Čína spustila první projekt jaderné kogenerace v elektrárně AP1000

Čína spustila svůj první komerční systém jaderné kogenerace, který využívá dva nově zprovozněné reaktory AP1000 v jaderné elektrárně Haiyang k vytápění 700 000 metrů čtverečních obydlí.

Shandong Nuclear Power Co. (SDNPC), dceřiná společnost společnosti State Power Investment Corp. (SPIC) a vlastník elektrárny Haiyang, 15. listopadu uvedla, že první fáze projektu vytápění jaderné elektrárny Shandong Haiyang byla oficiálně uvedena do provozu.

Podrobnosti o způsobu výroby tepla v elektrárně Haiyang nejsou jasné. Obecně platí, že v procesu jaderné kogenerace chladicí médium získává zpět tepelnou energii uvolněnou štěpením v aktivní zóně reaktoru. Tato energie se obvykle přeměňuje na elektrickou energii prostřednictvím turbogenerátoru, ale pokud je teplo součástí konečného využití, může být použito přímo pro dálkové vytápění a chlazení, procesní páru, odsolování, vodík nebo výrobu oceli.

Plánované rozsáhlé rozšíření tepelného projektu Haiyang

Mezinárodní agentura pro atomovou energii (MAAE), která letos v září zveřejnila pokyny ke kogeneraci jaderné energie, upozorňuje, že kombinovaná výroba tepla a elektřiny není novinkou, i když zájem o ni roste. Asi 43 jaderných reaktorů po celém světě vyrábí dálkové vytápění, většina z nich se nachází ve východní Evropě a Rusku; asi 17 reaktorů v Japonsku, Kazachstánu a USA odsoluje vodu; průmyslových neelektrických aplikací bylo dosaženo v sedmi reaktorech v Kanadě, Německu, Indii a Švýcarsku.

Celkově projekty jaderné kogenerace po celém světě doposud nashromáždily téměř 750 let provozních zkušeností – což je pro srovnání 17 000 let zkušeností s reaktory v civilní jaderné energetice. Z reaktorů, které dnes zajišťují dálkové vytápění, se tepelný výkon pohybuje od 5 MWth do 240 MWth, uvádí MAAE. Celkový distribuovaný tepelný výkon se podle MAAE pohybuje kolem 5 000 MWth, což odpovídá průměrnému odběru méně než 5 % energie. „To znamená, že i při provozu v kogeneračním režimu je primárním výstupem reaktoru stále elektrická energie,“ vysvětluje.

Projekt Haiyang je důležitý ze dvou důvodů: Využívá energii z nově postavených reaktorů třetí generace – jedněch z prvních dosud dokončených reaktorů AP1000; a jeho úspěch poslouží jako plán pro diverzifikaci jaderné energie a rozšíření „čistého“ tepla v Číně, která má 45,6 GW instalovaného jaderného výkonu a dalších 11 GW je ve výstavbě.

V rámci první etapy projekt zásobuje teplem ubytovnu zaměstnanců jaderné elektrárny a některé obytné oblasti v Haiyangu, pobřežním městě v provincii Shandong na východě Číny, které má přibližně 658 000 obyvatel. Časový harmonogram není uveden, ale SDNPC uvádí, že pozdější etapa bude zahrnovat úpravy bloků 1 a 2 s cílem rozšířit kapacitu vytápění na 30 milionů metrů čtverečních.

SPIC mezitím plánuje v Haiyangu postavit další čtyři bloky, ty však budou mít místní standardizaci konstrukce AP1000, známou jako CAP1000. Přestože bloky 3 a 4 získaly povolení ke stavbě v prosinci 2015 a jejich výstavba měla být zahájena v roce 2017, zatím nebyl zaznamenán žádný pokrok. První blok elektrárny Chaj-jang zahájil provoz v říjnu 2018, druhý blok následoval v lednu, po zpoždění způsobeném problémy se zařízením a tříletým moratoriem po fukušimské havárii. Bloky 1 a 2 elektrárny Haiyang v současné době udržují „bezpečný a stabilní provoz“, uvedla společnost SDNPC a dodala, že očekává, že roční výroba elektřiny z elektrárny v roce 2019 dosáhne 20,6 TWh – což postačí k pokrytí přibližně třetiny roční poptávky obyvatel provincie Shandong.

Pokud budou plánované bloky dokončeny, mohl by projekt Shandong Haiyang Nuclear Energy Heating Project poskytnout více než 200 milionů metrů čtverečních tepelné kapacity, což představuje okruh vytápění přibližně 100 kilometrů. To znamená „roční úsporu přibližně 6,62 milionu tun standardního uhlí“. V současné době projekt šetří 23 200 tun uhlí, uvedla společnost SDNPC. Společnost předpokládá, že do roku 2030 by Haiyang a další „metody vytápění čistou energií“ mohly nahradit všechny kotle na uhlí na poloostrově Jiaodong.

Úspěch elektrárny Haiyang by mohly převzít i další regiony, uvedl Ling Wen, náměstek guvernéra provincie Shandong, na „pozorovacím“ setkání projektu a odborném semináři o „komplexním využití jaderné energie“, který 28. listopadu v Haiyangu uspořádala Národní energetická správa (NEA). Liu Baohua, náměstek ředitele NEA, na akci rovněž poznamenal, že oficiální uvedení projektu jaderného vytápění do provozu je důležitou součástí nové národní strategie energetické bezpečnosti země, která bude klást důraz na diverzifikaci jaderné energie. Vyzval k aktivní propagaci „cenných zkušeností“ získaných z projektu.

