla CO – 283 150 kJ/kmol, a 1 kilomola wodoru H_2 – 242  000 kJ):

CH_4 + H_2O + 206  280 kJ → CO + 3H_2.

(1.1)

Dzięki dodaniu pary wodnej i podgrzaniu substratów reakcji do dostatecznie wysokiej temperatury, około 900–1400 K (im wyższa temperatura substratów, tym stan równowagi chemicznej przesuwa się na korzyść produktów reakcji endotermicznej), uzyskuje się zmianę składu chemicznego podgrzewanych substratów i energia chemiczna produktów reakcji, zgodnie z zasadą zachowania energii, która oczywiście obowiązuje nie tylko w przemianach fizycznych, ale i chemicznych, zostaje zwiększona o dostarczone ciepło.

Rodzi się pytanie, co zrobić z trującym czadem CO powstającym w wyniku reakcji reformingu (1.1). Należy i do niego zastosować konwersję parą wodną. Zgodnie z reakcją egzotermiczną (wydziela się bowiem w tej reakcji 41  150 kJ ciepła z każdego kilomola CO; ilość ta odpowiada temperaturze normalnej 25°C; entalpia dewaluacji 1 kilomola dwutlenku węgla CO_2 wynosi zero) otrzymuje się CO_2 i H_2:

CO + H_2O → CO_2 + H_2 + 41  150 kJ.

(1.2)

W konsekwencji z obu powyższych reakcji:

CH_4 + H_2O + 206 280 kJ → CO + 3H_2,

(1.3)

CO + H_2O → CO_2 + H_2 + 41  150 kJ,

(1.4)

powstaje tyle samo CO_2 co w sytuacji, gdy CH_4 spala się bezpośrednio na przykład w turbinie gazowej:

CH_4 + 2O_2 → CO_2 + 2H_2O + 802  870 kJ.

(1.5)

A jak wygląda reakcja reformingu metanu dwutlenkiem węgla? Zgodnie z reakcją:

CH_4 + CO_2 + 247  430 kJ → 2CO + 2H_2,

(1.6)

nie ma on całkowicie sensu, gdyż do powstałych wówczas 2 kilomoli tlenku węgla do jego konwersji na wodór w reakcji:

2CO + 2H_2O → 2CO_2 + 2H_2 + 82  300 kJ,

(1.7)

należałoby obok źródła CO_2 potrzebnego do zajścia reakcji (1.6) dysponować jeszcze źródłem pary wodnej, co znacznie podrożałoby koszt instalacji reformingu. Należałoby zatem spalać powstały tlenek węgla:

2CO + O_2 → 2CO_2 + 2 ⋅ 283  150 kJ,

(1.8)

w wyniku czego, tak jak w reakcji (1.7), również powstawałoby dwa razy więcej dwutlenku węgla. Zamiast zatem ograniczać ilość CO_2, w wyniku reformingu metanu dwutlenkiem węgla dwukrotnie zwiększałaby się jego ilość.

