Ilustrační foto (zdroj: Pixabay.com)
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. Naše texty v předchozích vydání časopisu All For Power prezentovaly potenciál jaderných zdrojů pro čistou, bezpečnou a spolehlivou dodávku tepelné energie v nejvýznamnějších lokalitách. Poslední prezentovanou lokalitou je čtvrté největší město v ČR - Plzeň.
Historie jaderného vytápění v Plzni
Již v 60. a 70. letech min. 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 MWth (Obr. 1), která by nicméně pokrývala pouze část poptávaného tepla v lokalitě, a nebo jaderná teplárna s dvěma energetickými reaktory o výkonu 2x 200 MWe na bázi v Československu tehdy vyvíjeného těžkovodního, oxidem uhličitým chlazeného energetického reaktoru pro potřeby elektrárenství (Obr. 2). Každý z reaktorů s příslušným parním generátorem a dvěma turbínami s výkonem po 110 MW 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 (Obr. 3). 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 MWth 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. Obr. 4 znázorňuje Odběrový diagram CZT Plzeň s uvažováním jaderné výtopny ŠKODA-SIEMENS NHR-200. Špičková spotřeba v oblasti 4 byla v roce 1996 ve výši 420,6 MWth, v současné době, v roce 2020 je výrazně nižší - pouze 320 MWth.
Současnost - Plzeňská teplárenská
Plzeňská teplárenská je největším výrobcem energií v Plzeňském kraji. Energie jsou vyráběny v centrální teplárně, zařízení k energetickému využití odpadů, elektrárně a třech lokálních plynových kotelnách a jsou dodávány do domácností a komerčních, podnikatelských, správních a školských systémů. Jako hlavní palivo je využíváno hnědé uhlí, ale v některých kotlích je také možné spalování biomasy a ke stabilizaci a zapalování parních kotlů zemní plyn.
Budoucnost - malé jaderné reaktory
V Plzeňské teplárenské se tato problematika řešila průběžně od roku 2010 a další konkrétní pokus přišel v 2014, kdy projevila zájem o výstavbu jaderné výtopny s výhledem vytápění v horizontu dvaceti let. Pro ilustraci uvádíme Tab. 2 s návrhy nasazení vybraných dvou typů SMR NuScale a mPower (tento projekt již byl ukončen), která byla publikována v rámci prezentace EGP na konferenci SMR 2017.
Reaktor mPower (navržený společností Babcock & Wilcox) byl integrovaný koncept reaktoru s modulární konstrukcí. Výkon reaktoru byl v různých etapách vývoje uváděn 380-580 MWth tepelné energie a 125-180 MWe elektrické energie.
Typ NuScale měl výkon reaktoru zvýšen z původních 50 na 60 MWe, a nyní má být přecertifikován na 77 MWe, tepelný výkon je udáván 200/250 MWth.
Nejnovější publikace IAEA SMR Technology Developments uvádí 70 konceptů reaktorů, přičemž mnohé z nich předpokládají využití i pro teplárenství. Tři existující koncepty jsou určeny pouze pro výrobu levné tepelné energie, bez kogenerace. Dva reaktory jsou ve vývoji v Číně – DHR400 a HAPPY200, třetím je český koncept TEPLATOR.
DHR400 je lehkovodní moderovaný a chlazený reaktor s tepelným výkonem 400 MWth, 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 lehkovodní reaktor HAPPY200 o výstupním tepelném výkonu 200 MWth, výstupní teplotě vody 120 °C a provozním tlaku 0,6 – 0,8 MPa. Poslední 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 MWth.
V roce 2021 dodala Plzeňská teplárenská a.s. přes 3 330 TJ tepelné energie. Vzhledem k charakteru provozu jaderného zdroje s předpokladem jeho maximálního využití, lze odhadovat vyrobenou energii během topné sezóny na cca 1000 TJ pro 50 MWth instalovaného výkonu. Důsledkem by jaderné výtopny DHR400 a HAPPY200 byly stejně jako historická NHR-200 pro lokalitu nevhodně velké, a tedy v úvahu připadá pouze jednotky TEPLATOR DEMO o výkonu 50 MWth.
Již pro umístění výtopny NHR-200 bylo v Plzni vyhodnoceno 5 potenciálních lokalit: Zábělá (1+2), Chlum-Bukovec (3), Dýšina (4), Chrást (5), Přívětice (6), viz. Obr. 5. Nevýhoda nasazení reaktoru v centru města může být eliminována již ve stávající síti tím, že by jaderný blok byl instalován ve stávající lokalitě Chotíkov, cca 7 km mimo město, či v areálu společnosti Škoda JS a.s. v Plzni Bolevci.
Závěr
V Plzni jaderný reaktor již byl v provozu (experimentální reaktor na Vochově) a zkušenosti zejména ve Škodě JS a ZČU s jadernou energetikou jsou. Ekologická, efektivní a ekonomická elektro-energetika (EEEE-E) a budoucí teplárenství se bez jaderných výtopen a/nebo tepláren neobejde, tzn. že bezemisní teplárenství při současném udržení energetické bezpečnosti ČR a EU a přechod na nízkouhlíkovou energetiku není možný bez „jádra“. Zásadní je ovšem ekonomika, kde TEPLATOR s cenou tepla na patě výtopny pod 200 Kč/GJ poráží všechny jiné teplárenské zdroje. Plynové zdroje počítají pro nadcházející sezónu s cenami i nad 2 000 Kč/GJ, a standardní české ceny vloni dodávaného tepla byly cca mezi 600 - 650 Kč/GJ. Navíc potenciál využít palivové kazety VVER 440 je zárukou energetické bezpečnosti a nezávislosti na zahraničních dodavatelích. 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 30 let.
Jana Jiřičková, David Mašata
Radek Škoda, Petr Neuman
ZČU Plzeň
