Fleksibilno obratovanje jedrskih elektrarn
Fleksibilno obratovanje
Posamezne proizvodne enote morajo spreminjati svojo proizvodnjo električne energije, tako da se skupna proizvodnja v elektroenergetskem sistemu prilagodi spreminjajočemu se odjemu električne energije.
V osnovi jedrske elektrarne lahko obratujejo v naslednjih režimih:
- pasovno obratovanje
- Fleksibilno obratovanje
- Obratovanje v načinu sledenja bremenu
- Zagotavljanje sistemskih storitev
Razlogi za fleksibilno obratovanje :
- Spreminjanje obremenitve elektroenergetskega sistema
- Integracija obnovljivih virov energije
- Stabilnost elektroenergetskega sistema (usklajenost proizvodnje in porabe električne energije)
- Povečana fleksibilnost proizvodnje in optimalna izraba virov
- Zmanjšanje emisij in okoljski vidiki
- Optimizacija stroškov proizvodnje električne energije
Fleksibilno obratovanje jedrskih elektrarn
Jedrske elektrarne dosegajo najvišje hitrosti sprememb obremenitve ter največjo proizvodnjo električne energije na enoto. V jedrskih elektrarnah je mogoče doseči spremembe obremenitve do 50 % nazivne moči s hitrostjo 5 % nazivnega moči na minuto in do 80 % s hitrostjo 10 % nazivne moči na minuto.
Obratovalne izkušnje jedrskih elektrarn v načinu fleksibilnega obratovanja
Na splošno velja prepričanje, da so jedrske elektrarne namenjene pasovni proizvodnji električne energije, saj zaradi tehnoloških in varnostnih razlogov težko zagotavljajo neomejeno obratovalno prilagodljivost. Kljub tovrstnemu prepričanju obstajajo na svetu jedrske elektrarne, pri katerih so s projektno prilagoditvijo dosegli zavidljivo fleksibilnost jedrskih enot, s ciljem prilagajanja obremenitvi in zagotavljanju sistemskih storitev (frekvenčna regulacija).
Največ izkušenj z obratovanjem jedrskih elektrarn v načinu sledenja bremenu imata Francija in Nemčija. Francija ima nadpovprečno visok delež jedrskih elektrarn v svoji energetski mešanici, Nemčija pa je v času, ko so jedrske elektrarne še obratovale imela težave zaradi izjemnega povečanja deleža obnovljivih virov energije, kar je zahtevalo prilagajanje jedrskih elektrarn in ostalih konvencionalnih virov energije.
Izkušnje z obratovanjem jedrskih elektrarn v načinu sledenja bremenu ima tudi Švedska, Finska, Belgija, Češka, Slovaška.
Tehnične zahteve EUR organizacija za obratovanje jedrskih elektrarn v načinu sledenja bremenu
Evropski proizvajalci električne energije iz jedrske energije, ki so vključeni v organizacijo EUR (European Utility Requirement) so za možnosti sledenja bremenu predpisali podrobne tehnične zahteve, ki jih morajo izpolnjevati lahkovodne jedrske elektrarne na območju Evrope, kamor se uvršča tudi JEK2 [10]. Ključne so naslednje zahteve:
- Sledenje bremenu mora biti zagotovljeno preko 90 % časa gorivnega cikla,
- Sledenje bremenu naj bi bil zagotovljeno med tehničnim minimumom in nazivno močjo enote,
- Gradient moči naj bi bil 3 % (lahko tudi 5 %) nazivne moči/min,
- Predvidena sprememba moči v načinu sledenja bremenu naj bi bila iz minimalne do nazivne moči, in Sicer:
- 2-krat na dan,
- 5-krat na teden
- 200-krat na leto.
- Dizajn mora omogočati sodelovanje v revervi za vzdrževanje frekvence RVF (primarni regulaciji)
- Interval moči: ±2 % Nazivne moči (lahko tudi ±5 % nazivne moči)
- Aktivirati se mora v 30 s in zagotavljati storitev vsaj 15 minut
- Dizajn lahko omogoča implementacijo avtomatske rezerve za povrnitev frekvence aRPF (sekundarne regulacije)
- Sekundarna regulacija mora biti omogočena tudi v načinu obratovanja sledenju bremenu
- Minimalna zagotovljena sprememba moči mora biti vsaj ±10 % nazivne moči
- Gradient moči mora biti vsaj 1 % nazivne moči/min
- Odklop bremena/zmanjšanje moči
- Dizajn mora omogočiti zmanjšanje obremenitve v primeru zahteve po razbremenitvi omrežja z gradientom moči 20 % nazivne moči/minuto
- Razbremenitev mora imeti amplitudo do tehničnega minimuma.
