Metodika hodnotenia efektívnosti jadrových zdrojov

Pri zjednodušenom predpoklade nominálneho výkonu oboch blokov ETE 1 100 MWe možno ľahko spočítať, že prevádzkové využitie časového ročného fondu ETE je 78,2 %. Nie je to síce úplných 100 %, ale stále je to oveľa vyššie využitie ako pri masívne dotovaných a EÚ preferovaných obnoviteľných zdrojoch energie (OZE – najmä slnko, menej vietor).

My, jadroví inžinieri, hovoríme, že dosiahneme ideálnych 100 % až s novými blokmi SMR (predpoklad nasadenia do prevádzky je po roku 2030 a neskôr), pri ktorých sa pred úplným vyhorením jednej vsádzky paliva „beznárazovo“ vloží druhá, dlhodobo pripravená vsádzka čakajúca na druhom záložnom mieste primárneho okruhu (tzv. dvojča). Pri českých SMR to tak bude pri malých blokoch EnergyWell (ÚJV Rež – CVŘ) a DAVID (Witkowitz).

Využitie malých a stredných reaktorov (nielen SMR), ale aj stredných „konvenčných“ PWR-LWR (VVER) je predmetom záujmu jednotlivých odborov priemyslu v nasledujúcej časovej postupnosti:

  1. teplárenstvo – diaľkové vykurovanie, transformácia teplárenstva vynútená projektmi Green Deal, Fit for 55, taxonómia EK/EÚ (2. 2. 2022), riešenie nutné už v súčasnosti;
  2. vodíkové hospodárstvo – výroba metanolu, riešenie do roku 2035 s míľnikom v roku 2026;
  3. vodíkové hospodárstvo – výroba vodíka, riešenie po roku 2035 s ukončením do roku 2050;
  4. splyňovanie uhlia.

Medzinárodná asociácia IAEA [7] uprednostnila pri ďalšom výskume sedem systémov SMR IV. generácie (obr. 2):

  1. very-high-temperature reactor (VHTR), 1 000 °C,
  2. molten salt reactor (MSR), 850 °C, český reaktor EnergyWell, 700 °C (ČEZ – ÚJV Rež – CVŘ),
  3. sodium-cooled fast reactor (SFR), 850 °C,
  4. supercritical-water-cooled reactor (SCWR), 600 °C,
  5. gas-cooled fast reactor (GFR), 600 °C, slovenský ALLEGRO -> HeFasto, 850 °C (ČEZ – ÚJV Rež – CVŘ),
  6. lead-cooled fast reactor (LFR), 600 °C,
  7. tekutý kovový cooled reactor, 600 °C.

Návrh experimentálneho pokročilého riadenia jadrových elektrární s odberom tepla pre systémy diaľkového vykurovania

Využitie jadrových elektrární s odberom tepla (JEOT) pre systémy diaľkového vykurovania (SCZT) vyžaduje prevádzkovú flexibilitu bloku, ktorú možno dosiahnuť:

  1. reguláciou výkonu reaktora v režime Load Follow [8], [9],
  2. regulovanou zmenou odberov pary na turbíne v režime Heat Follow [A.1] pri trvalom nominálnom výkone reaktora.

Flexibilnú dennú prevádzku Extended Load Follow možno ilustrovať na francúzskych blokoch EPR. Aplikácia teplovodného diaľkového vykurovania Heat Follow“ bude ukázaná na bloku VVER 1000, ale pre doteraz vyvíjané bloky SMR to bude musieť byť riešené podobne, pretože medzi hlavné výhody SMR patrí použitie v teplárenstve pri dodávke tepla, teda ako náhrada za konvenčné (väčšinou doteraz uhoľné) elektrárne. Pokročilé riadenie JEOT pre SCZT je spôsob, ako zvýšiť flexibilitu prevádzky elektrární a tým aj integrovaných prenosových elektrizačných sústav.

Klimatické ciele a jadrové elektrárne

V súčasnosti sú jadrové elektrárne tiež najlepším riešením klimatickej budúcnosti, najmä v krajinách Európskej únie. Pre takéto tvrdenia existujú objektívne dôvody, pretože flexibilnejšie jadrové elektrárne sú prvkom zvyšujúcim stabilitu a spoľahlivosť ES (podrobnejšie pozri [A.4]). Ich pozitívne synergické efekty sú nasledujúce:

  1. Odstránenie emisií z uhoľných elektrární a teplární, a teda významný prínos k splneniu cieľov uhlíkovej neutrality v Európe, resp. EÚ.
  2. Implementácia metódy odvodu tepla zvýši toľko žiadanú flexibilitu jadrového bloku, čo pomôže regulovať nestálu a nepredvídateľnú prevádzku OZE – veterných a fotovoltických elektrární, a zároveň zníži tepelné zaťaženie životného prostredia.
  3. Zvýšenie stability celého energetického systému inštaláciou elektricky „tvrdých zdrojov energie“ (ako náhrada za masívne inštalované OZE a s tým spojený nedostatok prirodzenej zotrvačnosti rotujúcich turbín a generátorov).
  4. Významnú úlohu v efektivite zohráva aj aplikovaná úroveň automatizácie a v súčasnosti tiež digitalizácia [A.2].

Regulácia jadrových reaktorov PWR a diaľkové vykurovanie SCZT

Teplota nasýtenia pary Tsat vyrobenej v parogenerátoroch určuje celkovú účinnosť premeny energie (vyššia hodnota tejto teploty vedie k vyššej hodnote účinnosti). Teplota a tlak chladiacej kvapaliny v sekundárnom okruhu závisí od tepelného výkonu dodávaného primárnym okruhom a od výkonu turbogenerátora, ktorý je daný spotrebou. Na obr. 3 je naznačené, ako je regulovaný tepelný výkon spotrebovaný turbogenerátorom v závislosti od podmienok siete a požiadaviek:

  • regulácia primárnej frekvencie,
  • regulácia sekundárnej frekvencie,
  • sledovanie zaťaženia.

