China nimmt erstes nukleares Kraft-Wärme-Kopplungsprojekt in AP1000-Anlage in Betrieb
China hat sein erstes kommerzielles nukleares Kraft-Wärme-Kopplungssystem in Betrieb genommen, bei dem zwei neu in Betrieb genommene AP1000-Reaktoren im Kernkraftwerk Haiyang zur Beheizung von 700.000 Quadratmetern Wohnraum eingesetzt werden.
Shandong Nuclear Power Co. (SDNPC), eine Tochtergesellschaft der State Power Investment Corp. (SPIC) und Eigentümerin des Haiyang-Kraftwerks, erklärte am 15. November, dass die erste Phase des Shandong Haiyang Nuclear Energy Heating Project offiziell in Betrieb genommen wurde.
Details darüber, wie Haiyang Wärme produziert, sind unklar. Im Allgemeinen wird bei der nuklearen Kraft-Wärme-Kopplung die durch die Kernspaltung im Reaktorkern freigesetzte Wärmeenergie durch ein Kühlmittel zurückgewonnen. Diese Energie wird in der Regel durch einen Turbinengenerator in elektrische Energie umgewandelt, aber wenn Wärme Teil der Endnutzung ist, kann sie direkt für Fernwärme und -kühlung, Prozessdampf, Entsalzung, Wasserstoff oder Stahlherstellung verwendet werden.
Großer Ausbau des Haiyang-Wärmeprojekts geplant
Die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO), die im September dieses Jahres einen Leitfaden zur Kernenergie-Kraft-Wärme-Kopplung veröffentlicht hat, stellt fest, dass die Kraft-Wärme-Kopplung nicht neu ist, obwohl das Interesse an ihr wächst. Etwa 43 Kernreaktoren auf der ganzen Welt erzeugen Fernwärme, die meisten davon in Osteuropa und Russland; etwa 17, in Japan, Kasachstan und den USA, entsalzen Wasser; und in sieben Reaktoren in Kanada, Deutschland, Indien und der Schweiz wurden industrielle nicht-elektrische Anwendungen realisiert.
Insgesamt haben nukleare Kraft-Wärme-Kopplungsprojekte auf der ganzen Welt bis heute fast 750 Betriebsjahre Erfahrung gesammelt – im Vergleich zu 17.000 Reaktorjahren Erfahrung mit der zivilen Kernkraft. Bei den Reaktoren, die heute Fernwärme liefern, liegt die Wärmeleistung zwischen 5 MWth und 240 MWth, so die IAEO. Die gesamte verteilte Wärmeleistung beträgt nach Angaben der IAEO rund 5.000 MWth, was einem durchschnittlichen Energieentzug von weniger als 5 % entspricht. „Das bedeutet, dass die primäre Leistung des Reaktors, auch wenn er in Kraft-Wärme-Kopplung betrieben wird, immer noch elektrische Energie ist“, erklärte sie.
Das Haiyang-Projekt ist aus zwei Gründen wichtig: Es nutzt Energie aus neu gebauten Reaktoren der dritten Generation – einige der ersten AP1000, die bisher fertiggestellt wurden; und sein Erfolg wird als Blaupause für die Diversifizierung der Kernenergie und eine „saubere“ Wärmeexpansion in China dienen, das 45,6 GW an installierter Kernkraftkapazität hat und weitere 11 GW im Bau hat.
In der ersten Phase versorgt das Projekt das Mitarbeiterwohnheim des Kernkraftwerks und einige Wohngebiete in Haiyang, einer Küstenstadt in der ostchinesischen Provinz Shandong mit rund 658.000 Einwohnern, mit Wärme. Ein Zeitplan wird nicht genannt, aber SDNPC sagt, dass in einer späteren Phase Änderungen an den Blöcken 1 und 2 vorgenommen werden sollen, um die Heizkapazität auf 30 Millionen Quadratmeter zu erweitern.
SPIC plant unterdessen den Bau von vier weiteren Blöcken in Haiyang, die jedoch eine lokale Standardisierung des AP1000-Designs, bekannt als CAP1000, aufweisen werden. Während die Blöcke 3 und 4 im Dezember 2015 die Baugenehmigung erhielten und der Baubeginn für 2017 vorgesehen war, wurden bisher keine Fortschritte gemeldet. Block 1 der Haiyang-Anlage wurde im Oktober 2018 in Betrieb genommen, Block 2 folgte im Januar, nachdem es aufgrund von Ausrüstungsproblemen und des dreijährigen Moratoriums nach dem Fukushima-Unfall zu Verzögerungen gekommen war. Die Blöcke 1 und 2 von Haiyang befinden sich derzeit in einem „sicheren und stabilen Betrieb“, sagte SDNPC und fügte hinzu, dass sie erwartet, dass die jährliche Stromerzeugung aus dem Kraftwerk im Jahr 2019 20,6 TWh erreichen wird – genug, um etwa ein Drittel des jährlichen Bedarfs der Haushalte in der Provinz Shandong zu decken.
