Z údajov získaných z elektromerov dostupných na webovej stránke Slovenskej elektrizačnej a prenosovej sústavy (SEPS, a. s.) vyplýva, že od začiatku roka do 17. mája 2023 vyrobili výrobné zdroje na Slovensku 10,83 TWh elektrickej energie. Za rovnaký čas dosiahla spotreba elektrickej energie 10,07 TWh, čo predstavuje 7,56 % prebytok vo výrobe. Len na porovnanie, v rovnakom období v roku 2022 bolo spotrebovaných 11,33 TWh a vyrobených 10,69 TWh elektrickej energie, z čoho vyplýva, že 5,54 % spotreby muselo byť zabezpečenej z dovozu [1]. Táto zmena bola vo vysokej miere zapríčinená aj súčasnou geopolitickou situáciou v Európe a energetickou krízou. Na náraste množstva vyrobenej elektrickej energie však mali nemalý podiel aj jadrové elektrárne, konkrétne dlho očakávané spustenie 3. bloku jadrovej elektrárne Mochovce, ktorý v súčasnosti dosahuje čistý elektrický výkon 213,04 MW [1]. V priemere sa za už spomenuté sledované obdobie medzi 1. januárom a 17. májom 2023 podieľali jadrové elektrárne na výrobe elektrickej energie v priemere podielom 59,65 %.

V prípade dosiahnutia nominálneho výkonu 3. a 4. bloku elektrárne Mochovce so súčasným odstavením elektrárne Nováky existuje potenciál dosiahnutia podielu výroby z jadra až 70 – 75 %. Bude to však vo veľkej miere závisieť od podielu ostatných zdrojov na výrobe elektrickej energie. V blízkej budúcnosti však možno jednoznačne predpokladať, že jadrové elektrárne budú naďalej zohrávať kľúčovú úlohu v zabezpečení energetickej sebestačnosti Slovenska. Pociťujeme však výrazný posun európskych politík smerom k navyšovaniu využitia obnoviteľných zdrojov energie na výrobe elektrickej energie. Tento nárast by síce zvýšil podiel bezuhlíkovej elektrickej energie a tým by sa Slovensko priblížilo k záväzkom voči EÚ [2], nemožno však zabudnúť na to, že by kládol vyššie požiadavky na súčasné a nové jadrové reaktory vrátane potreby ich prevádzky v režime sledovania záťaže.

Nové zariadenia, ako sú elektrické vozidlá, majú možnosť spätne exportovať elektrickú energiu do elektrizačnej sústavy, a tak aj výrazne znížiť závislosť zmien dopytu po energii od výkyvov počasia a iných externých zdrojov. Je však zjavné, že tieto požiadavky na výkon môžu negatívne ovplyvniť ekonomiku prevádzky aj bezpečnosť JE. Chýbajúcim článkom v takomto energetickom systéme by mohla byť výhodná spolupráca malých a stredne veľkých jadrových reaktorov [3] s rôznymi systémami skladovania elektrickej energie. Tieto systémy môžu byť zaujímavé aj z pohľadu náhrady výroby elektrickej energie po odstavení blokov jadrovej elektrárne V2 v Jaslovských Bohuniciach.

Modernizácia elektrizačnej sústavy

Elektrizačná sústava (ES) je jeden z najväčších a najkomplexnejších systémov na svete, preto niet pochýb, že jedným z kľúčovým faktorov vplývajúcich na bezpečnosť a ekonomickú výhodnosť JE je ich interakcia s elektrizačnou sústavou. V porovnaní s inými typmi elektrární (uhoľné, OZE) sú jadrové elektrárne zvyčajne veľmi veľké a mimoriadne citlivé zariadenia. Sú zároveň výrobcami a spotrebiteľmi elektrickej energie, preto spojenie s ES musí byť zabezpečené za každých okolností. Vďaka svojmu relatívne veľkému výkonu dodávajú JE do ES významné množstvo elektrickej energie, zároveň však vyžadujú jej stabilnú dodávku pre vlastnú spotrebu bezpečnostných systémov. Platí to pri spúšťaní, prevádzke, odstavení a obzvlášť pri dochladzovaní reaktora, pri ktorom JE nemusia za každých okolností vyrobiť dostatok elektrickej energie na napájanie všetkých svojich bezpečnostných systémov na dostatočne dlhý čas. Strata externého napájania by preto mohla viesť k významným ekonomickým, sociálnym a environmentálnym dôsledkom. Moderná, vybilancovaná a spoľahlivá ES je kľúčom stabilnej prevádzky súčasnej flotily JE a realizácie nových jadrových projektov [4].

