Případová studie bezemisního dálkového vytápění Plzně

Případová studie bezemisního dálkového vytápění Plzně

Dosud téměř přehlížená oblast dálkového zásobování teplem se stala spolu s cenou elektřiny energetickým tématem číslo jedna, i vzhledem k situaci s cenou a dodávkami zemního plynu. Po Budějovicích a Brnu se tak v Česku po jaderných zdrojích ohlížejí i jiná města. Není divu, o jaderných reaktorech, které by zásobovaly obyvatele teplem, se historicky uvažovalo v řadě českých lokalit. Nyní opět jádro, ať koncept TEPLATOR nebo i jiné koncepty SMR, ukazují jednu z cest zbavení se závislosti na ruském plynu a potenciál jaderných zdrojů pro čistou, bezpečnou a spolehlivou dodávku tepelné energie v nejvýznamnějších lokalitách.

Historie jaderného CZT v Plzni

Již v 60. a 70. letech minulého století byly v Odboru jaderných elektráren Závodů V. I. Lenina (dnes ŠKODA JS) posuzovány dvě varianty malých jaderných reaktorů – jaderná teplárna s experimentálním reaktorem PWR o výkonu 125 MW_t, která by nicméně pokrývala pouze část poptávaného tepla v lokalitě, a nebo jaderná teplárna s dvěma energetickými reaktory o výkonu 2x 200 MW_e na bázi v Československu tehdy vyvíjeného těžkovodního, oxidem uhličitým chlazeného energetického reaktoru pro potřeby elektrárenství. Každý́ z reaktorů s příslušným parním generátorem a dvěma turbínami s výkonem po 110 MW_e měl tvořit samostatný blok. Jedna z turbín bloku měla být protitlaká (tedy teplárenská) a druhá čistě kondenzační tak, aby byla zajištěna dodávku tepla i v případě odstavení jednoho z reaktorů.

Následně, až v dubnu 1991, byl ve spolupráci firem ŠKODA a SIEMENS dokončen nový návrh jaderné výtopny NHR-200 (viz obrázek níže). Jednalo se technologii integrálního reaktoru s přirozenou cirkulací chladiva primárního okruhu. Reaktor byl navržen na bázi varného reaktoru s integrovanými výměníky tepla, integrovaným kompenzátorem objemu, hydraulickými pohony s regulačními tyčemi a rekombinátory vodíku v tlakové nádobě reaktoru.

Výtopna měla 3 hydraulické okruhy, sekundární meziokruh byl vložen za účelem oddělení primárního a terciálního hydraulického okruhu, a tedy za účelem ochrany odběratelů tepla. Výkon 200 MW_t byl stanoven na základě vyhodnocení potřeby sítě CZT v Plzni s uvažováním jejího budoucího rozvoje.

Návrh jaderné výtopny ŠKODA-SIEMENS NHR-200 byl výhodný využitím standardního jaderného paliva užívaného u velkých bloků. Reaktor měl moderní integrální design s pěti bariérami ochrany do hloubky odpovídající dnešním blokům GEN-IV a SMR, všechny komponenty byly integrovány přímo do tlakové nádoby reaktoru (v principu „integrovaná“ verze, která se v současnosti objevuje až u bloků SMR).

Jaderná výtopna s reaktorem NHR-200 však byla ve své době pro Plzeň výkonově předimenzována, což by se negativně projevilo v nerovnoměrném vyhoření paliva. Podobné jaderné výtopny byly v zahraničí (z pohledu Československa především v SSSR) navrhovány pro pokrytí cca 1/3 spotřebovaného tepla, zatímco u bloku NHR-200 se předpokládalo pokrytí až 3/4 spotřeby tepla. Důvodem mohla být snaha společnosti SIEMENS, možná i podniku ŠKODA, odzkoušet v Plzni prototyp vhodný svým výkonem i pro jiná větší města.

Současnost CZT v Plzni – Plzeňská teplárenská, a.s.

Plzeňská teplárenská, a.s. je největším výrobcem energií v Plzeňském kraji. Energie jsou pomocí kombinované výroby elektřiny a tepla produkovány ve dvou centrálních teplárnách (Teplárna a Energetika) a zařízení k energetickému využití odpadů (ZEVO).

Společnost zásobuje domácnosti, komerční, podnikatelská, správní a školská zařízení pomocí 532 km dlouhého potrubí tepelné sítě. Jako hlavní palivo je využíváno hnědé uhlí s výhřevností přibližně 13 MJ/kg, ale v některých kotlích je také možné spalování případně spoluspalování biomasy, přičemž díky rekonstrukcím technologie kotlů neustále roste podíl využité biomasy.

Spalování odpadu představuje přibližně 10 % z celkového množství využitých paliv, viz grafika níže. V roce 2021 bylo spotřebitelům celkem dodáno 3.334 TJ tepelné energie a také 3.163 MWh energie chladu.

Jaderná budoucnost CZT v Plzni – SMR

V Plzeňské teplárenské, a.s. se problematika jaderného vytápění řešila průběžně od roku 2010 a další konkrétní pokus přišel v roce 2014, kdy projevila zájem o výstavbu jaderné výtopny s výhledem vytápění v horizontu dvaceti let. Pro ilustraci uvádíme níže tabulku s návrhy nasazení vybraných dvou typů lehkovodních SMR NuScale a mPower, která byla publikována v rámci prezentace EGP na konferenci SMR 2017.

