Elektrociepłownie jądrowe

Informacje ogólne

Elektrownie jądrowe podczas pracy emitują bardzo duże ilości ciepła. Mniej więcej 1/3 energii cieplnej generowanej w reaktorze jest zamieniana w energię elektryczną (sprawność obecnych elektrowni III generacji dochodzi do 37%). Pozostała część energii cieplnej jest bezpowrotnie tracona w procesie chłodzenia reaktora – albo przez zrzut lekko podgrzanej wody (z trzeciego obiegu) do morza, rzeki lub jeziora albo też poprzez odparowanie w chłodniach kominowych. Zatem ogromne ilości ciepła są marnotrawione.

Można jednak część ciepła wykorzystać do ogrzewania budynków łącząc elektrownię z systemem ciepłowniczym pobliskiego miasta (sieć centralnego ogrzewania) i/lub do podgrzewania wody użytkowej (sieć ciepłej wody użytkowej). W takim wypadku mamy do czynienia z tzw. kogeneracją (jednoczesnym wytwarzaniem energii elektrycznej i ciepła, inaczej produkcją „w skojarzeniu”) a zakład tego typu określa się mianem elektrociepłowni jądrowej.

Wytwarzanie w skojarzeniu energii elektrycznej i ciepła podnosi ogólną sprawność elektrowni jądrowej do ok. 60% (inaczej mówiąc taka część energii cieplnej wytworzonej w elektrowni jest zagospodarowywana), jednak odbywa się to kosztem niewielkiego zmniejszenia mocy elektrowni, rzędu 50-200 MWe na każde 1000 MWt. Dotyczy to również pozostałych typów elektrowni cieplnych, tj. elektrowni spalających węgiel (kamienny, brunatny), gaz ziemny lub olej opałowy (przy czym sprawność elektrociepłowni konwencjonalnych sięga 85%).

Elektrownię jądrową można wykorzystać do celów ciepłowniczych, jeśli spełnione zostanie kilka warunków:

• Temperatura pary, która może być odprowadzana z elektrowni do systemu ciepłowniczego, mieści się w przedziale 80-160°C (warunek ten spełnia każda współczesna elektrownia jądrowa z reaktorem lekkowodnym)
• Odległość od elektrowni do najdalej położonego punktu odbiorczego (ciepła) nie przekracza kilkudziesięciu kilometrów – im krótszy dystans tym lepiej, najbardziej optymalna odległość to 10-15 km ale w niektórych przypadkach opłacalne może być zasilanie sieci ciepłowniczej oddalonej nawet o 100 km
• Zapotrzebowanie na moc cieplną w sieci w granicach 500-1500 MW – gwarantuje to opłacalność budowy i eksploatacji połączenia z siecią ciepłowniczą, aczkolwiek przy małych odległościach zapotrzebowanie na moc cieplną może być mniejsze (ponieważ niższe są koszty budowy i eksploatacji łącznika)
• Istnieją rezerwowe źródła zasilania sieci ciepłowniczej

Zasada działania

Z technicznego punktu widzenia odbiór ciepła z elektrowni jądrowej jest względnie prosty. Zamiast zwykłej turbiny kondensacyjnej instalowana jest turbina upustowo-kondensacyjna, w której część pary po rozprężeniu i opuszczeniu turbiny kierowana jest nie do skraplacza jak w zwykłej turbinie kondensacyjnej ale do wymiennika ciepła.

Rys. 1. Schemat odbioru ciepła z elektrociepłowni z reaktorem PWR. Rysunek przedstawia planowany system odbioru dla miasta Helsinki w Finlandii z nowego bloku w elektrowni Loviisa (grafika zamieszczona dzięki uprzejmości firmy Fortum)

W wymienniku ciepła para przekazuje ciepło wodzie z obiegu zasilającego sieć przesyłową ciepła (sieć ta łączy elektrownię z systemem ciepłowniczym miasta, jest to rurociąg o średnicy ok. 1000 - 1200 mm, z kilkoma równolegle biegnącymi nitkami). W przypadku bloków BWR wstawia się dodatkowy wymiennik ciepła, który tworzy dodatkowy mały zamknięty obieg wody - zabezpiecza to przed przedostaniem się produktów rozszczepienia z obiegu pierwotnego do ciepłowniczej sieci przesyłowej (należy pamiętać, że w elektrowniach BWR jest tylko jeden obieg chłodzenia, co powoduje że para napędzająca turbozespół jest skażona). W ramach sieci przesyłowej może być kilka oddzielnych obiegów, połączonych kilkoma wymiennikami ciepła (analogicznie jak obiegi chłodzenia w elektrowni jądrowej). Temperatura wody zasilającej sieć przesyłową (i dalej miejską sieć ciepłowniczą) wynosi ok. 150-160°C.

Gorąca woda dalej trafia do wymiennika ciepła łączącego sieć przesyłową z systemem ciepłowniczym miasta. Następnie ciepło jest rozprowadzane po systemie ciepłowniczym. Gdy woda wraca do elektrowni po oddaniu części ciepła jej temperatura spada do ok. 80°C. Woda trafia następnie do wymiennika ciepła zlokalizowanego przy turbinie (który zasila para z turbiny), podgrzewa się do 150-160°C i znowu płynie w kierunku miasta. Tak więc jest to obieg zamknięty.

