Japonská elektroenergetika – výroba elektrické energie

Článek ve formátu PDF je možné stáhnout zde

Ing. Jaroslav Bárta, ÚJV Řež, a. s., divize Energoprojekt Praha

Úvod

Technická vyspělost japonského průmyslu je všeobecně známa. V mnoha oborech (telekomunikace, robotika, automobilový průmysl) zaujímá Japonsko čelnou pozici ve světovém měřítku. Japonsko je třetí největší spotřebitel elektrické energie ve světě. Jak je tomu ve výrobě elektrické energie a speciálně ve výrobě z jádra? Měl jsem koncem roku 2007 možnost v rámci zasedání IEC TC 8 navštívit Tokio a seznámit se s výsledky jedné z největších energetických společností Japonska Tokio Electric Power Company TEPCO. V článku se zaměřím zejména na výrobu elektrické energie.

Základní údaje

V rámci Japonska podniká celkem deset energetických společností (obr. 1). Celkové údaje o populaci, výrobě elektrické energie a ekonomice Japonska a společnosti TEPCO jsou uvedeny v tab. Z uvedené tabulky vyplývá, že společnost TEPCO pokrývá asi 1/3 energetického trhu Japonska.

Porovnáme-li energetickou velikost TEPCO (obr. 2) se známými světovými společnostmi, dosahuje v prodeji elektřiny 57 % EDF, 71,9 % E.ON a 111 % ENEL. Z pohledu ČR je energetická velikost TEPCO přibližně 3,25krát větší.

Výroba elektrické energie

Přestože jsou zásoby fosilních paliv v Japonsku zanedbatelné, díky promyšlené strategii je elektrická energie vyráběna z poloviny v tepelných elektrárnách na bázi plynu a topných olejů, z jedné dvanáctiny ve vodních elektrárnách (zejména v přečerpávajících) a z jedné třetiny v jaderných elektrárnách. Poměrně malé procento tvoří výroba z obnovitelných zdrojů (asi 1 %), i když se usilovně vyvíjejí nové systémy. Drtivé množství paliva pro elektrárny dováží Japonsko po moři (z Austrálie – uhlí a uran, Střední východ – zkapalněný zemní plyn a ropa, Čína – uhlí).

Z celkové výroby 314,6 TW·h se vyrobí ve:

vodních elektrárnách 19,6 TW·h,
tepelných elektrárnách 176 TW·h,
jaderných elektrárnách 119 TW·h,
geotermálních elektrárnách 5 TW·h,
obnovitelné zdroje (vítr + slunce + biomasa) 4,5 TW·h.

Vodní elektrárny

Společnost TEPCO vlastní 160 vodních elektráren (obr. 3), převážně přečerpávacích, o celkovém výkonu 8 250 MW a podíl výroby elektrické energie ve vodních elektrárnách činí 7 %. Přečerpávací vodní elektrárny se významně podílejí na vyrovnání denního diagramu zatížení.

Tepelné elektrárny

Tepelné elektrárny pokrývají 50 % denního diagramu zatížení a tvoří hlavní část výroby elektrické energie. Tepelné elektrárny se dělí na tyto základní typy:

parní elektrárny klasické,
parní elektrárny s kombinovaným cyklem,
parní elektrárny se zdokonaleným kombinovaným cyklem (s plynovými turbínami s teplotou plynu 1 300 °C),
parní elektrárny se zdokonaleným kombinovaným cyklem (s plynovými turbínami s teplotou plynu 1 450 °C).

Klasické parní elektrárny spalují převážně plyn, který se dováží z Malajsie, Bruneje a Aljašky ve zkapalněném stavu (obr. 4) při teplotě –162 °C a výhřevnosti 13 000 kcal (asi 54 428 kJ) a pracují s teplotou páry 600 °C.

Parní elektrárny s kombinovaným cyklem využívají plyn ve vysokoteplotní sekci plynové turbíny o teplotě 1 100 °C a recyklací energie výfukových plynů dosahují účinnosti 43 %. Tento typ elektrárny provozuje TEPCO od roku 1986 s celkovým výkonem 2 000 MW_e.

Parní elektrárny se zdokonaleným kombinovaným cyklem (s plynovými turbínami s teplotou plynu 1 300 °C a většími tlaky) se používají od roku 1996 v elektrárnách Yokohama, Chiba, Futtsu blok 3 a Shinagawa. Účinnost těchto elektráren dosahuje až 50 %.

Parní elektrárny se zdokonaleným kombinovaným cyklem (s plynovými turbínami s teplotou plynu 1 450 °C a většími tlaky – obr. 5) a vyššími nároky na tepelnou odolnost materiálů se uvažují použít v blízké budoucnosti v elektrárnách Kawasaki a Futtsu blok 4. Účinnost těchto elektráren může být až 53 %. Tento typ elektráren bude hrát v budoucnosti velkou roli při obnově tepelných elektráren.

