China start eerste nucleair warmtekrachtkoppelingsproject in AP1000-installatie
China heeft zijn eerste commerciële nucleaire warmtekrachtkoppelingssysteem opgestart, waarbij twee pas in bedrijf genomen AP1000-reactoren in de Haiyang Nuclear Power Plant worden gebruikt om 700.000 vierkante meter woningen te verwarmen.
Shandong Nuclear Power Co. (SDNPC), een dochteronderneming van State Power Investment Corp. (SPIC), en eigenaar van de Haiyang-centrale, zei op 15 november dat de eerste fase van het Shandong Haiyang Nuclear Energy Heating Project formeel in gebruik was genomen.
Details over hoe Haiyang warmte produceert zijn onduidelijk. In het algemeen wordt in een nucleair warmtekrachtkoppelingsproces de thermische energie die vrijkomt bij de splijting in de reactorkern teruggewonnen uit een koelvloeistof. Die energie wordt gewoonlijk omgezet in elektrische stroom via een turbinegenerator, maar wanneer warmte deel uitmaakt van het eindgebruik, kan het rechtstreeks worden gebruikt voor stadsverwarming en -koeling, processtoom, ontzilting, waterstof, of staalproductie.
Vrote uitbreiding gepland voor Haiyang Heat Project
Het Internationaal Agentschap voor Atoomenergie (IAEA), dat in september dit jaar richtsnoeren heeft gepubliceerd over warmtekrachtkoppeling op basis van kernenergie, merkt op dat warmtekrachtkoppeling en kernenergie niet nieuw is, hoewel de belangstelling ervoor wel toeneemt. Ongeveer 43 kernreactoren in de wereld genereren stadsverwarming, waarvan de meeste in Oost-Europa en Rusland; ongeveer 17, in Japan, Kazachstan en de VS, ontzilten water; en industriële niet-elektrische toepassingen zijn gerealiseerd in zeven reactoren in Canada, Duitsland, India, en Zwitserland.
In totaal is er met nucleaire warmtekrachtkoppelingsprojecten over de hele wereld tot nu toe bijna 750 bedrijfsjaren ervaring opgedaan, vergeleken met 17.000 reactorjaren ervaring met civiele kernenergie. Van de reactoren die vandaag stadsverwarming leveren, varieert het warmtevermogen van 5 MWth tot 240 MWth, aldus de IAEA. Het totale gedistribueerde warmtevermogen bedraagt volgens de IAEA ongeveer 5.000 MWth, wat overeenkomt met een gemiddelde energieonttrekking van minder dan 5%. “Dit betekent dat de primaire output van de reactor, zelfs als deze in warmtekrachtkoppelingsmodus draait, nog steeds elektrische energie is,” legde de IAEA uit.
Het Haiyang-project is om twee redenen belangrijk: Het maakt gebruik van energie uit nieuw gebouwde reactoren van de derde generatie – enkele van de eerste AP1000’s die tot op heden zijn voltooid; en het succes ervan zal dienen als blauwdruk voor diversificatie van kernenergie en een “schone” warmte-expansie in China, dat 45,6 GW aan geïnstalleerde nucleaire capaciteit heeft en nog eens 11 GW in aanbouw heeft.
Als onderdeel van de eerste fase levert het project warmte aan de slaapzaal voor werknemers van de kerncentrale en enkele woonwijken in Haiyang, een kuststad in de provincie Shandong, Oost-China, met een bevolking van ongeveer 658.000. Er wordt geen tijdschema gegeven, maar SDNPC zegt dat een latere fase wijzigingen aan Units 1 en 2 zal inhouden om de verwarmingscapaciteit uit te breiden tot 30 miljoen vierkante meter.
SPIC, ondertussen, is van plan om nog vier eenheden te bouwen in Haiyang, hoewel deze een lokale standaardisatie van het AP1000 ontwerp zullen hebben, bekend als de CAP1000. Hoewel eenheid 3 en 4 in december 2015 bouwvergunningen hebben gekregen en de bouw in 2017 zou beginnen, is er nog geen vooruitgang gemeld. Eenheid 1 van de Haiyang-centrale is in oktober 2018 in bedrijf genomen, en eenheid 2 volgde in januari, na vertragingen als gevolg van problemen met de apparatuur en het driejarige moratorium na het ongeluk in Fukushima. Haiyang Units 1 en 2 handhaven momenteel een “veilige en stabiele werking”, zei SDNPC, eraan toevoegend dat het verwacht dat de jaarlijkse stroomproductie van de centrale in 2019 20,6 TWh zal bereiken – genoeg om te voldoen aan ongeveer een derde van de jaarlijkse vraag door de residentiële behoeften van de provincie Shandong.
