Наш старый сайт

На перепутье

На перепутье

№39 (1232) от 28.09.202101.10.2021

Украина стоит перед необходимостью глобального обновления источников генерации национальной энергосистемы

Необходимость вызвана в основном двумя обстоятельствами: во-первых, в начале 2030-х гг. заканчиваются сроки продления эксплуатации 11 энергоблоков АЭС, и во-вторых, согласно обязательствам по Парижскому соглашению по изменению климата, предусматривается постепенный вывод из работы ТЭЦ и ТЭС, использующих ископаемые углеводороды.

Георгий ГАВРИЛЕНКО, Олег РОГОЖНИКОВ

Проблема обновления источников генерации заключается в выборе типа источников генерации, которым следует отдать предпочтение. В настоящее время такими источниками могут быть:

  • ветровые электростанции (ВЭС), солнечные электростанции (СЭС);
  • атомные энергоблоки с традиционными реакторами большой мощности ВВЭР;
  • атомные модульные реакторы малой мощности — SMR.

В соответствии с Энергетической стратегией Украины на период до 2035 г. (ЭСУ-35), выработка электроэнергии в 2035 г. должна возрасти до 195 млрд кВтч по сравнению с выработкой 146 млрд кВтч, которая была в 2020 г.

Согласно ЭСУ-35, предусмотрено сооружение одного атомного энергоблока мощностью 1 ГВт, а также строительство ВЭС и СЭС. Строительство новых угольных блоков ЭСУ-35 не предусматривает. Ситуация в Объединенной энергосистеме (ОЭС) к началу 2035 г. может сложиться таким образом, что, в связи с окончанием срока эксплуатации первого продления, могут быть выведены из эксплуатации 11 энергоблоков АЭС, а повторное продление не очевидно. Таким образом, суммарная мощность АЭС в 2035 г. может составить 5.0 ГВт с учетом одного нового блока.

Возможная выработка электроэнергии на 5 блоках АЭС при КИУМ, равном 85%, составит 37.2 млрд кВтч вместо 94 млрд кВтч, как предусмотрено ЭСУ-35. Выработка на ГЭС согласно прогнозу ЭСУ-35 предполагается на уровне 13 млрд кВтч.

Значит ли это, что в 2035 г. образуется дефицит электроэнергии в ОЭС? Нет.

Суммарная мощность всех традиционных источников генерации в ОЭС в 2035 г. без 11 атомных энергоблоков составит 39.5 ГВт (под традиционными источниками генерации понимаются все источники за исключением ВЭС и СЭС).

Общая выработка электроэнергии в 2035 г. традиционными источниками должна составить 170 млрд кВтч (выработка ВЭС и СЭС в 2035 г. прогнозируется на уровне 25 млрд кВтч). Это количество электроэнергии можно выработать в течение года традиционными источниками генерации суммарной мощностью 39.5 ГВт при КИУМ равном 50%.

Согласно ЭСУ-35, выработка на ТЭЦ и ТЭС составит разницу между выработкой традиционными источниками (170 млрд кВтч) и выработкой на ГЭС, ГАЭС и АЭС, то есть 170 - 37.2 - 13 = 119.8 млрд кВтч вместо запланированных 63 млрд кВтч.

Суммарная мощность и техническое состояние установок генерации на ТЭЦ и ТЭС позволяет обеспечить данную выработку, но выбросы парниковых газов в таком случае в 2035 г. возрастут в два раза по сравнению с 2020 г. (в связи с выводом из эксплуатации 11 атомных энергоблоков).

Украина в связи с этим будет отмечена мировым сообществом как государство, которое не только не принимает мер по снижению выбросов парниковых газов, но способствует их увеличению.

Надежда, что этот сценарий не случится, возлагается на то, что будет во второй раз продлена эксплуатация 11 блоков АЭС еще на 10 лет. В таком случае указанный сценарий будет отодвинут на 10 лет. Это будет последнее продление.