Mezi dalšími projekty, o nichž se na zasedání jednalo, je i projekt, který by mohl využít jadernou energii pro odsolování mořské vody. Společnost SDNPC 12. října oznámila partnerství s městskou samosprávou Haiyang a společností Zhonglian Energy pro projekty jaderného vytápění a odsolování. Podle tohoto oznámení již partneři provedli studii proveditelnosti rozsáhlého demonstračního projektu odsolování.

Úředníci na akci také poznamenali, že projekt vytápění nezvyšuje finanční zátěž SPIC. Podrobnosti o nákladech jsou rovněž nejasné. Podle MAAE je obvykle zapotřebí počáteční investice na dopravu a distribuci tepla, ale poznamenává, že „v mnoha případech je výsledkem levnější energie pro spotřebitele“. Dodává: „Po amortizaci je odpadní teplo z jaderných reaktorů nejlevnější formou tepla.“

Proč je jaderná kogenerace právě teď tak žhavá

MEA sestavila svou orientační zprávu na základě prudkého nárůstu zájmu o kombinovanou výrobu tepla a elektřiny v jaderných elektrárnách – jak ze strany stávajících výrobců, tak ze strany vývojářů malých a středních reaktorů (o výkonu od 300 MW do 700 MW) – díky některým klíčovým výhodám.

Mezi ně patří především to, že kogenerace využívá odpadní teplo – a mohla by zvýšit energetickou účinnost jaderné elektrárny až na 80 %. „Typická účinnost přeměny tepla na elektřinu je 33 %. Z toho vyplývá, že přibližně dvě třetiny štěpné energie končí ohřevem atmosféry nebo chladicí vody,“ vysvětluje. „Kogenerace umožňuje využít část, ne-li veškeré odpadní teplo.“ To by výrobcům jaderné energie mohlo nabídnout potenciálně lukrativní zdroj příjmů, rozšíření zákaznické základny a lepší flexibilitu, protože umožňuje případné přepínání mezi oběma výstupy v závislosti na signálech trhu a poptávce.

Další výhodou, kterou MAAE zdůrazňuje, je, že kogenerace by mohla snížit množství jaderného odpadu, přičemž uvádí: „Využití většího množství energie na jedno štěpení v kogeneračním režimu … snižuje množství odpadu vyprodukovaného na jednotku energie“.

Důležité je, že MAAE uvádí, že bezpečnost jaderné elektrárny nezávisí na provozní výkonnosti kogenerační tepelné elektrárny, ale upozorňuje, že „jakýkoli potenciální přenos radioaktivity systémem až do hlavního vedení pro přenos tepla,“ je specifickým problémem. „Dobrým praktickým způsobem, jak zabránit jakékoli radioaktivní kontaminaci systému aplikace tepla, je například fyzická izolace primární smyčky reaktoru od hlavního přenosového vedení,“ radí. „To se samozřejmě provádí u tlakovodního reaktoru (PWR), protože sekundární smyčka je již izolovaným uzavřeným systémem sloužícím jako bariéra pro kontaminanty. V reaktoru s vařící vodou (BWR) by však byla zapotřebí další vodní smyčka mezi výměníkem tepla/kondenzátorem na výstupu z turbíny a hlavním vedením pro přenos tepla (MHT).“

MEA však uvádí, že v systémech dálkového vytápění využívajících jaderné teplo „nebyl dosud zjištěn žádný závažný problém související s odběrem tepla z jaderné elektrárny“. S překážkami se obecně potýkají starší systémy, které mohou trpět vysokými tepelnými ztrátami při výrobě, dopravě, distribuci a konečném využití. Zpráva však dochází k závěru, že kogenerace může být přidána ke stávajícím elektrárnám – a v závislosti na lokalitě, typu reaktoru a blízkosti ke koncovým uživatelům odhaduje, že stávající elektrárna by mohla získat zpět náklady do pěti let, pokud by byla přeměněna na dálkové zásobování teplem. Obecně lze říci, že „jaderné teplo ve formě horké vody lze dodávat až do vzdálenosti 150 km za konkurenceschopné náklady a s uváděnými ztrátami nižšími než 2 %.“

Přesto se domnívá, že kogenerace je atraktivnější pro nové malé a střední jaderné reaktory, protože tyto konstrukce obsahují vylepšené bezpečnostní prvky, často vyžadují menší investice, představují menší finanční rizika a může být snazší je umístit blíže ke koncovým uživatelům.

Lehkovodní reaktory jsou zřejmě nejvhodnější pro dálkové vytápění a odsolování díky svému nízkému rozsahu pracovních teplot, zatímco vysoké pracovní teploty olovem chlazených rychlých reaktorů (550C), reaktorů s roztavenými solemi (700C až 800C), plynem chlazených rychlých reaktorů (850C) a velmi vysokoteplotních reaktorů (900C až 1 000C) jsou vhodnější pro průmyslové procesní teplo a výrobu vodíku, stejně jako pro odsolování a dálkové vytápění, pokud se používají jako kogenerační systémy, uvádí se ve zprávě.

Škála potenciálních neelektrických aplikací, které by jaderné kogenerátory mohly využívat, je rovněž široká. Patří mezi ně výroba vysokoteplotní páry pro napájení průmyslových procesů a výroba vodíku. Mohly by „zaprvé vylepšovat zdroje ropy nízké kvality, jako jsou ropné písky, a zároveň kompenzovat emise uhlíku spojené s parním reformingem metanu; zadruhé podporovat rozsáhlou výrobu syntetických kapalných paliv na bázi biomasy, uhlí nebo jiných zdrojů uhlíku; a zatřetí sloužit přímo jako palivo pro vozidla, nejspíše s využitím palivových článků,“ uvádí MAAE. Agentura uvádí, že podnikla aktivity, které mají členským státům pomoci tyto možnosti důkladně prozkoumat.

-Sonal Patel je vedoucím spolupracovníkem časopisu POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine)

.