Εξοικονόμηση κόστους και κλίματος μέσω συστημάτων θέρμανσης που βασίζονται σε πυρηνικές εγκαταστάσεις

Οι πυρηνικοί θερμικοί σταθμοί θα μπορούσαν να συνεχίσουν να χρησιμοποιούνται μακροπρόθεσμα λόγω του χαμηλού προφίλ άνθρακα και της ικανότητάς τους να παρέχουν ευελιξία στο ηλεκτρικό δίκτυο. Η πιο διαδεδομένη λειτουργία πυρηνικών σταθμών, ωστόσο, συνεπάγεται την απόρριψη στο περιβάλλον της θερμότητας που δεν μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια.

Στους αντιδραστήρες υπό πίεση νερού (οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι αντιδραστήρες σήμερα και οι οποίοι θα πρέπει να παραμείνουν έτσι τουλάχιστον έως το 2050 [1]), μόνο το ένα τρίτο της θερμότητας μετατρέπεται, πράγμα που σημαίνει ότι τα δύο τρίτα της ενέργειας απορρίπτονται στο περιβάλλον . Είναι, ωστόσο, δυνατό να χρησιμοποιηθεί μέρος αυτής της θερμότητας για π.χ. βιομηχανικές εφαρμογές, τηλεθέρμανση (DH) ή αφαλάτωση θαλασσινού νερού. Το PWR μπορεί να σχεδιαστεί για να παρέχει τόσο ηλεκτρική ενέργεια όσο και θερμότητα (ή μόνο θερμότητα) χωρίς να θέτει σε κίνδυνο την πυρηνική ασφάλεια [2].

Τα συστήματα θέρμανσης που βασίζονται σε πυρηνικές εγκαταστάσεις έχουν χρησιμοποιηθεί από τη δεκαετία του 1970 σε τουλάχιστον 55 τοποθεσίες (π.χ. Ρωσία, Ελβετία, Νορβηγία, Καναδάς), κυρίως για εφαρμογές DH (51 από τις 55 εμπειρίες [3]). Η θερμότητα στην έξοδο της γεννήτριας ατμού του PWR είναι διαθέσιμη στους 285°C. Ολόκληρα τα θερμικά φορτία κατοικιών και εμπορικών χώρων και περίπου το ένα τρίτο των βιομηχανικών διεργασιών χρησιμοποιούν θερμότητα κάτω των 250°C [4].

Η παραγωγή ενέργειας σε αυτούς τους τομείς βασίζεται επί του παρόντος κυρίως σε ορυκτά καύσιμα, που αντιπροσωπεύουν περίπου το 7% και το 11% των παγκόσμιων εκπομπών αερίων θερμοκηπίου (GHG) [5]. Συνεπώς, η μεταφορά μέρους της θερμότητας που προέρχεται από πυρηνικό εργοστάσιο σε κοντινούς βιομηχανικούς καταβόθρες ή συστήματα DH θα μειώσει την κατανάλωση ορυκτών καυσίμων και τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, ενώ θα βελτιώσει την ενεργειακή αυτάρκεια και τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα των τιμών.

Τέτοια συστήματα, ωστόσο, ελάχιστα αναφέρονται σε διεθνή και εθνικά ενεργειακά σενάρια και παραμένουν ελάχιστα χρησιμοποιημένα μέχρι σήμερα. Η θερμότητα από πυρηνικούς σταθμούς αντιπροσώπευε μόνο το 0,17% το 2014 (0,11 ) της θερμότητας που παρέχεται στα συστήματα DH της Ευρωπαϊκής Ένωσης [6]. Υπάρχουν πολλές εξηγήσεις για αυτό το χαμηλό μερίδιο αγοράς. Η πιο συχνά αναφερόμενη είναι η συχνά μεγάλη απόσταση μεταξύ πυρηνικών και αστικών περιοχών. Από τεχνική άποψη, ωστόσο, προηγούμενες έρευνες δείχνουν ότι οι τεχνικές βελτιώσεις στις τεχνολογίες DH (π.χ. χαμηλή θερμική αγωγιμότητα σύγχρονων μονωτικών υλικών) μπορεί να καταστήσουν δυνατή τη μεταφορά ζεστού νερού σε μεγάλες αποστάσεις (έως 100 km) με προσιτές απώλειες θερμότητας (κάτω από 2 % [7]).

Σε συνδυασμό με την αυξανόμενη συνειδητοποίηση του επείγοντος για τον μετριασμό της κλιματικής αλλαγής, αυτό έχει οδηγήσει σε ανανεωμένο ενδιαφέρον. Είναι ενδιαφέρον ότι η CNNC (Κινεζική Εθνική Πυρηνική Εταιρεία) εξετάζει επί του παρόντος την παροχή πυκνών αστικών περιοχών με αντιδραστήρες μόνο θερμότητας (τύπου πισίνας, μέγιστη θερμότητα 100°C [9]).

