Možnosti využitia malých modulárnych jadrových blokov SMR v energetike a teplárenstve v porovnaní s veľkými blokmi (3)

Prevádzkové režimy

Základný režim „od turbíny po reaktor“ – Load Follow

Sledovanie záťaže, výkon reaktora je pomalý a v malom výkonovom rozsahu, prispôsobený záťaži z pripojenej siete – frekvencia, bilancia výkonu, PR, SR. Prioritou je prispôsobenie výroby elektrickej energie sieti, ku ktorej je pripojený generátor – vyvedenie vyrobenej energie do elektrizačnej sústavy. Sekundárnym významom je malý odber tepla z neregulovaného odberu, napr. odber z JE Temelín do Týna nad Vltavou.

Teplárenský režim – Heat Follow

1. Režim sledovania tepla – Heat Follow I. (výkon reaktora je konštantný, približne 90 – 100 % Pr), turbína a reaktor sú nezávislé. Prioritou je spotreba tepla podľa diagramu denného zaťaženia. Sekundárnym významom je výroba elektriny závislá od odberu tepla, ktorá sa mení „pomaly“ – prebytky možno ukladať do batériových systémov BESS.
2. Režim sledovania obnoviteľných zdrojov – Renevables Follow (zavedená je výkonová konštanta reaktora, turbína a reaktor sú nezávislé). Prioritou je kompenzácia kolísavých zmien vo výrobe elektrickej energie z OZE, ktorá sa mení „rýchlo“. Sekundárnym významom je práca s akumulovanou energiou, najmä keď sa vyžaduje rýchly nárast elektrickej energie. Bez ohľadu na prevádzku treba energiu ukladať do batériových systémov (BESS) alebo tepelných zásobníkov (horúcej vody), aby boli vždy nabité minimálne na 60 % a tým pripravené na riadenú dodávku.

Navrhnutý teplárenský režim je sumarizovaný v tab. 1.

Tab. 1 Prevádzkové režimy sledovania tepla a OZE

Rozsah výkonu bloku: 20 – 100 % Pr

Denný prevádzkový režim: 100 – 50/60 – 100 %

Prevádzkové pásma pre regulačnú štruktúru (režim kompromisný):

• 0 – 60 % – spustenie, vypnutie; prevádzka na minimálny výkon.
• 60 – 100 % – štandardná prevádzka (PR, SR, režim sledovania záťaže).

Základný prevádzkový režim teplárne:

• (Z) leto (spotreba teplej vody alebo pary: 20 – 40 %) – zima (100 %).

Režimy sú prispôsobené dlhšiemu vykurovaniu a možno ich prepínať automaticky alebo dispečersky v troch módoch:

• (T1) leto (20 – 40 %) – prechodné obdobie (jar, jeseň: 70 %) – zima (100 %) – sezónne,
• (T2) pracovné dni – víkend – týždenný,
• (T3) deň (80 až 100 %) – noc (40 až 60 %) – denný.

Riadenie elektrického výkonu jadrového bloku realizované zmenou spotreby tepla z parnej turbíny v sekundárnom okruhu – režim „kondenzačný s regulovaným odberom pary“ – by umožnilo prevádzkovať reaktor na úrovni statického výkonu, t. j. bezpečne a stabilne. Súčasne by sa zvýšil rozsah regulačného pásma a jadrové bloky by mohli byť použité na riadenie výkonu a manévrovateľnosť v oveľa väčšej miere ako v štandardnom „kondenzačnom“ režime. V tomto článku je uvedený opis dosiahnutia prevádzkovej flexibility (manévrovateľnosti) jadrových blokov – reguláciou odberu pary z turbíny (alebo cez odberové ventily za parogenerátormi).

