Възможности за когенерация с ядрена енергия

Когенерацията за производство на топлинна и електрическа енергия придобива все по-голямо значение заради увеличаващото се въздействие на енергоконсумацията върху околната среда. Енергийната парадигма се измества от “осигуряване на повече енергия” към “по-разумно енергопотребление” и когенерацията може да спомогне за осъществяването на този преход.

Първичната консумация на енергия не трябва да нараства, докато при крайното потребление все още може да се очаква ръст. Това може да се постигне чрез повишаване на енергийната ефективност на съществуващите електроцентрали посредством внедряване на когенерация.

Системите за когенерация могат да се основават не само на електрически, но и на топлинни и парни мрежи и газопроводи. В зависимост от оптималното крайно оползотворяване на топлина тези системи могат да бъдат широкообхватни или по-малки (локални), изградени поотделно или свързани в мрежи.

Споделянето на енергия между различни потребители от една и съща производствена група предлага много възможности по отношение управление на търсенето и минимизиране на разходите.

Това може да бъде подпомогнато от иновации в интелигентното отчитане, както и от нови инструменти и технологии за управление на умни електроразпределителни мрежи. Основните видове когенерационни системи се основават на парни или газови турбини, бутални двигатели, горивни клетки и ядрена енергия.

Ползи и предизвикателства

В сравнение с другите източници на енергия ядрените централи имат по-висока топлинна ефективност и оказват по-малко въздействие върху околната среда. Основните ползи от съоръженията за генериране на ядрена енергия са това, че през жизнения им цикъл се отделят много ниски нива на емисии на парникови газове и че от малко суровина могат да се получат огромни количества енергия.

Ядрените централи също така заемат по-малко пространство в сравнение с топлоцентрали или централи с газови турбини за същия добив на електроенергия.

Въпреки че системите за когенерация с ядрена енергия имат някои предимства, пред по-широкото им приложение има няколко предизвикателства.

Първото е, че ядрените централи са по-скъпи за изграждане и поддръжка, отколкото топлоелектроцентралите. Освен това генерираните вследствие на експлоатацията им отпадъци са вредни и следва да бъдат съхранявани внимателно и безопасно за дълги периоди от време. Тъй като горивото е радиоактивно, конструкцията на реактора е много скъпа и са необходими няколко нива на защита.

Топлинната енергия от ядрените централи може да бъде използвана например в производството на стъкло и цимент, за термохимично получаване на водород, електролиза на пара, реформинг на метан, в нефтохимическата промишленост при рафинирането на петрол и производството на нефт от шисти и битуминозни пясъци. Потенциални приложения са и целулозно-хартиената индустрия, централизираното отопление и обезсоляването на морска вода.

Изискването за температурата на топлинния източник варира в широки граници в зависимост от конкретния процес. В нискотемпературния диапазон са централизираното подгряване на вода или пара (80-150°C) и обезсоляването на морска вода. Голям брой потенциални приложения съществува за среднотемпературния диапазон.

Към момента най-същественото приложение на когенерация с ядрена енергия е интензивното доставяне на пара за екстракция на битум от битуминозни пясъци. Такава инсталация има в Албърта, Канада, където се намират вторите по големина нефтени залежи след Саудитска Арабия. За да се извлече битумът от дълбоки пясъчни отлагания, са необходими значителни дебити пара под високо налягане (400°C).

Допълнителни количества енергия са нужни за модифицирането на битума до синтетичен суров петрол като готова суровина за рафинериите. Понастоящем индустрията използва природен газ като първичен източник на енергия за производството на петрол от битуминозни пясъци.

Високотемпературната топлинна енергия обикновено е необходима в нефтохимическата индустрия, стоманопроизводството и получаването на водород, който намира приложение за синтез на амоняк и метанол, хидрогазификация, синтез на въглеводороди по метода на Фишер-Тропш, както и като гориво за генератори и автомобили с горивна клетка.

Ядрените централи поддържат когенерацията в изброените процеси като осигуряват част или цялата необходима за провеждането им топлинна енергия и допълнителна електроенергия.

В сравнение с едноцелевото производство на енергия, когенерацията с ядрена енергия може да доведе до реализирането на някои значителни ползи, например редуцирана или нулева употреба на енергия от изкопаеми горива, намалени или нулеви емисии на въглероден диоксид, по-голяма обща топлинна ефективност чрез оползотворяване на нискотемпературната или отпадната топлина от ядрените централи, и по-ниски комбинирани разходи за производство на енергия и ограничени въздействия върху околната среда.

Основни приложения

Техническата възможност за използването на ядрени топлинни източници за централно отопление или индустриални процеси съществува още от самото разработване на технологията. Все още обаче не се наблюдава съществено навлизане на такива решения на пазара. Потенциалът за това зависи предимно от това къде и по какъв начин ядрените реактори биха могли да отговорят на търсенето на топлинна енергия.

