Dugi niz decenija, fuzija je reklamirana kao krajnji izvor obilne, čiste električne energije. Sada, kada se svet suočava sa potrebom da se smanji emisija ugljenika kako bi se sprečile katastrofalne klimatske promene, pretvaranje komercijalne fuzijske energije u stvarnost dobija novu važnost.
U elektroenergetskom sistemu kojim dominiraju niskougljenični varijabilni obnovljivi izvori energije (VRE) kao što su solarna energija i vetar, potrebni su „čvrsti“ izvori električne energije da bi se uključili kad god potražnja premaši ponudu – na primer, kada sunce ne sija ili vetar ne duva i sistemi za skladištenje energije nisu dorasli zadatku. Koja je potencijalna uloga i vrednost fuzionih elektrana (FPP) u takvom budućem elektroenergetskom sistemu—sistemu koji nije samo bez emisija ugljenika, već je i sposoban da zadovolji dramatično povećanu globalnu potražnju za električnom energijom koja se očekuje u narednim decenijama?
Radeći zajedno godinu i po dana, istraživači MIT Energi Initiative (MITEI) i MIT Centra za nauku i fuziju plazme (PSFC) sarađuju kako bi odgovorili na to pitanje. Otkrili su da u zavisnosti od budućih troškova i performansi, fuzija ima potencijal da bude kritično važna za dekarbonizaciju. Pod nekim uslovima, dostupnost FPP-ova bi mogla smanjiti globalnu cenu dekarbonizacije za trilione dolara.
Više od 25 stručnjaka zajedno je ispitalo faktore koji će uticati na primenu FPP-a, uključujući troškove, klimatsku politiku, operativne karakteristike i druge faktore. Oni predstavljaju svoje nalaze u novom izveštaju pod nazivom „Uloga fuzione energije u dekarbonizovanom sistemu električne energije“.
„Trenutno postoji veliko interesovanje za fuzionu energiju u mnogim krugovima — od privatnog sektora do vlade do šire javnosti“, kaže glavni istraživač studije (PI) Robert C. Armstrong, bivši direktor MITEI-a i Chevron profesor hemijskog inženjerstva , Emeritus. „U preduzimanju ove studije, naš cilj je bio da obezbedimo uravnotežen vodič zasnovan na činjenicama i analizom koji će nam pomoći da svi razumemo izglede za fuziju koja ide napred.
Shodno tome, studija uzima multidisciplinarni pristup koji kombinuje ekonomsko modeliranje, modeliranje električne mreže, tehno-ekonomsku analizu i još mnogo toga kako bi se ispitali važni faktori koji će verovatno oblikovati buduću primenu i korišćenje fuzione energije. Istraživači iz MITEI-a pružili su mogućnost modeliranja energetskih sistema, dok su učesnici PSFC-a pružili ekspertizu fuzije.
Fusion tehnologije su možda deceniju daleko od komercijalne primene, tako da detaljna tehnologija i troškovi budućih komercijalnih FPP-a u ovom trenutku nisu poznati. Kao rezultat toga, istraživački tim MIT-a se fokusirao na određivanje nivoa troškova koji fuzioni pogoni moraju dostići do 2050. godine da bi postigli snažan prodor na tržište i dali značajan doprinos dekarbonizaciji globalnog snabdevanja električnom energijom u drugoj polovini veka.
Vrednost dostupnosti FPP-ova na električnoj mreži zavisiće od toga koje su druge opcije dostupne, tako da su istraživačima bile potrebne procene budućih troškova i performansi tih opcija, uključujući konvencionalne generatore fosilnih goriva, elektrane na nuklearnu fisiju, VRE generatori i tehnologije skladištenja energije, kao i potražnja za električnom energijom u određenim regionima sveta. Da bi pronašli najpouzdanije podatke, pretražili su objavljenu literaturu, kao i rezultate prethodnih MITEI i PSFC analiza.