Из тупика

Ситуация сложная, Украина стоит перед дилеммой — либо незамедлительно начать принимать меры для решения проблемы снижения выбросов парниковых газов посредством постепенного вывода из работы угольных источников генерации, либо стать изгоем в мировом сообществе и быть подвергнутой со временем штрафным санкциям.

Решение проблемы с выбросом парниковых газов, как указано выше, возможно двумя путями: наращиванием мощностей ВЭС и СЭС или строительством новых блоков АЭС, как замещение отработавших свой срок атомных энергоблоков, и замена устаревших угольных энергоблоков ТЭЦ и ТЭС.

Опыт генерации на ВЭС и СЭС показал, что в силу климатических условий в Украине работа ВЭС и СЭС носит нестабильный характер. Согласно данным "Укрэнерго", в первом полугодии 2021 г. было 67 "плохих" ночей, когда генерация на ВЭС прекращалась полностью или падала до менее 0.1 ГВт вследствие отсутствия ветра, а солнечная генерация, естественно, по ночам отсутствует.

Кроме того, максимальное потребление электроэнергии в ОЭС в большей части времени выпадает на вечерние часы от 20:00 до 22:00, когда солнечная генерация отсутствует или минимальная, а также существует сезонное несовпадение максимума потребления электроэнергии в зимнее время с максимумом производства э/э СЭС в летнее время.

Таким образом, если будет принято решение о наращивании установленной мощности генерации ОЭС за счет ввода новых ВЭС и СЭС, то в этом случае потребуется или сооружать дополнительные резервные источники генерации, работа которых не зависит от природных факторов, или импортировать электроэнергию из РФ и Беларуси в вечернее время и в "плохие" дни, что влечет потерю энергонезависимости.

Источниками, работа которых не зависит от природных факторов, являются АЭС, апробированные в работе, показавшие надежность, стабильность и безопасность. В таком случае возникает вопрос — нужны ли ВЭС и СЭС? Нужны, например, СЭС с накопителями энергии при станциях зарядки аккумуляторов электромобилей или при домохозяйствах с небольшими перерабатывающими производствами, особенно летом для кондиционеров.

Если будет принято решение об использовании атомных энергоблоков в качестве источников замещения, то Украина не только сможет обеспечить себя электроэнергией и решить проблему выбросов парниковых газов, но и сможет стать значимым экспортером электроэнергии в соседние страны, пока там будут "бороться" с проблемами нестабильности ВИЭ.

Например, в Польшу. На угольных электростанциях в мае 2021 г. там произведено 79% электроэнергии, на ВИЭ — 21%. Снижение выработки электроэнергии на ТЭС и ТЭЦ может быть только за счет выработки на ВИЭ, то есть фактор нестабильности в Польше будет нарастать, и Украина в связи с этим могла бы увеличить экспорт электроэнергии в соседнюю страну.

Выбор маршрута

Выбрав путь развития атомной энергетики, следует определиться с типом реакторов — традиционные реакторы типа ВВЭР (реакторы с водой под давлением) мощностью 1-1.6 ГВт или модульные реакторы малой мощности, либо третий вариант — определенная последовательность их строительства, что в первую очередь, а что попозже.

По данным МАГАТЭ, в мире сегодня в эксплуатации 443 энергоблока АЭС суммарной установленной мощностью 393.2 ГВт, в том числе в Украине 15 энергоблоков мощностью 13.8 ГВт, в стадии строительства — 51 энергоблок проектной мощностью 53.9 ГВт, в том числе в Украине — 2 блока мощностью 2 ГВт. В мире пока нет ни одного модульного малого реактора ни в эксплуатации, ни на стадии строительства. Пока все малые модульные реакторы во многих странах и компаниях на стадии разработки, для получения разрешения на строительство необходимо пройти сертификацию в органах ядерного регулирования, и уже есть компании, которые подали заявки в национальные комиссии Канады, США. Лидером в прохождении сертификации в национальной комиссии США является проект Nuscale одноименной компании.