Rys. 2. Schemat odbioru ciepła z elektrociepłowni z reaktorem BWR. Rysunek przedstawia planowany system odbioru dla miasta Helsinki w Finlandii z nowego bloku w elektrowni Loviisa (grafika zamieszczona dzięki uprzejmości firmy Fortum)

Ciepłownictwo jądrowe na świecie

Obecnie na całym świecie pracuje 15 elektrociepłowni jądrowych w 9 krajach (przy czym w Chinach pracuje eksperymentalna ciepłownia jądrowa). W Europie ciepło odpadowe z elektrowni jądrowych wykorzystuje się w Czechach, Słowacji, Bułgarii, Węgrzech, Rumunii, Rosji i Szwajcarii. W latach 60-tych i 70-tych elektrociepłownia jądrowa pracowała w Szwecji, później planowano tam wykorzystać do tego celu elektrownie w Barseback i Forsmark.

Tab. 1. Zestawienie elektrociepłowni jądrowych na świecie

Projekt fiński

W Finlandii firma Fortum planuje budowę nowego bloku w elektrowni jądrowej Loviisa. Rozważana jest opcja odbioru części ciepła z nowego bloku do zasilania sieci ciepłowniczej przedmieść Helsinek. Roczne zużycie ciepła w całych Helsinkach wynosi 11-12 TWh, więc zapotrzebowanie jest na tyle duże, by zapewnić opłacalność przesyłu ciepła na znaczną odległość. Odległość od elektrowni wynosi 75-80 km. Finowie planują dostarczać do miasta siecią przesyłową z elektrowni Loviisa 1000 MWt.

Elektrownia Jądrowa Loviisa w Finlandii, bloki nr 1 i 2 (fot. Fortum, www.fortum.com). Kliknij by powiększyć zdjęcie.

Kogeneracja jest w tym przypadku uzasadniona również względami ekologicznymi, ponieważ pozwoliłoby to zaoszczędzić emisji 4 mln ton CO₂ rocznie (6% całkowitych emisji rocznych w Finlandii), które wygenerować musiałyby źródła konwencjonalne, oparte na spalaniu węgla, gazu lub oleju opałowego. Z punktu widzenia ochrony środowiska ważne będzie również zmniejszenie obciążenia cieplnego Zatoki Fińskiej, ponieważ mniej ciepła odpadowego będzie zrzucane do wód Bałtyku (część będzie wysyłana do sieci ciepłowniczej Helsinek).

Na system przesyłowy ma się składać rurociąg podwójny o średnicy 1200 mm (każda rura), ciśnieniu roboczym 25 bar i przepływie wody na poziomie 4-5 m³/s. Przewiduje się budowę 4-7 stacji pomp oraz układu uzupełniania strat ciepła.

Ciepłownictwo jądrowe w Polsce

Program energetyki jądrowej realizowany w Polsce w latach 80-tych uwzględniał ciepłownictwo jądrowe. Planowano wykorzystać do celów grzewczych zarówno budowaną już Elektrownię Jądrową „Żarnowiec” jak również kolejne elektrownie. Jeden z wariantów przewidywał budowę elektrociepłowni jądrowej w okolicach Warszawy.

Elektro(ciepło)wnia Jądrowa „Żarnowiec”

Budowa Elektrowni Jądrowej "Żarnowiec", czerwiec 1989 (fot. Stanisław Wiesiołowski). Kliknij by powiększyć zdjęcie.

Elektrownia Jądrowa „Żarnowiec” miała docelowo składać się z 4 bloków WWER-440/213. Biuro projektowe BSiPE „Energoprojekt” w Warszawie opracowało koncepcję wykorzystania bloków tzw. drugiego etapu (tj. bloków nr 3 i 4) do przekazywania do rozległego systemu ciepłowniczego mocy cieplnej na poziomie ok. 900 MJ/s. Elektrownia miała stanowić podstawowe źródło ciepła, którego udział w pokrywaniu szczytowego zapotrzebowania na moc cieplną odbiorców miał wynosić ok. 0,5. Wymagało to uwzględnienia współpracy ze źródłami szczytowymi, których rolę miały pełnić nowe duże ciepłownie konwencjonalne, zlokalizowane w rejonie Gdyni i Gdańska. Dostarczanie do systemu tak dużej ilości ciepła wymagało zaprojektowania rozległego systemu przesyłowego, składającego się na odcinku z elektrowni do Gdyni z dwóch par rurociągów magistralnych o średnicy 1000 mm. Odległość do najdalej położonego rejonu odbiorczego miała wynieść 85 km.

Od strony elektrowni planowano wyprowadzić ok. 900 MWt z obu bloków (nr 3 i 4), które miały być wyposażone w turbiny upustowo-kondensacyjne. Moc elektryczna bloku przy szczytowym odbiorze mocy ciepła (460 MWt) miała obniżać się o 123 MWe (z 465 MWe do 342 MWe).

