Comparing nuclear power plants and wind farms resilience to hurricanes

Hurricane Matthew affected the continental US last week, the first since 2005. It was a category 5 hurricane that caused more than 1000 deaths, mostly in Haiti, and about 7 billion dollars damage as a preliminary estimate.

As Matthew quickly moved toward Florida and the Carolinas, rigorous procedures to ensure safe operations of nuclear power plants in the affected areas were implemented.

Four NPP are located within the affected area: St. Lucie (FL), Robinson (SC), Harris and Brunswick (NC), for an overall capacity of about 5600 MW.

Previous hurricanes have shown that NPP are robust facilities able to withstand strong hurricane winds and storm surge [1], nevertheless the “unusual event” status – the lowest NRC’s emergency condition- was declared for all the plants [2].

Hurricane Matthew in a snapshot from NASA, with the location of NPP. After [2].
Hurricane Matthew in a snapshot from NASA, with the location of NPP. After [2].
The plant personnel made sure that all the equipment potentially affected by heavy wind and rain were secured and a “walkdown” inspection through the plants response to disaster condition was initiated, including assessing the availability of emergency diesel power generators for at least a week.

When Matthew made landfall in South Carolina, early on Saturday, Robinson plant safely shut down due to loss of power and flooding of transformers. Harris suffered power outage too, but was already shut down for scheduled refueling. Brunswick was instead fully operational but was required to modulate down to 50% capacity on Sunday in order to respond to reduced capacity of the grid. By Wednesday all nuclear plants exited their “unusual event” status and, after routine safety inspections, ramped back to full capacity.

Wind power is the fastest growing renewable source in the US. According to DOE scenarios of 20% wind power in the US by 2030 (2008, [3]), offshore wind should contribute with 54 GW. Most of this power should come from shallow to intermediate depth farms along the Atlantic coast, that has a potential capacity of 920 GW and the Gulf region, with a potential capacity of 460 GW [4]. Incidentally, those regions are the preferred hurricanes corridors! Regardless the accuracy of these estimates and the feasibility of the envisioned goals, how would the wind farms stand a hurricane?

In August 2003, the typhoon Dujuan hit the southern part of China and caused severe damage to a wind farm located in the coastal area of the Guangdong province. The wind turbines were designed to survive a maximum gust of 70 m/s, but a maximum gust simultaneously with significant yaw error and rotor standstill had not been considered. The actual maximum gust did not exceed the design maximum gust of 70 m/s. Several wind vanes were damaged during the cyclone’s passage [5].

Few days later, typhoon Maemi almost flattened a wind farm on Miyakojima Island (Japan) [6].

Miyakojima Island 6 turbines wind farm after the passage of typhoon Maemi. Modified after [6].
Miyakojima Island 6 turbines wind farm after the passage of typhoon Maemi. Modified after [6].
While blades are relatively easy to replace, tower buckling is a severe damage that can require months to years for restoration [7].

At present there are no wind farms offshore the US East coast and in the Gulf of Mexico, but several are planned.

Thus a recent paper [7] estimated the resilience of offshore wind farms to storm conditions. Wind turbines are designed to operate with winds up to 25 m/s, over this threshold they shut down for safety reasons. The turbines currently on the market (Class 1) may (ideally, as Dujuan typhoon taught us) stand winds up to 70 m/s, but hurricane winds often exceed 80 m/s. Although the design of hurricane resilient turbines would be possible (Class S), this option comes with compromises on the productivity (i.e. they need stronger cut in wind to operate) besides higher costs [8].

Rose et al. (2012) [7] model both the risk from a single hurricane and the cumulative risk over the lifespan of a wind farm, through 4 sites offshore the Gulf and the Atlantic coast where farms are planned. Considering a farm size of 50 turbines, a considerable number of them is expected to be buckled down over a 20 years period by passing hurricanes: 16 out of 50 in Galveston County (TX) and 8 out of 50 in Dare County (NC), while numbers decrease in NJ and MA, where usually hurricanes loose strength.

