Почему не внедряется экологически чистая и топливосберегающая атомная теплофикация? / Виталий Болдырев

к.т.н., заслуженный энергетик РФ,

                                                «Строгость российских законов

                                                смягчается необязательностью их исполнения»

                                                                           М. Е. Салтыков-Щедрин

        Первый заместитель генерального директора концерна «Росэнергоатом» Смелов Э. Ю.  в своей статье, публикованной в журнале «Росэнергоатом РЭА»

(№ 2, февраль 2011 г.),  говоря о  развитии экономики концерна, указал на необходимость существенного увеличения  продаж тепловой энергии, вырабатываемой АЭС. Действительно, отечественная атомная отрасль располагает необходимыми техническими средствами для масштабного вытеснения потребляемого органического топлива ядерным. Однако ощутимых сдвигов во внедрении атомной теплофикации в системах теплоснабжения страны не происходит. Почему?

Известно, что сжигание органического топлива при раздельном производстве электроэнергии на электростанциях и тепловой энергии в водогрейных котельных менее эффективно, чем при их комбинированной выработке на теплоэлектроцентралях — ТЭЦ. Сказанное справедливо и при использовании ядерного топлива для совместной выработки отопительного тепла и электроэнергии. Поэтому для экономии углеводородного топлива и уменьшения теплового загрязнения окружающей среды целесообразно строить атомные ТЭЦ (АТЭЦ). При использовании ТЭЦ на органическом топливе для покрытия пиковых сезонных тепловых нагрузок используются пиковые водогрейные котельные на газе или мазуте, что экономически выгодно. При использовании АТЭЦ  в силу высокой капиталоемкости атомных котельных также выгоднее будет строить пиковые котельные на органическом топливе.

Атомная теплофикация для теплоснабжения потребителей уже сегодня технически возможна на основе нерегулируемых отборов пара из турбин действующих в стране атомных конденсационных электростанций (АКЭС). В европейской части страны на близлежащих к АКЭС территориях «атомным» теплом можно обеспечивать до 85% годовой потребности в тепле этих территорий, покрывая сезонные пиковые потребности котельными на органическом топливе.

Однако имеющийся потенциал почти не используется, хотя, по оценкам, с его помощью можно сберегать ежегодно до 2 млрд. м3 природного газа.  При этом уменьшатся и выбросы АКЭС в окружающую среду тепловой энергии и пара, которые образуются  в результате испарения отработанной воды из прудов-охладителей и градирен, куда она поступает для охлаждения.

При отпуске тепла от ядерных энергоисточников, в том числе путем нерегулируемых отборов пара от АКЭС, предъявляются специальные требования к защите теплоносителя в системе теплоснабжения от радиоактивных продуктов. Защита обеспечивается следующим образом.

Тепло от реакторного теплоносителя отводится через промежуточную греющую среду. Подогрев теплоносителей – промежуточного и в системе теплоснабжения потребителей – проводится только через герметичные теплопередающие поверхности. При этом давление греющей среды устанавливается ниже давления сетевого теплоносителя. В случае аварийного попадания радиоактивных веществ в сетевой теплоноситель происходит немедленное автоматическое отключение теплосети от сетевого теплообменника (бойлера), который должен находиться на территории станции.

Отпуск тепла от АКЭС осуществляется сейчас в соответствии с перечисленными требованиями по обеспечению радиационной безопасности сетевого теплоносителя. Независимо от тепловой схемы АКЭС (одно- или двухконтурная), нагретая на нужды теплоснабжения сетевая вода циркулирует только в третьем по отношению к активной зоне реактора контуре. Давление в нем поддерживается выше максимально возможного в первом контуре, что исключает попадание радиоактивных отходов в сетевую воду при нарушении теплообменной поверхности бойлеров.

Как отмечалось, использование тепла действующих АКЭС для нужд теплоснабжения сегодня далеко от возможного. Сложившаяся практика их строительства и эксплуатации показала, что если вопросы теплоснабжения самих АКЭС решаются при проектировании станции, то присоединение к ним внешних потребителей зачастую задерживается на неопределенный срок из-за отсутствия теплосетей. В результате сложилась парадоксальная ситуация: при наличии больших потенциальных возможностей по отпуску тепла действующими АКЭС для теплоснабжения близлежащих поселков и городов используется в больших объемах дефицитное органическое топливо.

