Řez nádoby reaktoru TEPLATOR a jednoho jeho kanálu.
V současné době razantního nárustu cen všech energií a deklarovaného odklonu od spalování uhlí a celkově od fosilních paliv se nejen Česká republika snaží implementovat do svého portfolia takové zdroje energie, které budou šetrné k životnímu prostředí, bezpečné pro obyvatelstvo, budou finančně smysluplné, a hlavně budou dostatečně výkonné a stálé, co se týče jejich výkonu a dodávek energie. Pro již existující soustavy centrálního zásobování teplem (CZT) jde o obměnu stávajícího parku. Tentokrát se pojďme zaměřit na druhou největší CZT soustavu Česka, moravskou metropoli Brno.
1. PŘEHLED TEPLÁRENSTVÍ V BRNĚ
1.1. Historie
V prosinci roku 2020 uplynulo již 90. výročí od chvíle, kdy se na provozu Špitálka dne 4. prosince 1930 spustila kombinovaná výroba tepla a elektřiny pro Brno. Teplárna v ulici Špitálka byla tehdy součástí společnosti Západomoravské elektrárny, mající rovněž svoji centrálu v moravské metropoli, jen kousek od nové teplárny, v oblasti zvané Radlas.
Výstavba teplárny Na Špitálce začala v dubnu 1929 a trvala pouhých 20 měsíců. Od počátku návrhu technologie teplárny v ní byla kombinovaná společná výroba tepla v podobě páry s výrobou elektrické energie, tedy způsobem, pro který je v současnosti běžně užívaná zkratka KVET (Kombinovaná Výroba Elektřiny a Tepla). Tímto progresivním řešením se Brno také jednou provždy zapsalo do historie teplárenství.
Popsané progresivní řešení KVET bylo navrženo významným profesorem Vladimírem Listem (1877 – 1971), který působil na vysoké škole technické VUT v Brně, a jemuž přísluší výjimečné zásluhy nejen o teplárenství v Brně, ale o rozvoj celé československé energetiky, zejména v období mezi oběma světovými válkami. I v poválečném Československu si Brno zachovalo velmi vysokou technickou úroveň teplárenství.
1.2. Přítomnost
Teplárny Brno, a.s. jsou městskou společností, která stabilně a spolehlivě zásobuje teplem zhruba 4000 odběrných míst v Brně (AZ Tower, Masarykův onkologický ústav, Vila Tugendhat, univerzity a pivovar, a další desítky dalších významných brněnských firem a institucí) a především 100 000 domácností.
Dnes jsou Teplárny Brno, a.s. se čtyřmi hlavními výrobními zdroji (Špitálka - 1930, Červený mlýn - 1966, Brno-Sever - 1975, Staré Brno - 1964) čtvrtou největší teplárenskou společností v ČR a největším odběratelem zemního plynu, který je jejich primárním ekologickým palivem.
Kromě toho pátým zdrojem, který vyhřívá Brno, je Zařízení pro energetické využití odpadu (ZEVO) společnosti SAKO Brno. Tepelná energie získaná spálením komunálního odpadu umožňuje snížit spotřebu zemního plynu na vlastních zdrojích Tepláren Brno.
V roce 2014 oslavila akciová společnost SAKO Brno dvacet let od svého vzniku. Historie však sahá až do roku 1905, kdy v Brně vznikla první spalovna na území tehdejšího Rakousko-Uherska určená již v té době k výrobě elektrické energie.
Dohromady provozy Tepláren Brno tvoří jednu propojenou síť, tzv. soustavu zásobování tepelnou energií (SZTE). V té je vyráběno teplo a současně v jednom kogeneračním teplárenském procesu je vyráběna elektřina.
2. JADERNÁ VÝTOPNA A BRNO?
Od 80. let 20. století se v Brně uvažovalo o propojení města se zdrojem „jaderného“ tepla v lokalitě Dukovany. Teplovod z Dukovan by vedl na jihozápadní okraj Brna a teplo by se odebíralo z turbíny při provozovaných reaktorech VVER 440. Stále platí, že v energetické koncepci města Brna je uváděna Varianta 5 – Zásobování města Brna teplem z JE Dukovany (horkovod 41 km do Bosonoh + rozvod 16 km po městě).
