Ydinvoima tulevaisuutta vai menneisyyttä?

Ydinvoima tulevaisuutta vai menneisyyttä? Energiailta Ylivieskassa 16.11.2017 Prof. Juhani Hyvärinen LUT, Nuclear Engineering

Menneisyys Nykyisyys Tulevaisuus Johtopäätöksiä

Ydinvoiman toinen tuleminen on alkanut 2000-luvulla Ensimmäinen tuleminen, 1965-1985 Toinen tuleminen, 2005 Lähde: OECD/IEA World Energy Outlook 2014. Tällä 10% maailman sähköstä on ydinsähköä; osuus oli parhaimmillaan 16 % 1985-2000 kun muuta (hiili-)tuotantoa oli vähemmän kuin nyt 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 4

Ydinvoimalaitosten teknologinen kehitys I: Varhaiset prototyypit II: Kaupalliset reaktorit III: Uuden sukupolven reaktorit SMRt IV seuraava sukupolvi (GEN4) 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 50 MW 500 MW 1400 MW 1100-1700 MW Magnox 1956 Shippingport 1957 Dresden 1959 Rheinsberg EBR RBMK 1963 PWR ja BWR (mm. Olkiluoto 1,2) VVER (PWR) (mm. Loviisa 1,2) CANDU AGR AES-2006 AP1000 APR1400 EPR CAP1400 (Hualong One) 40-300 MW Toshiba 4S mpower NuScale Hyperion Terrapower Holtec 300-1200 MW SCWR VHTR SFR LFR GFR MSR 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 5

Turvallisuusvaatimusten kehittyminen Friends come and go, but enemies accumulate Turvallisuussuunnittelussa tarkasteltavia asioita on kertynyt vuosien mittaan yhä enemmän ja enemmän 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Kypsille teknologioille, kuten kevytvesireaktorit, lista on jo varsin kattava. Ei kuitenkaan voida taata etteikö vieläkin voisi ilmetä jotain olennaista uutta. Reaktorin jäähdyttäminen, jos sattuu suuri jäähdytevuoto Reaktorin tehon hallinta, stabiilisuus Terrorismi Luontaiset sisäiset uhat Reaktorisydämen sulamisen hallinta Luonnonkatastrofit, pitkä poikkeustilanne Reaktorin jäähdyttäminen, jos sattuu pieni vuoto tai muu häiriö 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 6???

Ydinreaktorit maailmassa 31 maassa yhteensä 448 kaupallista reaktoria sähköntuotannossa (marraskuu 2017) [https://www.iaea.org/pris/home.aspx] Vaikka ydinvoiman tuotanto on lisääntynyt, muu sähköntuotanto on lisääntynyt vielä enemmän, erityisesti Kiinan ja Intian hiilivoimalaitostuotannon takia Yhteiskapasiteetti noin 392 000 MW sähkötehoa Yhteensä n. 17 000 käyttövuotta Yli 12 000 käyttövuotta myös 220 laivareaktorilla (enimmillään 150 laivaa) Lisäksi 56 maassa 284 tutkimusreaktoria 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 8

Maailman ydinvoimalaitokset 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 9

Ydinvoiman % osuus sähköntuotannosta 2015 Lähde: IAEA PRIS 2016 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 10

Ydinvoiman korvaaminen ei onnistu ilman hiilidioksidipäästöjen lisäystä Sähköntuotanto Japanissa kuukausittain, 1/2007-1/2012 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 11

Sähkön kulutus ja tuotanto Suomessa 2016 Kulutus Tuotanto [Fingrid.fi Sähkömarkkinat Kulutus ja tuotanto] 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 12

Sähkön hankinta 2016 (viikkokeskiteho) [Energiateollisuus] 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 13

Sähkön nettohankinta Suomessa 2016 (85,1 TWh) [Energiateollisuus] 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 14

Eri energiamuotojen käyttökertoimia Käyttökerroin = Tarkasteluajassa tuotettu energia / (Energia joka tuotettaisiin, jos ajettaisiin koko jakso täydellä teholla) Tyypillisiä kokemusperäisiä vuotuisia käyttökertoimia alla. Tuotantom uoto 10 TWh:n vuodessa tuottamiseen tarvittava asennettu teho Mikä käyttökertoimen määrää Ydinvoima 0,9 1 270 MW Vuosihuollot ja polttoaineen vaihto Hiilivoima 0,4.. 0,9 Tuulivoima (maalla) Käyttökerroin Aurinkopaneeli 2 850.. 1 270 MW Kustannusoptimointi, polttoaineen hinnan kautta 0,2 5 700 MW Sää 0,08 14 300 MW Auringon asema taivaalla 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 15