Als de geplande eenheden worden voltooid, zou het Shandong Haiyang Nuclear Energy Heating Project meer dan 200 miljoen vierkante meter verwarmingscapaciteit kunnen leveren, of een verwarmingsradius van ongeveer 100 kilometer. Dat vertaalt zich in een “jaarlijkse besparing van ongeveer 6,62 miljoen ton standaard steenkool”. Momenteel bespaart het project 23.200 ton steenkool, aldus SDNPC. Het bedrijf projecteert dat tegen 2030, Haiyang en andere “schone energie verwarmingsmethoden” alle kolengestookte ketels op het Jiaodong schiereiland kunnen vervangen.
Het succes van Haiyang kan ook door andere regio’s worden overgenomen, zei Ling Wen, vice-gouverneur van de provincie Shandong, tijdens een projectobservatiebijeenkomst en een seminar voor deskundigen over het “alomvattende gebruik van kernenergie”, dat op 28 november in Haiyang werd georganiseerd door de nationale energieadministratie (NEA). Tijdens het evenement merkte Liu Baohua, adjunct-directeur van NEA, ook op dat de officiële ingebruikname van het nucleaire verwarmingsproject een cruciaal onderdeel is van de nieuwe nationale energiezekerheidsstrategie van het land, waarin de nadruk zal liggen op diversificatie van kernenergie. Hij drong aan op de actieve bevordering van “waardevolle ervaring” opgedaan met het project.
Een van de andere projecten die tijdens de bijeenkomst werden besproken, is een project dat kernenergie zou kunnen toepassen voor zeewaterontzilting. SDNPC kondigde op 12 oktober een partnerschap aan met het gemeentebestuur van Haiyang en Zhonglian Energy voor projecten op het gebied van nucleaire verwarming en ontzilting. Volgens de aankondiging hebben de partners al een haalbaarheidsstudie uitgevoerd van een grootschalig ontziltingsdemonstratieproject.
Officials op het evenement merkten ook op dat het verwarmingsproject de financiële lasten van SPIC niet vergroot. Details over de kosten zijn eveneens onduidelijk. Volgens de IAEA is doorgaans een initiële investering vereist voor warmtetransport en -distributie, maar zij merkt op: “in veel gevallen is het resultaat goedkopere energie voor de consument.” Het voegt eraan toe: “Na afschrijving is afvalwarmte van kernreactoren de goedkoopste vorm van warmte.”
Why Nuclear Cogeneration Is So Hot Right Now
De IAEA stelde haar begeleidend rapport samen op basis van een sterke toename van de belangstelling voor gecombineerde nucleaire warmte- en energie – zowel van bestaande opwekkers als van ontwikkelaars van kleine en middelgrote reactoren (van 300 MW tot 700 MW)- vanwege enkele belangrijke voordelen.
De belangrijkste daarvan is dat warmtekrachtkoppeling afvalwarmte terugwint en het energierendement van een kerncentrale tot 80% zou kunnen opvoeren. “Het typische omzettingsrendement van warmte in elektriciteit is 33%. Bijgevolg eindigt ongeveer twee derde van de splijtingsenergie in het verwarmen van de atmosfeer of het koelwater”, legt het uit. “Warmtekrachtkoppeling maakt het mogelijk een deel, zo niet alle, van de afvalwarmte te gebruiken.” Dat zou kernenergieproducenten een potentieel lucratieve bron van inkomsten kunnen bieden, een uitgebreide klantenbasis, en een betere flexibiliteit, omdat het mogelijk maakt om te schakelen tussen de twee outputs, afhankelijk van marktsignalen en de vraag.