V 90. letech se počítalo s vyvedením tepla z bloku JEDU VVER 440 ve výši 85 MWt bez jakékoliv úpravy turbíny a strojovny, resp. 120 MWt s malými úpravami.
Tyto plány občas ožívaly i později, např. v lednu 2020 sdružení Energetické Třebíčsko, které dlouhodobě prosazuje výstavbu nových jaderných bloků v Dukovanech, nechalo u specializované firmy projekt teplovodu přepracovat do současných ekonomických čísel a předložilo jej jak brněnskému magistrátu, tak provozovateli elektrárny. Současná energetická koncepce města Brna s využitím horkovodu z Dukovan ale nepočítá. „Primárně je cílena na rozvoj využívání obnovitelných zdrojů energie a kombinované výroby elektrické energie a tepla,“ sdělil mluvčí magistrátu Filip Poňuchálek.
Trasa teplovodu je však stále vedená v územních plánech obcí a měst. A projekt už dnes není utopií s odkazem na fakt, že společnost ČEZ teplovodem vytápí Týn nad Vltavou (7 km) již 20 let, a aktuálně se staví teplovod z Temelína do Českých Budějovic.
Charakteristika teplovodu Dukovany – Brno
Záměr teplovodu je starý 45 let. Původní projekt počítal s nadzemním vedením podél komunikací obcí Dukovany, Horní Dubňany, Jamolice, Dolní Dubňany, Dobřínsko, Hrubšice, Letkovice, Oslavany, Neslovice, Tetčice, Omice, Střelice a Bosonohy.
Technické inovace v oboru umožnily tuto variantu změnit na podzemní magistrálu, v izolovaném potrubí, jeden metr pod povrchem. Z podzemí by se vyhoupla na povrch pouze při překonávání toků řek Jihlava a Oslava. Aktuální cena přivaděče z Dukovan do Brna je odhadována na čtyři až pět miliard korun. Délka je přes čtyřicet kilometrů.
K přenosu tepelné energie při rychlosti vody v nadzemním dálkovém horkovodu w = 2 ms-1 bývá tlaková ztráta 0,1 MPa na 1 km. Jedna přečerpávací stanice zpracovává 2,5 až 3,5 MPa tlakové ztráty.
Ztráta na teplotě bývá malá, jen asi 1 °C na 33 km (při tloušťce tepelné izolace kolem 30 cm). Potrubí o průměru ø 1500 mm umožňuje přenášet výkon asi 2400 MWt.
Při rychlosti proudění vody v = 5 m/s je průtok potrubím:
- 2 x 1000 mm, 2 x 0,785 m2, 3,922 m3/s
- 2 x 1200 mm, 2 x 1,131 m2, 5,655 m3/s
- 1 x 1400 mm, 2 x 1,539 m2, 7,695 m3/s
- 3 x 1200 mm, 2 x potrubí horká voda (výstupní, vratná)
Oproti budovanému teplovodu Temelín - České Budějovice je „dukovanský“ přivaděč více členitý. Výškové převýšení trasy z projektu 1981 je následující:
Brno/Bosonohy, dálnice D1 225 km (230 metrů nad mořem) – Rousínov – Šlapanice (220 m. n. m.) – Brno Tuřany / Slatina [bod okružního Brněnského horkovodu], - dálnice D1 200 km (220 m. n. m.) – Ivančice – hladina přehrady Mohelno (240 m. n. m.) – Dukovany/EDU (nad řekou Jihlavou 390 m. n. m.)
Nevýhodou takto zvolené trasy je převýšení o cca 80 m v blízkosti města Rosice na 330 m. n. m., proto v projektu ČEZ z roku 2010/2012 byla zvolena jiná trasa, mimo Rosice, přímo z Oslavan (230 m. n. m.), okolo Střelic do Bosonoh (270/250 m. n. m. – předávací stanice). Každopádně technologicky i investičně se jedná o dnes běžně realizovatelné stavby. V roce 2010 se zdálo, že záměr zásobovat Brno dukovanským teplem, který pochází ještě z dob socialismu, se přece jen dočká realizace. Tehdejší kalkulace hovořila o ceně zhruba 2,7 mld. Kč. Hotovo mělo být dokonce už v roce 2018, ale projekt se opět nerealizoval.
