La Chine démarre son premier projet de cogénération nucléaire – dans une centrale AP1000

La Chine a démarré son premier système commercial de cogénération nucléaire, en utilisant deux réacteurs AP1000 nouvellement opérationnels à la centrale nucléaire de Haiyang pour chauffer 700 000 mètres carrés de logements.

Shandong Nuclear Power Co. (SDNPC), une filiale de State Power Investment Corp. (SPIC), et propriétaire de la centrale de Haiyang, a déclaré le 15 novembre que la première phase du projet de chauffage par énergie nucléaire de Shandong Haiyang avait été officiellement mise en service.

Les détails sur la façon dont Haiyang produit de la chaleur ne sont pas clairs. Généralement, dans un processus de cogénération nucléaire, un liquide de refroidissement récupère l’énergie thermique libérée par la fission dans le cœur du réacteur. Cette énergie est généralement convertie en énergie électrique par le biais d’un turbo-alternateur, mais lorsque la chaleur fait partie de l’utilisation finale, elle peut être utilisée directement pour le chauffage et le refroidissement urbains, la vapeur de procédé, le dessalement, l’hydrogène ou la fabrication d’acier.

Vaste expansion prévue pour le projet de chaleur de Haiyang

L’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA), qui a publié des orientations sur la cogénération d’énergie nucléaire en septembre dernier, note que la combinaison de la chaleur et de l’énergie nucléaire n’est pas nouvelle, bien que l’intérêt pour celle-ci soit croissant. Environ 43 réacteurs nucléaires dans le monde génèrent du chauffage urbain, dont la plupart se trouvent en Europe de l’Est et en Russie ; environ 17, au Japon, au Kazakhstan et aux États-Unis, dessalent de l’eau ; et des applications industrielles non électriques ont été réalisées dans sept réacteurs au Canada, en Allemagne, en Inde et en Suisse.

Au total, les projets de cogénération nucléaire dans le monde ont accumulé à ce jour près de 750 années d’exploitation – ce qui est à comparer aux 17 000 années de réacteur pour l’énergie nucléaire civile. Parmi les réacteurs qui fournissent aujourd’hui du chauffage urbain, la puissance thermique produite varie de 5 MWth à 240 MWth, indique l’AIEA. La puissance thermique totale distribuée est d’environ 5 000 MWth, selon l’AIEA, ce qui correspond à un prélèvement énergétique moyen de moins de 5 %. « Cela signifie que, même s’il fonctionne en mode cogénération, la production primaire du réacteur reste de l’énergie électrique », explique-t-elle.

Le projet Haiyang est important pour deux raisons : Il tire parti de l’énergie des réacteurs de troisième génération nouvellement construits – certains des premiers AP1000 achevés à ce jour ; et son succès servira de modèle pour la diversification de l’énergie nucléaire et une expansion de la chaleur « propre » en Chine, qui a 45,6 GW de capacité nucléaire installée et a 11 autres GW en construction.

Dans le cadre de la première étape, le projet fournit de la chaleur au dortoir des employés de la centrale nucléaire et à certaines zones résidentielles de Haiyang, une ville côtière de la province du Shandong, dans l’est de la Chine, qui compte environ 658 000 habitants. Aucun calendrier n’est fourni, mais SDNPC indique qu’une étape ultérieure impliquera des modifications des unités 1 et 2 pour étendre la capacité de chauffage à 30 millions de mètres carrés.

SPIC, quant à elle, prévoit de construire quatre unités supplémentaires à Haiyang, mais celles-ci seront dotées d’une standardisation locale de la conception de l’AP1000, connue sous le nom de CAP1000. Les unités 3 et 4 ont reçu l’autorisation de construire en décembre 2015 et la construction devait commencer en 2017, mais aucun progrès n’a encore été signalé. L’unité 1 de la centrale de Haiyang a commencé à fonctionner en octobre 2018, l’unité 2 ayant suivi en janvier, après des retards dus à des problèmes d’équipement et au moratoire de trois ans consécutif à l’accident de Fukushima. Les unités 1 et 2 de Haiyang maintiennent actuellement « un fonctionnement sûr et stable », a déclaré SDNPC, ajoutant qu’elle s’attend à ce que la production annuelle d’électricité de la centrale en 2019 atteigne 20,6 TWh, soit suffisamment pour répondre à environ un tiers de la demande annuelle des besoins résidentiels de la province de Shandong.