Celá filozofia návrhu a prevádzky elektrizačnej sústavy sa za posledné desaťročia významne zmenila. ES bola pôvodne navrhnutá pre potreby prenosu vyrobenej elektrickej energie z centralizovaných zdrojov k odberateľom, avšak v súčasnosti prechádza neustálou modernizáciou. Hovoríme o decentralizácii, dekarbonizácii a digitalizácii elektrizačnej sústavy. Decentralizácia má umožniť distribúciu výroby, uskladnenie vyrobenej elektrickej energie, rozvoj lokálnych sietí a zefektívnenie trhu s elektrickou energiou. Dekarbonizácia sleduje predovšetkým cieľ navýšenia podielu OZE na výrobe elektrickej energie a digitalizácia sa týka automatizácie riadenia sietí, prediktívnej údržby a spracovania veľkého množstva dát (tzv. big data) v reálnom čase. Moderná inteligentná sieť (smartgrid) využíva riešenia IoT (Internet of Things), inteligentné merače a dodávky elektriny k spotrebiteľom prostredníctvom obojsmerných digitálnych komunikačných kanálov [5]. Väčšina JE bola navrhnutá a postavená sledujúc potreby centralizovanej výroby, preto súčasná, ale predovšetkým nastupujúca generácia jadrových reaktorov sa musí prispôsobiť modernizácii ES.

Najväčší vplyv na bezpečnú a stabilnú prevádzku jadrových elektrární má predovšetkým dekarbonizácia, čiže zvyšujúci sa podiel OZE, ktorých výkon silne závisí od lokálnych podmienok, ako je teplota, rýchlosť a smer vetra, oblačnosť, uhol dopadu slnečného žiarenia a pod. Keďže sa tieto podmienky neustále menia a sú ťažko predpovedateľné, nie sú práve najvhodnejšie na zabezpečenie záložného napájania JE. Variabilita dodávky elektrickej energie v dôsledku vysokého podielu OZE môže byť problematická pre prevádzku celej siete a môže viesť k problémom kvality elektrickej energie. Na druhom mieste možno spomenúť digitalizáciu, čiže inteligentné merače a komunikačné platformy používané na riadenie v rámci smartgridu. Tieto zariadenia môžu byť vstupnými bodmi do siete pri kybernetických útokoch, ktoré môžu viesť k narušeniu funkčnosti siete a tým aj záložného napájania JE. Vzhľadom na veľkosť a komplexnosť inteligentných sietí môžu byť monitorovanie a detekcia potenciálnych útokov veľmi ťažké alebo až nemožné. Za zmienku stojí aj posúdenie vplyvu systémov na skladovanie elektrickej energie. Rovnako ako všetky riešenia smartgrid, systémy skladovania elektrickej energie sú atraktívne pre potenciálne kybernetické útoky, ktoré môžu viesť k strate uskladnenej energie [5]. Na druhej strane v kombinácii s malými modulárnymi reaktormi dostávame konkurencieschopnú alternatívu zdroja schopnú pokryť lokálne požiadavky ES.