До 1984 г. отпуск тепловой энергии внешним потребителям в хозяйственной деятельности АКЭС вообще не планировался, а в 2009 г. отпуск тепла всеми АЭС ОАО «Концерн Росэнергоатом» составил всего 3171 тыс. Гкал (см. таблицу). Хотя, как показано ниже, отпуск тепловой энергии только станциями с реакторами типа ВВЭР и БН может быть увеличен на 7353 тыс. Гкал в год.

Ниже приводятся ориентировочные расчеты возможного увеличения  отпускаемого тепла от действующих АКЭС в системы теплоснабжения на примере станций с реакторами ВВЭР и БН с оценками возможного сокращения антропогенных выбросов углекислого газа благодаря замещению природного газа ядерным топливом.

Балаковская АЭС  — в эксплуатации находится 4 энергоблока с реакторами ВВЭР-1000. Суммарная расчетная мощность всех теплофикационных теплообменников составляет 914 МВт, что позволяет отпускать внешним потребителям 3500 тыс. Гкал тепловой энергии в год. При этом годовое замещение потребления природного газа котельными и ТЭЦ  г. Балаково составит 393,7 млн. м³, сокращение атмосферных выбросов СО₂ достигнет 737,9 тыс. т/год.

Калининская АЭС — в эксплуатации находится 3 энергоблока с реакторами ВВЭР-1000, суммарная расчетная мощность теплофикационных теплообменников 419 МВт. При отборе тепловой мощности за время  5600 часов в год отпуск тепла составит 2017 тыс. Гкал. Сейчас годовая загрузка не превышает 730 тыс. Гкал. При использовании всей расчетной мощности теплофикационных теплообменников отпуск тепла внешним потребителям достигнет 1288 тыс. Гкал в год, потребление природного газа котельными г. Удомля сократится на 178,8 млн. м3 в год, а атмосферные выбросы CO₂ сократятся на 335,3 тыс. т/год.

Нововоронежская АЭС — в эксплуатации находятся 2 энергоблока с реакторами ВВЭР-440 и энергоблок с реактором ВВЭР-1000. Установленная мощность теплофикационных теплообменников составляет 249 МВт. Использование такой мощности потенциально может обеспечить отпуск тепла в объеме 1050 тыс. Гкал в год, т.к. тепловые нагрузки внеплощадочных потребителей составляют 334 МВт. При подключении внеплощадочных потребителей ежегодное потребление котельными г. Нововоронежа природного газа сократится на 145,69 млн. м3, а выбросы СО₂ сократятся на 271,9 тыс. т.

Волгодонская АЭС – в эксплуатации находится один энергоблок с реактором ВВЭР-1000, установленная мощность теплофикационных теплообменников – 232 МВт. При выборе площадки для строительства станции предполагалось, что централизованным теплоснабжением от АЭС будут охвачены промышленные и коммунальные потребители Волгодонска. При отборе тепловой мощности на протяжении 5100 часов в год (соответствует климатическим условиям  Баку) годовой отпуск тепла потребителям составит 1018 тыс. Гкал. Сокращение потребления природного газа котельными г. Волгодонска составит 141,28 млн. м³, атмосферные выбросы СО2 сократятся на 264,8 тыс. т.

Кольская АЭС — в эксплуатации находятся 4 энергоблока с реакторами ВВЭР-440, установленная мощность теплофикационных теплообменников 145 МВт. В настоящее время используется тепловая мощность в размере 42,3 МВт. Тепломагистраль от АЭС до г. Полярные Зори отсутствует, и теплоснабжение города осуществляется от городской электрокотельной. Более полное использование мощности теплофикационных отборов позволит отпускать потребителям 385 тыс. Гкал тепла.

Белоярская АЭС — в эксплуатации находится один энергоблок с реактором БН-600. В год внеплощадочным потребителям можно было бы дополнительно отпускать 117,2 тыс. Гкал. При этом потребление природного газа котельными сократится на 16,27 млн. м³, атмосферные выбросы СО₂ уменьшатся на 30,5 тыс. т/год.