Należy ponadto expressis verbis zaznaczyć, że reakcja (1.1) reformingu metanu parą wodną ma sens wyłącznie wtedy, gdy dysponuje się wysokotemperaturowym ciepłem odpadowym (ze względu na stan równowagi chemicznej produktów reakcji najlepiej byłoby, gdyby była to temperatura ok. 1200–1400 K). Mogą to być na przykład wysokotemperaturowe spaliny odlotowe z instalacji przemysłowych. W ten sposób byłaby bowiem realizowana chemiczna regeneracja ciepła odpadowego, a więc miałaby miejsce oszczędność energii chemicznej paliw dzięki wykorzystaniu właśnie tego ciepła. W przypadku jego braku, aby mogła zajść endotermiczna reakcja (1.1), należałoby spalać paliwa kopalne (co generowałoby kolejne ilości dwutlenku węgla), by dostarczyć do niej ciepło w ilości 206  280 kJ na każdy kilomol CH_4. Należy przy tym pamiętać, że straty energii w dwóch reakcjach są oczywiście zawsze większe niż w jednej. Wydłużanie bowiem łańcucha przemian termodynamicznych zawsze zwiększa straty. Tak więc zgodnie z zasadą zachowania energii energetyczny efekt końcowy dla jednej reakcji, tj. bezpośredniego spalania paliw kopalnych, jest większy niż przy trzech reakcjach, tj. dwóch reakcjach reformingu i trzeciej reakcji spalania w instalacjach energetycznych wyprodukowanego wodoru w tych dwóch pierwszych. Co równie bardzo ważne, jeśli nie ważniejsze, efektywność ekonomiczna produkcji energii elektrycznej za pomocą jednej reakcji jest, co oczywiste, nieporównywalnie wyższa niż w trzech. Każda bowiem reakcja wymaga nakładów inwestycyjnych na instalacje do jej realizacji, które niosą ze sobą roczne koszty kapitałowe i eksploatacyjne ich działania.

A jak wygląda sytuacja produkcji wodoru w procesie gazyfikacji węgla? Analizując stechiometrię tej reakcji (entalpia dewaluacji w temperaturze normalnej 25°C 1 kilomola węgla C wynosi 393  780 kJ, a tlenu O_2 jest równa zeru):

3C + O_2 + H_2O → 3CO + H_2 + 89  890 kJ,

(1.9)

i stosując konwersję parą wodną do powstałych w tej reakcji 3 kilomoli trującego czadu CO, otrzymuje się 3 kilomole dwutlenku węgla CO_2:

3CO + 3H_2O → 3CO_2 + 3H_2 + 123  450 kJ.

(1.10)

Okazuje się zatem, co oczywiste, że ilość dwutlenku węgla powstała w procesie zgazowania węgla jest identyczna jak przy jego bezpośrednim spalaniu na przykład w kotle w elektrowni:

3C + 3O_2 → 3CO_2 + 3 ⋅ 393  780 kJ.

(1.11)

Tak więc i zgazowanie węgla, i wykorzystywanie wyprodukowanego wodoru, tak jak w przypadku reformingu gazu ziemnego, też wymaga trzech reakcji. Przeprowadzona zatem kilka wierszy powyżej króciutka analiza termodynamiczno-ekonomiczna produkcji energii elektrycznej z wodoru otrzymywanego z reformingu gazu ziemnego jest słuszna i dla jej produkcji z wodoru otrzymywanego ze zgazowania węgla.

Powyższe reakcje dowodzą, że energetyka wodorowa w najwyższym stopniu, mówiąc najdelikatniej jak tylko można, to absurd! Jej celem ma przecież być ograniczenie emisji CO_2, aby zapobiec efektowi cieplarnianemu, a tymczasem będzie on przez nią wielokrotnie większy (interesującymi artykułami o zmianach klimatu wywołanymi tzw. efektem cieplarnianym są pozycje [19–23]). Jak bowiem wynika z reakcji (1.1)–(1.11), energetyka wodorowa generuje nie tylko identyczną ilość dwutlenku węgla jak energetyka konwencjonalna bezpośrednio spalająca paliwa kopalne, ale dodatkowo generuje parę wodną powstającą ze spalenia wodoru, która jest w wielokrotnie większym stopniu, ok. 6 razy, gazem cieplarnianym niż dwutlenek węgla (sic!). Należy zatem jeszcze raz bardzo dobitnie powiedzieć, że energetyka wodorowa przyczyni się wielokrotnie bardziej do efektu cieplarnianego, ponieważ będzie on spowodowany nie tylko dwutlenkiem węgla powstałym przy produkcji wodoru, ale i dodatkowo parą wodną. Nic w przyrodzie nie ginie i tak jak pozostaje dla tych reakcji słuszna zasada zachowania energii, tak i ilość pierwiastków biorących udział w tych reakcjach pozostaje niezmienna, i żadne „kuglarstwo wodorowe” tego nie zmieni!

