Ydinvoimalasta kaukolämpöä

Insinörtti katseli ilolla vihreän poliitikon blogia jossa tämä suoraan pisti ydinvoiman paremmaksi tavaksi tuottaa lämpöä ja valoa, kuin hiilivoiman, biopolttoaineet tai turpeen polttamisen. Blogin kommenteissa sitten joku mainitsi että "parasta olisi jos Loviisa tuottaisi kaukolämpöä Helsinkiin."

Insinörtti alkoi miettiä raaka-arviota homman onnistumisesta.

• Etäisyyttä Loviistasta Helsinkiin (Vuosaari) tulisi tälle kaukolämpölinjalle ainakin 80 kilometriä. (Tunneleita ja maan pintaan tehtyä pitkää putkilinjaa.)
• Vuosaareen asti pitäisi saada +125°C lämpöistä vettä.

Oletetaan että sellainen putkilinja voidaan tehdä ja eristää kyllin hyvin että tällä matkalla lämpögradienttia on vain 25°C. Silloin Loviisassa pitää linjaan laittaa noin +150°C lämpöistä vettä.
Vesi pysyy vetenä +150°C lämpötilassa, kun se on vähintään 4.0 Bar ylipaineessa suhteessa ilmakehään [1]. Tarvittava paine ei siis ole mitenkään järisyttävän suuri.

Ydinvoimalan energiatuotannon lämpövoimafysiikasta:

Sekundääripiirin kautta kulkee koko laitoksen terminen teho, mutta siitä hyödynnettävissä on vain osa.
Höyryturbiineilla saadaan (T_sisään-T_ulos)/T_sisään osuus energiavirrasta, kun lämpötilat (T) ilmaistaan Kelvineinä. Jos turbiinin jälkeisessä tiivistimessä höyryn absoluuttinen paine saadaan 0.1 Bar tasolle, matalapaineturbiinista saadaan ulos +45°C höyryä (noin 320 K.)

Loviisan laitoksessa [wikipedia] reaktorin terminen teho on 1500 MW, ensiöjäähdytteen paluulämpötila +265°C ja toisiopiirin tuorehöyryn lämpötila on +255°C (528 K)

Maksimi teho-osuus joka höyrystä saadaan Loviisassa irti on noin (528-320)/528 = 0.39 ja koska höyryssä on 1500 MW energiaa, turbiinissa irrotettavissa oleva energia on noin 580 MW.
Laitoksen nettosähköteho on 488 MW, josta erosta suurin osa menee laitoksen sisäisiin kulutuksiin mm. kiertovesipumpuissa (noin 70 MW) ja loput alle 100% hyötysuhteella toimivan turbiinin + generaattorin häviöihin. Kokonaishyötysuhteeltaan tämä 34% teholla toimiva reaktorilaitos on silti maailman parhaita painevesireaktoreita. Kiehutusvesireaktorit tuottavat kuumempaa höyryä (Olkiluoto 1: +283°C) ja siitä saadaan hiukan enemmän energiaa ulos.

Mitä jos osa tästä tehosta otettaisiin ulos kaukolämmöksi?

Kuuman kaukolämmön ulosottopaikka on systeemissä korkeapaineturbiinin jälkeen, jossa vielä huomattavan kuumalla (+170°C) höyryllä lämmitetään kaukolämpökiertoon lähtevää vettä ja tämän jälkeen höyryvirta välitulistetaan, kuivataan ja ajetaan matalapaineturbiiniin.

Kun höyrystä otetaan ulos lämpöenergiaa, sen lämpötila putoaa ja/tai paine alenee. Jos energiaa otetaan ulos liikaa, jäännöksestä ei saada ulos enää mitään energiaa. Sallitaan siis energiaa kaukolämpökiertoon otettaessa esimerkiksi 30 K lämpötila-alenema, joka Loviisan tapauksessa tarkoittaa noin 820 kg/s vesihöyryn massan jäähtymistä. Vesihöyryn ominaislämpökapasiteetti on 2.080 kJ/kg/K, eli: 2.080 kJ/kg/K * 820 kg/s * 30 K = 51.2 MJ/s = 51 MW.