Reaktor B&W mPower (již dále nevyvíjen) byl integrovaný koncept reaktoru s modulární konstrukcí. Výkon reaktoru byl v různých etapách vývoje uváděn v rozmezí 380-580 MW_t tepelné energie a 125-180 MW_e elektrické energie.

Reaktor NuScale měl elektrický výkon reaktoru zvýšen z původních 50 MW_e na 60 MW_e a nyní je certifikován až na 77 MW_e s tepelný výkonem 250 MW_t.

Jaderné reaktory pro levné vytápění

Publikace IAEA Advances in SMR Technology Developments 2020 uvádí 72 konceptů reaktorů, přičemž mnohé z nich předpokládají využití i pro teplárenství. Nicméně jen pět vodou chlazených konceptů v publikaci je určeno pouze pro výrobu levné tepelné energie, bez kogenerace. Tři reaktory jsou ve vývoji v Číně – DHR400, HAPPY200 a NHR200-II, čtvrtým je český koncept TEPLATOR a posledním již dále nevyvíjený ruský koncept RUTA-70.

• DHR400 je lehkou vodou moderovaný a chlazený reaktor s tepelným výkonem 400 MW_t, pracující při atmosférickém tlaku a výstupní teplotě vody 98 °C. Bude používat zkrácené (2,1 m dlouhé) palivové soubory PWR s obohacením pod 5 % uranu-235.
• Stejné palivo je navrženo pro reaktor HAPPY200 o výstupním tepelném výkonu 200 MW_t, výstupní teplotě vody 120 °C a provozním tlaku 0,6 – 0,8 MPa.
• Poslední čínský koncept NHR200-II pracuje na vyšších parametrech prim. okruhu – 232/280 °C a 8 MPa. Reaktor s tepelným výkonem 200 MW_t bude využívat speciální čtvercové palivové soubory s 81 proutky.
• Český koncept TEPLATOR je díky těžkovodní moderaci navržen pro použití již částečně vyhořelých nebo čerstvých, mírně obohacených, palivových souborů VVER-440. TEPLATOR může pracovat do teploty 200 °C a tepelného výkonu 50-150 MW_t.

Plzeňsko a možné umístění jaderných reaktorů

Vzhledem k charakteru provozu jaderného zdroje s předpokladem jeho maximálního využití, lze odhadovat vyrobenou energii během topné sezóny na cca 1.000 TJ pro 50 MW_t instalovaného výkonu. S ohledem na celkovou spotřebu tepla v lokalitě 3.000 TJ by jaderné výtopny DHR400 a HAPPY200 i NHR200-II byly stejně jako historická NHR-200 pro Plzeň nevhodně velké, a tedy v úvahu připadá pouze jednotka TEPLATOR o výkonu 50 MW_t.

Pro umístění historické výtopny NHR-200 bylo v Plzni v minulosti vyhodnoceno 5 potenciálních lokalit, které mohou být nyní východiskem pro umístění nového jaderného zdroje: Zábělá, Chlum-Bukovec, Dýšina, Chrást, Přívětice ⤵️

Historickou zkušenost s jádrem Plzeň má, bude i jaderná budoucnost?

Historicky již byl v Plzni jaderný reaktor v provozu (experimentální reaktor na Vochově) a je zde řada zkušeností s jadernou energetikou (ŠKODA JS a.s., ZČU, …). Taktéž je zde vybudována kvalitní teplovodní síť s potenciálem velkého odběru tepelné energie i v budoucnosti. Ekologická, efektivní a ekonomická elektro-energetika včetně teplárenství se bez jaderných výtopen a/nebo tepláren v budoucností neobejde, tzn. při současném udržení energetické bezpečnosti ČR a EU není přechod na nízkouhlíkovou energetiku (dekarbonizace) možný bez „jádra“. Pro lokalitu Plzeň, v současnosti z více než 60 % vytápěnou spalováním hnědého uhlí, je TEPLATOR o výkonu 50 MW_t ideálním řešením.

Zásadní je ovšem ekonomika, kde TEPLATOR s cenou tepla na patě výtopny pod 100 Kč/GJ poráží všechny jiné teplárenské zdroje. Průměrné ceny tepla v pro spotřebitele v ČR v loňském roce (2022) dosáhly 730 Kč/GJ (bez DPH), přičemž jsou značně závislé na používaném palivu – při výrobě z plynu mohla cena lokálně přesáhnout i 2000 Kč/GJ. To nehrozí u jaderných zdrojů díky stabilní ceně a dostupnosti paliva, které lze odebírat od různých dodavatelů a tvoří jen malou část v celkových nákladech na výrobu tepla.

Nemluvě o moderní cirkulární ekonomice se znovuvyužitím ozářeného paliva (tzv. upcycling), protože i v použitém palivu zůstává stále 96 % energie nevyužito. A to je dost na levné ekologické vytápění všech českých krajských měst na desítky let…

Jana Jiřičková, David Mašata, Radek Škoda, Petr Neuman