Сегодня подавляющее большинство промышленных реакторов в мире 9/10 — это реакторы на легкой воде (LWR). В Украине все реакторы относятся к этому же классу. 2/3 всех реакторов в мире эксплуатируется более 30 лет, в том числе со сроком более 40 лет — 1/5 всех реакторов, 1% эксплуатируется со сроком более 50 лет. В Украине 2/3 реакторов имеют срок эксплуатации более 30 лет, к 40-летнему рубежу подходят два реактора ВВЭР-440 на РАЭС. В течение этого десятилетия 2/3 украинских реакторов выйдут на срок 40 лет, впрочем, и в мире будет такая же пропорция.

64 ядерных энергоблока в 10 странах мира, помимо электрической энергии, имеют дополнительное неэлектрическое применение, такое как отпуск тепловой энергии для централизованных систем отопления, опреснение воды. В Украине все 15 блоков АЭС, обеспечивая отпуск более 50% всей электроэнергии страны, производят тепло для городов-спутников АЭС, имеют потенциал для расширения географии централизованного отопления близлежащих населенных пунктов, что позволило бы сократить потребление газа и угля в регионах АЭС.

Не только реактор

Сторонники технологии SMR с помощью СМИ сформировали мнение у населения и даже у некоторых экспертов от атомной энергетики, что реактор типа SMR — это компактное устройство в виде одного блока (модуля), которое можно изготовить на заводе, доставить на площадку в собранном виде, установить, подключить к коммуникациям, включить и получить на выходе готовый продукт: пар или горячую воду (в зависимости от назначения).

Однако следует учитывать, что АЭС, независимо от мощности и размеров реактора, представляет сложное сооружение, включающее, собственно, реактор, турбину, генератор, строительную часть, защитную двойную или одинарную оболочку с устройствами локализации, инженерные и административные здания и сооружения, подъездные пути, а также: комплекс активных и пассивных систем безопасности, вспомогательных систем и оборудования, обеспечивающих работу реактора, турбины, генераторы, средства контроля, управления, гидротехнические сооружения и др.

Это инфраструктура, обеспечивающая энергоблоки сжатым воздухом, химобессоленной водой, водородом, азотом, кислородом, а также системы и оборудование обращения с жидкими и твердыми радиоактивными отходами.

Кроме того, это системы и оборудование обращения со свежим и отработавшим ядерным топливом, оборудование технического обслуживания, контроля, проведения перегрузок реактора, ремонта. Если и устанавливать ММР, то на площадках выводимых ТЭС, на площадках АЭС, с использованием и модернизацией необходимой инженерно-промышленной инфраструктуры.

Типовой набор

Реакторная установка большой мощности включает реактор и стандартное крупногабаритное оборудования (парогенераторы, компенсатор давления, главные циркуляционные насосы, главные циркуляционные трубопроводы), которые изготавливаются на заводе и поставляются на площадку АЭС в виде отдельных модулей или частей.

Первый блок в мире мощностью 1225 МВт(э) АЭС "Библис А" был введен в эксплуатацию в ФРГ в феврале 1974 г. С этого времени исчисляется мировой опыт эксплуатации реакторов большой мощности, то есть история эксплуатации реакторов большой мощности составляет почти 50 лет.

Опыт сооружения АЭС с ВВЭР-1000 в СССР показал, что на изготовление корпуса реактора ВВЭР-1000, как изделия с наибольшей длительностью изготовления, и его внутрикорпусных устройств на заводе требуется около трех лет.

Например, производственный цикл изготовления корпуса реактора на заводе "Атомэнергомаш" РФ для Белорусской АЭС ВВЭР-1200 составил 840 суток с момента начала производства заготовок до отгрузки готового изделия.