- Ponovna vzpostavitev omrežja
- Dizajn mora omogočati podporo sistemskemu operaterju pri ponovni vzpostavitvi omrežja.
- Dizajn mora prenesti nenadne spremembe obremenitve do 10 % nazivne moči.
Tehnični vidiki obratovanja v načinu sledenja bremenu
Fleksibilno obratovanje jedrskih elektrarn je povezano s povečano verjetnostjo hitrejše obrabe določenih komponent in/ali z zahtevami po pogostejših pregledih ter vzdrževanju, ki presegajo prvotno načrtovane intervale. Običajno se ob tem pojavi tudi potreba po natančnejšem spremljanju stanja reaktorja in prilagoditvi njegovih regulacijskih postopkov. To vključuje namestitev dodatne senzorike in izvedbo dodatnih meritev ključnih parametrov reaktorja.
Hitre temperaturne spremembe pri mehanskih komponentah praviloma povzročajo dodatne termične obremenitve. Variiranje moči jedrskega reaktorja s tega vidika vedno prinaša spremembe temperaturnih pogojev in posledično dodatne mehanske obremenitve na nekatere njegove komponente.
V splošnem lahko pri fleksibilnem obratovanju v primerjavi z pasovnim obratovanjem pri konstantni moči pričakujemo oz. potrebujemo:
- večjo nevarnost korozije in dodatno utrujanje materiala ventilov, šob, povezav, zgibov, zglobov,
- dodaten monitoring izrabe bistvenih komponent,
- dodatne vzdrževalne stroške,
- dodatni monitoring lokalne moči v sredici reaktorja,
- probleme z razpokami srajčk gorivnih tabletk.
Omejitve
Obstaja več pomembnih fizikalnih učinkov, ki omejujejo možnosti spreminjanja moči v lahkovodnem jedrskem reaktorju:
- Povratni efekti
- Zastrupitev s cepitvenimi produkti
- Izgorelost goriva
Vplivi na komponente
Fleksibilno obratovanje jedrskih elektrarn vpliva na delovanje komponent prek različnih mehanizmov. Toplotna obremenitev in utrujanje povzročata ciklično napetost materialov zaradi sprememb temperature, kar lahko privede do poškodb in okvar. Erozija/korozija vpliva na degradacijo površin komponent, zlasti v stiku z agresivnimi mediji, medtem ko obraba povzroča postopno izgubo materiala zaradi trenja. Redistribucija fluksa spremeni porazdelitev nevtronov v reaktorju, kar vpliva na obremenitve goriva in druge komponente. Interakcija med gorivnimi tabletkami in srajčkami gorivnih palic (PCMI) lahko privede do mehanskih poškodb ovojev zaradi toplotne razširitve goriva. Podaljšanje gorivnega cikla poveča kumulativne obremenitve komponent, kar lahko pospeši njihovo degradacijo. Kemijske nečistoče v hladilu prispevajo k koroziji in materialnim spremembam, medtem ko staranje materialov zmanjšuje njihovo odpornost proti obratovalnim obremenitvam skozi čas.
Večina vplivov na komponente se nanaša na fleksibilno obratovanje v načinu sledenja obremenitvi. Frekvenčna regulacija, predvsem primarna regulacija, ima pri tem minimalen vpliv na komponente jedrske elektrarne, saj majhna frekvenčna odstopanja običajno ne povzročajo večjih sprememb v tlaku, temperaturi ali pretoku in ne zahtevajo aktivacije večine komponent. Izjema so sistemi, kot je modul za upravljanje turbine, ki ob frekvenčnih odstopanjih prilagaja moč turbine. Vplivi pa se lahko razlikujejo glede na zasnovo, tehnologijo in strategijo obratovanja, zato je potrebno natančno oceniti vse morebitne posledice.
Ekonomski vidik
GEN energija je v oktobru pripravila revizijo 1 Okvirne predinvesticijske ekonomske analize projekta JEK2. Uporabljene predpostavke o investicijskih stroških, obratovalnih stroških, stroških financiranja in celotna metodologija ekonomske analize bo tudi osnova za ekonomsko analizo obratovanja v načinu sledenja bremenu.
Potrebe po frekvenčnih sistemskih storitvah v Sloveniji
Za leto 2023 je ELES predvidel naslednji obseg rezervnih zmogljivosti za frekvenčne sistemske storitve:
- Rezerva za vzdrževanje frekvence (RVF): ± 15 MW
- Avtomatska rezerva za povrnitev frekvence: +60 MW, – 60 MW
Predvideni obseg frekvenčnih sistemskih storitev za leto 2023 je bil na področju avtomatskega vzdrževanja frekvence in aktivacije enak kot v zadnjih dveh letih.
Scenariji ekonomske analize
V sklopu ekonomske analize fleksibilnega obratovanja bodo analizirani naslednji scenariji:
- Scenarij pasovnega obratovanja
- Scenarij pasovnega obratovanja z zagotavljanjem sistemskih storitev
- Scenarij obratovanja v načinu sledenja bremenu
- Scenarij obratovanja v načinu sledenja bremenu z zagotavljanjem sistemskih storitev
Rezultati ekonomske analize
Primerjalna ekonomska analiza obratovanja jedrske elektrarne v štirih različnih scenarijih (pasovno obratovanje, pasovno obratovanje z zagotavljanjem sistemskih storitev, sledenje bremenu, ter sledenje bremenu z zagotavljanjem sistemskih storitev) jasno kaže, da je iz ekonomskega vidika najbolj upravičeno pasovno obratovanje. Pri zmogljivostih elektrarne 1.250 MWe in 1.650 MWe se kot ekonomsko upravičen izkaže tudi scenarij pasovnega obratovanja z zagotavljanjem sistemskih storitev. Po drugi strani je sledenje bremenu manj ekonomsko upravičeno, saj vodi do več kot 20 % manjše proizvodnje električne energije v primerjavi s pasovnim obratovanjem. Najmanj upravičen je scenarij sledenja bremenu z zagotavljanjem sistemskih storitev, kjer se proizvodnja zmanjša za kar 25 %, kar pomembno vpliva na denarne tokove iz naslova prodaje električne energije.
Prihodki iz zagotavljanja sistemskih storitev so se izkazali za nižje od tistih, ki bi jih prinesla dodatna proizvodnja električne energije pri polni moči. Analiza sledenja bremenu je pokazala, da predpostavljene višje prodajne cene električne energije med vršnim obratovanjem v povprečju ne pokrijejo izgube zaradi obratovanja pri nižji moči.
Najnižja prodajna cena električne energije, ki še zagotavlja ekonomsko upravičenost investicije, je bila za scenarij pasovnega obratovanja z zagotavljanjem sistemskih storitev višja za 4,3–7,4 % v primerjavi s scenarijem pasovnega obratovanja. Pri scenariju sledenja bremenu je bila ta cena višja za 14,7–14,9 %, medtem ko je za scenarij sledenja bremenu z zagotavljanjem sistemskih storitev najnižja prodajna cena presegala ceno pasovnega obratovanja za 19,8–23,7 %.
Občutljivostna analiza, izvedena za obratovanje v načinu sledenja bremenu, je pokazala, da bi lahko pri zadostni razliki med vršno in pasovno ceno električne energije (ob predpostavki, da je cena pasovne EE 75 EUR/MWh) postalo obratovanje jedrske elektrarne v tem načinu ekonomsko upravičeno. V našem primeru so scenariji, pri katerih je najnižja prodajna cena EE, ki zagotavlja, da je NSV=0, manjša ali enaka 75 EUR/MWh.
Zaključek
Jedrska elektrarna ima sposobnost fleksibilnega obratovanja, kar ji omogoča prilagoditev obratovanja na različne načine. Njena odzivnost pri spreminjanju obremenitve je lahko celo hitrejša od ostalih elektrarn z rotirajočimi masami. Vendar pa se dejansko fleksibilno obratovanje jedrske elektrarne izkaže za smiselno le, če je to ekonomsko upravičeno in če tržne cene energije to narekujejo. Tako postane obratovanje jedrskih elektrarn v fleksibilnem režimu rezultat natančne ekonomske optimizacije, ki upošteva tako operativne stroške kot tudi spremenljive tržne razmere.
Kljub temu, da je izključno ekonomsko gledano pasovno obratovanje, kjer jedrska elektrarna deluje na polni moči, najbolj upravičeno, pa je iz širšega sistemskega vidika fleksibilnost proizvodnje ključna za stabilnost in zanesljivost elektroenergetskega sistema.