Množstvo elektrickej energie generovanej v tlakovodných reaktoroch závisí od teploty a tlaku pary produkovanej v primárnom okruhu, v parogenerátoroch. Tieto regulácie ovplyvňujú stav, t. j. teplotu a tlak, v sekundárnom okruhu.

Schémy ukazujú prechod od bežných režimov (základný režim, režim sledovania zaťaženia; obr. 4, 5) k navrhovanému režimu sledovania tepla (obr. 7).

Kompromisný regulačný program

Tento tretí riadiaci program podľa [A.5] je v skutočnosti kombináciou dvoch predchádzajúcich, kde sa pri vyššom výkone (60 % až 100 %) používa riadiaci program s konštantnou strednou teplotou chladiva a pri nižších úrovniach výkonu (0 až 60 %) sa používa riadiaci program pri konštantnom tlaku pary v zberni za parogenerátormi. Cieľom je spojiť výhody oboch predchádzajúcich programov z hľadiska prevádzky jadrovej elektrárne ako celku.

Pri prepínaní z jedného programu do druhého sa mení štruktúra riadiaceho obvodu. V režime s TCS = konšt. preberá reguláciu regulátor výkonu reaktora, na ktorého vstup je privádzaná odchýlka strednej teploty chladiacej kvapaliny od jej nastavenej hodnoty TC2 – TC1. Stredná teplota chladiacej kvapaliny sa obvykle vyhodnocuje z rozdielu medzi údajmi z termočlánkov umiestnených v horúcej a studenej vetve. Regulácia tlaku na nižších úrovniach výkonu je možná s regulátorom turbíny aj regulátorom reaktora. Priebeh parametrov pri zmene výkonu je na obr. 6.

Riadiaci program s konštantnou strednou teplotou chladiacej kvapaliny v reaktore je výhodný hlavne z hľadiska primárneho okruhu, pre navrhovaný režim nezávislej regulácie „elektriny a tepla“ zmenou odberu tepla zo sekundárneho okruhu by bol výhodný tzv. kompromisný program.

V českých jadrových elektrárňach:

  • s reaktormi typu VVER 440 MW (Dukovany) sa používa riadiaci program s konštantným tlakom pary,
  • pri reaktoroch typu VVER 1 000 MW (Temelín) bol použitý program s konštantným tlakom pri výkone do 70 % a kompromisný program s udržovaním konštantnej teploty TCS pri výkone nad 70 % menovitého výkonu (nad 700 MW).

Výkon bloku do 700 MW je výhodný z hľadiska sekundárneho okruhu; v tomto výkonovom rozsahu je výhodou zvýšenie účinnosti tepelného cyklu. Naproti tomu výkon nad 700 MW je výhodný z hľadiska primárneho okruhu, hoci pritom platia nepriaznivé podmienky (turbína pracuje s nižšou účinnosť).

Kompromisný riadiaci program – modifikovaný

Z uvedeného je zrejmé, že bola zohľadnená prevádzka na úrovni menovitého výkonu jednotky pri základnom zaťažení, nie s premenným elektrickým výkonom závislým od spotreby tepla pre SCZT/SZTE. To je tzv. ovládanie od reaktora k turbíne = základný režim. Bolo by teda vhodné vytvoriť tretí prístup pre vykurovaciu jednotku jadrovej elektrárne so spotrebou tepla = III. Teplárenský režim.

Regulačný program pre teplárenský režim – Head Follow Operating Mode

Tento tretí prístup k regulácii jadrovej elektrárne s odberom tepla pozostáva z nasledujúcich režimov: „základný režim reaktora + režim pseudoturbíny“, pričom reaktor a turbína sú nezávislé. Diagram je na obr. 7, kde je oproti predchádzajúcim režimom (I, II) meranie spotreby odoberaného tepla.

Elipsou sú na obr. 8 označené moduly, ktoré musia byť pripojené ku komplexnému riadiacemu systému I&C. Vľavo je modul riadenia výkonu reaktora. Uprostred je modul regulácie hladiny pary PG, regulácia tlaku a regulácia TG pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny (KVET). Vpravo dole je modul systému diaľkového vykurovania (SCZT/SZTE), vpravo hore modul vyvedenia elektrického výkonu do siete (ES/PS).

Jadrová elektráreň JEOT-SCZT je z hľadiska teórie automatického riadenia viacrozmerný nelineárny dynamický systém rozdelený na jednotlivé riadené, vzájomne prepojené subsystémy. Bloková schéma je na obr. 9. Podrobnejšie riešenie štruktúry a algoritmov regulačných systémov, ako aj metódy optimalizácie budú opísané v niektorom z nasledujúcich článkov.

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.

Ing. Petr Neuman, CSc.
V združení NEUREG pôsobí ako starší konzultant. Je členom Asociácie energetických manažérov, Spolku jadrových veteránov a medzinárodnej organizácie International Federation of Automatic Control, Technical Committee TC 6.3 – Power and Energy Systems. Oblasťou jeho odborného záujmu je modelovanie a simulácia energetických procesov, zdrojov a sústav, sieťové simulátory a operátorské/dispečerské trenažéry, automatická regulácia a riadenie procesov v silnoprúdovej elektrotechnike a elektroenergetike. Aktuálne sa venuje súčasnému stavu a rozvoju energetiky v Českej republike a Európe so zameraním na jadrové elektrárne s odberom tepla na diaľkové vykurovanie SCZT (District Heating Systems).

Peter Neuman
neumanp@volny.cz