Kina startar sitt första projekt för kraftvärmeproduktion i en AP1000-anläggning

Kina har startat sitt första kommersiella system för kraftvärmeproduktion med hjälp av två nyligen driftsatta AP1000-reaktorer vid Haiyang kärnkraftverk för att värma 700 000 kvadratmeter bostäder.

Shandong Nuclear Power Co. (SDNPC), ett dotterbolag till State Power Investment Corp. (SPIC), och ägare till Haiyang-anläggningen, meddelade den 15 november att den första fasen av Shandong Haiyang Nuclear Energy Heating Project formellt togs i drift.

Detaljerna om hur Haiyang producerar värme är oklara. I allmänhet återvinner ett kylmedel i en kärnkraftvärmeprocess den värmeenergi som frigörs av klyvningen i reaktorhärden. Denna energi omvandlas vanligen till elektrisk kraft genom en turbingenerator, men när värme är en del av den slutliga användningen kan den användas direkt för fjärrvärme och fjärrkyla, processånga, avsaltning, vätgas eller ståltillverkning.

Vast expansion planeras för Haiyang Heat Project

Internationella atomenergiorganet (IAEA), som i september publicerade en vägledning om kraftvärme från kärnkraft, konstaterar att kombinerad värme- och kärnkraft inte är något nytt, även om intresset för det ökar. Omkring 43 kärnkraftsreaktorer runt om i världen genererar fjärrvärme, de flesta i Östeuropa och Ryssland; omkring 17, i Japan, Kazakstan och USA, avsaltar vatten; och industriella icke-elektriska tillämpningar har uppnåtts vid sju reaktorer i Kanada, Tyskland, Indien och Schweiz.

Totalt har kärnkraftvärmeprojekt runt om i världen hittills samlat nästan 750 driftår av erfarenhet – vilket kan jämföras med 17 000 reaktorår av erfarenhet för civil kärnkraft. Av de reaktorer som i dag tillhandahåller fjärrvärme varierar värmeeffekten mellan 5 MWth och 240 MWth, enligt IAEA. Den totala distribuerade värmeeffekten är cirka 5 000 MWth, enligt IAEA, vilket motsvarar ett genomsnittligt energiuttag på mindre än 5 %. ”Detta innebär att även om den körs i kraftvärmeläge är reaktorns primära produktion fortfarande elektrisk kraft”, förklarade IAEA.

Haiyang-projektet är viktigt av två skäl: Det utnyttjar energi från nybyggda tredje generationens reaktorer – några av de första AP1000-reaktorerna som färdigställts hittills – och dess framgång kommer att fungera som en blåkopia för diversifiering av kärnenergi och en ”ren” värmeexpansion i Kina, som har 45,6 GW installerad kärnkraftskapacitet och har ytterligare 11 GW under uppbyggnad.

Som en del av den första etappen ger projektet värme till kärnkraftverkets sovsal för anställda och vissa bostadsområden i Haiyang, en kuststad i Shandongprovinsen i östra Kina med en befolkning på cirka 658 000 invånare. Ingen tidsplan anges, men SDNPC säger att ett senare skede kommer att omfatta ändringar av enheterna 1 och 2 för att utöka värmekapaciteten till 30 miljoner kvadratmeter.

SPIC planerar under tiden att bygga ytterligare fyra enheter i Haiyang, även om dessa kommer att ha en lokal standardisering av AP1000-designen, känd som CAP1000. Även om enheterna 3 och 4 fick byggnadsgodkännande i december 2015 och byggandet var tänkt att påbörjas 2017, har inga framsteg rapporterats ännu. Enhet 1 i Haiyang-anläggningen togs i drift i oktober 2018 och enhet 2 följde i januari, efter förseningar på grund av utrustningsproblem och det treåriga moratoriet efter Fukushima-olyckan. Haiyang-enheterna 1 och 2 upprätthåller för närvarande ”säker och stabil drift”, sade SDNPC och tillade att man räknar med att den årliga elproduktionen från anläggningen under 2019 kommer att uppgå till 20,6 TWh – tillräckligt för att tillgodose ungefär en tredjedel av den årliga efterfrågan från Shandongprovinsens bostadsbehov.

Om de planerade enheterna färdigställs kan Shandong Haiyang Nuclear Energy Heating Project tillhandahålla mer än 200 miljoner kvadratmeter värmekapacitet, eller en värmeradie på cirka 100 kilometer. Det motsvarar en ”årlig besparing på cirka 6,62 miljoner ton standardkol”. För närvarande sparar projektet 23 200 ton kol, sade SDNPC. Företaget räknar med att Haiyang och andra ”uppvärmningsmetoder med ren energi” år 2030 skulle kunna ersätta alla koleldade pannor på Jiaodonghalvön.

Framgångarna i Haiyang skulle också kunna antas av andra regioner, sade Ling Wen, vice guvernör i Shandongprovinsen, vid ett möte för ”observation” av projektet och ett expertseminarium om ”omfattande utnyttjande av kärnenergi” som anordnades av den nationella energimyndigheten (NEA) i Haiyang den 28 november. Vid evenemanget konstaterade Liu Baohua, biträdande direktör för NEA, också att den officiella idrifttagningen av kärnvärmeprojektet är en viktig del av landets nya nationella strategi för energitrygghet, som kommer att betona diversifiering av kärnenergin. Han uppmanade till ett aktivt främjande av ”värdefulla erfarenheter” från projektet.