Vähiten hiilidioksidia tuottavat EU-maat Ranska, Ruotsi, Belgia = ydinvoiman osuus suuri, 50..80 % Ajantasaista päästö- ja tuotantorakennetietoa ks http://electricitymap.tmrow.co/ Sähkön kulutus ja tuotanto on oltava joka hetki tasapainossa Kulutus vaihtelee vuorokaudenajan, vuodenajan ja ulkoilman lämpötilan mukaan Tuuli- ja aurinkosähkö riippuvat voimakkaasti säästä, vuorokaudenajasta ja vuodenajasta Tasapaino haetaan säädettävällä tuotannolla. vesivoimalla (Tanska Norja) hiilidioksidipäästöt eivät vähene myös hiili- (Saksa) tai ydinvoima (Saksa, Ranska) voivat säätää 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 16

Ydinreaktorin tehon säätöä Ranskassa (käyttöjakso n. 14 kk) [OECD/ NEA; EdF] % P N 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 17

Ydinreaktorien säätöä Saksassa: E.ONin reaktoreiden tehot yhtenä päivänä [OECD/ NEA; E.ON] 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 18

Energiamurros käytännössä Varastokapasiteetti Saksassa hiilivoiman osuus pysyy suurena, koska sähköverkon tehotasapainon ylläpitämiseksi säätökykyinen tuotanto joustaa; varastointi on hyvin vähäistä Kulutus ei juuri jousta, koska päivällä ollaan kaikki yhdessä hereillä ja töissä Uudet uusiutuvat tuuli ja aurinko vaihtelevat sään mukana tasaustarve kasvaa Kuva viikolta 43/2017 [https://www.energy-charts.de/power_de.htm?source=all-sources&week=43&year=2017] 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 19

Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitus on ratkaistu Posiva sai rakentamisluvan loppusijoituslaitokselle syksyllä 2016, loppusijoitustoiminta alkaa noin 2024 Ruotsissa SKB:n loppusijoituslaitoksen lupakäsittely on myös käynnissä Posiva, Olkiluoto SKB, Forsmark 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 20

Sähkön tuotantorakenne nykyisillä energiapolitiikan linjauksilla (ml. hiilidioksidipäästöjen vähennykset) Lähde: OECD/IEA World Energy Outlook 2014. Suomi 2014 ~80 TWh 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 22

Sähkön tuotantorakenteen ennakoitu kehitys 2000-2040 [OECD/IEA World Energy Outlook 2014] 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 23

Uusiutuvien ja maakaasun käyttö kasvaa nopeimmin, mutta myös ydinvoima ja hiili Maailman energiankulutus polttoaineittain, biljoonaa kilowattituntia [EIA, International Energy Outlook 2011] Historia Ennusteet Hiili Maakaasu Ydinvoima Vesivoima Muut uusiutuvat Nestemäiset 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 24

Ydinvoimaa rakennetaan globaalisti Lähde: OECD/IEA World Energy Outlook 2014. 1 GW = 1000 MW 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 25

Tällä hetkellä rakenteilla mm. EPR 4300 MWth, 1600 MWe Olkiluoto 3, Suomi Flamanville 3, Ranska Taishan 1,2, Kiina AES-2006 3220 MWth, 1200 MWe Leningrad II 1-2, Venäjä (myös muita, yhteensä 7) Ostrovets 1,2, Valkovenäjä Akkuyu 1-4, Turkki AP1000 3200 MWth, 1100 MWe Sanmen 1-2 ja Haiyang 1-2, Kiina Vogtle 3-4, Yhdysvallat VC Summer 2-3, Yhdysvallat Fig: Areva 16.11.2017 Fig: Rosatom Fig: Westinghouse Energiailta, Ylivieska 26

Julkisuudessa esitettyjä kustannusarvioita Projekti Teknologia Rak. alkoi / Kaupall. käyttö Kustannusarvio Hinta ( /kw) Lungmen 1-2 GE ABWR 1999 / 201? 9,6+ G$ 3 600+ Olkiluoto 3 Areva EPR 2005 / 2019 8,5 G 5 300 Flamanville 3 Areva EPR 2007 / 2019 10,5 G 6 400 Barakah 1-4 KHNP APR1400 2012 / 2017-20 20 G$ 2 900 Paks II (2 yksikköä) Vogtle 3-4 Hinkley Point C (2 yksikköä) Rosatom AES-2006 Westinghouse AP1000 201? / 2023-25 12 G 3 000 2013 / 2021-22 14 25 G$ 5 100 9 100 Areva EPR 2019 / 2025 20,3 G 7 000 Huom: ilmoitettu kustannus sisältää eri projekteissa erilaiset laajuudet, luvut eivät välttämättä ole suoraan vertailukelpoisia. Ne antavat kuitenkin suuntaa. 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 27