Si les unités prévues sont achevées, le projet de chauffage par énergie nucléaire de Shandong Haiyang pourrait fournir une capacité de chauffage de plus de 200 millions de mètres carrés, soit un rayon de chauffage d’environ 100 kilomètres. Cela se traduit par une « économie annuelle d’environ 6,62 millions de tonnes de charbon standard ». Actuellement, le projet permet d’économiser 23 200 tonnes de charbon, selon SDNPC. La société prévoit que d’ici 2030, Haiyang et d’autres « méthodes de chauffage à énergie propre » pourraient remplacer toutes les chaudières à charbon de la péninsule de Jiaodong.

Les succès de Haiyang pourraient également être adoptés par d’autres régions, a déclaré Ling Wen, gouverneur adjoint de la province du Shandong, lors d’une réunion d' »observation » du projet et d’un séminaire d’experts sur « l’utilisation complète de l’énergie nucléaire » organisé par l’Administration nationale de l’énergie (AEN) à Haiyang le 28 novembre. Lors de l’événement, Liu Baohua, directeur adjoint de l’AEN, a également noté que la mise en service officielle du projet de chauffage nucléaire est un élément essentiel de la nouvelle stratégie nationale de sécurité énergétique du pays, qui mettra l’accent sur la diversification de l’énergie nucléaire. Il a exhorté à promouvoir activement la « précieuse expérience » acquise dans le cadre du projet.

Parmi les autres projets discutés lors de la réunion, il y a celui qui pourrait appliquer l’énergie nucléaire au dessalement de l’eau de mer. SDNPC a annoncé le 12 octobre un partenariat avec le gouvernement municipal de Haiyang et Zhonglian Energy pour des projets de chauffage et de dessalement nucléaires. Selon l’annonce, les partenaires ont déjà réalisé une étude de faisabilité d’un projet de démonstration de dessalement à grande échelle.

Les responsables présents à l’événement ont également noté que le projet de chauffage n’augmentait pas la charge financière de SPIC. Les détails concernant les coûts ne sont pas non plus clairs. Selon l’AIEA, un investissement initial est généralement nécessaire pour le transport et la distribution de la chaleur, mais elle note que « dans de nombreux cas, le résultat est une énergie moins chère pour le consommateur. » Elle ajoute : « Après amortissement, la chaleur résiduelle des réacteurs nucléaires est la forme de chaleur la moins chère. »

Pourquoi la cogénération nucléaire est si chaude en ce moment

L’AIEA a compilé son rapport d’orientation sur la base d’un regain d’intérêt pour la chaleur et l’électricité nucléaires combinées – à la fois de la part des producteurs existants et des développeurs de petits et moyens réacteurs (de 300 MW à 700 MW) – en raison de certains avantages clés.

Le principal d’entre eux est que la cogénération récupère la chaleur résiduelle – et qu’elle pourrait porter le rendement énergétique d’une centrale nucléaire à 80 %. « Le rendement de conversion typique de la chaleur en électricité est de 33%. Par conséquent, environ deux tiers de l’énergie de fission finissent par chauffer l’atmosphère ou l’eau de refroidissement », explique le rapport. « La cogénération permet d’utiliser une partie, voire la totalité, de la chaleur résiduelle. » Cela pourrait offrir aux producteurs d’énergie nucléaire une source de revenus potentiellement lucrative, une base de clients élargie et une meilleure flexibilité, car elle permet de basculer éventuellement entre les deux sorties en fonction des signaux du marché et de la demande.