V dôsledku snahy o dekarbonizáciu siete, a teda zvyšovania výroby elektriny z OZE (podľa vyhlášky Európskej komisie č. 773 [6] sa JE tiež dajú považovať za nízkouhlíkové zdroje elektrickej energie) a regulačných obmedzení čelia jadrové elektrárne meniacej sa dynamike elektrizačnej sústavy. Súčasná flotila reaktorov u nás, reprezentovaná reaktormi typu VVER-440, má obmedzenú kapacitu na reguláciu elektrického výkonu. Počet zmien pod 5 % menovitého výkonu reaktora (VR) síce nie je obmedzený, ale v rozsahu 5 % a 10 % VR sú limitované zmeny rýchlejšie ako 3 % VR za minútu na 2 500 cyklov za rok [7]. Pri väčších zmenách VR sa povolené cyklické zmeny dramaticky znižujú. Ďalšie limity sa týkajú prevádzky turbíny, ktoré povoľujú maximálnu zmenu 3 % menovitého výkonu za minútu. Na druhej strane sa pri prevádzke v režime sledovania záťaže očakáva, že reaktory budú schopné dennej cyklickej zmeny v rozsahu 50 % až 100 % VR s rýchlosťou 3 až 5 % za minútu. Požiadavka na prevádzku jadrových elektrární v režime sledovania zaťaženia prirodzene otvára otázky o ekonomike, bezpečnosti (obmedzenej integritou paliva) a vplyve na starnutie zariadení v dôsledku flexibilnej prevádzky.

Systémy skladovania elektrickej energie

Z uvedeného je zjavné, že prevádzka JE v režime sledovania záťaže je ekonomicky a technicky náročná. Výhodnejšie sa javí skladovať prebytočnú alebo mimošpičkovú elektrickú energiu pomocou technológií skladovania energie. Odborná literatúra disponuje množstvom schematických popisov technológií, ale mnohé z nich sú len v koncepčnom štádiu vývoja. Systémy skladovania energie možno kategorizovať podľa foriem energie, ktoré využívajú, ako mechanické, tepelné a chemické.

Mechanické skladovanie energie

Predstavuje väčšinu dnes inštalovanej kapacity skladovania energie na svete. Existuje niekoľko technológií založených na mechanickej energii, ako je skladovanie energie stlačeného vzduchu (CAES), prečerpávacia vodná elektráreň (PSH) a ukladanie energie v zotrvačníkoch (FES). Systémy CAES ukladajú potenciálnu energiu vznikajúcu v dôsledku rozdielneho tlaku v zásobníkoch plynu. Vo svete sú však v prevádzke iba dva plnohodnotné systémy CAES: jeden v Nemecku a jeden v americkom štáte Alabama [8]. Medzinárodná energetická agentúra odhaduje, že zariadenia PSH predstavujú 99 % celosvetovej kapacity skladovania energie. Nie je to inak ani na Slovensku, príkladom čoho je prečerpávacia vodná elektráreň Čierny Váh s inštalovaným výkonom 735,16 MWe [9]. Medzi hlavné problémy týchto elektrární patria geografické podmienky, povoľovacie procesy, akceptácia verejnosťou a vplyv na životné prostredie. V každom prípade je zjavné, že prečerpávacie vodné elektrárne sú ideálnou možnosťou na veľkokapacitné skladovanie mimošpičkovej elektrickej energie.

Skladovanie tepelnej energie

Technológie skladovania tepelnej energie uchovávajú energiu vo forme tepla. Väčšinou sa používajú v elektrárňach na skladovanie tepelnej energie ešte pred jej premenou na elektrickú energiu alebo na iné účely, ako je diaľkové vykurovanie. Tieto technológie sa zvyčajne zvažujú v spojení s koncentrovanými solárnymi obnoviteľnými zdrojmi energie, ale mohli by byť súčasťou infraštruktúry okolo malého modulárneho reaktora. Ďalšou využiteľnou technológiou je systém akumulácie teplej a studenej vody. Tieto systémy sa používajú predovšetkým na presun dopytu po energii na vykurovanie a chladenie obytných a komerčných budov do obdobia mimo špičky so snahou o zníženie nákladov. Výkon týchto systémov je obmedzený výstupnou teplotou. Nie na poslednom mieste treba spomenúť roztavené soli, ktoré sú za izbových podmienok tuhé, ale pri zahrievaní kvapalné. Vo väčšine systémov skladovania energie v roztavenej soli sa roztavená soľ udržiava v kvapalnom skupenstve počas celého procesu skladovania energie. Takýto systém je súčasťou návrhu pokročilého vysokoteplotného reaktora s vloženým okruhom roztavenej soli chloridu lítneho. Nevýhoda týchto systémov je agresívna chemická interakcia solí s prostredím.

