Lastwechselbetrieb von Atomkraftwerken bei Zubau von Windkraft

Die Energieversorger haben ihre Gründe, Windkraftanlagen zu verhindern. Dazu gehört die schlichte Konkurrenzsicht. Atomkraftwerksbetreiber haben darüber hinaus noch ein einen speziellen Grund: Materialermüdung durch ständiges Nachfahren der Windkraftschwankungen.
Denn, sollte der Zubau von Windkraftanlagen (WKA) so weiter gehen, wird man die Atomkraftwerke, die eigentlich für gleichmäßigen Grundlastbetrieb ausgelegt sind, stärker in ihrer Leistung regeln müssen, abhängig von der WKA-Einspeisung ins Netz - denn Wind hat gesetzlich Vorrang. (Die Einspeisung aller Kraftwerke wird anhand der Beobachtung der Netzfrequenz von 50Hz dem momentanen Verbrauch nachgefahren.)
Bislang galt die ausgeprägte Leistungsregelung nur für Spitzen- und Mittellastkraftwerke, also Gas und Kohle. Zu dieser Auslegung gehört die Berücksichtigung der Materialermüdung von Kessel, Wasserrohren, Turbine und Generator durch ständiges Erhitzen und Abkühlen.
Die meisten deutschen Atomkraftwerke sind nicht auf einen solchen Lastwechselbetrieb ausgelegt - sagen Kritiker. Doch der Lastwechsel - oder -folgebetrieb werd umso häufiger, je mehr Windkraft wir ins Netz bekommen.
Nur die drei "neuesten" Atomkraftwerke, Isar2, Neckar-Weistheim 2 und Emsland, sind auf solchen Lastwechsel- oder Lastfolgebetrieb ausgelegt: 2x pro Monat dürfen sie auf 20% Leistung heruntergehen und alle 36 Tage auf 0. (Spezifikation Konvoibauweise laut Gesellschaft für Reaktorsicherheit GRS, 1990).
Wenn die Regierung an der Laufzeitverlängerung und gleichzeitig an dem Ausbau der regenerativen Energien festhält, wird sogar diese Auslegung der Konvoikraftwerke überschritten werden. Das sagt der Sachverständigenrat für Umweltfragen: Die GRS habe nur für eine Anlage für drei Szenarien durchgerechnet und danach empfohlen, dass alle Kraftwerke für 25 Störfallszenarien hinsichtlich ihrer Belastungen für Thermik und Chemie im Reaktor durchgerechnet werden.
Wolfgang Renneberg vom Sachverständigenrat sieht im Lastwechselbetrieb eine wesentliche Änderung der Betriebsweise der Anlagen und hält neue Genehmigungen für die Kernkraftwerke erforderlich. Dabei verweist er auf das Atomgesetz.
Die Szenariorechnungen und neue Genehmigungen sollten seiner Meinung nach Ergebnis des Moratoriums sein. Biblis A, Unterweser, Neckar-Westheim 1 sind bereits im Lastwechselbetrieb gefahren. Doch der ist in der Liste der geplanten Sicherheitsüberprüfungen bis jetzt nicht aufgeführt.
Die Kraftwerksbetreiber sind da anderer Meinung. Sie haben die Auswirkungen des Lastwechselbetriebes vom Kraftwerkshersteller untersuchen lassen. Ergebnis: Kein Grund zur Sorge!
Unabhängig vom Reaktortyp gilt: Die populäre Annahme, dass ein Kernkraftwerk "von null auf hundert" ein bis zwei Tage brauche, gelte nur für ein Runterfahren zum Brennelementewechsel. Wenn es nur darum ginge, kurzfristige Leistungsschwankungen, wie z.B. bei einer Windflaute, auszugleichen, sei ein AKW viel schneller zu regeln. Es kühle sich auch nicht wesentlich dabei ab.
Siedewasserreaktoren (SWR):