Enligt andra projekt som diskuterades vid mötet är ett projekt som skulle kunna tillämpa kärnkraft för avsaltning av havsvatten. SDNPC tillkännagav den 12 oktober ett partnerskap med Haiyangs kommunstyrelse och Zhonglian Energy för projekt för kärnkraftsuppvärmning och avsaltning. Enligt tillkännagivandet har partnerna redan genomfört en genomförbarhetsstudie av ett storskaligt avsaltningsdemonstrationsprojekt.

Tjänstemän vid evenemanget noterade också att värmeprojektet inte ökade SPIC:s ekonomiska börda. Detaljer om kostnaderna är också oklara. Enligt IAEA krävs vanligtvis en inledande investering för värmetransport och distribution, men IAEA konstaterar att ”i många fall blir resultatet billigare energi till konsumenten”. Den tillägger: ”Efter amortering är spillvärme från kärnreaktorer den billigaste formen av värme”.

Varför kärnkraftvärme är så hett just nu

IAEA sammanställde sin vägledande rapport på grundval av ett kraftigt ökat intresse för kombinerad kärnkraftvärme – både från befintliga producenter och utvecklare av små och medelstora reaktorer (på mellan 300 MW och 700 MW) – på grund av några viktiga fördelar.

Den främsta av dem är att kraftvärme återvinner spillvärme – och det skulle kunna öka ett kärnkraftverks energieffektivitet till 80 procent. ”Den typiska omvandlingseffektiviteten från värme till elektricitet är 33 %. Därför slutar ungefär två tredjedelar av fissionsenergin med att värma upp atmosfären eller kylvattnet”, förklaras det. ”Kraftvärmeproduktion gör det möjligt att använda en del, om inte all, spillvärme.” Detta skulle kunna erbjuda kärnkraftsproducenterna en potentiellt lukrativ intäktskälla, en utökad kundbas och bättre flexibilitet, eftersom det gör det möjligt att växla mellan de två utgångarna beroende på marknadssignaler och efterfrågan.

En annan fördel som IAEA understryker är att kraftvärme kan minska kärnavfallet, och konstaterar: ”Genom att använda mer energi per fission i ett kraftvärmeläge … minskar mängden avfall som genereras per energienhet”.

Signifikant är att IAEA säger att säkerheten för ett kärnkraftverk inte är beroende av den operativa prestandan hos ett kraftvärmeverk, men konstaterar att ”eventuell överföring av radioaktivitet genom systemet upp till den huvudsakliga värmeöverföringsledningen” är ett särskilt problem. ”Ett bra praktiskt sätt att förhindra radioaktiv kontaminering till ett värmeapplikationssystem är till exempel att fysiskt isolera reaktorns primära slinga från huvudöverföringsledningen”, råder de. ”Detta görs naturligtvis i en tryckvattenreaktor (PWR) eftersom den sekundära slingan redan är ett isolerat slutet kretsloppssystem som fungerar som en barriär för föroreningar. I en kokvattenreaktor (BWR) skulle dock ytterligare en vattenslinga behövas mellan värmeväxlaren/kondensorn vid turbinutgången och huvudvärmetransportledningen (MHT).”

IAEA säger dock att hittills, i fjärrvärmesystem som använder kärnkraftsvärme, ”har det inte identifierats några större problem i samband med utvinning av värme från en kärnkraftsanläggning”. Hinder ställs i allmänhet på äldre system, som kan drabbas av stora värmeförluster vid produktion, transport, distribution och slutanvändning. I rapporten dras dock slutsatsen att kraftvärme kan läggas till i befintliga anläggningar – och beroende på plats, reaktortyp och närhet till slutanvändare uppskattar rapporten att en befintlig anläggning kan få tillbaka sina kostnader inom fem år om den omvandlas till fjärrvärme. I allmänhet kan ”kärnkraftsvärme i form av varmvatten levereras upp till 150 avstånd till en konkurrenskraftig kostnad och med en rapporterad förlust på mindre än 2 %”, står det i rapporten.

Det föreslås ändå att kraftvärme är mer attraktivt för nya små och medelstora kärnkraftsreaktorer, eftersom dessa konstruktioner innehåller förbättrade säkerhetsfunktioner, ofta kräver mindre investeringar, innebär färre finansiella risker och kan vara lättare att placera närmare slutanvändarna.

Lättvattenreaktorer lämpar sig kanske bäst för fjärrvärme och avsaltning på grund av sina låga arbetstemperaturer, medan höga arbetstemperaturer hos blykylda snabba reaktorer (550 C), smältsaltreaktorer (700-800 C), gaskylda snabba reaktorer (850 C) och reaktorer med mycket hög temperatur (900-1000 C) lämpar sig bättre för industriell processvärme och vätgasproduktion samt avsaltning och fjärrvärme när de används som kraftvärmesystem, enligt rapporten.

Det finns också ett stort antal potentiella icke-elektriska tillämpningar som kärnkraftverk skulle kunna utnyttja. Det handlar bland annat om ångproduktion vid höga temperaturer för att mata industriella processer och vätgasproduktion. De skulle ”för det första kunna uppgradera oljeresurser av låg kvalitet, t.ex. oljesand, samtidigt som de kompenserar för de koldioxidutsläpp som är förknippade med metanreformering med ånga, för det andra stödja storskalig produktion av syntetiska flytande bränslen baserade på biomassa, kol eller andra kolkällor, och för det tredje tjäna direkt som fordonsbränsle, troligen med hjälp av bränsleceller”, säger IAEA. Byrån konstaterar att den har vidtagit åtgärder för att hjälpa medlemsstaterna att utforska dessa möjligheter på djupet.

-Sonal Patel är en av POWER:s ledande medarbetare (@sonalcpatel, @POWERmagazine)

.