Skladovanie chemickej energie

Je založené na ukladaní energie do chemických väzieb, ktoré možno neskôr prerušiť a tým naakumulovanú energiu uvoľniť. Patria sem elektrolytické systémy, čiže kondenzátory a elektrochemické systémy, takzvané batérie. Kondenzátory sú použiteľné práve na krátkodobé skladovanie energie a disponujú malou kapacitou. Niektoré z nich sa používajú aj v hybridných elektromobiloch. Medzi batérie patria bežné batérie (Li-Ion, NaS, Pb, Ni-Cad) známe aj z elektromobilov a prietokové batérie (VRB – Vandalium Redox Batery, Zn-Br). Oba typy môžu tvoriť takzvané batériové skladovacie systém (BEES). Väčšina typov batérií obsahuje vzácne materiály, čo negatívne ovplyvňuje kapitálové náklady a znižuje udržateľnosť takýchto riešení. Bežné batérie tiež trpia nízkym počtom cyklov nabíjania a vybíjania, čo znamená dodatočné náklady potrebné na ich výmenu.

Vzhľadom na požiadavky na skladovanie energie vo veľkom meradle je dôležitou otázkou relatívne menšia skladovacia kapacita spôsobená veľmi nízkou mernou energiou a nízkou hustotou energie. Potreba väčšieho počtu batériových jednotiek môže byť teda kompenzovaná distribuovaným batériovým úložiskom využívajúcim elektrické autá pripojené k sieti v prípade, že nie sú v prevádzke.

Skladovanie vodíkovej energie

Jednou z dôležitých technológií je skladovanie vodíkovej energie. Pri tejto forme skladovania energie môže byť elektrická energia, ktorá bola vyrobená v elektrárni, použitá na výrobu vodíka najmä prostredníctvom vysokoteplotnej (>800 °C) [10] parnej elektrolýzy. Vodík sa po výrobe musí skladovať v špecifickej forme, buď v tuhej fáze vo forme hydridov sodíka, horčíka alebo lítia, alebo v plynnej fáze vo veľkom množstve pod zemou v soľných jaskyniach, vyčerpaných ložiskách ropy a plynu a v hydrokolektoroch. Chemická energia uložená vo vodíkových väzbách sa môže neskôr použiť v palivovom článku alebo spaľovacej turbíne na produkciu užitočnej práce. V dôsledku vysokých nákladov sa výroba vodíka zvyčajne nepovažuje za vhodnú na každodenné riadenie výkyvov na trhoch s elektrickou energiou, spôsobených premenlivou výrobou elektriny z obnoviteľných zdrojov energie. Porovnanie jednotlivých systémov skladovania elektrickej energie je na obr. 3.

Spojenie veľkokapacitného systému skladovania energie s jadrovým reaktorom prináša niekoľko výziev na zaručenie bezpečnosti kombinovaného systému. Dá sa predpokladať, že veľkokapacitné skladovanie tepelnej energie zlepší bezpečnosť vďaka dodatočnej tepelnej zotrvačnosti, bez prenosu zmien teploty do aktívnej zóny a v prípade potreby schopnosti absorbovať zvyškové teplo. Niektoré zo systémov skladovania energie môžu poskytovať núdzovú záložnú kapacitu využiteľnú na chladenie v prípade potreby vonkajšieho napájania JE alebo v prípade iných prevádzkových scenárov. Existujú však obavy o spoľahlivosť a integritu takýchto systémov, z požiarov v prípade batériových systémov, chemickej interakcie sodíka v NaS, zo záplav spôsobených poruchami systémov skladovania teplej a studenej vody, zamrznutia roztavených solí a blokovania tepelnej výmeny z reaktora, z výbuchov vodíka a pod.