Pourtant, un autre avantage que l’AIEA souligne est que la cogénération pourrait réduire les déchets nucléaires, en notant : « Utiliser plus d’énergie par fission dans un mode de cogénération … réduit la quantité de déchets générés par unité d’énergie. »

Significativement, l’AIEA dit que la sécurité d’une centrale nucléaire ne dépend pas de la performance opérationnelle d’une centrale thermique de cogénération, mais elle note que « tout transfert potentiel de radioactivité à travers le système jusqu’à la ligne principale de transfert de chaleur, » est une préoccupation spécifique. « Un bon moyen pratique d’empêcher toute contamination radioactive d’un système d’application de chaleur, par exemple, est d’isoler physiquement la boucle primaire du réacteur de la ligne de transfert principale », conseille-t-il. « Cela se fait évidemment dans un réacteur à eau pressurisée (REP) car la boucle secondaire est déjà un système isolé en circuit fermé servant de barrière aux contaminants. Cependant, dans un réacteur à eau bouillante (BWR), une boucle d’eau supplémentaire serait nécessaire entre l’échangeur de chaleur/condenseur à la sortie de la turbine et la ligne de transport de chaleur principale (MHT). »

L’AIEA indique toutefois que jusqu’à présent, dans les systèmes de chauffage urbain utilisant la chaleur nucléaire, « il n’y a pas eu de problème majeur identifié lié à l’extraction de la chaleur d’une centrale nucléaire. » Les obstacles sont généralement rencontrés par les systèmes plus anciens, qui peuvent souffrir de pertes de chaleur élevées lors de la production, du transport, de la distribution et de l’utilisation finale. Toutefois, l’étude conclut que la cogénération peut être ajoutée aux centrales existantes et, selon le site, le type de réacteur et la proximité des utilisateurs finaux, elle estime qu’une centrale existante pourrait récupérer ses coûts en cinq ans si elle était convertie pour fournir du chauffage urbain. En général, « la chaleur nucléaire sous forme d’eau chaude peut être livrée jusqu’à une distance de 150 km à un coût compétitif et avec une perte déclarée inférieure à 2 % », indique-t-il.

Pour autant, il suggère que la cogénération est plus attrayante pour les nouveaux réacteurs nucléaires de petite et moyenne taille parce que ces conceptions intègrent des dispositifs de sécurité améliorés, qu’elles nécessitent souvent des investissements plus faibles, qu’elles présentent moins de risques financiers et qu’elles peuvent être plus faciles à implanter plus près des utilisateurs finaux.

Les réacteurs à eau légère sont peut-être mieux adaptés au chauffage urbain et au dessalement, en raison de leur faible plage de température de fonctionnement, tandis que les températures de fonctionnement élevées des réacteurs rapides refroidis au plomb (550C), des réacteurs à sels fondus (700C à 800C), des réacteurs rapides refroidis au gaz (850C) et des réacteurs à très haute température (900C à 1 000C) sont mieux adaptés à la chaleur industrielle et à la production d’hydrogène, ainsi qu’au dessalement et au chauffage urbain lorsqu’ils sont utilisés comme systèmes de cogénération, indique le rapport.

L’éventail des applications non électriques potentielles que les cogénérateurs nucléaires pourraient exploiter est également vaste. Il s’agit notamment de la production de vapeur à haute température pour alimenter les processus industriels et la production d’hydrogène. Ils pourraient « premièrement, valoriser les ressources pétrolières de faible qualité telles que les sables bitumineux tout en compensant les émissions de carbone associées au reformage du méthane à la vapeur ; deuxièmement, soutenir la production à grande échelle de carburants liquides synthétiques à partir de la biomasse, du charbon ou d’autres sources de carbone ; et, troisièmement, servir directement de carburant pour les véhicules, très probablement en utilisant des piles à combustible », indique l’AIEA. L’agence note qu’elle a entrepris des activités pour aider les États membres à explorer ces possibilités en profondeur.

-Sonal Patel est un rédacteur associé principal de POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine)

.