Editorial - VGB PowerTech Journal 5/2017

Lastwechselbetrieb mit Kernkraftwerken – erste Schritte zu einem weltweiten Paradigmenwechsel?

Für die Ertüchtigung zum Lastwechselbetrieb von Kernkraftwerken (KKW) gibt es je nach nationalem Kontext unterschiedliche Gründe. Für manche KKW sind vielfältige Einrichtungen für den Lastwechselbetrieb umgesetzt und betriebserprobt. Für andere ist dies noch nicht erwünscht oder Maßnahmen sind nicht genehmigt, z. B. ferngesteuerte Sekundärregelung durch den Netzbetreiber.

Die deutschen Betreiber zeigen in der Betriebspraxis einen fortgeschrittenen, sicheren und verlässlichen Lastwechselbetrieb seit mehreren Jahren. KKW gehören zu den lastwechselfähigsten Kraftwerken im deutschen Netz. Beim typischen Lastfolgebetrieb variieren sie ihre Leistung um etwa 2 Prozent pro Minute im Regelband zwischen 40 und 100 Prozent der Generatorleis­tung. Die Flexibilität des Anlagendesigns könnte sogar höhere Werte erlauben.

Anlagen des AREVA NP-Vorgängerunternehmens KWU waren von vornherein für erweiterten Lastfolgebetrieb, Primär- und Sekundärregelung sowie Minutenreserve ausgelegt. Viele Jahre erfolgte der Einsatz dieser Fähigkeiten jedoch nur gelegentlich zum Gegensteuern bei netzrelevanten Ereignissen. Nur die Leistung der Anlage Unterweser wurde in warmen Monaten bereits regelmäßig an Vorgaben für die Maximalwassertemperatur des Flusses Weser dynamisch mit sehr großen Leistungsänderungen angepasst.

Die später stark zunehmende Stromerzeugung aus fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen brachte eine verstärkte Nachfrage nach Kraftwerksflexibilität mit sich; erste Modernisierungsprojekte betrafen die Ertüchtigung der Turbinenregelung.

Seit 2008 werden auf dem Elektrizitätsmarkt in Deutschland negative Strompreise zugelassen. Einerseits geht das Handelsvolumen mit negativen Strompreisen in die Millionen Euro, andererseits bieten zuverlässige Bereitstellung der Reserve- und Regelleistung zusammen mit Redispatch-Maßnahmen und Intraday-Handel neue Einnahmequellen.

Daher entschieden sich mehrere deutsche Betreiber von Druckwasserreaktoren für die vollständige Automatisierung des Betriebes zum Zweck der maximalen Flexibilität auch bezüglich der Kernbeladung. Die Einführung der digitalen Technologie im Bereich der Leittechnik hat die dafür notwendige Modernisierungen der Reaktorregelung wesentlich erleichtert. Dabei wurde auch das von WANO (World Association of Nuclear Operators) favorisierte Reaktivitätsmanagement eingeführt. Somit konnte das Leistungsband für die Regelleistung inklusive notwendiger Präqualifikation und damit auch die kommerziellen Möglichkeiten auf dem Spotmarkt stufenweise erweitert werden.

Als erste Anlage setzte Philippsburg-2 im Jahre 2008 eine solche Modernisierung der Reaktorregelung um und erzielte den Weltrekord im erreichten Leistungsband der Primärregelung. In den Jahren 2014/2015 haben weitere Anlagen nachgezogen und den ferngesteuerten Sekundärregelbetrieb in einem weltweit führenden Regelband zwischen 60 und 100 Prozent der Generatorleis­tung ermöglicht.

In vielfältigen Studien wurde die Wechselwirkung des dynamischen Anlagenbetriebs mit Leit- und Verfahrenstechnik sowie dem Brennelementverhalten untersucht. Besonderes Augenmerk wurde u.a. auf die Anlagenchemie, die Lebensdauer von Komponenten und Festlegung der Fahrregeln (pellet cladding inter­action (PCI)-Guidelines) gelegt.

