China Starts Up First Nuclear Cogeneration Project-at AP1000 Plant

La Cina ha avviato il suo primo sistema di cogenerazione nucleare commerciale, utilizzando due reattori AP1000 appena operativi presso la centrale nucleare Haiyang per riscaldare 700.000 metri quadrati di abitazioni.

Shandong Nuclear Power Co. (SDNPC), una filiale della State Power Investment Corp. (SPIC), e proprietario dell’impianto Haiyang, il 15 novembre ha detto che la prima fase del progetto di riscaldamento dell’energia nucleare di Shandong Haiyang è stata formalmente messa in funzione.

I dettagli su come Haiyang produce calore non sono chiari. Generalmente, in un processo di cogenerazione nucleare, un refrigerante recupera l’energia termica rilasciata dalla fissione nel nucleo del reattore. Quell’energia è di solito convertita in energia elettrica attraverso un generatore a turbina, ma quando il calore fa parte dell’uso finale, può essere usato direttamente per il teleriscaldamento e il raffreddamento, vapore di processo, desalinizzazione, idrogeno o produzione di acciaio.

Vasta espansione prevista per Haiyang Heat Project

L’International Atomic Energy Agency (IAEA), che ha pubblicato una guida sulla cogenerazione di energia nucleare questo settembre, nota che la combinazione di calore ed energia nucleare non è nuova, anche se l’interesse in essa sta crescendo. Circa 43 reattori nucleari nel mondo generano teleriscaldamento, la maggior parte dei quali sono in Europa orientale e in Russia; circa 17, in Giappone, Kazakistan e Stati Uniti, desalinizzano l’acqua; e applicazioni industriali non elettriche sono state realizzate in sette reattori in Canada, Germania, India e Svizzera.

In totale, i progetti di cogenerazione nucleare in tutto il mondo hanno accumulato fino ad oggi quasi 750 anni di esperienza operativa, in confronto ai 17.000 anni di esperienza dei reattori per il nucleare civile. Dei reattori che oggi forniscono teleriscaldamento, la potenza termica prodotta varia da 5 MWth a 240 MWth, dice l’AIEA. Il totale della potenza termica distribuita è di circa 5.000 MWth, secondo l’AIEA, che corrisponde a un prelievo medio di energia inferiore al 5%. “Questo significa che, anche se funziona in modalità di cogenerazione, l’uscita primaria del reattore è ancora energia elettrica”, ha spiegato.

Il progetto Haiyang è importante per due motivi: Sfrutta l’energia dei reattori di terza generazione di recente costruzione – alcuni dei primi AP1000 completati fino ad oggi; e il suo successo servirà come modello per la diversificazione dell’energia nucleare e un’espansione del calore “pulito” in Cina, che ha 45,6 GW di capacità nucleare installata e ha altri 11 GW in costruzione.

Come parte della prima fase, il progetto sta fornendo calore al dormitorio dei dipendenti della centrale nucleare e ad alcune aree residenziali di Haiyang, una città costiera nella provincia di Shandong, nella Cina orientale, che ha una popolazione di circa 658.000 persone. Non è stato fornito un calendario, ma SDNPC dice che una fase successiva comporterà modifiche alle Unità 1 e 2 per espandere la capacità di riscaldamento a 30 milioni di metri quadrati.

SPIC, nel frattempo, prevede di costruire altre quattro unità a Haiyang, anche se queste saranno caratterizzate da una standardizzazione locale del progetto AP1000, noto come CAP1000. Mentre le unità 3 e 4 hanno ricevuto l’approvazione per la costruzione nel dicembre 2015 e la costruzione doveva iniziare nel 2017, nessun progresso è stato ancora riportato. L’unità 1 dell’impianto Haiyang è entrata in funzione nell’ottobre 2018, mentre l’unità 2 è entrata in funzione a gennaio, dopo i ritardi dovuti a problemi alle attrezzature e alla moratoria di tre anni dopo l’incidente di Fukushima. Le unità 1 e 2 di Haiyang stanno attualmente mantenendo “un funzionamento sicuro e stabile”, ha detto SDNPC, aggiungendo che si aspetta che la produzione annuale di energia dalla centrale nel 2019 raggiungerà i 20,6 TWh, sufficienti a soddisfare circa un terzo della domanda annuale da parte delle esigenze residenziali della provincia di Shandong.

Se le unità previste saranno completate, il progetto di riscaldamento ad energia nucleare di Shandong Haiyang potrebbe fornire più di 200 milioni di metri quadrati di capacità di riscaldamento, o un raggio di riscaldamento di circa 100 chilometri. Questo si traduce in un “risparmio annuale di circa 6,62 milioni di tonnellate di carbone standard”. Attualmente, il progetto risparmia 23.200 tonnellate di carbone, ha detto SDNPC. La società prevede che entro il 2030, Haiyang e altri “metodi di riscaldamento ad energia pulita” potrebbero sostituire tutte le caldaie a carbone nella penisola di Jiaodong.

Il successo di Haiyang potrebbe essere adottato anche da altre regioni, ha detto Ling Wen, vice governatore della provincia di Shandong, in una riunione di “osservazione” del progetto e in un seminario di esperti sull'”utilizzo completo dell’energia nucleare” ospitato dalla National Energy Administration (NEA) a Haiyang il 28 novembre. All’evento, Liu Baohua, vicedirettore della NEA, ha anche notato che la messa in servizio ufficiale del progetto di riscaldamento nucleare è una parte critica della nuova strategia nazionale di sicurezza energetica del paese, che enfatizzerà la diversificazione dell’energia nucleare. Ha sollecitato la promozione attiva della “preziosa esperienza” acquisita dal progetto.