Malé modulárne reaktory

Na základe znalosti výhod a nevýhod dostupných riešení na uskladnenie elektrickej energie možno identifikovať významné regulačné výzvy, ktoré predstavuje prepojenie veľkého systému skladovania energie s jestvujúcim jadrovým reaktorom, kde treba vyvinúť celú metodiku hodnotenia bezpečnosti vrátane nových simulačných kódov podporených experimentálnou prácou. Na základe týchto zistení treba vytvoriť a národné regulačné orgány by mali prijať primeraný medzinárodne akceptovaný licenčný rámec [9]. Tento proces by sa výrazne zjednodušil, ak by výkon pochádzajúci z JE nebol príliš vysoký, čo otvára priestor pre malé modulárne reaktory.

Medzinárodná agentúra pre atómovú energiu (MAAE) definuje malé a stredné alebo modulárne reaktory (SMR) ako reaktory s výkonom do 300 MWe (malé alebo malé modulárne) a reaktory s výkonom 300 – 700 MWe (stredne veľké) [9]. Reaktory VVER-440, ktoré sú v súčasnosti prevádzkované a stavané aj na Slovensku, teda možno považovať za stredne veľké reaktory. Len pre zaujímavosť, v súčasnosti sa približne 10 % svetovej elektrickej energie vyrába z jadrových elektrární, čo predstavuje 2 653 TWh ročne. Celkový inštalovaný výkon všetkých 436 reaktorov na svete je 339,7 GWe a ďalších 59 reaktorov s inštalovaným výkonom 61,8 GWe je vo výstavbe [11]. Z celosvetového hľadiska teda možno povedať, že priemerný inštalovaný výkon jedného bloku v prevádzke, resp. vo výstavbe je 898,4 MWe, resp. 1 047,1 MWe. Inštalovaný výkon reaktorov VVER-440 na Slovensku je výrazne nižší ako celosvetový priemer jedného bloku, čím automaticky konvergujú k riešeniam, ktoré modulárne reaktory malých a stredných reaktorov ponúkajú.

Nová generácia SMR má potenciál ťažiť z flexibilných možností výroby energie, zo širokého spektra aplikácií, zvýšenej bezpečnosti vyplývajúcej zo základných prvkov pasívnej bezpečnosti, znížených počiatočných kapitálových investícií a z možností kogenerácie a neelektrických aplikácií. Očakávaný vyšší podiel jadrovej energie v sústave s významným podielom obnoviteľných zdrojov zvýši potrebu prevádzky v režime sledovania záťaže pre zdroje energie pracujúce v základnom pásme a otvorí možnosť skladovania mimošpičkovej elektrickej energie v dedikovaných systémoch. Nástup malých modulárnych reaktorov otvára možnosti v oblasti využitia technológií rýchlych reaktorov, a to konkrétne reaktorov chladených kvapalným sodíkom, prípadne olovom, a tým možnosť uzavretia palivového cyklu a postupným znižovaním produkcie jadrového odpadu zo všetkých prevádzkovaných JE. V priestore EÚ je dnes v jadrovej komunite propagovaných viac ako 80 rôznych konceptov malých modulárnych reaktorov, zaujímavé však bude porovnať tento počet o desať rokov.

Záver

V závere možno zhodnotiť, že malé modulárne reaktory inherentne nesú významný potenciál a snahu jadrovej energetiky reagovať na meniace sa požiadavky elektrizačnej sústavy s vyšším podielom nestálych obnoviteľných zdrojov energie. Malé požadované výkonové hustoty, dlhodobá stabilná prevádzka bez potreby výmeny paliva, minimálna zóna havarijného plánovania a rýchly čas výstavby sú nespornými lákadlami aj pre súkromné investície, čo môže priniesť stratenú dynamiku v návrhu a výstavbe nových jadrových zariadení. Pre možnosť implementácie SMR takpovediac „za dedinou“ však existuje množstvo nevyriešených otázok vrátane regulačného rámca, bezpečnostných požiadaviek na systémy skladovania energie priamo zviazané s jadrovým zariadením, fyzickej ochrany, finančného poistenia takýchto zariadení a akceptácie verejnosti.