Wenn die geplanten Einheiten fertiggestellt sind, könnte das Shandong Haiyang Nuclear Energy Heating Project eine Heizkapazität von mehr als 200 Millionen Quadratmetern oder einen Heizradius von etwa 100 Kilometern bereitstellen. Das bedeutet eine jährliche Einsparung von etwa 6,62 Millionen Tonnen Standardkohle“. Derzeit spart das Projekt 23.200 Tonnen Kohle ein, so SDNPC. Das Unternehmen geht davon aus, dass Haiyang und andere „Heizmethoden mit sauberer Energie“ bis 2030 alle kohlebefeuerten Heizkessel auf der Jiaodong-Halbinsel ersetzen könnten.
Der Erfolg von Haiyang könne auch von anderen Regionen übernommen werden, sagte Ling Wen, stellvertretender Gouverneur der Provinz Shandong, bei einem Projektbeobachtungstreffen und einem Expertenseminar über die „umfassende Nutzung der Kernenergie“, das von der Nationalen Energiebehörde (NEA) am 28. November in Haiyang veranstaltet wurde. Liu Baohua, stellvertretender Direktor der NEA, wies auf der Veranstaltung darauf hin, dass die offizielle Inbetriebnahme des Kernheizungsprojekts ein entscheidender Bestandteil der neuen nationalen Energiesicherheitsstrategie des Landes sei, bei der die Diversifizierung der Kernenergie im Vordergrund stehe. Er rief dazu auf, die aus dem Projekt gewonnenen „wertvollen Erfahrungen“ aktiv zu fördern.
Zu den weiteren Projekten, die auf dem Treffen erörtert wurden, gehört ein Projekt, bei dem Kernenergie zur Meerwasserentsalzung eingesetzt werden könnte. Die SDNPC gab am 12. Oktober eine Partnerschaft mit der Stadtverwaltung von Haiyang und Zhonglian Energy für Projekte zur nuklearen Beheizung und Entsalzung bekannt. Der Ankündigung zufolge haben die Partner bereits eine Machbarkeitsstudie für ein groß angelegtes Entsalzungs-Demonstrationsprojekt durchgeführt.
Beamte auf der Veranstaltung wiesen auch darauf hin, dass das Heizprojekt die finanzielle Belastung der SPIC nicht erhöht. Einzelheiten zu den Kosten sind ebenfalls unklar. Nach Angaben der IAEO ist in der Regel eine Anfangsinvestition für den Wärmetransport und die Wärmeverteilung erforderlich, aber sie stellt fest, dass „in vielen Fällen das Ergebnis billigere Energie für den Verbraucher ist.“ Sie fügt hinzu: „Nach der Amortisation ist die Abwärme von Kernreaktoren die billigste Form von Wärme.“
Warum die nukleare Kraft-Wärme-Kopplung im Moment so angesagt ist
Die IAEO hat ihren Leitfadenbericht aufgrund des stark gestiegenen Interesses an der nuklearen Kraft-Wärme-Kopplung erstellt – sowohl bei den bestehenden Erzeugern als auch bei den Entwicklern kleiner und mittlerer Reaktoren (zwischen 300 MW und 700 MW) -, was auf einige wesentliche Vorteile zurückzuführen ist.
Der wichtigste davon ist, dass die Kraft-Wärme-Kopplung Abwärme zurückgewinnt und die Energieeffizienz eines Kernkraftwerks auf 80 % steigern könnte. „Der typische Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Wärme in Strom liegt bei 33 %. Daher enden etwa zwei Drittel der Spaltungsenergie in der Erwärmung der Atmosphäre oder des Kühlwassers“, heißt es dort. „Die Kraft-Wärme-Kopplung ermöglicht die Nutzung eines Teils, wenn nicht der gesamten Abwärme. Dies könnte den Kernenergieerzeugern eine potenziell lukrative Einnahmequelle, einen erweiterten Kundenstamm und mehr Flexibilität bieten, da je nach Marktsignalen und Nachfrage zwischen den beiden Outputs gewechselt werden kann.