Tra gli altri progetti discussi alla riunione ce n’è uno che potrebbe applicare l’energia nucleare per la desalinizzazione dell’acqua di mare. SDNPC il 12 ottobre ha annunciato una partnership con il governo municipale di Haiyang e Zhonglian Energy per progetti di riscaldamento e desalinizzazione nucleare. Secondo l’annuncio, i partner hanno già condotto uno studio di fattibilità di un progetto dimostrativo di desalinizzazione su larga scala.

I funzionari all’evento hanno anche notato che il progetto di riscaldamento non ha aumentato l’onere finanziario della SPIC. Anche i dettagli sui costi non sono chiari. Secondo l’AIEA, un investimento iniziale è tipicamente richiesto per il trasporto e la distribuzione del calore, ma nota che “in molti casi, il risultato è un’energia più economica per il consumatore”. Essa aggiunge: “Dopo l’ammortamento, il calore di scarto del reattore nucleare è la forma più economica di calore”.

Perché la cogenerazione nucleare è così calda in questo momento

L’AIEA ha compilato il suo rapporto di orientamento sulla base di un’impennata di interesse per la cogenerazione di calore ed energia nucleare, sia dai generatori esistenti che dagli sviluppatori di reattori piccoli e medi (tra 300 MW e 700 MW), grazie ad alcuni vantaggi chiave.

Il principale è che la cogenerazione recupera il calore di scarto e potrebbe aumentare l’efficienza energetica di un impianto nucleare all’80%. “L’efficienza tipica di conversione dal calore all’elettricità è del 33%. Quindi, circa due terzi dell’energia di fissione finiscono per riscaldare l’atmosfera o l’acqua di raffreddamento”, spiega. “La cogenerazione permette di utilizzare una parte, se non tutto, del calore di scarto”. Questo potrebbe offrire ai produttori di energia nucleare una fonte di reddito potenzialmente lucrativa, una base di clienti ampliata, e una migliore flessibilità, perché permette una possibile commutazione tra le due uscite a seconda dei segnali di mercato e della domanda.

Un altro vantaggio che l’AIEA sottolinea è che la cogenerazione potrebbe ridurre le scorie nucleari, notando: “Utilizzare più energia per fissione in modalità di cogenerazione … riduce la quantità di rifiuti generati per unità di energia”.

Significativamente, l’AIEA dice che la sicurezza di una centrale nucleare non si basa sulle prestazioni operative di un impianto di calore di cogenerazione, ma nota “qualsiasi potenziale trasferimento di radioattività attraverso il sistema fino alla linea principale di trasferimento del calore”, è una preoccupazione specifica. “Un buon modo pratico per prevenire qualsiasi contaminazione radioattiva in un sistema di applicazione del calore, per esempio, è quello di isolare fisicamente il circuito primario del reattore dalla linea di trasferimento principale”, consiglia. “Questo è ovviamente fatto in un reattore ad acqua pressurizzata (PWR), poiché il circuito secondario è già un sistema isolato a circuito chiuso che serve da barriera per i contaminanti. Tuttavia, in un reattore ad acqua bollente (BWR), sarebbe necessario un ulteriore loop d’acqua tra lo scambiatore di calore/condensatore all’uscita della turbina e la linea principale di trasporto del calore (MHT).”

L’AIEA dice, tuttavia, che finora, nei sistemi di teleriscaldamento che utilizzano il calore nucleare, “non è stato identificato alcun problema importante relativo all’estrazione del calore da un impianto nucleare.” Gli ostacoli sono generalmente affrontati dai sistemi più vecchi, che possono soffrire di alte perdite di calore nella generazione, trasporto, distribuzione e uso finale. Tuttavia, conclude che la cogenerazione può essere aggiunta agli impianti esistenti e, a seconda del sito, del tipo di reattore e della vicinanza agli utenti finali, stima che un impianto esistente potrebbe recuperare i costi entro cinque anni se convertito per fornire calore a distanza. In generale, “il calore nucleare sotto forma di acqua calda può essere consegnato fino a 150 miglia a costi competitivi e con una perdita riportata inferiore al 2%”, dice.

Ancora, suggerisce che la cogenerazione è più attraente per i nuovi reattori nucleari di piccole e medie dimensioni perché questi progetti incorporano caratteristiche di sicurezza migliorate, spesso richiedono investimenti minori, pongono meno rischi finanziari, e possono essere più facili da collocare più vicino agli utenti finali.

I reattori ad acqua leggera sono forse più adatti al teleriscaldamento e alla desalinizzazione, a causa della loro bassa gamma di temperature di lavoro, mentre le alte temperature di lavoro dei reattori veloci raffreddati a piombo (550C), dei reattori a sale fuso (da 700C a 800C), dei reattori veloci raffreddati a gas (850C) e dei reattori ad altissima temperatura (da 900C a 1.000C) sono più adatti al calore di processo industriale e alla produzione di idrogeno, così come alla desalinizzazione e al teleriscaldamento quando sono usati come sistemi di cogenerazione, si dice.

La gamma di potenziali applicazioni non elettriche che i cogeneratori nucleari potrebbero sfruttare è anche vasta. Queste includono la produzione di vapore ad alta temperatura per alimentare processi industriali e la produzione di idrogeno. Potrebbero “in primo luogo, migliorare le risorse petrolifere di bassa qualità come le sabbie bituminose, compensando le emissioni di carbonio associate al reforming del metano a vapore; in secondo luogo, sostenere la produzione su larga scala di combustibili liquidi sintetici basati su biomassa, carbone o altre fonti di carbonio; e, in terzo luogo, servire direttamente come carburante per veicoli, molto probabilmente utilizzando celle a combustibile”, dice l’AIEA. L’agenzia nota che ha intrapreso attività per aiutare gli stati membri a esplorare a fondo queste opportunità.

-Sonal Patel è un senior associate editor di POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine)

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