Czemu zatem ma służyć energetyka wodorowa? Należy w tym miejscu zadać też kolejne, wręcz fundamentalne pytania, co dzieje się z nauką, co z jej rzetelnością naukową? Dlaczego została tak oderwana od prawdy? Dlaczego niektórzy ludzie nauki wbrew prawdzie o energetyce wodorowej ją popierają? Prawdy, której powinna przecież nauka poszukiwać i z całą mocą, bez żadnych kompromisów, jej służyć. A nie służyć interesom kierujących się wyłącznie chęcią ciągłych zysków przedsiębiorców, którzy są w stanie je osiągać tylko przez dostarczanie na rynek kolejnych nowości technicznych, i lobbujących na ich rzecz polityków. Bo istotą nauki jest przecież stawianie pytań o prawdy otaczającego nas świata i odpowiadanie na nie, a nie powielanie propagandy, która, jak to propaganda, z prawdą nie ma nic wspólnego. Dlaczego nauka, delikatnie mówiąc, w tak dużym stopniu została też oderwana od zdrowego rozsądku? Jest jeszcze inny wymiar energetyki wodorowej, bardzo groźny. Jest nim chęć zdominowania gospodarczego i politycznego jednych państw przez państwa posiadające duże złoża gazu ziemnego, a także państwa nim handlujące (należy przypomnieć, że wodór miałby być produkowany z gazu − reakcja (1.1)). Należałoby zatem, by nie tylko ludzie nauki, ale i niektórzy politycy sięgnęli po wiedzę i z jej pomocą poszukiwali prawdy, a nie powielali celowe, szkodliwe kłamstwa i absurdy o energetyce wodorowej. Co więcej, nakłady inwestycyjne na energetykę wodorową są wielokrotnie większe w porównaniu z energetyką konwencjonalną. Zatem koszt wytworzenia w niej energii elektrycznej też będzie wielokrotnie większy. Kogo będzie wówczas na nią stać?

Rzeczywistość i logika jednoznacznie wskazują, że pomysł dekarbonizacji energetyki, a więc system handlu emisjami dwutlenku węgla CO_2 EU ETS (ang. European Union Emission Trading Scheme) i w konsekwencji energetyka wodorowa powstały w głowach polityków i zostały wprowadzone w Europie przy ich pomocy. Dekarbonizacja, system EU ETS oraz energetyka wodorowa służą wyłącznie ich interesom. Tak samo ma się rzecz z odnawialnymi źródłami energii (OŹE), w których produkcja energii elektrycznej jest znikoma i przy tym bardzo droga, wielokrotnie droższa od produkcji w elektrowniach konwencjonalnych. Kolejny raz należy expressis verbis powiedzieć, że forsowana dekarbonizacja energetyki, EU ETS, OŹE oraz energetyka wodorowa mają zatem za cel służyć interesom przedsiębiorców i polityków. Dlatego należy jak najszybciej wrócić w energetyce do węgla i jednocześnie budować energetykę jądrową (sic!).