Итого, благодаря использованию для теплоснабжения внешних потребителей части тепловой энергии только АКЭС с реакторами ВВЭР и БН, потребление природного газа в год может сократиться до 1 млрд. м³. Но чтобы передать такое количество тепловой энергии  в соответствующих регионах потребуется реконструировать теплосетевое хозяйство и построить дополнительные теплосети, подключив их к АКЭС. Средства для этого могут быть получены и за счет использования механизмов Киотского протокола. При ограниченности ресурсов на развитие атомной энергетики, более полное использование тепловых мощностей АКЭС позволит увеличить замещение газа ядерным топливом.

В настоящее время в ОАО «ОКБМ Африкантов» сконструирована реакторная установка ВБЭР-300, которая рассматривается в качестве основной для будущих АТЭЦ. Ее конструктивные решения основаны на апробированных и хорошо зарекомендовавших себя реакторах, которые были созданы для судов военно-морского флота, и проработавшие уже свыше 6000 реакторолет без аварий. При высокой степени заводского изготовления она не требует такой машиностроительной базы, которая необходима для сооружения традиционных атомных конденсационных электростанций с водо-водяными реакторами, и может быть реализована на других производственных мощностях. В настоящее время предприятием «Казатомпром» и российским ЗАО «Атомстройэкспорт» создано СП «Атомные станции» для строительства в Казахстане референтного энергоблока мощностью 300 МВт.

Представляется интересным рассмотреть ту роль, которую такие энергоблоки смогут выполнять в энергосистемах для покрытия переменной части графиков электрической нагрузки. В «ОКБМ Африкантов» разработаны модификации ВБЭР-300 в двух-, трех- и четырехпетлевом вариантах. Для дальнейшего рассмотрения примем четырехпетлевой вариант установки.

В конденсационном режиме такой энергоблок будет иметь электрическую мощность 310 МВт. В теплофикационном режиме с отбором части пара для нужд теплоснабжения отпуск тепла, в зависимости от нужд потребителей, может меняться от 300 до 460 Гкал/ч. Соответственно электрическая мощность будет снижаться на 50-95 МВт, т. е. на 16-31%.  Тем самым можно будет уменьшать электрическую мощность в обмен на соответствующее увеличение отпуска тепловой энергии в систему теплоснабжения, причем без снижения тепловой мощности самой реакторной установки (900 МВт).

Рассмотрение указанных возможностей обусловлено тем, что атомные энергоблоки необходимо эксплуатировать как можно большее число часов, т.е. в базисе графиков электрических нагрузок энергосистем, т.к. регулирование их мощности допустимо лишь в соответствии с регламентом работы их паропроизводительных установок. Это снижает возможности покрытия ими полупиковых и пиковых нагрузок.

Помимо рационального покрытия полупиковых нагрузок, при значительной доле неманевренного оборудования возникает также потребность покрытия пиковых нагрузок энергосистем в европейской части страны. Это не всегда возможно только за счет гидроэлектростанций и гидроаккумулирующих электростанций. Поэтому надо рассчитывать на вводы пиковых газотурбинных энергоустановок и использование недогруженных ГРЭС и ТЭЦ.

Однако нет уверенности в том, что газоснабжающая система страны сможет полностью удовлетворить пиковые потребности электростанций в газе. Поэтому представляет интерес использования будущих АТЭЦ также и в обеспечении пиков графиков электрических нагрузок энергосистем.

При сооружении АТЭЦ для обеспечения требуемого теплопотребления предполагается сохранить в соответствующем районе в качестве резервных ранее сооруженные водогрейные котельные и при необходимости построить новые. В случае создания новых котельных их стоимость может войти в общие затраты строительства АТЭЦ. Допустим, тепловая мощность потребления в данном населенном пункте обеспечивается АТЭЦ только на 67% по отношению к максимальной потребляемой мощности. При таком предположении для АТЭЦ с двумя реакторами ВБЭР-300 суммарная мощность отбора тепла с турбин составит 920 Гкал/ч, а общая расчетная тепловая нагрузка АТЭЦ вместе с пиковой водогрейной котельной – 1380 Гкал/ч.