Το Ηνωμένο Βασίλειο εστιάζει σε μια άλλη εναλλακτική:μικρούς και αρθρωτούς αντιδραστήρες (SMR [10]) που παράγουν τόσο ηλεκτρική ενέργεια όσο και θερμότητα για σκοπούς DH. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, αυτό το είδος συστήματος αναφέρεται συχνά ως πυρηνικό υβριδικό σύστημα. Αρκετοί ερευνητές έχουν επισημάνει τις δυνατότητές τους, συμπεριλαμβανομένης της μεταφοράς ατμού από SMR σε βιοχημικά διυλιστήρια (τα οποία επί του παρόντος καίνε βιομάζα για ενέργεια και παραγωγή θερμότητας 250°C [11]).

Οι ερευνητές [6] αξιολόγησαν το κόστος και τα οφέλη των συστημάτων. Οι πυρηνικοί σταθμοί που παρέχουν το 25% του θερμικού φορτίου των πόλεων θα μπορούσαν να είναι ανταγωνιστικοί με άλλα συστήματα θέρμανσης (π.χ. λέβητες φυσικού αερίου, ηλεκτρικές θερμάστρες, αντλίες θερμότητας, άλλα συστήματα DH) σε 7 από τις 15 περιπτώσεις. Η εφαρμογή αυτών των 7 συστημάτων έχει τη δυνατότητα να μειώσει Εκπομπές GHG κατά περίπου 10 Mt eCO₂ /ένα. Συγκριτικά, οι απαιτήσεις οικολογικού σχεδιασμού και ενεργειακής επισήμανσης για θερμοσίφωνες χώρου και νερού (οι οποίες τέθηκαν σε εφαρμογή το 2015 στην ΕΕ) αναμένεται να εξοικονομήσουν 13,5 Mt eCO₂ /a κατά την περίοδο 2015-2030 [8]. Οι ανακαινίσεις κτιρίων, ο εκσυγχρονισμός των ατομικών θερμαντήρων και η εφαρμογή συστημάτων DH χαμηλών εκπομπών άνθρακα θα πρέπει να θεωρούνται ως συμπληρωματικές προσεγγίσεις, αναγνωρίζοντας το γεγονός ότι δεν υπάρχει επιλογή ανώτερη από άλλες, ανεξάρτητα από το λειτουργικό πλαίσιο.

Υπάρχουν, ωστόσο, μεγάλα εμπόδια για τη συγκεκριμένη εφαρμογή συστημάτων θέρμανσης που βασίζονται σε πυρηνικές εγκαταστάσεις, που προκύπτουν από κοινωνικές, πολιτικές, θεσμικές, οικονομικές και ψυχολογικές διαστάσεις [3].

Οι συζητήσεις σχετικά με την τεχνική σκοπιμότητα μπορεί να είναι προκατειλημμένες από πολιτικούς αγώνες και κοινωνική ιδεολογία. Ενδέχεται να προκύψουν χωριστά κίνητρα, η αστάθεια της τιμής της ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να υπονομεύσει τη θέσπιση συμβατικών κανόνων, τα επιχειρηματικά μοντέλα ενδέχεται να μην προσαρμοστούν και η προεκλογική δράση των τοπικών αρχών μπορεί να εμποδίσει τη βούληση επένδυσης σε αυτήν την εναλλακτική λύση. Χωρίς επαρκείς ενεργειακές πολιτικές, καθώς και εθνική και τοπική υποστήριξη, η θερμότητα από πυρηνικούς σταθμούς πιθανότατα θα συνεχίσει να απορρίπτεται στον αέρα, μερικές φορές επίσης θερμαίνοντας ψάρια. Ενθαρρύνουμε τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής και τα ενδιαφερόμενα μέρη να εξετάσουν σοβαρά την ανάπτυξη της παραγωγής θερμότητας με PWR ως στρατηγικό μονοπάτι για βιώσιμα ενεργειακά συστήματα.

Εάν σχεδιάζονται πυρηνικοί σταθμοί σε μια τοποθεσία που έχει δυνατότητες για οικονομικά αποδοτική παροχή θερμότητας, θα πρέπει να κατασκευαστούν ως «έτοιμα για συμπαραγωγή». Η ετοιμότητα συμπαραγωγής μπορεί να παραδοθεί για ένα μικρό στοιχειώδες κόστος [12] και θα διασφάλιζε ότι οι μονάδες είναι έτοιμες για πλήρη αναβάθμιση συμπαραγωγής όταν πληρούνται οι συνθήκες της αγοράς, οι θεσμικές και κοινωνικοπολιτικές συνθήκες. Επιπλέον, η ανάπτυξη δικτύων DH και η συστέγαση διαφορετικών βιομηχανικών εργοστασίων σε συνεχόμενες περιοχές (επιτρέποντας τη βιομηχανική συμβίωση) θα πρέπει να υποστηριχθεί σθεναρά μέσω όλων των καναλιών, ειδικά των τοπικών.