Een ander voordeel dat de IAEA onderstreept, is dat warmtekrachtkoppeling het kernafval zou kunnen verminderen, waarbij wordt opgemerkt: “Het gebruik van meer energie per splijting in een warmtekrachtkoppelingsmodus … vermindert de hoeveelheid afval die per energie-eenheid wordt geproduceerd.”
Significant is dat de IAEA zegt dat de veiligheid van een kerncentrale niet afhangt van de operationele prestaties van een warmtekrachtkoppelingsinstallatie, maar het merkt op dat “elke potentiële overdracht van radioactiviteit door het systeem tot aan de belangrijkste warmteoverdrachtslijn,” een specifiek punt van zorg is. “Een goede praktische manier om elke radioactieve besmetting van bijvoorbeeld een warmtetoepassingssysteem te voorkomen, is de primaire lus van de reactor fysiek te isoleren van de hoofdoverdrachtslijn,” adviseert het. “Dit wordt uiteraard gedaan in een drukwaterreactor (PWR), aangezien de secundaire lus al een geïsoleerd gesloten lussysteem is dat als barrière voor contaminanten dient. In een kokend-waterreactor (BWR) zou echter een extra waterlus nodig zijn tussen de warmtewisselaar/condensator aan de turbine-uitgang en de hoofdleiding voor warmtetransport (MHT).”
De IAEA zegt echter dat tot dusver in stadsverwarmingssystemen die gebruik maken van nucleaire warmte, “er geen belangrijke problemen zijn geconstateerd in verband met de extractie van warmte uit een kerncentrale.” De problemen doen zich over het algemeen voor bij oudere systemen, die te kampen kunnen hebben met grote warmteverliezen bij de opwekking, het transport, de distributie en het eindgebruik. Het rapport concludeert echter dat warmtekrachtkoppeling kan worden toegevoegd aan bestaande centrales en, afhankelijk van de locatie, het type reactor en de nabijheid van eindgebruikers, schat het rapport dat een bestaande centrale de kosten binnen vijf jaar zou kunnen terugverdienen als deze wordt omgebouwd om stadswarmte te leveren. In het algemeen kan “nucleaire warmte in de vorm van warm water tot op 150 afstand worden geleverd tegen concurrerende kosten en met een gerapporteerd verlies van minder dan 2%”, aldus het rapport.
Toch suggereert het rapport dat warmtekrachtkoppeling aantrekkelijker is voor nieuwe kleine en middelgrote kernreactoren, omdat deze ontwerpen verbeterde veiligheidsvoorzieningen bevatten, ze vaak kleinere investeringen vereisen, minder financiële risico’s met zich meebrengen, en misschien gemakkelijker dichter bij de eindgebruikers kunnen worden geplaatst.
Lichtwaterreactoren zijn misschien het meest geschikt voor stadsverwarming en ontzilting, vanwege hun lage werktemperatuurbereik, terwijl hoge werktemperaturen van loodgekoelde snelle reactoren (550C), gesmolten zoutreactoren (700C tot 800C), gasgekoelde snelle reactoren (850C), en zeer hoge temperatuurreactoren (900C tot 1.000C) beter geschikt zijn voor industriële proceswarmte en waterstofproductie, evenals ontzilting en stadsverwarming wanneer ze worden gebruikt als cogeneratiesystemen, zegt het.
Het scala van potentiële niet-elektrische toepassingen die nucleaire warmtekrachtkoppelingsinstallaties zouden kunnen benutten, is ook enorm. Daartoe behoren de productie van stoom van hoge temperatuur voor industriële processen en de productie van waterstof. Ze zouden “ten eerste laagwaardige aardoliebronnen zoals oliezanden kunnen opwaarderen en tegelijkertijd de koolstofemissies kunnen compenseren die gepaard gaan met methaanreforming met stoom; ten tweede zouden ze de grootschalige productie van synthetische vloeibare brandstoffen op basis van biomassa, steenkool of andere koolstofbronnen kunnen ondersteunen; en ten derde zouden ze rechtstreeks als voertuigbrandstof kunnen dienen, waarschijnlijk met behulp van brandstofcellen”, aldus de IAEA. Het agentschap merkt op dat het activiteiten heeft ondernomen om de lidstaten te helpen deze mogelijkheden grondig te onderzoeken.
-Sonal Patel is een POWER senior associate editor (@sonalcpatel, @POWERmagazine)