Ist ein Kernreaktor auf dem Weg ins Herz Ihrer Stadt?

Es ist nicht ungewöhnlich, dass Kernkraftwerke relativ nahe an großen Ballungsräumen stehen (z. B. im Umkreis von 50 Meilen), schließlich sind dort die größten Lasten, aber Reaktoren werden selten in der Nähe des Zentrums großer Städte platziert. Dies ist vor allem auf die mit einer Kernschmelze oder sogar einer geringfügigen Freisetzung radioaktiver Kontamination verbundenen Risiken zurückzuführen, die zur Evakuierung von Personen innerhalb einer bestimmten Entfernung von den Anlagen führen könnten. Dies mussten die Planer berücksichtigen, als die Reaktoren ursprünglich errichtet wurden.

Allerdings könnte eine neue Initiative namens Nuclear in District Energy Applications (NuIDEA), die von EPRI und einer Gruppe von mehr als 20 anderen Organisationen entwickelt wurde, dazu führen, dass Kernreaktoren näher an die Innenstadt heranrücken. Während dies bei manchen Menschen, die der Kernenergie gegenüber misstrauisch sind, Anlass zur Sorge geben mag, sehen die Planer eine große Chance, städtische Energiesysteme durch die Nutzung dieser kohlenstofffreien Energieressource zu dekarbonisieren.

„Es besteht großes Interesse an äußerst zuverlässigen und widerstandsfähigen dekarbonisierten Energiequellen. EPRI betrachtet Kernenergie als eine von vielen Optionen, um diesen Bedarf zu decken“, sagte Jeremy Shook, Hauptprojektmanager für Nuklearinnovation bei EPRI, gegenüber POWER. „In unseren Gesprächen mit Betreibern von Fernenergiesystemen sind sie sehr daran interessiert, die einzigartigen Herausforderungen dieser Technologie zu verstehen und sie zu meistern. EPRI unterstützt dies mit der NuIDEA-Initiative.“

Im „NuIDEA Action Plan“, der kürzlich von EPRI veröffentlicht wurde, erklären die Autoren, dass Fernenergiesysteme mehrere Heiz- und Kühlenergieverbraucher mit zentralen Energiequellen verbinden. „Diese Anlagen nutzen Geräte wie Kessel und Kältemaschinen, um Dampf, heißes Wasser und gekühltes Wasser zu erzeugen. Zusätzlich zur thermischen Energie können Fernwärmeanlagen mithilfe von Geräten wie Verbrennungsturbinen gepaart mit Abhitzedampferzeugern Strom mit Kraft-Wärme-Kopplung erzeugen“, heißt es darin.

Traditionell nutzen Fernwärmesysteme entweder fossile Brennstoffe oder Strom aus dem Netz als Energiequelle. Die Nutzung fossiler Brennstoffe begann mit Kohle als Primärbrennstoff, der weitgehend durch Erdgas ersetzt wurde. Heizöl wird in kritischen Anwendungen häufig als Ersatzbrennstoff verwendet.

Der NuIDEA-Aktionsplan skizziert, wie Kernenergie eine praktikable Option für den Betrieb hocheffizienter Fernwärme- und Fernwärmesysteme sein könnte. Die Nutzung der Kernenergie könnte Gebäudeeigentümern helfen, ihren CO2-Fußabdruck zu reduzieren und Ländern dabei helfen, wirtschaftsweite Ziele für saubere Energie zu erreichen.

Derzeit gibt es Anwendungen für die Nutzung der Abwärme großer Kernkraftwerke zur Fernwärmeversorgung von Städten in Europa und Asien. Aufgrund des großen Flächenbedarfs für traditionelle Anlagen sieht EPRI jedoch eine begrenzte Anwendung dieser Technologien für die Fernenergie. Mikroreaktoren bieten eine größere Flexibilität bei der Standortwahl und können daher einen größeren Teil des Marktes bedienen. Mikroreaktoren sind eine Klasse von Reaktoren, die weniger als 50 MW Energie (häufig weniger als 10 MW) produzieren und so angepasst werden können, dass sie weniger als einen Hektar Land beanspruchen.

„Der Einsatz von Mikroreaktoren als Option für eine Stromquelle gibt den Energienutzern in den Distrikten die Möglichkeit, ihren Bedarf mit einer stabilen, kohlenstofffreien Energiequelle zu decken“, sagte Neil Wilmshurst, Senior Vice President of Energy System Resources und Chief Nuclear Officer bei EPRI eine Erklärung gegenüber POWER. „Durch die Zusammenarbeit mit unseren Partnern aus den Bereichen Energie, Wissenschaft und Technik hoffen wir, Gebäuden ein weiteres Werkzeug im Dekarbonisierungs-Werkzeugkasten an die Hand zu geben.“

Zu den weiteren Teilnehmern der Initiative zählen Spezialisten von Burns & McDonnell; Centrio; Konstellationsenergie; Duke Energy; International District Energy Association; Massachusetts Institute of Technology; Öffentlicher Energiebezirk von Nebraska; North Carolina State University; Agentur für Kernenergie; Institut für Kernenergie; Nuclear Electric Insurance Limited; Sargent & Lundy; Südliche Kompanie; University of Illinois, Urbana-Champaign; und University of Wisconsin, Madison. Die Gruppen haben im vergangenen Jahr gemeinsam an der Entwicklung des Aktionsplans gearbeitet, der die Arbeiten definiert, die zur Erfüllung der NuIDEA-Mission erforderlich sind, nämlich „Atomenergie als Option für den Fernenergiemarkt bis 2026 zu ermöglichen“.