Когенерационните ядрени централи са една от възможностите за осигуряване на централно отопление. Когато става дума за средни до големи ядрени реактори, поради ограничените изисквания на топлинния пазар и относително ниските товари електрическата енергия е водещият продукт, а отоплителната енергия е само малък дял от общото генерирано количество енергия.

В повечето случаи тези реактори, включително местоположението им, са оптимизирани за условията на електроенергийния пазар, а отделената топлинна енергия се смята за страничен продукт. Ако такива централи са разположени в достатъчна близост до населени места в студени климатични региони, те могат да се използват и за нуждите на централното отопление. Това вече е прилагано в България, Русия, Украйна, Чехия, Словакия, Унгария и Швейцария, като се използват до 100 MW топлинна енергия на централа.

За малки когенерационни реактори с мощности до 150 или 300 MWe делът на използваната за централно отопление топлинна енергия може да е по-голям. В повечето случаи обаче, поради икономически причини, при нормален експлоатационен режим електроенергията продължава да бъде основният продукт.

Областта на приложение на тези реактори е подобна на случая със средните до големи когенерационни реактори. В допълнение, те могат да се използват и за специфични цели например за осигуряване на енергия за концентрирани товари в отдалечени райони със студен климат.

Прилагането на генериращи само топлинна енергия реактори също е вариант. Такива съоръжения обаче са внедрени в много малък мащаб под формата на експериментални или демонстрационни проекти. Тези реактори се проектират за разполагане в гъстонаселени места или в много голяма близост до тях, така че разходите за топлопренос и разпределение да са минимални.

Постигането на икономическа конкурентоспособност обаче е трудно, поради относително ниските необходими товари, освен в определени отдалечени локации, където цените на изкопаемите горива са много високи, а зимата е студена и продължителна.

Характеристиките на пазара за процесна топлинна енергия са съвсем различни от тези за централно отопление, макар и да съществуват някои общи изисквания, предимно по отношение на минималните разстояния за топлопренос.

Индустриалните потребители на процесна топлина обаче могат да бъдат разположени извън гъстонаселените региони. Много от тях, най-вече големите консуматори, се намират извън урбанизираните зони и обикновено на значителни разстояния от тях. Това прави съвместното разполагане на ядрени реактори и индустриални потребители на процесна топлина не само възможно, но дори желателно с цел драстично намаляване или елиминиране на разходите за пренос на енергия.

Обичайният подход при големи реактори е да се изградят няколко станции. Когато се използват в когенерационен режим, електроенергията винаги е основният продукт. Следователно такива инсталации трябва да са интегрирани в електроразпределителната система и да са оптимизирани за производството на електрическа енергия.

За реактори със средни и големи размери, и най-вече за много малки реактори, делът генерирана процесна топлина може да е по-голям, като топлинната енергия може да стане дори и първичен продукт. Това ще повлияе върху критериите за оптимизация на инсталациите и може дори да се превърне в по-атрактивно решение за потенциалните потребители на процесна топлина.

Към момента няколко когенрационни ядрени централи доставят процесна топлина за индустриални потребители, като най-големите реализирани проекти са в Канада и Казахстан. Съществува и вариант реактори, които понастоящем се използват за генериране на електроенергия, да бъдат адаптирани за когенерация.

Това би било рентабилно при наличието на голям консуматор на процесна топлина в близост до централата. Разбира се, това решение ще изисква допълнителни разходи, които трябва да бъдат оправдани при анализа на разходите и ползите. Изграждането на нова ядрена когенерационна централа до съществуващ индустриален консуматор има по-добри перспективи.

Още по-ефективно би било планирането, проектирането, изграждането и експлоатацията на когенерационната централа и промишлената инсталация като цялостен интегриран комплекс.

Съвременните и усъвършенствани реактори с лека или тежка вода предоставят топлина в нискотемпературния диапазон, която може да бъде оползотворена в редица индустриални процеси. Сред тях е обезсоляването на морска вода, което засега се счита за най-перспективното приложение.

Други видове реактори, например бързите реактори, охлаждани с течен метал, и високотемпературните реактори с газово охлаждане също предоставят нискотемпературна процесна топлина, но могат да покрият и по-високотемпературни диапазони. За да навлязат тези реактори на пазара обаче, е необходима съществена научна и развойна дейност. В случай че достигнат икономическа конкурентоспособност, потенциалът им изглежда обещаващ в средно- до дългосрочен план, особено за високотемпературни индустриални приложения.

До момента за търговски и промишлени цели не са прилагани ядрени реактори, генериращи единствено топлинна енергия. Според редица проучвания технологията може да е рентабилна, но това все още не е доказано на практика. Потенциалният пазар на такива реактори би бил ограничен до такива с много малки размери, и с топлинна мощност под 500 MW.