Jaderná energetika

Jaderná energetika hraje v Japonsku nezastupitelnou roli zejména v programu snižování skleníkových plynů a CO₂. Celkově je v Japonsku v provozu 55 reaktorů o výkonu 49 580 MW a staví se dva reaktory s výkonem 2 285 MW. Společnost TEPCO je největším provozovatelem jaderných elektráren (JE) v Japonsku se sedmnácti reaktory a výkonem 17 308 MW.

Jaderné palivo (obohacený uran) se získává z vytěžené uranové rudy různými způsoby. V Japonsku funguje technicky vyspělý uzavřený palivový cyklus, který využívá recyklované palivo.

Jaderné elektrárny společnosti TEPCO

Společnost TEPCO provozuje 17 bloků o výkonu 17 308 MW, z toho je:

10 bloků v JE Fukushima,
7 bloků v JE Niigata Kashiwazaki Kariwa.

JE jsou považovány za základní zdroj elektrické energie a pokrývají zhruba 40 % výkonu.

JE Fukushima Daiichi (obr. 6) zahájila provoz v roce 1971 a má šest lehkovodních varných reaktorů o výkonu 4,696 MW, z toho čtyři reaktory o výkonu 784 MW, jeden reaktor o výkonu 460 MW a jeden reaktor o výkonu 1 100 MW. Tato JE je umístěna asi 250 km severně od Tokia ve městech Futaba a Ohkuma na břehu Tichého oceánu. Zaujímá rozlohu přibližně 3,5 km² a je vybudována na pevné skále.

JE Fukushima Daini (obr. 7) v Hamadori zahájila provoz v roce 1982 a má celkový výkon 4 400 MW, je osazena čtyřmi lehkovodními varnými reaktory o výkonu 1 100 MW. Zaujímá plochu 1,55 km² a má vlastní úpravnu mořské vody pro chlazení a přístav pro nakládku vyhořelého paliva a tankování topného oleje.

JE Kashiwazaki (obr. 8) zahájila provoz v roce 1985 a má celkem sedm lehkovodních varných reaktorů, z toho pět reaktorů o výkonu 1 100 MW a dva reaktory o výkonu 1 356 MW. V současné doběje největší JE na světě s výkonem 8 212 MW. Zaujímá plochu 4,2 km². Je umístěna asi 220 km severozápadně od Tokia na břehu moře.

Obnovitelné zdroje

Ve společnosti TEPCO se na výrobu elektrické energie využívají následující obnovitelné zdroje:

energie slunce (solární),
energie větru (větrné),
energie zemského jádra (geotermální),
energie palivových článků.

Ve srovnání s EU jsou energie slunce a větru využívány podstatně méně (např. největší větrná elektrárna má výkon 500 kW) a klade se důraz na geotermální energii a palivové články. TEPCO také rozvíjí program zelené energie, který je zaměřen na využití netradičních druhů energie u zákazníků.

Větší využití energie slunce a větru naráží na omezenou rozlohu a malou koncentraci výkonu. Odlišná je situace u geotermální energie. Japonsko je oblast s vysokou vulkanickou činností, a proto se geotermální energie využívá v klasickém výrobním cyklu s turbogenerátory.

Vodík pro palivové články se získává rozkladem zemního plynu, ropy a dalších paliv za přítomnosti kyslíku.

Dále se využívá k výrobě elektrické energie spalování biomasy (odpad z rýže, papíren, dehet, dřevo) a k výrobě bioplynu (odpady, trus zvířat apod.).

Celkově se podílejí obnovitelné zdroje zhruba jedním procentem na výrobě elektrické energie a plánuje se zvýšení podílu na pět procent.

Závěr

Japonsko je velmi vyspělý průmyslový stát a také jeho elektroenergetika tomu odpovídá. Na poměrně malém území s mizivými surovinovými zdroji byla vybudována velmi moderní soustava elektráren, zejména jaderných a tepelných na spalování zemního plynu. Právě Japonsko by se mohlo stát inspirací i pro některé evropské státy bez významných palivových zdrojů, jakým směrem by se měla ubírat moderní výroba elektrické energie.

Obr. 1. Energetické společnosti Japonska

Obr. 2. Oblasti společnosti TEPCO

Obr. 3. Vodní elektrárna TEPCO

Obr. 4. Palivové nádrže tepelné elektrárny Sodegaura

Obr. 5. Schéma parní elektrárny se zdokonaleným kombinovaným cyklem

Obr. 6. JE Fukushima Daiichi

Obr. 7. JE Fukushima Daini

Obr. 8. JE Kashiwazaki Kariwa

Tab. 1. Tabulka celkových údajů