Jeszcze większym, wręcz przeogromnym absurdem jest produkcja wodoru w procesie elektrolizy wody. Fundamentalną bowiem wadą produkcji wodoru w bardzo drogich elektrolizerach (jednostkowe, na jednostkę mocy elektrycznej, nakłady inwestycyjne na elektrolizery wynoszą co najmniej ok. 8,5 mln PLN/MW, są więc znacząco wyższe nawet od wysokich jednostkowych nakładów wynoszących ok. 6,5 mln PLN na elektrownie na nadkrytyczne parametry pary świeżej) jest to, że z ilości ok. 180 MJ energii elektrycznej, najszlachetniejszej postaci energii w każdym tego słowa znaczeniu, uzyskuje się tylko kilogram wodoru (wartość opałowa wodoru wynosi ), z którego na powrót można otrzymać zaledwie ok. 60 MJ energii elektrycznej, tj. tylko 33% energii elektrycznej wykorzystanej do jego produkcji (60 MJ = 0,33 ⋅ 180 MJ). Pozostałe 67% energii jest zatem bezpowrotnie tracone (sic!). Produkcja taka jest zatem „termodynamicznym barbarzyństwem”, jest absurdem nad absurdami! Wkładamy bowiem 180 MJ energii elektrycznej, by za bardzo duże pieniądze otrzymać z nich zaledwie 60 MJ energii elektrycznej. Ponadto, aby z tego wodoru produkować energię elektryczną, należałoby dodatkowo zainwestować znaczne środki finansowe na elektrownie go spalające. Obecnie wodór pozyskiwany jest głównie w procesie reformingu gazu ziemnego parą wodną zgodnie z reakcją endotermiczną (1.1) (w Polsce produkuje się tak ok. 1 mln ton wodoru rocznie). Potrzeby energetyczne na ciepło (ciepło charakteryzuje się, w przeciwieństwie do energii elektrycznej, niską jakością, tj. niską egzergią) dla tej reakcji, jak już wyżej wspomniano, wynoszą ok. 206 MJ/kmol CH_4. Są więc ponad 5 razy mniejsze na kilogram otrzymanego wodoru od potrzeb energetycznych w procesie elektrolizy wody, w którym są one ponadto zaspokajane nie ciepłem, a energią elektryczną. Energią tożsamą z egzergią, a więc energią o najwyższej termodynamicznej jakości, a więc drogiej, gdy tymczasem ciepło charakteryzuje się niską jakością, tj. niską egzergią, a więc jest relatywnie tanie. Ponadto nakłady inwestycyjne na instalacje reformingu są małe w porównaniu z nakładami na elektrolizery i źródła energii elektrycznej. Tym samym jednostkowy koszt pozyskanego w ten sposób wodoru jest zdecydowanie niższy. Według szacunkowych obliczeń nie przekracza . Jeszcze tańszym źródłem produkcji wodoru powinien być gaz koksowniczy (trwają nad tym prace) i gaz z odmetanowania kopalń (cena tych gazów to ok. 200 PLN za 1000 ; w przeliczeniu na jednostkę energii to ok. 8 PLN/GJ; gazy te są zatem 4 razy tańsze od rosyjskiego gazu ziemnego; obecnie te relacje przez wywołaną przez Rosję wojnę zostały bardzo mocno zachwiane). Roczna sumaryczna ilość tych gazów w Polsce dostępna dla reformingu wynosi ok. 2,5 mld , w tym ok. 1,5 mld to gaz koksowniczy. Jest to gaz sprzedawany przez koksownie odbiorcom zewnętrznym po zaspokojeniu potrzeb własnych wynikających z produkcji koksu.

Obecnie wodór jest produkowany wyłącznie na potrzeby branży chemicznej, petrochemicznej, metalurgicznej (i np. do napędu statków kosmicznych) i tak powinno zostać. Produkcja ta odbywa się głównie w procesie reformingu gazu ziemnego parą wodną zgodnie z reakcją endotermiczną (1.1). Co więcej, by produkować tyle wodoru, który byłby w stanie zaspokoić potrzeby energetyczne świata, zabrakłoby na nim wszystkich razem wziętych elektrowni, gdyby chcieć go produkować w procesie elektrolizy wody. Nawet gdyby dodatkowo pokryć całą kulę ziemską turbozespołami wiatrowymi i panelami fotowoltaicznymi, to i tak produkcja wodoru z wykorzystaniem wyprodukowanej w nich energii elektrycznej byłaby znikoma w porównaniu do potrzeb energetycznych świata. Należy przy tym ponadto pamiętać, co szalenie ważne, że zużycie energii w rachunku ciągnionym, tj. zużycie całkowitej energii począwszy od wydobycia surowców potrzebnych do wyprodukowania i zainstalowania OŹE, szczególnie paneli fotowoltaicznych, jest większe niż są one w stanie same wytworzyć w czasie swojej pracy [23]. A jeszcze należy doliczyć energię potrzebną do ich utylizacji. Co równie bardzo ważne, zarówno te na lądzie, jak i na morzu nie mają również sensu ekologicznego, zaśmiecają bowiem i niszczą w wysokim stopniu środowisko naturalne. Zaśmiecają także krajobraz. Na przykład zużyte łopaty turbozespołów wiatrowych po ich zakopaniu w ziemi nigdy się nie rozłożą, będą zaśmiecały środowisko raz na zawsze.