Ďalšou možnosťou je dosiahnutie manévrovateľnosti reguláciou tepelného výkonu reaktora. Touto cestou sa vydalo predovšetkým Francúzsko a najvýznamnejší dodávateľ jadrových energetických zariadení, štátna spoločnosť EDF. Jej súčasné jadrové bloky typu EPR (EPR1650, EPR2, EPR1200) dosahujú významnú prevádzkovú manévrovateľnosť veľkého výkonového rozsahu (20 až 100 % Pj – menovitého výkonu) a veľkej rýchlosti zmien (5 až 10 % Pj/min), a to aj v dennom móde [A.8, A.9, A.10].

Spôsob prevádzky jadrových blokov JEDU a JETE v Českej republike je nevyužitou príležitosťou pri ďalšom zvýšení bezpečnosti, flexibility prevádzky a dynamickej stability elektrickej siete, ale aj pri riešení teplárenstva bezemisným a uhlíkovo neutrálnym spôsobom, čo sú dnes veľké problémy, najmä v Európskej únii.

Pokročilé regulátory jadrových reaktorov s odberom tepla na diaľkové vykurovanie

Cieľom návrhu pokročilého riadenia JEOT-SCZT je rýchle a beznárazové:

• „kríženie“ medzi dennými a týždennými úrovňami výkonu,
• „prechod“ medzi stabilnými prevádzkovými úrovňami výkonu v sezónnom režime (zima, prechodné obdobie, leto),
• regulácia v režimoch diaľkového vykurovania (režim sledovania zaťaženia, režim sledovania obnoviteľných zdrojov)
• regulácia v prípade pomalých a rýchlych zmien výkonu bloku,
• regulácia v štandardnom režime sledovania záťaže (+ PR, SR),
• regulácia počas „odstavenia“ reaktora/bloku, najmä počas „spúšťania“ reaktora/bloku z nulového výkonu na nominálny (0 – 100 Pj).

Flexibilnejšie jadrové elektrárne sú zariadenia, ktoré nielen zvyšujú stabilitu a spoľahlivosť energetických sústav, ale prinášajú aj mnoho synergických efektov, najmä v oblasti systémov diaľkového vykurovania. Európska únia by mala tieto skutočnosti viac zohľadniť a nezameriavať sa len na zmeny klímy a dosiahnutie uhlíkovej neutrality čo najskôr (teraz do 2050).

Varianty parných turbín jadrových elektrární na diaľkové vykurovanie

K znečisteniu atmosféry emisiami CO₂ v prípade jadrových elektrární nedochádza. Namiesto toho však vzhľadom na nižšiu účinnosť spôsobujú väčšie tepelné zaťaženie životného prostredia. Pokiaľ by bolo možné úspešne využiť jadrové elektrárne na výrobu tepla vhodného na použitie v systémoch diaľkového vykurovania, tzn. eliminovať rozptyľovanie nevyužitého (odpadného) tepla do okolitej vody alebo vzduchu, bola by jadrová elektráreň energetickým zdrojom s minimálnym dosahom na životné prostredie.

Problémom jadrovej elektrárne je však jej veľkosť. Jadrové elektrárne sú investične veľmi náročné, a preto sú hospodárne iba vtedy, keď je ich výkon vysoký. Preto sa veľkosť postupne zväčšovala až k súčasnému výkonu 1 000 až 1 200 MW (výnimočne 1 400 až 1 650 MW). Blok s výkonom 1 200 MWe má pri odbere všetkej pary (protitlaková prevádzka) tepelný výkon 3 300 MWt (1 650 MWe, 4 300 MWt). Len veľmi veľké mestá však potrebujú také veľké množstvo tepla na vykurovanie obytných priestorov a na výrobu teplej vody. Predpokladom je teda vykurovanie veľkého mesta, ďalej sa predpokladá, že je k dispozícii aj sieť diaľkového vykurovania a aj keď SCZT zásobuje iba časť dopytu tohto mesta, možno SCZT prevziať a rozšíriť.

Vzhľadom na to, že potreba tepla v lete je buď zanedbateľná, alebo len zlomková oproti zimnému obdobiu, jadrové vykurovacie turbíny by v každom prípade museli byť konštruované ako odberové kondenzačné turbíny s vodným alebo vzduchovým chladením, aby bolo možné reaktor udržiavať v plnej prevádzke mimo obdobia, počas ktorého sa vyžaduje vykurovanie.