Korkeapaineturbiinilla saadaan silloin ulos (255-170)/550 = 0.15 osa termisestä tehosta ja matalapaineturbiinissa: (140-45)/550 = 0.17 osa. Yhteensä 0.32 (vrt. 0.39 nykyisenä). Katsotaan vielä että paljonko on 7% 1500 MW:stä:  1500 * 0.07 = 105 MW.

Siis ottamalla noin 51 MW kaukolämmöksi hukataan samalla noin 54 MW.

Näyttää siis olevan edullisempaa ottaa tuo 105 MW sähköksi ja siirtää se sähkönä (siirron hyötysuhde on noin 97% → noin 102 MW) kuluttajille jotka sitten käyttävät sitä lämmittämiseen, kuin koettaa kuljettaa sitä pitkiä matkoja nestevirtana (51 MW lähdössä) mistä lämmöstä ehkä puolet (25MW) saapuu perille kuluttajille.

Koska painevesireaktoreiden turbiinilaitosten hyötysuhdetta rajoittaa rajallinen ylälämpötila (+255°C) verrattuna kiehutusreaktoreiden höyrylämpötilaan (+283°C @ Olkiluoto 1&2) saati perinteisten hiilivoimaloiden kattiloiden +500°C, sähkötuotantoon halutaan maksimaalinen terminen alue, eikä mielellään osaa tuhlata vastapainetehon (kaukolämmön) tuotantoon.

Tuottamalla +80°C kaukolämpöä lähellä kulutusta, turbiinista ulos tulevan höyryn pitää olla noin +100°C, eli laitoksen turbiineilla saataisiin talteen noin 28% (422 MW Loviisa 1:n mallisella laitoksella) ja kaukolämpöön voisi syöttää jopa 60 K lämmönnousun * 820 kg/s * 2.080 kJ/kg/K = 102 MW. Se on noin 7% termisestä kokonaistehosta. Systeemin kokonaishyötysuhteeksi tulisi 28%+7% = 35% joka on ihan kelvollinen painevesireaktoriselle vastapainevoimalalle. Laitoksen omakulutus olisi edelleen noin 70 MW, eli nettosähkötuotanto olisi noin 350 MW + kaukolämpöä noin 100 MW = 450 MW. Tämä on noin 35 MW vajaa Loviisa 1:n puhtaan sähkötuotannon, mutta vastapainevoimaan liittyvä hävikki on vain noin 2.5% verrattuna kuumempaa kaukolämpöä kauas tekevän systeemin noin 5% hävikkiin.

Kaukolämmön teko sähkökattiloilla kulutuksen lähellä olisi silti vertailulaitoksessa reilun 30 MW verran kannattavampi operaatio kuin tehdä sitä vastapainevoimana edes lähellä isoa kulutuskohdetta.  Mitä kauempaa (ja kuumempaa) vastapainekaukolämpöä pitäisi tuoda, sitä kannattavampaa se on siirtää vesivirran sijasta sähkövirtana.

Asia ei ole taloudellisesti kuitenkaan ihan näin, sillä eri tavoin siirrettyyn energiaan liittyy suomessa erilaisia erikoisveroja jotka eivät ole saman suuruisia per MW. Niitten arviointiin palaan joskus toiste.

1970 luvulla suunniteltiin että Granön saarelle Helsingin Vuosaaren nykyisen sataman viereen tehtäisiin ydinvoimaloita. Se olisi ollut kyllin lähellä kulutusta jotta siitä saisi hyödyllistä kaukolämpöä.  Insinörttikin saisi halkeavin atomein tehtyä kaukolämpöä ilman sähkönä tapahtuvaa välisiirtoa.