Die Leistungsregelung erfolgt hier hauptsächlich über die Drehzahl der Umwälzpumpen für den Wasserkreislauf. Erhöhe man den Wasserdurchsatz, nehme der Dampfanteil im Reaktorkern ab und der Wasserpegel zu. Da das Wasser nicht nur Kühlmittel sondern auch die Kettenreaktion unterstützender "Moderator" ist, nehme auch diese zu. Und umgekehrt: Pumpen runter fahren, heißt: Dampfanteil erhöhen, Moderatorbedeckung senken, Leistung herunterfahren. Auf diese Weise könne man den Siedewasserreaktor zwischen 60 und 100% regeln, ohne die Brennstäbe selbst verfahren und diese somit thermischen Belastungen aussetzen zu müssen. (Einwand: Kann man das so sagen? Es macht schon einen Unterschied, auch thermisch, ob der Brennstab von Wasser oder von Dampf bedeckt ist.) Bis zu 10% der Nennleistung könne der Reaktor so pro Minute rauf- oder runterfahren. Nur für den Bereich zwischen 20 und 60% müsse man auch die Brennelemente selbst ansteuern. Dies komme in den Szenariorechnungen Windkraft jedoch praktisch nicht vor, wenn alle Kernkraftwerke mit regeln. (Übrigens nebenbei: Man sieht hier, dass der SWR in gewissen Grenzen eine Eigensicherheit hat: Wenn die Temperatur steigt, steigt der Dampf, sinkt der Wasserpegel, sinkt die Bedeckung der Brenstäbe mit Moderator, sinkt die Leistung.)
Druckwassereaktor (DWR):
Hier lässt sich nichts über den Dampfanteil regeln, weil der Primärwasserkreislauf, der durch den Reaktor, unter so hohem Druckgehalten wird, dass das Wasser nicht verdampft. Deshalb wird der DWR über Verfahrprogramme für die Brennelemente geregelt. Dabei muss darauf geachtet werden, dass es nicht zu lokalen Überschreitungen der Leistungsdichte kommt. Dafür ist eine genaue Beobachtung jedes einzelnen Brennelementes erforderlich. Dies sei in deutschen DWR gegeben.
Zu zyklischen Beanspruchungen des Reaktors durch Lastwechsel heisst es:
Lastwechsel in dem vorstehend beschriebe- nen Rahmen sind ganz überwiegend mit nur geringen Änderungen von globalen An- lagenparametern wie Druck und Tempera- tur im Reaktorkühlsystem verbunden. Die dadurch bedingten geringen Wärmespan- nungen sind für die Ermüdung der betrof- fenen Komponenten unerheblich. Größere Temperaturgradienten mit entsprechend höheren Beanspruchungen können auftre- ten, wenn in einzelnen Komponenten unterschiedlich heiße Medien aufeinandertreffen.
..
Deutsche KKW sind für die mit Lastwechseln verbundenen Belastungen ausgelegt. Dabei ist eine bestimmte An- zahl von Lastfällen (in diesem Fall Lastwechselvorgängen) unterstellt, die die über die Lebensdauer der Anlage zu erwarten- den Häufigkeiten abdeckt.

Die Frage ist hier, ob die zu erwartenden Lastwechsel bei der Planung schon so waren, wie wir sie heute erwarten? Dazu verweist die Studie auf laufende Überwachung und regelmäßige Prüfungen aller relevanten Materialien und Bauteile..
Fazit:
Die Fragestellung ist komplex. Konzeptionell kann man den Darstellungen der Kraftwerksbetreiber zwar folgen. Aber was zeigt die Praxis?
Man könnte auch andersherum argumentieren: Je mehr und verteilter Windparks in Deutschland installiert sind, desto mehr verwischen sich auch die Flauten und damit der Effekt. Nur längere, tagelange, Flauten, womöglich verbunden mit niedrigen Wasserständen in Flüssen bei hohen Sommertemperaturen und das ganze zyklisch wiederholt, könnten für die Kernkraftwerke Stress bringen.
Quellen:
Deutschlandradio Wissen und Natur,
Studie Renneberg Consult (Link),
Regelwerk der GRS (Link)
Internationale Zeitschrift für Kernenergie "Lastwechselfähigkeiten deutscher Kernkraftwerke" (Link)

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