Sve u svemu, analize su pokazale da, iako su tehnološki zahtevi za korišćenjem fuzione energije ogromni, isto tako su i potencijalne ekonomske i ekološke isplativosti dodavanja ove čvrste, niskougljenične tehnologije u svetski portfolio energetskih opcija.
Možda je najupečatljiviji nalaz „društvena vrednost“ dostupnosti komercijalnih FPP-ova.
„Ograničavanje zagrevanja na 1,5 stepeni C zahteva da svet investira u vetar, solarnu, skladišnu, mrežnu infrastrukturu i sve ostalo što je potrebno za dekarbonizaciju elektroenergetskog sistema“, objašnjava Rendal Fild, izvršni direktor studije fuzije i direktor istraživanja MITEI. „Cena tog zadatka može biti daleko niža kada su FPP-ovi dostupni kao izvor čiste, čvrste električne energije.
Štaviše, korist varira u zavisnosti od cene FPP-a. Na primer, pod pretpostavkom da je cena izgradnje FPP-a 8.000 dolara po kilovatu (kV) 2050. godine i pada na 4.300 dolara/kV 2100. godine, globalni trošak dekarbonizacije električne energije pada za 3,6 biliona dolara. Ako cena FPP iznosi 5.600 USD/kV 2050. godine i padne na 3.000 USD/kV 2100. godine, ušteda od posedovanja fuzionih postrojenja bila bi 8,7 biliona dolara. (Ove kalkulacije su zasnovane na razlikama u globalnom bruto domaćem proizvodu i pretpostavljaju diskontnu stopu od 6 procenata. Nediskontovana vrednost je oko 20 puta veća.)
Cilj drugih analiza je bio da se utvrdi obim primene širom sveta po odabranim troškovima FPP. Opet, rezultati su zapanjujući. Za scenario duboke dekarbonizacije, ukupan globalni udeo proizvodnje električne energije iz fuzije u 2100. kreće se od manje od 10% ako je cena fuzije visoka do više od 50% ako je cena fuzije niska.
Druge analize su pokazale da se obim i vreme primene fuzije razlikuju u različitim delovima sveta. Rano uvođenje fuzije može se očekivati u bogatim zemljama kao što su evropske zemlje i Sjedinjene Države, koje imaju najagresivnije politike dekarbonizacije. Ali neke druge lokacije — na primer, Indija i afrički kontinent — imaće veliki rast u primeni fuzije u drugoj polovini veka zbog velikog povećanja potražnje za električnom energijom tokom tog vremena.
„U SAD i Evropi, rast potražnje će biti nizak, tako da će biti stvar prelaska sa prljavih goriva na fuziju“, objašnjava Sergej Palcev, zamenik direktora MIT Centra za nauku i strategiju održivosti i viši naučni naučnik na MITEI. „Ali u Indiji i Africi, na primer, ogroman rast ukupne potražnje za električnom energijom biće ispunjen značajnim količinama fuzije zajedno sa drugim proizvodnim resursima sa niskim sadržajem ugljenika u kasnijem delu veka.
Skup analiza fokusiranih na devet podregiona Sjedinjenih Država pokazao je da dostupnost i cena drugih tehnologija sa niskim sadržajem ugljenika, kao i koliko su emisije ugljenika strogo ograničene, imaju veliki uticaj na to kako će se FPP-ovi primeniti i koristiti. U dekarbonizovanom svetu, FPP će imati najveću penetraciju na lokacijama sa lošim diverzitetom, kapacitetom i kvalitetom obnovljivih resursa, a ograničenja emisije ugljenika će imati veliki uticaj.
Na primer, podregije Atlantika i Jugoistoka imaju niske obnovljive resurse. U tim podregionima, vetar može da proizvede samo mali deo potrebne električne energije, čak i uz maksimalnu izgradnju vetra na kopnu. Dakle, fuzija je potrebna u tim podregionima, čak i kada su ograničenja ugljenika relativno blaga, a svi dostupni FPP-ovi bi radili većinu vremena.