Navyše, ekonomika SMR je v porovnaní so stredne veľkými a veľkými JE otázna. Implementácia SMR v krajine s už vybudovaným jadrovým priemyslom vrátane silného regulátora, možnosti spracovania a úpravy RAO, podpornými službami a historicky akceptovanými jadrovými lokalitami je v krátkodobom horizonte viac ako otázna. V prípade krajín dosiaľ nevyužívajúcich jadrovú energiu, ktoré zároveň potrebujú dosiahnuť rýchlu zmenu svojho energetického mixu z geopolitických alebo ekologických dôvodov, sa javia malé modulárne reaktory ako sľubná a kapitálovo dostupná forma energie. Tieto krajiny však momentálne požadujú uloženie produkovaného RAO a VJP v krajine dodávateľa tejto technológie, čo je ďalšia náročná téma stojaca na ceste k implementácii malých modulárnych reaktorov.

Poďakovanie

Tento príspevok vznikol vďaka podpore v rámci Operačného programu Integrovaná infraštruktúra pre projekt Medzinárodné centrum excelentnosti pre výskum inteligentných a bezpečných informačno-komunikačných technológií a systémov – II. etapa, kód ITMS: 313021W404, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Zdroje

[1] Slovenská elektrizačná a prenosová sústava, a. s. Denná bilancia výroby a spotreby v ES SR. [online]. Citované 18. mája 2023. 

[2] United Nations: Paris Agreement to the United Nations Framework Convention on Climate Change. Paris 2015.

[3] MAAE: Výhody a výzvy malých modulárnych rýchlych reaktorov. In: Zborník z technického stretnutia IAEA-TECDOC-1972, Viedeň, MAAE 2021.

[4] Čerba, Š. et. all: Vplyv smart-grid technológií a modernej elektrizačnej sústavy na bezpečnú prevádzku jadrových elektrární. In: Zborník z vedeckej konferencie Inteligentné a bezpečné informačno-komunikačné technológie a systémy, SPEKTRUM STU, Bratislava 2022.

[5] Villaran, M.: A literature Review: Smart Grids Impacts on Nuclear Power Plants. Brookhaven National Laboratory, Brookhaven, USA 2016.

[6] European Comission: A clean planet for All. A European strategic long-term vision for a prosperoius, modern, competitive and climate neutral economy. COM (2018) 773, Brussels 2018.

[7] Slovenské elektrárne, a. s.: Prevádzkový predpis Bezpečnostná správa JE V-2 (6-BSP-001). SE, a. s., Bohunice 2012.

[8] Alameri, S. A. – King, J. C.: Systém skladovania tepelnej energie spojeného jadrového reaktora pre zvýšenú záťaž po prevádzke. In: Medzinárodná jadrová atlantická konferencia INAC, Brazília 2013.

[9] Vrban, B. et. all: Možnosti skladovanie energie pre malé modulárne jadrové reaktory. In: Zborník z vedeckej konferencie Inteligentné a bezpečné informačno-komunikačné technológie a systémy, SPEKTRUM STU, Bratislava 2022.

[10] O'Brien, J. E. – McKellar, M. G. – Harvego, E. A. – Stoots, C. M.: Vysokoteplotná elektrolýza pre rozsiahlu výrobu vodíka a syngasu z jadrovej energie – súhrn systémových simulácií a ekonomických analýz. In: International Journal of Hydrogen Energy, 2009, vol. 35, s. 4 808 – 4 819, 2009.

[11] World Nuclear Org: Nuclear Power in the World. [online]. Citované 18. mája 2023. 

Ing. Štefan Čerba, PhD.
doc. Ing. Branislav Vrban, PhD.
Ing. Jakub Lüley, PhD.
prof. Ing. Vladimír Nečas, PhD.
prof. Ing. František Janíček, PhD.

Slovenská technická univerzita
Fakulta elektrotechniky a informatiky
Ústav elektroenergetiky a aplikovanej elektrotechniky
Ilkovičov3, 812 19 Bratislava
stefan.cerba@stuba.sk