TEPLATOR: ekologické a ekonomické zhodnocení jaderného bezemisního zdroje tepla

Minulý rok byl v Česku představen nový zdroj bezemisního levného tepla pro centrální zdroje s výkonem nad 50 MW. Jedná se o koncept TEPLATOR, který umí využít palivo z reaktorů VVER440 a byl vyvinutý skupinou na Českém institutu informatiky, robotiky a kybernetiky ČVUT v Praze a Fakultě elektrotechnické ZČU v Plzni.

Po schváleném českém odklonu od těžby uhlí a při současných cenách povolenek COatakujících hodnoty 30 EUR/t je éra centralizované výroby tepelné energie založené na uhlí jako primárním zdroji energie (51 % z celkové výroby tepla brutto v roce 2019) v ČR téměř u svého konce. Aspekty ekologické, ekonomické a technologické nutí toto odvětví k radikálním změnám přístupu. Donedávna se nejschůdnější variantou jevil přechod z uhlí na zemní plyn, kupříkladu avizovaná rekonstrukce Teplárny Mělník. Nicméně neustále se zvyšující cena emisních povolenek za kilogram vyprodukovaného CO2 se dotýká i spalování zemního plynu. To se společně s vysokým podílem palivových nákladů u výroby tepla ze zemního plynu a 100% závislostí na jeho dovozu negativně promítne do ceny za každý vyrobený GJ energie a dálkové vytápění bude stále méně konkurenceschopné. Alternativou je tak koncept TEPLATOR, založený na opětovném využití vyhořelého paliva z jaderných elektráren, který neprodukuje žádné znečišťující emise. O ekologických a ekonomických aspektech provozu jaderného zařízení TEPLATOR pojednává následující článek.

Koncept TEPLATOR pracuje s koncepčním návrhem DEMO na 50MW jednotku s teplotou výstupu 98 °C, plánovanou pro rok 2028. Ta může být rozšířena na jednotku FULL o výkonu 150 – 170 MW s teplotou výstupu až 200 °C do roku 2032. Teplot až 420 °C může dosáhnout návrh HT, který však vyžaduje delší vývoj a její nasazení se neočekává před rokem 2035, jak dokumentuje schéma na obrázku 2.

Z ekologického hlediska je jasné, že využití štěpení jader neprodukuje žádné emise CO2, ale ani jiné ovzduší znečišťující látky jako jsou oxidy síry, oxidy dusíku, těžké kovy či prach. V tomto je TEPLATOR oproti fosilním zdrojům neporazitelný. Co ale produkce radioaktivních odpadů? Při využití již stávajícího vyhořelého paliva, kterého je např. pro typ reaktoru VVER440 v Česku a na Slovensku kolem 40 000 kazet, nevzniká ani nový jaderný odpad, protože TEPLATOR používá již ten stávající, který se stejně musí někde uskladnit. Zde je například ukázán český mezisklad tisíců takových kazet, které si tiše „sedí“ v kontejnerech v této hale:

TEPLATOR DEMO potřebuje 55 kazet na 2 roky provozu, TEPLATOR FULL spotřebuje 55 kazet za jednu topnou sezónu, tedy máme zásoby paliva na minimálně 730 TEPLATORroků provozu, a tato zásoba každý rok roste. Z hlediska energetické bezpečnosti, kdy je tolik paliva už na našem území, je TEPLATOR oproti zemnímu plynu, jehož cenu a jistotu dodávek nelze předvídat, též výhodný.

Pokud by provozovatel chtěl z nějakého důvodu TEPLATOR provozovat s čerstvým jaderným palivem, toto vyrábějí dnes dva světoví výrobci (ruský TVEL a americký WESTINGHOUSE) a při jeho použití dojde k navýšení ceny tepla o méně než 40 Kč/GJ.

Řada projektů malých modulárních reaktorů ve snaze o co nejdokonalejší technickou vytříbenost výsledného řešení nebere v potaz další aspekty, jakým je kupříkladu právě cenová konkurenceschopnost daného zařízení na trhu. Koncept TEPLATOR jde opačným směrem. Směrem levného bezpečného tepla. Při zachování nejvyšších bezpečnostních standardů a požadavků budou pro zařízení využity pouze známé a již ověřené materiály, technologie a komponenty. Základní představu o komponentech primárního okruhu TEPLATOR poskytuje Obrázek 4. Další částí bude vložený (sekundární) okruh, sloužící k přenosu produkovaného tepla do teplovodní sítě a jeho součástí bude systém akumulace tepelné energie, jak ukazuje Obrázek 5. Prvotní investice technologie je odhadována v rozmezí 800 000 000 - 1 000 000 000 Kč.