Więcej o Elektrowni Jądrowej "Żarnowiec"

Ponadto planowano wyposażyć Elektrownię Jądrową "Warta" w turbiny upustowo-kondensacyjne i połączyć ją z siecią ciepłowniczą Poznania.

Więcej o Elektrowni Jądrowej "Warta"

Ciepło „z atomu” dla Warszawy

W programie badawczo-rozwojowym koordynowanym przez Instytut Energetyki: Kompleksowy Program Rozwoju Energetyki (PR-8 i CPBR 5.1) w Kierunku 3 Energetyka Jądrowa, w latach 1980-1990 prowadzone były prace studialne i przedprojektowe wykorzystania energetyki jądrowej w sposób skojarzony do zasilania w energię elektryczną i ciepło mieszkańców Warszawy.

W lutym 1986 r. podpisano z ZSRR porozumienie o budowie w Polsce elektrowni jądrowej 4×1000 MW. Miała to być druga EJ – po EJ Żarnowiec. Gdyby taka elektrownia została wykorzystana jako czysto kondensacyjna, to z ok. 13 000 MW mocy cieplnej czterech reaktorów jądrowych tylko 4000 MW byłoby w postaci prądu elektrycznego, natomiast ok. 9000 MW to straty chłodzenia kondensatorów turbin (za przetworzenie energii paliwa w elektrowniach kondensacyjnych w najszlachetniejszą formę energii – energię elektryczną płacimy bardzo wysoką cenę – sprawność procesu przemiany energii sięga tu do ok. 35 % dla „jądrówek” i do ok. 45 % dla opalanych węglem); rozwiązaniem jest gospodarka skojarzona – jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w elektrociepłowniach, np. w EC Żerań i EC Siekierki – wtedy efektywność wykorzystania energii paliwa sięga 85 %.

Analizy przeprowadzone w ramach PR-8 i CPBR 5.1 ok. 1985 r. pokazały, że gdyby takie 4 bloki jądrowe umieścić po 2 na Wiśle 20-30 km przed Warszawą i 20-30 km za Warszawą i dodatkowym obiegiem gorącej wody zasilać EC Żerań i EC Siekierki (w których – zamiast obecnych „brudnych” elektrociepłowni ciepło z tego obiegu przejmowałyby na potrzeby miasta stacje wymienników), to przy założeniu wykorzystania 3000 MW ciepła z ECJ przez 4000 do 5000 godzin w roku zaoszczędziłoby się w ciągu życia tych ECJ (60 lat) 120 do 160 mln ton energetycznego węgla kamiennego, tj. tyle, ile spalamy przez dwa lata wszystkiego węgla w polskich elektrowniach. Konstruktorzy w elbląskim ZAMECH-u wyliczyli, że z jednej „atomowej” turbiny o mocy elektrycznej 1000 MW można odebrać 1000 MW ciepła. Jej moc elektryczna obniży się wówczas do 850 MW.

Analizy ekonomiczne, wykonane też w ramach PR-8 i CPBR 5.1 (ok. 1985 r.) przez Energoprojekt – Warszawa pokazały, że ciepło z ECJ w lokalizacji Głusk byłoby o 37% tańsze, z lokalizacji Kamion o 17,5% tańsze, a z ECJ w lokalizacji Zaręby o 27% tańsze niż z elektrociepłowni konwencjonalnych.

Autorzy: Łukasz Kuźniarski, Bartłomiej Ferdyn (Akademia Górniczo-Hutnicza)

Literatura:

1. Advanced Applications of Water Cooled Nuclear Power Plants (IAEA TECDOC-1584), IAEA, Wiedeń 2007, s. 46-56.
2. Operating Experience with Nuclear Power Stations in Member States in 2010. 2011 Edition, IAEA, Wiedeń 2011.
3. Ciepłownictwo jądrowe dla Warszawy, J. Baurski, „Górnictwo i Energetyka” nr 6/85, Warszawa.
4. Przystosowanie energetyki jądrowej do oddawania ciepła dla potrzeb bytowo-komunalnych, A. Reński, referat wygłoszony na konferencji "Przyszłość energetyki jądrowej w Polsce", 6.12.2007 r., NOT, W-wa.
5. Development of Nuclear Power In Finland, H. Tuomisto, referat wygłoszony na konferencji “Energetyka jądrowa – technologia, inwestor, finansowanie”, 19-20 listopada 2009, Hotel Sofitel Victoria, Warszawa.
6. Application for a Decision-in-Principle Concerning the Construction of a Nuclear Power Plant Unit – Loviisa-3, Fortum Power and Heat Oy, Helsinki 2009, s. 26-28.
7. Jak ogrzać i oczyścić Miasto Stołeczne, czyli Elektrociepłownie dla Warszawy, J. Baurski, referat wygłoszony na konferencji “Energetyka jądrowa – technologia, inwestor, finansowanie”, 19-20 listopada 2009, Hotel Sofitel Victoria, Warszawa.