Приняв резервную тепловую мощность от одного атомного энергоблока в размере 460 Гкал/ч, получим, что общая производительность пиково-резервных котельных составит 920 Гкал/ч. Поэтому даже полное прекращение отбора тепла от АТЭЦ может быть компенсировано за счет этих котельных, электрическая нагрузка турбин АТЭЦ при этом повышается на 190 МВт. Тем самым при комбинированной выработке тепловой и электрической энергии придется учитывать и график потребления электроэнергии в энергосистеме.

Из сказанного выше со всей очевидностью следует, что обеспечение потребителей не только электроэнергией, но и тепловой энергией потребуется провести еще большую организационно-правовую работу.

Президентом РФ Д. А. Медведевым в конце июля 2010 г. подписан Федеральный закон «О теплоснабжении», в соответствии с которым до конца 2010 г. должны были быть утверждены все нормативно-правовые акты к указанному Закону (по состоянию на 1 марта 2011 г. пока не утверждено ни одного подзаконного акта). А до конца 2011 г. должны быть утверждены схемы теплоснабжения поселений, городских округов, определенны единые теплоснабжающие организации и зоны их деятельности.

В законе «О теплоснабжении» сказано: «Решение органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации в области государственного регулирования цен (тарифов) об установлении тарифов на тепловую энергию на 2011 г. должны соответствовать утвержденным федеральным органом исполнительной власти в области государственного регулирования тарифов в сфере теплоснабжения… предельным (минимальным и (или) максимальным) уровням тарифов на тепловую энергию на 2011 год».

Однако, к примеру, в соответствии с приказом Комитета по тарифам и ценовой политике Правительства Ленинградской области № 185-п от 12.11.2010 г. тариф на тепловую энергию, отпускаемую филиалом ОАО «Концерн Росэнергоатом» Ленинградской АЭС установлен на этот год в размере 202,22 руб./Гкал. А приказом Федеральной службы тарифов «О предельных уровнях тарифов на тепловую энергию, производимую электростанциями, осуществляющими производство в режиме комбинированной выработки электрической и тепловой энергии, на 2011 год» для Ленинградской области предельные минимальные и максимальные уровни тарифов на тепловую энергию установлены 607,37 и 637,77 руб./Гкал (без НДС) соответственно. Так 202,22 или 607,37¸637,77 руб./Гкал?! Такая же практика тарифных «ножниц» наблюдалась и в предыдущем году (см. табл.).

Данные по выработке тепловой энергии АЭС концерна «Росэнергоатом»

* Тарифы на 2010 г. для АЭС, утверждены местными региональными энергетическими комиссиями
** Минимальные и максимальные тарифы на 2010 г. при комбинированной выработке АЭС тепла и электроэнергии, утверждены ФСТ

Следует заметить, что до сих пор в практику не введены термодинамические оценки тепловой энергии, характеризующие ее потенциальные возможности превращения в электроэнергию. А они необходимы при определении затрат, учитывающих уменьшение выработки электроэнергии при отборе тепловой энергии на нужды теплоснабжения от атомной станции. При тарифе 202,22 руб./Гкал только затраты на компенсацию недовыработки электроэнергии составят около 65% тарифа (130 руб./Гкал). Кому нужна такая атомная теплофикация?

Распоряжением Правительства Российской Федерации от 30 декабря 2010 г. утверждён план первоочередных мероприятий по реализации положений Федерального закона «О теплоснабжении». Может быть в нынешнем  году будет, наконец,  внесена ясность в сложившуюся экономическую ситуацию с атомной теплофикацией?

Предыдущие статьи В. М. Болдырева по атомной теплофикации:

   Дополнительный отбор тепла на действующих АЭС позволит экономить до 2 млрд. кубов газа в год. —  «Промышленные ведомости» № 11-12, ноябрь-декабрь 2006 г.

   Атомные теплоэлектроцентрали: возможности их использования для покрытия переменной части графиков электрической нагрузки. —  «Промышленные ведомости» № 5-6, май-июнь 2007 г.

   Энерго- и топливосберегающее централизованное теплоснабжение с использованием АЭС. —  «Промышленные ведомости» № 8-9, сентябрь-октябрь 2008 г. 

    Почему для коммунального теплоснабжения не востребованы атомные энергоисточники? —  «Промышленные ведомости» № 10-11, октябрь-ноябрь 2008 г.