Są też, co należy expressis verbis powiedzieć, absurdalne pomysły, by wykorzystywać wodór do produkcja metanu zgodnie z reakcją egzotermiczną:

CO_2 + 4H_2 → CH_4 + 2H_2O + 165 130 kJ

(1.12)

(bardzo duża ilość ciepła wydzielanego w czasie reakcji równa jest różnicy wartości opałowych wodoru i metanu; wartość opałowa 1 kilomola wodoru ; , wartość opałowa metanu równa się , ; ). Są niestety „mędrcy”, którzy twierdzą, że taka produkcja jest dobrodziejstwem, gdyż dzięki niej wiązany jest dwutlenek węgla powstały ze spalania węgla w elektrowniach w procesie produkcji energii elektrycznej, a więc automatycznie znika jego problem. Świadczy to o całkowitym braku pojmowania zachodzących reakcji i zjawisk termodynamicznych. By pozbyć się CO_2 „niszczy” się bowiem energię elektryczną z poziomu do poziomu ok. 400 MJ, a więc niemalże w 75% (z 1 kilomola metanu można otrzymać ok. 400 MJ energii elektrycznej). Niemalże na to samo wyszłoby przecież, gdyby jej nie produkować w ogóle. Nie trzeba by ponadto wydawać wówczas dużych pieniędzy na budowę elektrowni. Mało tego, aby „likwidować” CO_2 należy budować znacznie droższe inwestycyjnie na jednostkę zainstalowanej mocy instalacje niszczące wyprodukowaną energię elektryczną, tj. instalacje do produkcji wodoru i metanu. „Genialny” pomysł, produkuje się elektryczność za duże pieniądze tylko po to, by za jeszcze większe móc ją następnie „zniszczyć”. Absurd nad absurdami, kuriozum nad kuriozami! Absurd ten potęguje dodatkowo fakt, że po spaleniu (patrz reakcja (1.5)) metanu otrzymanego w reakcji (1.12) powstaje identyczna ilość dwutlenku węgla jak ta, która wzięła w niej udział. Powraca się zatem w konsekwencji do punktu wyjścia, gdyż z 1 kilomola CO_2 (reakcja (1.12)) otrzymuje się na końcu ponownie 1 kilomol CO_2 (reakcja (1.5))! A wodór przecież po to miałby być produkowany, by nie dopuszczać do powstawania CO_2. Tymczasem powstaje go dokładnie tyle samo i przy tym za ogromne pieniądze oraz kosztem utraconej przeogromnej ilości energii elektrycznej, najcenniejszej postaci energii, do której otrzymywania ze wszech miar się dąży. To ona jest głównym celem, gdyż bez niej współczesny świat nie może istnieć! Jeszcze raz należy zatem z całą mocą stwierdzić, że produkcja metanu w reakcji (1.12) to wręcz przeogromny termodynamiczny, ekonomiczny i ekologiczny absurd! Co gorsze, są w tym przedmiocie realizowane granty! Kto na to pozwolił, kto do tego dopuścił! O tempora! O mores! Czemu to służy? Służy to nachalnemu kłamstwu o rzekomym globalnym ociepleniu w wyniku emisji CO_2 [19–24] i wynikającej z niego rzekomej konieczności budowy OŹE (należy ponownie dobitnie zaznaczyć, że powstała para wodna ze spalania wodoru jest w wielokrotnie większym stopniu gazem cieplarnianym niż CO_2). Źródła OŹE są wyłącznie źródłem odnawialnych rok w rok przeogromnych dopływów pieniędzy dla ich właścicieli, rzędu setek miliardów euro (należy w tym miejscu ponownie napisać, że OŹE produkują wyłącznie znikome ilości energii elektrycznej), dewastując przy tym, wręcz niszcząc na ogromną skalę środowisko, co odbywa się, co najgorsze, w majestacie prawa i rzekomo dla dobra ludzkości! Aby bowiem elektryczność z OŹE mogła istnieć na rynku energii elektrycznej, wymaga przeogromnych, kilkudziesięciu miliardowych rocznych dotacji ze skarbów państw. Na przykład, w Niemczech kilka lat temu dotacje te wynosiły rocznie 30 miliardów euro (sic!), gdy moc zainstalowanych turbozespołów wiatrowych wynosiła 36 000 MW, a fotowoltaiki 38 000 MW (dopłaty do każdej megawatogodziny wyprodukowanej energii elektrycznej w turbozespołach wiatrowych wynosiły 160 euro, w źródłach fotowoltaicznych 430 euro; obecnie w Niemczech moc turbozespołów to już 56 GW). W Polsce w latach 2006–2020 subwencje wyniosły 76 mld PLN, a obecnie wynoszą ponad 10 mld PLN rocznie. Za te już wypłacone ze Skarbu Państwa pieniądze można by wybudować w Polsce elektrownie jądrowe z reaktorami wodnymi pracujące według obiegu Clausiusa–Rankine’a (rozdz. 7) o mocy rzędu 5 tys. MW.