Die dafür entwickelten Tools und existierenden Erfahrungen im Bereich Ermüdung, Erosionskorrosion, Vibration usw. kommen auch beim Lastwechselbetrieb nichtnuklearer Anlagen zum Einsatz (z. B. Ermüdungsüberwachungssysteme). Dazu gehört auch die Anwendung neuer, auf lokalen Temperaturmessungen und daraus ermittelten realistischen Belastungsdaten basierender Auswertemethoden. Das ermöglicht die Ermittlung von Margen bezüglich flexibler Fahrweisen und neuer Anforderungen, wie z. B. bezüglich der Berücksichtigung des Mediums-Einflusses. Für einige Komponenten erübrigt sich sogar ein sonst ggf. notwendiger Austausch. Dieses vorausschauende Handeln ist von großer Bedeutung für den sicheren und profitablen Langzeitbetrieb unter Berücksichtigung von Lastwechselvorgängen.

Heutzutage sind circa 25 Prozent der KKW weltweit flexibel mit einer gesamten Betriebserfahrung von mehreren hundert Reaktorjahren im Einsatz. Die größten Erfahrungen existieren in Frankreich und Deutschland. Frankreich hat mit 58 KKW starke Flexibilitätsanforderungen durch den hohen Nuklearanteil am Energiemix. In der Schweiz geht eine entsprechende Nachrüstung für die Reaktorregelung in Kürze in Betrieb. Dabei wird die Wärme- und Dampfauskopplung für externe Zwecke mitberücksichtigt. In den USA wurde von EPRI eine technische Arbeitsgruppe initiiert, um den Übergang der KKW zum Lastwechselbetrieb zu unterstützen. In manchen US-Staaten waren die wachsenden erneuerbaren Energien und die Konkurrenz durch billige fossile Brennstoffe der Grund, den Lastfolgebetrieb mit KKW voranzutreiben. In Spanien, mit der zweitgrößten Windproduktion in Europa und mit sinkender Stromnachfrage, fahren KKW seit dem letzten Jahr in begrenztem Ausmaß langsame Lastwechselvorgänge. Auch bei den Kernkraftwerken im russischen WWER-­Design ändern sich die Netzanforderungen, beispielsweise bezüglich der Primärregelung in Russland. In der Ukraine wird untersucht, wie die bisher von älteren Kohlekraftwerken bereitgestellte Regelleistung zukünftig durch existierende KKW ersetzt werden kann. Chinesische KKW analysieren den Lastwechselbetrieb und mehrere Anlagen fahren heute vom Lastverteiler geforderten saisonalen Teillastbetrieb, beispielsweise während der Regenzeit. Für alle neuen KKW ist die erweiterte Lastwechselfähigkeit weltweit eine wichtige Design-Anforderung. Die IAEA wird in Kürze eine Leitlinie zum Lastwechselbetrieb in neuen und bestehenden KKW herausgeben.

Was ist mit dem heutigen Markt für flexible Leistung? In Europa gibt es eine starke Tendenz zum Wachsen, bedingt durch den grenzüberschreitenden Handel. Jedoch sinken die Preise durch wachsende Konkurrenz. Mittelfristig darf man – aufgrund des geplanten weiteren Ausbaus der Erneuerbaren Energien – dennoch von attraktiven Regelleistungspreisen ausgehen. Angebot und Nachfrageleistung werden dafür entscheidend sein. Zahlreiche neue Technologien – unter anderem die Batteriespeicher – könnten hier zukünftig eine noch wichtigere Rolle spielen.

Zusammenfassend ist der Lastwechselbetrieb für KKW notwendig, um die Netzanforderungen von heute und morgen zu erfüllen und auch gleichzeitig die Profitabilität der KKW zu erhöhen. Jeder Stromerzeuger wird zukünftig lastwechselfähig sein müssen und KKW werden dabei keine Ausnahme bilden können!

Autor

  • Dr.-Ing. Tatiana Salnikova
    Project Manager, Products and Projects
    AREVA GmbH