3. TEPLATOR DEMO
Vhodným řešením by dnes mohl být nový koncept jaderného reaktoru TEPLATOR. Tento reaktor je projektován výhradně jako zdroj tepla, nikoliv elektřiny, a pro jeho produkci využívá buď čerstvé či již ozářené jaderné palivo z elektrárenských bloků. Současný TEPLATOR, který je vyvíjen výzkumným týmem z CIIRC ČVUT v Praze a FEL ZČU v Plzni, jako vhodné palivo uvažuje čerstvé i použité palivové články typu VVER-440 (stejné, které se používají v JE Dukovany). Pro provoz lze též použít lehce obohacené palivové články VVER- 440, jejichž cena je výrazně nižší, než cena „elektrárenského“ jaderného paliva. Výhodou TEPLATORu pak je možný provoz v duchu cirkulární ekonomiky, kdy TEPLATOR využívá použité palivo ze stávajících reaktorů. Cena vyprodukovaného tepla je s čerstvým i použitým palivem stále dostatečně nízko pod cenou tepla, které by bylo získané spalováním zemního plynu. Na hranici Brna vychází i s čerstvým palivem pod 300 Kč/GJ. TEPLATOR DEMO, který je vyvíjen jako demonstrační jednotka, která má ověřit některé funkce, je projektovaný s tepelným výkonem do 50 MWt kvůli rychlejšímu licencování, může pracovat jak s výstupem o teplotě 98 °C či až 200 °C. TEPLATOR je tedy vhodným potenciálním kandidátem pro přechod k bezuhlíkatému centrálnímu vytápění. Umístění TEPLATORu do lokality Dukovany je ideální ze dvou důvodů: lokalita je jaderně „licencovaná“ a je zde zkušenost s překládkou a dopravou jaderného paliva.
Samotný jeden TEPLATOR DEMO by svým výkonem Brno „nevytopil“, navrhujeme tak etapovité budování napáječe, první pilotní blok TEPLATOR DEMO by mohl postupně nebo najednou vytápět města:
- Moravský Krumlov (okres Znojmo, jihozápadně od Brna na řece Rokytná, přibližně 5 700 obyvatel). Při délce celé trasy 40 km je cca 15 km vzdálené od Dukovan.
- Oslavany (okres Brno-venkov, jihozápadně od Brna a velmi blízko od Ivančic, přibližně 4 700 obyvatel). Vzdálené na trase napáječe cca 17 km od Dukovan.
- Ivančice (okres Brno-venkov, jihozápadně od Brna při soutocích řeky Jihlavy s Oslavou a Rokytnou, přibližně 9 900 obyvatel). Vzdálené cca 20 km od Dukovan. Oslavany a Ivančice tvoří v podstatě „dvojměstí“.
4. TEPLATOR FULL
Plnohodnotná verze TEPLATORu FULL do budoucna uvažuje o instalovaných výkonech do 170 MWt a výstupní teplotě až 200 °C a tlaku pod 2 MPa, jedná se tedy o mírně přehřátou páru těsně nad hranicí sytosti. Tato jednotka (či několik kusů) by už svým výkonem stačila na vytápění velké části města Brno v dekádě od roku 2030. Je naprosto jisté, že v roce 2040 již nebude pro vytápění využíváno žádné uhlí a s vysokou pravděpodobností ani „fosilní“ zemní plyn. A výsledkem optimalizace se stávajícím teplárenským parkem lze zvolit i optimální počet (1-4) TEPLATORů pro zásobování Brna při postupném odstavování stávajících zdrojů.
Na základě těchto úvah je možné nový bezemisní zdroj TEPLATOR použít i v jiných městech s dostatečně vysokým odběrem tepla, které mají zároveň dobře rozvinutou teplovodní infrastrukturu. Jednalo by se tedy jen o doplnění tepelného zdroje do existující sítě, nikoliv o budování celé nové rozvodné soustavy. Dnešní velké sítě centrálního zásobování teplem pracují standardně s několika zdroji tepla (např. ZEVO, uhlí, zemní plyn, štěpka, kogenerace, systémové služby-akumulace), a tak optimalizace těchto zdrojů z hlediska nejen ceny, ekologie, ale i pružnosti dodávek je šance pro levné a ekologické jaderné technologie.
Petr Neuman, Radek Škoda
ZČU Plzeň a ČVUT Praha