Ein weiterer Vorteil, den die IAEO hervorhebt, ist, dass die Kraft-Wärme-Kopplung den nuklearen Abfall reduzieren könnte: „Die Nutzung von mehr Energie pro Spaltung in einem Kraft-Wärme-Kopplungs-Modus … reduziert die Menge des pro Energieeinheit erzeugten Abfalls.“
Bezeichnenderweise sagt die IAEO, dass die Sicherheit eines Kernkraftwerks nicht von der Betriebsleistung einer KWK-Anlage abhängt, aber sie stellt fest, dass „eine mögliche Übertragung von Radioaktivität durch das System bis zur Hauptwärmeübertragungsleitung“ ein besonderes Problem darstellt. „Ein guter praktischer Weg, um jegliche radioaktive Kontamination in einem Wärmeanwendungssystem zu verhindern, ist beispielsweise die physische Isolierung des Primärkreislaufs des Reaktors von der Hauptübertragungsleitung“, rät sie. „Dies ist bei einem Druckwasserreaktor (DWR) selbstverständlich, da der Sekundärkreislauf bereits ein isoliertes geschlossenes System ist, das als Barriere für Kontaminanten dient. In einem Siedewasserreaktor (BWR) wäre jedoch ein zusätzlicher Wasserkreislauf zwischen dem Wärmetauscher/Kondensator am Turbinenausgang und der Hauptwärmetransportleitung (MHT) erforderlich.“
Die IAEO sagt jedoch, dass bisher in Fernwärmesystemen, die nukleare Wärme nutzen, „kein größeres Problem im Zusammenhang mit der Auskopplung von Wärme aus einem Kernkraftwerk festgestellt wurde.“ Probleme gibt es im Allgemeinen bei älteren Systemen, die unter hohen Wärmeverlusten bei der Erzeugung, dem Transport, der Verteilung und der Endnutzung leiden können. Die Studie kommt jedoch zu dem Schluss, dass die Kraft-Wärme-Kopplung in bestehende Anlagen integriert werden kann – je nach Standort, Reaktortyp und Nähe zu den Endverbrauchern könnte sich die Umstellung einer bestehenden Anlage auf Fernwärme innerhalb von fünf Jahren bezahlt machen. Im Allgemeinen kann nukleare Wärme in Form von heißem Wasser zu wettbewerbsfähigen Kosten und mit einem ausgewiesenen Verlust von weniger als 2 % bis zu einer Entfernung von 150 km geliefert werden“, heißt es in dem Bericht.
Dennoch ist die Kraft-Wärme-Kopplung für neue kleine und mittelgroße Kernreaktoren attraktiver, da diese Konstruktionen über verbesserte Sicherheitsmerkmale verfügen, häufig geringere Investitionen erfordern, weniger finanzielle Risiken mit sich bringen und sich möglicherweise leichter in der Nähe der Endverbraucher aufstellen lassen.
Leichtwasserreaktoren eignen sich aufgrund ihres niedrigen Arbeitstemperaturbereichs vielleicht am besten für Fernwärme und Entsalzung, während die hohen Arbeitstemperaturen der bleigekühlten schnellen Reaktoren (550C), der Salzschmelzenreaktoren (700C bis 800C), der gasgekühlten schnellen Reaktoren (850C) und der Hochtemperaturreaktoren (900C bis 1.000C) besser für die industrielle Prozesswärme- und Wasserstofferzeugung sowie für Entsalzung und Fernwärme geeignet sind, wenn sie als Kraft-Wärme-Kopplungssysteme eingesetzt werden, heißt es.
Das Spektrum möglicher nichtelektrischer Anwendungen für nukleare Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen ist ebenfalls groß. Dazu gehören die Erzeugung von Hochtemperaturdampf zur Versorgung von Industrieprozessen und die Wasserstofferzeugung. Sie könnten „erstens minderwertige Erdölressourcen wie Ölsande aufwerten und gleichzeitig die mit der Methanreformierung verbundenen Kohlenstoffemissionen ausgleichen, zweitens die großtechnische Herstellung synthetischer Flüssigkraftstoffe auf der Grundlage von Biomasse, Kohle oder anderen Kohlenstoffquellen unterstützen und drittens direkt als Kraftstoff für Fahrzeuge dienen, höchstwahrscheinlich unter Verwendung von Brennstoffzellen“, so die IAEO. Die Agentur weist darauf hin, dass sie Aktivitäten unternommen hat, um den Mitgliedsstaaten zu helfen, diese Möglichkeiten eingehend zu erforschen.
-Sonal Patel ist ein leitender Redakteur bei POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine)