China inicia seu primeiro projeto de cogeração nuclear – na usina AP1000

China iniciou seu primeiro sistema comercial de cogeração nuclear, usando dois reatores AP1000 recentemente operacionais na usina nuclear de Haiyang para aquecer 700.000 metros quadrados de habitações.

Shandong Nuclear Power Co. (SDNPC), uma subsidiária da State Power Investment Corp. (SPIC), e proprietária da usina de Haiyang, em 15 de novembro, disse que a primeira fase do Projeto de Aquecimento de Energia Nuclear de Shandong Haiyang foi formalmente colocada em operação.

Detalhes sobre como Haiyang está produzindo calor não estão claros. Geralmente, em um processo de cogeração nuclear, um refrigerante recupera a energia térmica liberada pela fissão no núcleo do reator. Essa energia é geralmente convertida em energia elétrica através de um gerador de turbina, mas quando o calor é parte do uso final, ele pode ser usado diretamente para aquecimento e resfriamento distrital, vapor de processo, dessalinização, hidrogênio, ou fabricação de aço.

Vasta Expansão Planejada para o Projeto Haiyang Heat

A Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA), que publicou orientação sobre cogeração de energia nuclear em setembro deste ano, observa que a cogeração combinada de calor e energia nuclear não é nova, embora o interesse por ela esteja crescendo. Cerca de 43 reatores nucleares em todo o mundo geram aquecimento distrital, a maioria deles na Europa Oriental e Rússia; cerca de 17, no Japão, Cazaquistão e EUA, dessalinizam água; e aplicações industriais não elétricas foram alcançadas em sete reatores no Canadá, Alemanha, Índia e Suíça.

No total, os projetos de cogeração nuclear em todo o mundo acumularam até hoje quase 750 anos de experiência operacional – o que se compara a 17.000 anos de experiência em reatores para energia nuclear civil. De reatores que hoje fornecem aquecimento distrital, a potência de aquecimento varia de 5 MWth a 240 MWth, diz a AIEA. O total de energia térmica distribuída é de cerca de 5.000 MWth, segundo a AIEA, o que corresponde a uma retirada média de energia inferior a 5%. “Isto significa que, mesmo que funcionando em modo de cogeração, a saída primária do reator ainda é energia elétrica”, explicou.

O projeto Haiyang é importante por duas razões: Ele aproveita a energia de reatores de terceira geração recém-construídos – alguns dos primeiros AP1000 concluídos até hoje; e seu sucesso servirá como um plano para a diversificação da energia nuclear e uma expansão “limpa” do calor na China, que tem 45,6 GW de capacidade nuclear instalada e tem outros 11 GW em construção.

Como parte da primeira etapa, o projeto está fornecendo calor para o dormitório de funcionários da usina nuclear e algumas áreas residenciais em Haiyang, uma cidade costeira na província de Shandong, leste da China, que tem uma população de cerca de 658.000 habitantes. Nenhuma linha de tempo é fornecida, mas o SDNPC diz que uma etapa posterior envolverá modificações nas Unidades 1 e 2 para expandir a capacidade de aquecimento para 30 milhões de metros quadrados.

SPIC, enquanto isso, planeja construir mais quatro unidades em Haiyang, embora estas apresentarão uma padronização local do projeto da AP1000, conhecida como CAP1000. Enquanto as Unidades 3 e 4 receberam aprovação de construção em dezembro de 2015 e a construção estava prevista para começar em 2017, nenhum progresso foi relatado ainda. A Unidade 1 da fábrica de Haiyang começou a operar em outubro de 2018, com a Unidade 2 seguindo em janeiro, após atrasos devido a problemas de equipamento e a moratória de três anos após o acidente de Fukushima. As Unidades 1 e 2 de Haiyang estão atualmente mantendo “operação segura e estável”, disse SDNPC, acrescentando que espera que a geração anual de energia da planta em 2019 atinja 20,6 TW – o suficiente para atender cerca de um terço da demanda anual das necessidades residenciais da província de Shandong.

Se as unidades planejadas forem concluídas, o Projeto de Aquecimento de Energia Nuclear de Shandong Haiyang poderá fornecer mais de 200 milhões de metros quadrados de capacidade de aquecimento, ou um raio de aquecimento de cerca de 100 quilômetros”. Isso se traduz em uma “economia anual de cerca de 6,62 milhões de toneladas de carvão padrão”. Atualmente, o projeto economiza 23,2 mil toneladas de carvão, disse o SDNPC. A empresa projeta que até 2030, Haiyang e outros “métodos de aquecimento de energia limpa” poderiam substituir todas as caldeiras a carvão na Península de Jiaodong.

O sucesso em Haiyang também poderia ser adotado por outras regiões, disse Ling Wen, vice-governador da província de Shandong, em uma reunião de “observação” do projeto e seminário de especialistas sobre a “utilização compreensiva da energia nuclear” hospedado pela Administração Nacional de Energia (NEA) em Haiyang em 28 de novembro. No evento, Liu Baohua, vice-diretor da NEA, também observou que o comissionamento oficial do projeto de aquecimento nuclear é parte fundamental da nova estratégia nacional de segurança energética do país, que enfatizará a diversificação da energia nuclear. Ele exortou à promoção ativa da “valiosa experiência” adquirida com o projeto.

entre outros projetos discutidos na reunião está um que poderia aplicar a energia nuclear para a dessalinização da água do mar. SDNPC em 12 de outubro anunciou uma parceria com o Governo Municipal de Haiyang e a Zhonglian Energy para projetos de aquecimento e dessalinização nuclear. De acordo com o anúncio, os parceiros já realizaram um estudo de viabilidade de um projeto de demonstração de dessalinização em larga escala.