Fernwärme wird seit fast 150 Jahren genutzt und ihre Nutzung nimmt weltweit weiter zu. Die Anzahl der Kundengebäude, die von einem Fernenergiesystem versorgt werden, reicht von nur drei in der Anfangsphase der Entwicklung neuer Systeme bis zu über 1.000 bei ausgereiften Systemen. Die Con Edison Steam Business Unit in Manhattan, New York, beispielsweise versorgt mehr als 1.800 Kundengebäude und ist damit das größte Ferndampfsystem der Welt.

Mikroreaktoren eignen sich hervorragend zur Versorgung von Fernwärmesystemen mit thermischer und elektrischer Energie. Viele der Mikroreaktorkonstruktionen liefern Hochtemperaturdampf (bis zu 1.200 °F), was die effiziente Produktion von gekühltem Wasser und Strom mithilfe von dampfbetriebenen Kältemaschinen und Dampfturbinengeneratoren ermöglicht. „Durch die Produktion mehrerer Energieprodukte kann die Auslastung der Anlage optimiert werden“, heißt es im Plan.

EPRI stellte einige herausragende Mikroreaktortechnologien vor, die derzeit auf dem Markt verfügbar sind. Am gebräuchlichsten ist der Hochtemperatur-Gasreaktor (HTGR). Diese Konstruktionen verwenden tristrukturell isotropen (TRISO) Brennstoff, kleine Urankörner, die zum Schutz von graphitischen Materialien umgeben sind. Diese Kraftstoffform kann Temperaturen standhalten, die so hoch sind, dass es „im Grunde unmöglich ist, den Kraftstoff zu schmelzen“, heißt es in dem Plan. Helium wird typischerweise als Kühlmittel zur Übertragung der Wärme an einen Dampferzeuger verwendet.

Ein weiterer gängiger Mikroreaktortyp ist der flüssigmetallgekühlte Reaktor. Dieser Reaktor verwendet üblicherweise Flüssigmetall-Wärmerohre zur passiven Wärmeabfuhr. Ein Beispiel ist das Projekt Microreactor Applications Research Validation and EvaLuation (MARVEL), das vom US-Energieministerium (DOE) am Idaho National Laboratory aufgebaut wird. Das MARVEL-Design ist ein flüssigmetallgekühlter Mikroreaktor mit Stirlingmotoren, der 100 kW Energie erzeugen wird. Die MARVEL-Testplattform ist eine Gemeinschaftsinitiative des DOE Microreactor Program und des National Reactor Innovation Center, um innovative fortschrittliche Reaktortechnologien auf den Markt zu bringen.

Mikroreaktordesigns nutzen häufig passive Sicherheitskonzepte, die es den Reaktoren ermöglichen, sich selbst zu kühlen, selbst wenn die Stromversorgung ausfällt. In solchen Fällen kann die natürliche Konvektion den Kern in einen sicheren Zustand zurückversetzen, was diese Konstruktionen sicherer macht und die Wahrscheinlichkeit eines Einschmelzens verringert.

„Durch die NuIDEA-Initiative bringt EPRI Eigentümer und Betreiber von Fernenergiesystemen, Architekturbüros und gemeinnützige Organisationen zusammen, um eine Gemeinschaft von Organisationen aufzubauen, die daran interessiert sind, Kernenergie zu einer Option für den Markt zu machen, damit sie Diskussionen führen können. Stellen Sie Fragen und teilen Sie die Erkenntnisse, die Sie auf dieser Reise gewonnen haben“, sagte Shook.

Die Teilnehmer der Initiative entwickelten einen Aktionsplan, um den Marktbedürfnissen gerecht zu werden. Der Aktionsplan konzentrierte sich zunächst auf den nordamerikanischen Markt, Ziel ist es jedoch, künftig auch mit internationalen Parteien zusammenzuarbeiten.

Der Plan legt die zu erledigenden Arbeiten in 11 verschiedenen Bereichen fest: Politik, öffentliches Bewusstsein, Eigentumsmodelle, Finanzen, Versicherungen, Projektentwicklung und -durchführung, Technik, Regulierung, Genehmigungen, Betrieb und Wartung sowie Sicherheit. Die NuIDEA-Initiative wird in den nächsten drei Jahren daran arbeiten, die Maßnahmen in Angriff zu nehmen, die bis 2026 abgeschlossen sein sollen.

—Aaron Larsonist der Chefredakteur von POWER (@AaronL_Power, @POWERmagazine).

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