Kustannus / kw Suuruuden ekonomia Todellisuudessa näyttää käyvän näin mm. koska projektien aikataulut venyvät rahoituskustannukset lähtevät lapasesta Uskomus, että samalla tavalla varustelluissa reaktoreissa isompi on aina edullisempi kuin pienempi: teho ~ koko 3 mutta rakenteiden massa ~ koko 2 MW net 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 28

Kuka tulevaisuudessa rakentaa ydinvoimalaitoksia Länsimaiset laitostoimittajat Areva ja Westinghouse ovat pahoissa talousvaikeuksissa EPRiä ja AP1000-laitosten määrä jää pieneksi Aasialaiset laitostoimittajat erityisesti kiinalaiset ja korealainen jakavat markkinan, venäläisten kanssa Länsimaissa (USA, UK, Kanada) mielenkiintoa ns. pieniä modulaarisia reaktoreita (SMR, Small Modular Reactor) kohtaan suuria odotuksia sarjatuotannon eduista 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 29

Venäläinen AES-2006 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska Kuva: Rosatom 30

Korealainen APR1400 (Arabiemiraatit) 1400 MWe painevesireaktori [WNN] 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 31

Kiinalainen 1500 MWe painevesireaktori, passiiviset turvallisuusjärjestelmät CAP1400 [SNTPC] Westinghousen AP1000-laitoksen suurennettu kopio Markkinoivat kuitenkin täysin kiinalaisena laitoksena 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 32

Kiinalainen 1100 MWe painevesireaktori, aktiiviset turvallisuusjärjestelmät Hualong One [SNTPC] Perustuu Westinghousen 1980-luvun malliin, jonka ranskalaiset toivat Kiinaan 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 33

Cost / kw Pienuuden ekonomia Tarpeeksi pieni reaktori on mahdollista tehdä paljon yksinkertaisemmilla varusteilla kuin iso hyppäyksenomaiset kustannussäästöt mahdollisia, mutta kilpailukyky on vielä todistamatta käytännössä Edullisia kokoluokkia MW net 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 34

Pienet modulaariset reaktorit Kokoluokka ja tekniset ratkaisut laivareaktoreista siis koeteltua painevesitekniikkaa kokoluokka 30..300 MWe; polttoaine samanlaista kuin isoissa reaktoreissa sarjatuotanto, tehdasvalmistus lyhyt rakentamisaika NuScale-laitos (kuva) on Yhdysvalloissa viranomaisen tyyppihyväksyntäkäsittelyssä 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 35

Tulevaisuuden laitostyyppejä Heliumjäähdytetty kuulakekoreaktori [CNEC/Tsinghua University-INET]: luontaisesti turvallinen, voi tuottaa hyvin kuumaa lämpöä, n. 900 C 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 36

Venäläinen hyötöreaktori BN800 Käynnistyi 2015 Kykenee tuottamaan enemmän polttoainetta kuin käydessään kuluttaa Kevytvesireaktorit käyttävät luonnonuraanin energiasisällöstä noin 1 %; hyötöreaktori voisi nostaa osuuden ~80 %:iin uraanista muodostuisi käytännössä loppumaton luonnonvara 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 37

Energiaraaka-aineiden riittävyys Nykyisellä kulutustavalla ensin loppuu öljy, sitten maakaasu. Uraania riittää vuosikymmeniä näiden jälkeenkin. [OECD/IEA World Energy Outlook 2014] 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 38

Mitä uraani maksaa Raakauraanin ( yellowcake ) hinta [OECD/NEA Red Book 2016] 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 39

(TWh) Sähkön tuotantorakenteen kehitys Suomessa SÄHKÖN HANKINTA, TWh 100 FH 1 90 LO 1, 2 käytöstäpoisto 80 Nettotuonti 70 60 50 40 LO 1,2 + OL 1,2 OL 3 Tuontia tai lauhdevoimaa Lauhdevoima Ydinvoima Yhteistuotanto, kaukolämpö Yhteistuotanto, teollisuus Tuuli- ja aurinkovoima 30 20 Vesivoima Sähkön kulutus 10 0 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 Ilmasto- ja energiastrategia, 2016 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 40

Ydinvoimalla on paikkansa maailmassa Vilkkain rakentaminen käynnissä kehittyvissä maissa: Kiina, Intia, Lähi-Itä Kilpailukykyinen vaihtoehto, välttämätön osa sähköjärjestelmää, jos halutaan vähentää hiilidioksidipäästöjä pitää järjestelmä tasapainossa, vaikka levottomia uusia uusiutuvia (tuulta ja aurinkoa) lisätään Myös teknologista kehitystä on näkyvissä: pienet modulaariset reaktorit ja hyötöreaktorit lähestyvät kaupallista valmiutta 16.11.2017 Energiailta, Ylivieska 42

Thank you! juhani.hyvarinen@lut.fi