Nasuprot tome, centralni podregion Sjedinjenih Država ima odlične obnovljive resurse, posebno vetar. Dakle, fuzija se takmiči u centralnom podregionu samo kada su ograničenja emisije ugljenika veoma stroga, a FPP će obično raditi samo kada obnovljivi izvori energije ne mogu da zadovolje potražnju.
Analiza elektroenergetskog sistema koji opslužuje države Nove Engleske dala je izuzetno detaljne rezultate. Koristeći alat za modeliranje razvijen u MITEI-u, tim za fuziju je istražio uticaj korišćenja različitih pretpostavki ne samo o ograničenjima troškova i emisija, već čak io detaljima kao što su potencijalna ograničenja korišćenja zemljišta koja utiču na upotrebu specifičnih VRE. Ovaj pristup im je omogućio da izračunaju cenu FPP-a po kojoj fuzione jedinice počinju da se instaliraju.
Takođe su mogli da istraže kako se taj „prag“ trošak promenio sa promenama ograničenja emisije ugljenika. Metod čak može pokazati po kojoj ceni FPP počinju da zamenjuju druge specifične izvore proizvodnje. U jednom setu serijala, utvrdili su cenu po kojoj će FPP-ovi početi da zamenjuju plutajuće platforme na moru vetra i solarne energije na krovu.
„Ova studija je važan doprinos komercijalizaciji fuzije jer obezbeđuje ekonomske ciljeve za korišćenje fuzije na tržištima električne energije“, primećuje Dennis G. Vhite, ko-PI studije fuzije, bivši direktor PSFC-a i Hitachi America Profesor inženjerskih nauka na Departmanu za nuklearne nauke i inženjerstvo. „Bolje kvantifikuje izazove tehničkog dizajna za programere fuzije u pogledu cena, dostupnosti i fleksibilnosti kako bi se zadovoljila promenljiva potražnja u budućnosti.“
Istraživači naglašavaju da, iako su fisione elektrane uključene u analize, nisu izvršile poređenje između fisije i fuzije, jer ima previše nepoznanica. Fuzija i nuklearna fisija su i čvrste tehnologije za proizvodnju električne energije sa niskim udjelom ugljenika; ali za razliku od fisije, fuzija ne koristi fisione materijale kao goriva i ne stvara dugovečni otpad nuklearnog goriva kojim se mora upravljati.
Kao rezultat toga, regulatorni zahtevi za FPP biće veoma različiti od propisa za današnje fisione elektrane – ali nije jasno kako će se tačno razlikovati. Isto tako, ne može se predvideti buduća percepcija javnosti i društveno prihvatanje svake od ovih tehnologija, ali bi moglo imati veliki uticaj na to koja generacija tehnologija će se koristiti da bi se zadovoljila buduća potražnja.
Rezultati studije prenose nekoliko poruka o budućnosti fuzije. Na primer, jasno je da regulacija može biti potencijalno veliki pokretač troškova. Ovo bi trebalo da motiviše kompanije za fuziju da minimiziraju svoj regulatorni i ekološki otisak u pogledu goriva i aktivnih materijala. Takođe bi trebalo da podstakne vlade da usvoje odgovarajuće i efikasne regulatorne politike kako bi maksimizirale svoju sposobnost da koriste fuzionu energiju u postizanju svojih ciljeva dekarbonizacije.
Za kompanije koje razvijaju fuzione tehnologije, poruka studije je jasno navedena u izveštaju: „Ako se mogu postići ciljevi troškova i performansi identifikovani u ovom izveštaju, naša analiza pokazuje da energija fuzije može da igra glavnu ulogu u ispunjavanju budućih potreba za električnom energijom i postizanju globalnog neto-nulte ciljeve ugljenika“.
