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Oct 25, 2023

コージェネレーションと地域暖房で快適な家と幸せな工場を実現

La maggior parte del consumo energetico della società moderna viene spesa in qualche forma per il riscaldamento.

現代社会のエネルギー使用量のほとんどは、水の加熱、室内の温度上昇、工業プロセスでの使用など、何らかの形で暖房に費やされています。 このため、効率と回復力の向上、さらには世界のエネルギー生産を脱炭素化する取り組みにおいて、優れた目標となります。 ここでは、地域暖房および同様のソリューションが近い将来に大きな役割を果たす可能性があります。

過去数十年にわたり、多くの国がすでに大規模な地域暖房グリッドを構築しているか、構築中です。 これらの加熱グリッドの主な利点は、より効率的で集中的な熱の発生を可能にするだけでなく、たとえ熱の大部分が専用または熱源から得られる場合でも、たとえば産業廃熱を無駄にするのではなく生産的に使用できることです。コージェネレーション火力発電所。

最近、地域暖房は、例えば中国で原子力コージェネレーションの形で大きく推進されているが、データセンターを暖房グリッドに結び付けるという概念とともに、後の使用に備えて熱を緩衝するために蓄熱装置を使用する可能性も検討されている。 地域暖房は新しいものではありませんが、快適さを少しも失うことなく、人類を低炭素の未来に導くのに役立つかもしれません。

地域暖房 (DH) の主な利点は、家庭用の単一ガスまたは鉱油焚きボイラーなどの多くの小型熱源に比べて、全体的な効率が向上することです。これも、そうでなければほとんどが廃熱であったであろう熱を利用することによるものです。 さらに、西側の暖房グリッドに石炭が燃料として選ばれている場合でも、システムに熱を供給する熱源は非常に多様です。 第一世代の DH システムは 19 世紀後半に構築され、ニューヨーク市の蒸気ベースのネットワークはその代表的な例です。 このタイプの第一世代システムには、他の多くの都市での採用を妨げていた問題も示されています。

2007 年のニューヨーク市の水蒸気爆発は、1987 年以来発生した 12 件の蒸気パイプ爆発のうちの 1 つであり、2007 年の爆発では、築 83 年が経過したパイプが破裂し、高温の加圧蒸気が地面を突き抜けて人々に重傷を与え、大量の死傷者を引き起こしました。ダメージ。 1930 年代頃から 1970 年代にかけて建設された DH システムでは、代わりにコージェネレーション プラントで加熱された温水を使用していました。 これらのシステムは加圧されていますが、加圧蒸気システムと同じ安全上のリスクはありません。

これらの第 2 世代の DH システムとその後の改良 (普通のコンクリート パイプの代わりに断熱パイプを使用するなど) は、蒸気ベースのシステムに電力を供給する専用の石炭火力発電所のグループが大半を占めるのではなく、一般的にコージェネレーション火力発電所を中心にしています。近隣の都市や地域社会に熱と電気の両方を提供できる可能性があると考えています。 このアプローチは、旧ソ連だけでなくスカンジナビア諸国でも大きく受け入れられました。

しかし、DH システムの構築は過去数十年間、ほとんど停滞しています。 安価な天然ガスが入手可能なため、またノルウェーやフランスのような国の場合は電力料金が安いため、新しい DH システムのパイプを設置したり、既存の DH システムを拡張したりする経済的インセンティブが存在しないことがよくありました。 旧ソ連の DH 送電網の場合と同様、既存の DH システムの多くも、その供給源が低炭素原子力から化石燃料に切り替えられました。 東ドイツのグライフスヴァルトおよび同様のコージェネレーション VVER PWR は 1990 年代に閉鎖され、石炭およびガスプラントがその代わりを務めました。

1989 年 3 月の IAEA 速報で、ロセフらは次のように述べています。 ソ連のヨーロッパ地域に原子力発電所のコージェネレーションの使用をさらに拡大するために当時存在していたDH計画について説明しています。 もちろん、1991 年のソ連崩壊により、それ以降に導入された少数の DH システムは主に化石燃料を燃料源として使用しています。

ベルリンなどの都市は、2 つの (西部と東部) 別々の DH システムを備えている好例です。 このネットワークは実質的にソ連崩壊前の都市の規模にまで拡張されていますが、依然としてドイツ最大の DH システムです。 現在、ベルリンはゴンザレス・サラザールらとともに、熱供給の大部分を提供する炭素を多く含む石炭火力発電所から撤退する方法を見つけようとしている。 (2020) いくつかの考えられるシナリオを提供します。

代替熱源の評価において、彼らは、産業廃熱がわずかに貢献する可能性があり、その大部分は、現在では主に木材チップの形で、（重度汚染の）公共固形廃棄物（ゴミ）とバイオマスを燃やすことによって占められていることがわかりました。石炭火力発電所。 ただし、熱供給の大部分は化石ガス (NG) によって提供されますが、将来のある時点 (遠い) で、(グリーン) 水素などの NG 代替ガスが代替される可能性があると考えられています。

彼らの理想的なシナリオでは、抵抗加熱やヒートポンプなどの技術を使用して電気を熱に変換する電力熱変換 (P2H) も使用されます。

ベルリンやニューヨーク市の状況が示すように、DH システムがあるからといって、必ずしもそれが低炭素であること、あるいは汚染を吐き出す巨大なシステムから簡単に転換できることを意味するわけではありません。 低炭素熱源の統合に加えて、熱供給の配置がシステムの効率にとって重要であるという事実は変わりません。 これは、火力発電所や産業廃熱源の場合、熱損失を最小限に抑えるために、消費者に十分近い場所、通常は数十キロメートル以内に設置する必要があることを意味します。