Jak już zaznaczono wyżej, OŹE są zatem wyłącznie źródłem nieuzasadnionych, przeogromnych corocznych korzyści finansowych dla ich właścicieli. W Polsce są to w głównej mierze właściciele niemieccy [25]. Trzeba ponadto zaznaczyć, że OŹE nie są w stanie wyprodukować energii elektrycznej, by zniwelować skutki jej „niszczenia” w elektrowniach konwencjonalnych. Aby pokryć straty spowodowane przez OŹE, aby otrzymać na powrót te 1040 MJ (= 1440 − 400) energii elektrycznej, trzeba w dwójnasób spalać węgiel! Należy do tego dodać miliony ton węgla spalanego podczas setek uruchomień bloków po ich wyłączeniach z ruchu w wyniku „działalności” OŹE. Podczas rozruchu bloków energia elektryczna nie jest przy tym oddawana do sieci. Jak to wszystko zatem się ma do rzekomo koniecznej dekarbonizacji energetyki rzekomo dla dobra ludzkości?! Co więcej, emisja dwutlenku węgla przez energetykę krajów europejskich to zaledwie ok. 5% emisji światowej pochodzącej ze spalania paliw kopalnych. Ta światowa emisja paliwowa stanowi natomiast zaledwie 3,3% emisji globalnej CO_2 (5% emisji energetyki europejskiej stanowi zatem 0,16% = 0,05 ⋅ 0,033 emisji globalnej, a więc prawie zero!). Gdzie zatem reszta? Oceany produkują 41,4% dwutlenku węgla, a biosfera 55,3% (np. człowiek wydycha codziennie 1 kg CO_2, przy wysiłku 4 kg CO_2). Nawet zatem całkowita likwidacja przez zamknięcie nie tylko polskich, ale wszystkich światowych elektrowni na paliwa kopalne (oczywiście bez elektrowni jądrowych) zmieni tyle, co nic. Mało tego, tak jak człowiekowi do życia niezbędny jest tlen, tak biosferze poza istotami żywymi do istnienia niezbędny jest dwutlenek węgla. Bez niego świat, jaki znamy i w jakim żyjemy, zginie.