Přibližně polovinu z těchto nákladů tvoří nákup těžké vody. TEPLATOR bude pro chlazení a moderaci potřebovat méně než 60 m3 těžké vody. Těžká voda může být po ukončení provozu TEPLATORu dále využita jinde. Z tohoto důvodu není v ekonomické rozvaze TEPLATORu uvažována rezerva na decommissioning – bude financován z následného prodeje těžké vody. Dohledatelná cena superčisté těžké vody se v laboratorním gramovém množství pohybuje mezi 30 000 – 40 000 Kč za kilogram. V objemech pro průmyslové využití jsou však ceny řádově nižší. V současné době probíhají jednání ohledně těžké vody s potencionálními světovými dodavateli spjatých s rozšířenou reaktorovou technologií CANDU. Na základě transakcí s těžkou vodou v nedávné minulosti je odhadovaná cena pro prezentované ekonomické vyhodnocení 6 000 Kč/kg, v součtu 400 000 000 Kč. Stejné náklady představuje investice na samotnou výstavbu zařízení.

Fixní provozní náklady jsou odhadovány na 30 000 000 Kč ročně, z nichž většina je spjata s dopravou, pojištěním a výměnou paliva. Samotný provoz, mimo odstávku zařízení s výměnou paliva, zvládne 10 osob. Pro TEPLATOR, jako jaderné zařízení, bude platit povinnost odvádět částku na „jaderný účet,“ aktuálně 30 Kč za každou vyrobenou MWh tepla. Koncept TEPLATOR předpokládá využití vyhořelého paliva z jaderných elektráren, pouze s náklady na jeho manipulaci, ale TEPLATOR bude možné provozovat taktéž s čerstvým jaderným palivem. Palivo bude jen mírně obohacené, na výrazně nižší úroveň než energetické reaktory. Cena za jednu kompletní vsázku čerstvého paliva (pokud by se z nějakého důvod nepoužívalo palivo vyhořelé) je odhadována na 80 000 000 Kč. S touto jednou vsázkou bude TEPLATOR v provozu v závislosti na výkonu (50 – 150 MW) jednu až dvě topné sezóny. Tabulka č. 1 shrnuje všechny předpokládané náklady na výstavbu a provoz TEPLATORu.

Tab. 1 – Předpokládané náklady na výstavbu a provoz TEPLATORu

Vyšší instalovaný výkon zařízení se projeví ve výrazně nižší výsledné ceně produkovaného tepla. Graf na obrázku 6 zobrazuje závislost výrobní ceny tepla na tepelném výkonu jednotky. Nejnižší výkon 50 MW je předpokládán pro první demonstrační jednotku TEPLATOR DEMO, vyšší výkony 100 MW a 150 MW jsou určeny pro následné komerční využití. Každá vybudovaná jednotka TEPLATOR je technologicky připravena na provoz při výkonu 150 MW. Demonstrační jednotka 50 MW tedy může být po úspěšném licencování a spuštění přelicencována (výzkumný/energetický reaktor) na vyšší výkon bez nutnosti další výstavby.

Pro stanovení prezentovaných cen produkovaného tepla je uvažováno 85% využití TEPLATORu po standardní devítiměsíční topnou sezónu v ČR. Předpokládaná ekonomická životnost je 30 let (projektovaná životnost 60 let) a vážený průměr nákladů kapitálu (WACC) 10 %. Obrázek 7 zobrazuje výsledné výrobní ceny produkovaného tepla pro jednotky TEPLATOR o výkonech 50 MW, 100 MW a 150 MW při použití vyhořelého nebo čerstvého jaderného paliva. Pro srovnání je v grafu zobrazena i odhadovaná výrobní cena tepla z plynové výtopny o výkonu 50 MW při aktuálních cenách této technologie a zemního plynu. Znázorněné ceny jsou rozděleny do dvou složek – náklady na investici a náklady na provoz.

