TEPLATOR - dostupné teplárenství 21. století

0
201

Zdroj: All for Power
Autoři článku: Ing. Anna Fořtová doc. Ing. Radek Škoda, Ph.D. Ing. Michal Zeman

Současná podoba teplárenství se skládá především z uhelných, plynových a ropných zdrojů. S neustále se snižujícími limity znečištění může být do budoucna problém pokračovat v provozu stávajících zařízení bez zásadních investic. Tyto investice mohou být pro některé provozy likvidační. Proto se zde nabízí možnost použití inovativního konceptu pro centrální a průmyslové vytápění za pomoci použitého jaderného paliva z lehkovodních reaktorů. Takového částečně použitého jaderného paliva jsou v Česku tisíce kusů. Tento nápad na využití použitého jaderného paliva vznikl na výzkumném ústavu CIIRC ČVUT ve spolupráci s fakultou elektrotechnickou ZČU v Plzni.

TEPLATOR je průmyslový koncept centrálního zásobování teplem pomocí použitého jaderného paliva. Používá pouze známé, ověřené a otestované komponenty. Tento koncept umožňuje využití použitého jaderného paliva z klasických jaderných elektráren (tlakovodních nebo varných typů reaktoru) bez dalších úprav tohoto paliva. Použité palivo z jaderné elektrárny, takové, které již posloužilo svým účelům při produkci elektřiny, je obyčejně po vyjmutí z reaktoru převezeno nejprve do bazénu skladování vyhořelého paliva a po jisté době je přesunuto do skladovacích kontejnerů, kde zůstává v meziskladech. Tam, za předpokladu, že nebude přepracováno, končí pro provozovatele obyčejně svůj životní cyklus. TEPLATOR představuje pro toto palivo další ekonomické využití. Takové palivo bude totiž použito v aktivní zóně TEPLATORu a zde bude generovat teplo, které by mohlo být využito pro průmyslové či centrální vytápění. Po postavení TEPLATORu by tedy náklady na palivo byly zanedbatelné, což by výrazně ovlivnilo i cenu za dodané teplo a zejména její stabilitu.

Pohled na TEPLATOR a primární okruh

Na vývoji konceptu až do současné podoby se podílelo zhruba tucet vědců a samotný vývoj zahrnoval mnoho fází, během nichž docházelo k menším i větším úpravám pro zjednodušení celého konceptu. Hlavní myšlenkou TEPLATORu je spolehlivá, levná a udržitelná technologie zabezpečující ekologickou a trvalou dodávku tepla za příznivé stabilní ceny konečným zákazníkům. TEPLATOR je koncept, který zdůrazňuje udržitelnost a ekologii v energetice.

TEPLATOR – design

Vlastní design zahrnuje 3 okruhy. Primární okruh zahrnuje nádobu, aktivní zónu s výše zmiňovaným palivem, 3 výměníky a 3 čerpadla; jedná se tedy o tzv. tří smyčkový design. Aktivní zóna je tvořena nádobou s kanály, v nichž je uloženo palivo. Meziprostor mezi kanály je zaplněn moderátorem. V kanálech, v nichž je uloženo palivo proudí chladivo, které dále proudí soustavou trubek, na jejichž výstupu se nachází kolektor, kam je chladivo svedeno ze všech kanálu, potažmo trubek. Z tohoto kolektoru jsou vyvedeny tři trubky, kdy každá ústí do jednoho výměníku. Chladivo projde primární stranou výměníku a přes čerpadlo a spodní rozdělovací komoru se dostává zpět do kanálů s palivem. V sekundárním okruhu (tzv. meziokruhu) proudí sekundární teplonosné médium (dle provozních parametrů je uvažována buď voda nebo roztavená sůl), které předává teplo z primárního okruhu do vlastního topného okruhu přes sekundární výměník. Součástí meziokruhu jsou dva zásobníky sloužící jako systém na ukládání energie pro teplárenské špičky. Tyto zásobníky jsou napojeny do tohoto okruhu a jsou schopny zároveň odvést a uložit teplo ze zbytkového výkonu paliva. Terciální neboli vlastní topný okruh je pak již sestava sekundárního výměníku a trubek, které rozvádí teplonosné médium (vodu/páru) ke koncovému zákazníkovi.

Řez TEPLATOREM

Výkonový rozsah TEPLATORu je 50 – 200 MWt, vše záleží na uspořádání aktivní zóny. V současné době je rozpracována demonstrační jednotka TEPLATOR DEMO o výkonu 50 MWt. Tato jednotka se bude skládat z 55 palivových souborů z elektrárny typu VVER-440. Výstupní teplota primární vody z aktivní zóny bude 98 °C a celý systém bude pracovat při atmosférickém tlaku. Jako chladivo a moderátor bude použita těžká voda. Primární nádoba je tvořena grafitovým válcem spolu se spodním a vrchním víkem. Reakce bude řízena pomocí výšky hladiny moderátoru v nádobě a pro havarijní odstavení bude využit systém absorpčních plátů umístěních v trubkovém meziprostoru nad aktivní zónou. Stínění bude zajištěno betonovou vrstvou v okolí TEPLATORu. Součástí návrhu jsou i nádoby na skladování/manipulaci s moderátorem a skladování/manipulaci s primárním chladivem. Zároveň je vedle TEPLATORu i systém na skladování paliva. Koncept byl navrhován i s ohledem na cenu těžké vody, tedy co nejkompaktnější, aby i celková investiční cena byla příznivá. Celková výška konceptu dosahuje cca 6 m a šířka cca 5 m (bez uvažování výměníků). TEPLATOR bude vzhledem ke svému účelu v provozu buď celoročně (při průmyslové dodávce tepla) nebo cca 9 měsíců (při provozu CZT v období topné sezóny).

Potenciál k využití

Vzhledem k neustále se zpřísňujícím emisním limitům by tento koncept mohl nahradit mnoho tepláren fungujících na fosilní paliva. Nejen v České republice je hned několik lokalit, kde může být tento koncept využit. Např. též ve Skandinávii se intenzivně vyvíjí podobný koncept. Z hlediska efektivního využití TEPLATORu jsou v prvém nasazení uvažovány lokality se spotřebou tepla nad 2 000 TJ/rok. Z obr. 6 lze odhadnout, že jen v Česku je dnes prostor cca tucet TEPLATORů. Lokality s menší spotřebou tepla spolu sousedící se mohou o teplo z TEPLATORu dělit. V konečném důsledku by tedy využití TEPLATORu nebylo limitováno velkými nebo většími městy. Mohlo by tedy dojít k rozsáhlejšímu zapojení TEPLATORu do soustavy CZT. Při ceně produkovaného tepla z TEPLATORu, která je pod 100 Kč/GJ, se dnes jedná o nejvíce ekonomický teplárenský zdroj. Stávající zásoby použitého jaderného paliva v ČR by pro tucet TEPLATORů stačilo na 30 let provozu, což z TEPLATORu činí nejméně závislý tepelný zdroj na dodavateli paliva. Samozřejmě TEPLATOR lze provozovat i s čerstvým palivem, pokud by provozovatel o ozářené palivo neměl zájem.

Spotřeba CZT tepla v ČR/SR – poptávka nad 1 PJ