Literatúra

[1] Low-Temperature Nuclear Heat Applications: NPP for District Heating. International Atomic Energy Agency 1986.

[2] Guidance on Nuclear Energy Cogeneration. International Atomic Energy Agency 2019.

[3] Muhlhauser, H. (1978). Steam Turbines for District Heating in Nuclear Power Plants. Nuclear Technology Series. [online]. Publikované 13. 5. 2017. ISSN 0029-5450 (Print), 1943-7471 (Online).

[4] EU Platform on Sustainable Finance, Response to the Complementary Delegated Act, January 2022.

[5] Co byste měli vědět o vodíku. Česká vodíková technologická platforma (HYdrogen TEchnology Platform – HYTEP), 2020.

[6] Frilund, Bjarne – Knudsen, Knud (1978). Nuclear Steam Turbines for Power Production in Combination with District Heating and Desalination. Nuclear Technology Series. [online]. Publikované 13. 5. 2017. ISSN 0029-5450 (Print), 1943-7471 (Online).

[7] Technology Roadmap Update for Generation IV Nuclear Energy Systems. Gen IV International Forum, January 2014.

[8] Non-baseload Operation in Nuclear Power Plants: Load Following and Frequency Control Modes of Flexible Operation. IAEA Nuclear Energy Series, No. NP-T-3.23, Vienna, 2018.

[9] Technical and Economic Aspects of Load Following with Nuclear Power Plants. OECD – IAEA, Nuclear Development June 2011.

[10] OTE, a. s., ve spolupráci s EGÚ Brno. Očekávaná dlouhodobá rovnováha mezi nabídkou a poptávkou elektřiny a plynu – výhled do roku 2060. Prosinec 2019.

[11] Macenauer, M. a kol.: Temelín by mohl vytápět Prahu. [online]. Publikované 2. 2. 2017. 

Publikácie autora článku

[A.1] Neuman, P.: Regulace jaderných elektráren a odběru tepla pro dálkové vytápění. 10. ročník konference Jaderné dny 2020. Západočeská univerzita v Plzni. Univerzitní kampus, Plzeň Bory.

[A.2] Neuman, P.: Automatizace nevyčerpatelné a udržitelné energetiky. In: AUTOMA, 2017, č. 11, 2017, s. 39 – 41.

[A.3] Neuman, P.: Blahodárný vliv jaderných elektráren na provoz elektrizační soustavy (1., 2., 3. část). In: ELEKTRO, 2018, č. 8 – 9, 10.

[A.4] Neuman, P.: Uplatnění jaderných elektráren v energetickém mixu (část 1, 2, 3). In: Energie 21, 2019, č. 6 (prosinec), č. 1 (únor), č. 2 (duben).

[A.5] Neuman, P.: Synergické pozitivní efekty pro energetiku ČR získané propojením elektroenergetiky a zdrojů JE s teplárenstvím. In: ENERGETIKA, 2019, č. 3, 4.

[A.6] Neuman, P.: Praktické zkušenosti s jadernými elektrárnami s odběrem tepla pro účely vytápění. In: ENERGETIKA, 2020, č. 4, s. 102 – 108.

[A.7] Neuman, P.: Slovensko – európsky líder vo využívaní jadrového vykurovania. In: ATP Journal, 2020, č. 6, 7, 8.

[A.8] Neuman, P.: Francouzský jaderný blok EPR1200 pro Česko – předpoklady a přínosy. [online]. Publikované 28. 6. 2021. 

[A.9] Neuman, P.: Elektroenergetika ČR se bez nových flexibilních jaderných bloků neobejde. In: ELEKTRO, 2021, č. 8 – 9.

[A.10] Neuman, P.: Francouzský jaderný blok EPR 1200 – jediná nabídka z EU na nový jaderný blok JEDU5. In: ENERGETIKA, 2021, č. 5.

Peter Neuman
neumanp@volny.cz