Σημείωση:  Οι πυρηνικές τοποθεσίες βρίσκονται μεταξύ 2,3 και 90 χλμ. από την αστική περιοχή που πρόκειται να τροφοδοτηθεί.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Ανάλυση κόστους-οφέλους συστημάτων τηλεθέρμανσης που χρησιμοποιούν θερμότητα από πυρηνικούς σταθμούς σε επτά ευρωπαϊκές χώρες, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Energy.

Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Martin Leurent, Pascal Da Costa και Frédéric Jasserand από το Université Paris-Saclay, Miika Rämä από το VTT Technical Research Center της Φινλανδίας και Urban Persson από το Halmstad University.

Αναφορές:

1. ΔΟΑΕ (Διεθνής Οργανισμός Ατομικής Ενέργειας). Αντιδραστήρες πυρηνικής ενέργειας στον κόσμο. IAEA-RDS-2/37. 2017.
2. STUK (Φινλανδική Αρχή Ακτινοβολίας και Πυρηνικής Ασφάλειας). Προκαταρκτική αξιολόγηση ασφάλειας του έργου πυρηνικού σταθμού Fennovoima Oy. Διαθέσιμο από:
3. Leurent M, Jasserand F, Locatelli G, Palm J, Rämä M, Trianni A. Κινητήριες δυνάμεις και εμπόδια στην πυρηνική συμπαραγωγή στην Ευρώπη:Διδάγματα από τη Φινλανδία. Ενεργειακή Πολιτική 2017; 107:138–50.
4. Leurent M, Da Costa P, Sylvestre S, Berthélemy M. Αξιολόγηση σκοπιμότητας της χρήσης ατμού που προέρχεται από πυρηνικά εργοστάσια για γαλλικά εργοστάσια λαμβάνοντας υπόψη τη χωρική διαμόρφωση. Journal of Cleaner Production 2018.
5. IPCC (Διακυβερνητική Επιτροπή για την Κλιματική Αλλαγή). Η πέμπτη έκθεση αξιολόγησης. Διαθέσιμο από: 2014.
6. Leurent M, Da Costa P, Rämä M, Persson U, Jasserand F. Ανάλυση κόστους-οφέλους συστημάτων τηλεθέρμανσης που χρησιμοποιούν θερμότητα από πυρηνικούς σταθμούς σε επτά ευρωπαϊκές χώρες. Ενέργεια 2018; 149:454–72.
7. Hirsch P, Duzinkiewicz K, Grochowski M, Piotrowski R. Προσέγγιση βελτιστοποίησης δύο φάσεων για εκτιμήσεις σχεδιασμού της μεταφοράς θερμότητας σε μεγάλες αποστάσεις για συστήματα ΣΗΘ. Applied Energy 2016;182:164–76.
8. EC (Ευρωπαϊκή Επιτροπή). Ανακοίνωση της Επιτροπής προς το Ευρωπαϊκό Κοινοβούλιο, το Συμβούλιο, την Ευρωπαϊκή Οικονομική και Κοινωνική Επιτροπή και την Επιτροπή των Περιφερειών. Στρατηγική της ΕΕ για τη Θέρμανση και την Ψύξη. Διαθέσιμο από: 2016.
9. CNNC (Κινεζική Εθνική Πυρηνική Εταιρεία). Το CNNC λανσάρει αντιδραστήρα θέρμανσης χαμηλής θερμοκρασίας τύπου πισίνας. 2017-12-12. Διαθέσιμο από: 2017.
10. ETI (Ινστιτούτο Ενεργειακής Τεχνολογίας) Μ. Ο ρόλος της πυρηνικής ενέργειας σε ένα ενεργειακό σύστημα χαμηλών εκπομπών άνθρακα. Ινστιτούτο Ενεργειακής Τεχνολογίας (ETI). Διαθέσιμο από: 2015.
11. Greene SR, Flanagan GF, Borole AP. Ενοποίηση Βιοδιυλιστηρίων και Σταθμών Πυρηνικής Συμπαραγωγής – Προκαταρκτική Ανάλυση. Oak Ridge National Laboratory (ORNL); 2009.
12. ETI (Ινστιτούτο Ενεργειακής Τεχνολογίας). Απαιτήσεις Συστήματος για Εναλλακτικές Πυρηνικές Τεχνολογίες – Φάση 3. Τεχνική αξιολόγηση εξαγωγής θερμότητας SMR για δίκτυα τηλεθέρμανσης. Διαθέσιμο από:. 2016.