As autoridades no evento também notaram que o projeto de aquecimento não aumentou a carga financeira da SPIC. Os detalhes sobre os custos também não são claros. De acordo com a AIEA, um investimento inicial é tipicamente necessário para o transporte e distribuição de calor, mas ela observa, “em muitos casos, o resultado é energia mais barata para o consumidor”. E acrescenta: “Após a amortização, o calor residual do reator nuclear é a forma mais barata de calor”.

Por que a Cogeração Nuclear está tão quente agora

A AIEA compilou seu relatório de orientação baseado em um aumento do interesse na combinação de calor e energia nuclear – tanto de geradores e desenvolvedores de pequenos e médios reatores (entre 300 MW e 700 MW) – trazendo algumas vantagens importantes.

A maior parte deles é que a cogeração recupera o calor desperdiçado – e poderia aumentar a eficiência energética de uma usina nuclear para 80%. “A eficiência típica de conversão do calor em eletricidade é de 33%. Assim, cerca de dois terços da energia de fissão acabam aquecendo a atmosfera ou a água de resfriamento”, explica. “A cogeração permite o uso de parte, se não de todo, do calor desperdiçado”. Isso poderia oferecer aos produtores de energia nuclear uma fonte de renda potencialmente lucrativa, uma base de clientes ampliada e melhor flexibilidade, pois permite uma possível alternância entre as duas saídas, dependendo dos sinais do mercado e da demanda.

Já outra vantagem que a AIEA ressalta é que a cogeração poderia reduzir os resíduos nucleares, observando, “Fazer uso de mais energia por fissão em modo de cogeração … reduz a quantidade de resíduos gerados por unidade de energia”.

Significativamente, a AIEA diz que a segurança de uma usina nuclear não depende do desempenho operacional de uma usina de co-geração de calor, mas observa que “qualquer potencial transferência de radioatividade através do sistema até a linha principal de transferência de calor”, é uma preocupação específica. “Uma boa maneira prática de evitar qualquer contaminação radioativa a um sistema de aplicação de calor, por exemplo, é isolar fisicamente o circuito primário do reator da linha principal de transferência de calor”, aconselha. “Isto é obviamente feito em um reator de água pressurizada (PWR), pois o loop secundário já é um sistema de loop fechado isolado, servindo como barreira para contaminantes”. Entretanto, em um reator de água fervente (BWR), um laço adicional de água seria necessário entre o trocador/condensador de calor na saída da turbina e a linha principal de transporte de calor (MHT)”.

A AIEA diz, entretanto, que até agora, em sistemas de aquecimento distrital que utilizam calor nuclear, “não foi identificado nenhum problema importante relacionado à extração de calor de uma usina nuclear”. As dificuldades são geralmente enfrentadas por sistemas mais antigos, que podem sofrer grandes perdas de calor na geração, transporte, distribuição e uso final. No entanto, conclui que a cogeração pode ser acrescentada às usinas existentes – e, dependendo do local, tipo de reator e proximidade dos usuários finais, estima que uma usina existente poderia recuperar os custos dentro de cinco anos se convertida para fornecer calor distrital. Geralmente, “o calor nuclear na forma de água quente pode ser entregue a até 150 de distância a um custo competitivo e com uma perda relatada inferior a 2%”, diz o estudo.

Still, sugere que a cogeração é mais atraente para novos reatores nucleares de pequeno e médio porte porque esses projetos incorporam características de segurança aprimoradas, muitas vezes exigem investimentos menores, representam menos riscos financeiros e podem ser mais fáceis de instalar mais perto dos usuários finais.

Reactores de água leve são talvez mais adequados para aquecimento urbano e dessalinização, devido à sua baixa gama de temperaturas de trabalho, enquanto as altas temperaturas de trabalho dos reactores rápidos arrefecidos a chumbo (550C), reactores de sal fundido (700C a 800C), reactores rápidos arrefecidos a gás (850C) e reactores de temperatura muito elevada (900C a 1.000C) são mais adequados para a produção de calor de processo industrial e hidrogénio, bem como para a dessalinização e aquecimento urbano quando utilizados como sistemas de cogeração, diz o relatório.

A gama de potenciais aplicações não elétricas que os cogeradores nucleares poderiam explorar também é vasta. Estas incluem a produção de vapor a alta temperatura para alimentar os processos industriais e a produção de hidrogênio. Eles poderiam “primeiro, atualizar recursos petrolíferos de baixa qualidade, como areias petrolíferas, enquanto compensam as emissões de carbono associadas à reforma do metano a vapor; segundo, apoiar a produção em larga escala de combustíveis líquidos sintéticos à base de biomassa, carvão ou outras fontes de carbono; e, terceiro, servir diretamente como combustível para veículos, muito provavelmente usando células de combustível”, diz a AIEA. A agência observa que empreendeu atividades para ajudar os Estados-membros a explorar em profundidade essas oportunidades.

-Sonal Patel é um editor associado sênior POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine)