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:

 

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:

Omejitve

Obstaja več pomembnih fizikalnih učinkov, ki omejujejo možnosti spreminjanja moči v lahkovodnem jedrskem reaktorju:

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:

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:

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.

Fleksibilno obratovanje jedrskih elektrarn