На площадке АЭС производится так называемая контрольная сборка реактора, что занимает 50-60 дней, целью которой является проверка качества изготовления и подготовка реактора к горячим испытаниям и загрузке ядерного топлива. Монтаж трубопроводов главного циркуляционного контура занимает не более 60 дней.

Основное время занимает монтаж вспомогательного оборудования и трубопроводов ядерного и неядерного островов и проверка их работоспособности.

Например, строительство Запорожской АЭС было начато в 1980 г. Первый блок был введен в эксплуатацию в декабре 1984 г., то есть через 4 года, в январе 1985 г. первый блок начал выдавать электроэнергию в ОЭС Украины. Пятый блок был введен в эксплуатацию в мае 1989 г. Шестой блок мог быть введен в эксплуатацию в 1990 г., но вследствие моратория, принятого ВР Украины, пуск был отложен на пять лет. Таким образом, на сооружение и ввод в эксплуатацию Запорожской АЭС в составе 5 блоков мощностью 5.0 ГВт(э) потребовалось 9 лет.

Согласно данным Atominfo, удельная стоимость установленной мощности Белорусской АЭС и Нововоронежской АЭС-2 с реакторами ВВЭР-1200 составила около $2550-2800/кВт без стоимости инфраструктуры. В некоторых источниках приводится цифра $3000/кВт (в настоящее время в РФ начались уголовные процессы в связи с многократным завышением стоимости электрооборудования при сооружении Нововоронежской АЭС-2). Эта же удельная стоимость, согласно данным Atominfo, используется в обосновании строительства АЭС "Белене" в Болгарии в составе двух блоков мощностью 1.2 ГВт каждый.

Согласно данным китайских СМИ, удельная стоимость установленной мощности энергоблоков с ВВЭР-1000 российского проекта с поставкой российского оборудования составила $2993/кВт, китайского проекта с поставкой китайского оборудования этой же мощности — от $1730/кВт до $1856/кВт.

Проектный срок эксплуатации реакторов типа ВВЭР-1000 рассчитывался консервативно по суммарному облучению металла корпуса быстрыми нейтронами и установлен в 30 лет, при условии коэффициента использования установленной мощности (КИУМ), равном 85%.

Опыт эксплуатации, результаты контроля состояния металла по контрольным образцам и новые расчеты по более совершенным и точным методикам позволяют повсеместно рассчитывать на продление до 50-60 лет. В новых дизайнах реакторов заявляются уже изначально 60 лет и ведется в мире речь о новых разработках до 100 лет, американцы изначально закладывали обоснованный консервативно ресурс в 40 лет, почти все блоки, не выведенные из эксплуатации по экономическим причинам, продлевают на 60-летний срок. Для двух блоков получено разрешение регулятора на работу до 80 лет, на очереди ещё три блока.

Согласно данным "Укрэнерго", в 2020 г. КИУМ АЭС Украины составил 62.85% по сравнению с АЭС "Библис А" — 94%, блоком 2 АЭС "Тяньвань" — 94.5%. То есть можно считать, что в 2020 г. простой энергоблоков АЭС Украины составил в среднем 115 дней для каждого блока или 1/3 года. За 10 лет при таком подходе потеря составляет почти 3 года. Чистая модель "время-деньги": чем дольше простаивает блок в ремонтах, тем больше теряется денег атомной генерацией и потребителями, поскольку они вынуждены платить больше другим генерациям, а если начнут платить по "зеленому" тарифу, то энергосистема и полгода-год не протянет, её постигнет финансовый коллапс.

Если данные за 2020 г. распространить на весь проектный срок эксплуатации, то энергоблоки выводятся из эксплуатации на 9.5 лет раньше проектного срока, определённого воздействием нейтронного облучения на металл корпуса реактора, и это разбазаривание проектного ресурса в условиях проблем с энергоносителями в Украине.

Однако это проблемы эксплуатации, а не конструкции. При соответствующей организации эксплуатации эффективность использования реакторов большой мощности можно довести до 85-90%.

Продолжение следует