これは、太陽光発電や風力発電施設からの余剰電力を使用して何らかの形の蓄熱装置を加熱するという P2H シナリオでも役割を果たします。 ストレージはエンドユーザーの十分近くに配置する必要があるため、電力は送電線を介してこのストレージ施設に伝送される必要があります。 これらの送電線に十分な利用可能な容量がなければ、依然として過剰電力を削減する必要があります。 余剰電力のみに依存すると、システムへの熱入力が非常に変動することになり、化石燃料や原子力などの何らかのバックアップ熱供給が必要になるか、満たされない暖房需要を一定期間受け入れる必要があります。

最も効率的なシナリオはおそらく、旧ソ連諸国やスイスのベツナウ原子力発電所で多用されている伝統的な原子力発電所の熱電併給プラントのシナリオだろう。 この発電所は、近隣のコミュニティに地域暖房を提供するために 1984 年に改修されました。これにより、近くの川に流れる廃熱が減り、接続された世帯で 1,400 万立方メートル以上の天然ガスが節約されるという追加の利点がありました。

このような熱電併給プラントの特徴は、蒸気の一部が発電ではなく DH システムに使用されることです。 この蒸気はタービン段ですでに（部分的に）膨張した後に抽出されるため、発電量の減少は一般に最小限です。 それでも、DH システムに蓄熱を追加し、産業プロセスやデータセンターなどからの廃熱を受け入れることで、システムに影響を与えることなく、分流する必要のある蒸気の量が減り、より多くの発電が可能になると考えられます。 。

このシナリオで P2H を使用することは、熱を追加するとより多くの電力が解放されるため、ほとんど意味がないと思われますが、P2H が意味をなすのは、ローカル送電網にすでに余剰電力があり、本質的には役に立たない場合に限られます。 ただし、データセンターやアルミニウム精錬施設 (ノルウェーなどで見られる) などの比較的一定の熱源を使用すると、システムに追加の冗長熱供給が提供される可能性があります。

暖房を継続的に利用できることは多くの国にとって重要であり、多くの家庭でガスと電気の両方が停止された2021年2月のテキサス州冬の嵐のような異常気象時も含めて、死活問題である。 同様に、ガラスや鉄鋼の製造、石油化学産業など、多くの産業では一定の熱源が必要です。 これらの加熱需要は、DH システムの約 100 °C から工業用熱の 300 ～ ~1000 °C まで、幅広い温度に及びます。

信頼性の要求は、熱を証明する信頼できる情報源を持つことの重要性を強化します。 ここでは原子力発電所が、設備利用率が 90% を超える唯一の供給源であり、毎日、毎週、さらには毎月の燃料補給に依存しません。 これは、化石燃料からの脱却を目指す化学プラントやその他の産業が、工業用プロセス熱用の小型モジュラー反応器に強い関心を持っている理由でもあります。供給される熱がほんの少し低下しただけで、生産が停止したり、製造ラインが破壊されたりする可能性があるからです。 。

中国の HTR-PM のような高温 (ヘリウム) ガス冷却炉 (HTR) は、従来の水冷 (LWR または HWR) 炉よりもはるかに高い温度に達するため、さらに多くの工業プロセスに適しています。電力も供給します。 これにより、理想的には、燃料が持続する数年間、産業プロセスに熱と電力が 24 時間 365 日供給され、燃料が非常に魅力的で経済的かつ低炭素源となります。

コジェネレーション原子力発電所の信頼性は何十年にもわたって証明されており、そのため、DH システムで石炭火力発電所の代替手段を模索している中国のような国にとって、コージェネレーション原子力発電所は当然の選択となっています。 中国の山東省海陽市は現在、DHシステムを石炭火力ボイラーから原子力コージェネレーションに完全に転換する取り組みを進めている。 報告されているように、AP-1000 海陽 1 号炉からの熱だけでも 12 基の石炭焚きボイラーを置き換えるのに十分でした。

目標は、海陽市全体に十分な熱を、この 1 基の原子力発電所と淡水化用の電力および熱を使用して生成し、市の住民による化石燃料の使用量のほとんどを効果的になくすことです。

DH システムの避けられない部分は、大口径の断熱パイプを地中に埋めなければならないことであり、これはかなり混乱を招く可能性があります。 状況によっては、単純な抵抗加熱システムよりもはるかに高い効率を提供するヒート ポンプ システムが代替として受け入れられる場合があります。 もちろん、これらには信頼性の高い電力源が必要ですが、ヒートポンプ システムは住宅所有者の気まぐれで設置できます。

2004 年以来、EU では CHP 指令 (熱電併給) が発効しており、EU 内でコージェネレーションと地域暖房の普及が促進されるとされています。 それにもかかわらず、目に見える最大の変化は、多くの場合、家庭が暖房用に鉱油からガスに切り替え（コスト削減の認識により）、ヒートポンプの推進を伴うことです。

EU の暖房脱炭素化の取り組みを、DH や産業用熱に原子力を全面的に採用している国々と比較すると、原子力を使わずに低炭素 DH システムを構築する実現可能性について多くの疑問が生じます。 特に現在のエネルギー危機が何らかの形で化石ガスの関与の背後にある経済を完全に混乱させているため、この点で今後数年間に物事がどのようにうまくいくかを見るのは興味深いでしょう。

[見出し画像: ロシアのペヴェクに係留されているアカデミク・ロモノーソフ浮体式原子力発電所。 孤立したコミュニティに電力と熱を供給します。]