Podobně jako u jaderných elektráren se investiční náklady na TEPLATOR výrazně projevují ve výsledné ceně produkovaného tepla. Nicméně konečné ceny, obzvláště u vyšších instalovaných výkonů jednotek TEPLATOR, ukazují obrovský ekonomický potenciál TEPLATORu pro centrální vytápění. Dle Vyhodnocení cen tepelné energie ERÚ byla v roce 2018 průměrná spotřebitelská cena tepla 574,81 Kč/GJ, přičemž palivové náklady při výrobě tepla z uhlí tvořily 94,40 Kč/GJ, pro ostatní paliva výrazně více. Celkové náklady na teplo produkované TEPLATORem jsou tedy u jednotek 100 MW a 150 MW srovnatelné, nebo nižší, než jsou náklady pouze na palivo (bez emisních povolenek a dalších nákladů) při výrobě tepla z uhlí, a to i v případě provozu TEPLATORu s čerstvým palivem (palivové náklady pod 40 Kč/GJ).

Pro jednotlivé ekonomické aspekty byly provedeny citlivostní analýzy a zkoumán jejich vliv na výslednou cenu produkovaného tepla. Uvedená cena čerstvého paliva pro TEPLATOR byla stanovena pro potřebné obohacení 1,2 % 235U na základě aktuálních obchodovaných cen výroby jaderného paliva (cena U3O8, konverze, obohacení, fabrikace). Následující graf znázorňuje ceny vyrobeného tepla v závislosti na nákladech na palivovou vsázku v rozmezí 0 Kč (při použití vyhořelého paliva z JE) až 160 000 000 Kč (dvojnásobek dnes odhadovaných nákladů). V případě dvojnásobku jsou náklady na GJ tepla z TEPLATORu o výkonu 50 MW srovnatelné s náklady na výrobu tepla z plynové výtopny, nicméně, jak bylo zmíněno, tento výkon není plánován pro průmyslové využití. Pro vyšší instalované výkony jsou ceny tepla stále výrazně nižší.

Odhad cen technologie proběhl na základě konzultací s průmyslovými partnery v roce 2019 a reálné ceny výstavby v letech 2025+ se od těchto mohou lišit. Jak se projeví v ceně tepla jiné (jak možné vyšší či nižší) náklady na investici ukazují grafy těchto závislostí na obrázku 9. Jedná se o celkovou výši nákladů na výstavbu a vážený průměr nákladů kapitálu (WACC), oba pro vyhořelé i čerstvé palivo. Investiční náklady jsou znázorněny do výše 5 miliard (předpoklad 0,8 miliardy Kč), WACC je v rozmezí 0 až 20 % p.a. (předpoklad 10 %). Poslední dva grafy zobrazují závislost ceny tepla na předpokládané době ekonomické životnosti zařízení. Při porovnání s referenční plynovou výtopnou a aktuálními cenami tepelné energie dle ERÚ je zřejmé, že i v případě nákladů na investice je zde významný rozptyl, do jaké výše těchto nákladů je výroba tepla z TEPLATORu stále ekonomicky smysluplná.

V současné době je projekt TEPLATOR ve fázi koncepčního designu a prošel konzultacemi Vídeňské Mezinárodní Agentury pro Atomovou Energii. Tým inženýrů z CIIRC ČVUT Praha a FEL ZČU Plzeň vyvíjí technické řešení celého konceptu primárně pro 50MW verzi DEMO a dále pak pro 150MW verzi FULL. Dnes se, s průmyslovými partnery, soustředí na podsystémy jako jsou systémy řízení, výměna paliva a hospodářství těžké vody. Za dnešních podmínek na energetickém trhu Střední Evropy tak je TEPLATOR slibnou alternativou, a to jak k dosluhujícím teplárenským blokům spalujícím uhlí, tak i výtopnám na zemní plyn či jiná alternativní paliva.

David Mašata , FEL ZČU v Plzni
Radek Škoda, FEL ZČU a CIIRC ČVUT

David Mašata je absolventem Elektrotechnické fakulty ZČU v Plzni v oboru Elektroenergetika. V současné době zde působí jako vědecký pracovník a studuje v doktorském studijním programu. Jeho zaměřením je využití jaderných zdrojů pro produkci tepla. Je členem Mladé generace České nukleární společnosti.

Radek Škoda je jaderný odborník zaměřující se na energetiku. Působí na FEL ZČU v Plzni a CIIRC ČVUT v Praze a je také externím přednášejícím na NWU Potchefstroom v jižní Africe, Polytech St. Peterburg a World Nuclear University Oxford. Byl ředitelem jaderného centra v Texas A&M University a získal licence na provozování tří jaderných reaktorů.

Radek Škoda

× Full - Emerson