Expected number of turbine towers buckled in 20 years for sample 50 turbines wind farms planned on the Gulf and Atlantic Coast. After [7]
Expected number of turbine towers buckled in 20 years for sample 50 turbines wind farms planned on the Gulf and Atlantic Coast. After [7]
Stronger hurricanes, category 4 and 5, cause more damage although occur less frequently. Overall, the damage occurrence over a turbine lifespan is dominated by one or two hurricanes. Most of the offshore wind potential is concentrated offshore Texas, Louisiana and North Carolina. The same for hurricane occurrence, at least one every 4 years, thus making the risk of significant loss of the capital investment relevant over a 20 years long period.

Rate of hurricane occurrence against Offshore wind resource. They go nicely together. After [7]
Rate of hurricane occurrence against Offshore wind resource. They go nicely together. After [7]
Yawing wind turbines, i.e. those that can oscillate and move accommodating fast wind direction changes, have better chances of survival. This would come to the expense of providing them a power back up, worth $ 30.000-40.000 each. The overall additional costs to improve hurricane resilience are estimated in 20-30% for onshore turbines, something less for offshore.

Another concern of a massive penetration of wind farms in hurricane prone areas would be how to assure the stability of the grid, thus of the power supply, through the shutdown period or the even longer time span required to restore severely damaged turbines. Again, as the recent case of Southern Australia showed [9], a base load of non intermittent and programmable is required. Thus here we are again talking about conventional thermoelectric power, you would think. Indeed “new energy” is often synonym of new unreliable installations with expensive back-up powered by fossil fuels, at best by natural gas. No thanks: our mind always run back to nuclear power!

 

Sources

[1] https://public-blog.nrc-gateway.gov/2016/10/06/hurricane-matthew-and-the-nrc/

[2] http://www.nei.org/News-Media/News/News-Archives/Southeast-s-Nuclear-Plants-Easily-Weather-Hurrican

[3]Shwartz M, Heimiller D, Haymes S, Musial W (2010) Assessment of Offshore Wind Energy Resources for the United States. (National Renewable Energy Laboratory, Gold- en, CO).

[4] Lindenberg S, Smith B, O’Dell K, DeMeo E, Ram B (2008) 20% Wind Energy by 2020: Increasing Wind Energy’s Contribution to US. Electricity Supply (National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO).

[5] Clausen N, et al. (2007) Wind farms in regions exposed to tropical cyclones. (Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH, Hamburg) European Wind Energy Conference and Exhibition.

[6]Takahara K, et al. (2004) Damages of wind turbine on Miyakojima Island by Typhoon Maemi in 2003.

[7] Rose, S., Jaramillo, P., Small, M. J., Grossmann, I., & Apt, J. (2012). Quantifying the hurricane risk to offshore wind turbines. Proceedings of the National Academy of Sciences109(9), 3247-3252.

[8] Musial, W. (2011). Large-Scale Offshore Wind Power in the United States: Assessment of Opportunities and Barriers. DIANE Publishing

[9] http://www.news.com.au/technology/environment/preliminary-report-reveals-cause-of-south-australia-blackout/news-story/92606772798e23e1ceec8c53f4256900

 

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Visita tecnica alla centrale nucleare di Leibstadt (CH)

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Figura 1:Scorcio della centrale nucleare di Leibstadt al tramonto (Foto CNeR, 01/10/2016).

Il Comitato Nucleare e Ragione in Svizzera!

L’iniziativa principale di questo ricco 2016 è stata la recente visita alla centrale nucleare di Leibstadt, situata al confine con la Germania, fra la città di Zurigo e le prime propaggini della Foresta Nera. Questo impianto è il più grande e tecnologicamente avanzato dei cinque attualmente in funzione nella confederazione Elvetica:  operativo dal 1984, eroga elettricità con una potenza netta di 1220 MW, garantendo una fornitura annua di circa 9,4 TWh, pari al 14% dell’intera produzione elettrica svizzera – dati 2014 [1,2].

Si è trattata, per molti aspetti, di una visita eccezionale e piena di sorprese. All’iniziativa ha preso parte un nutrito gruppo di persone, che da più parti d’Italia – chi persino dalla Sardegna – ha raggiunto nelle prime ore del pomeriggio del 30 settembre la città di Milano per unirsi ai soci del Comitato Nucleare e Ragione: moltissimi ingegneri e fisici, ma anche diversi studenti e persone semplicemente interessate ad approfondire le proprie conoscenze in questo affascinante settore tecnologico. L’interesse scientifico per questo evento era molto elevato, ed è solo per rispettare i vincoli di sicurezza imposti dalla direzione della centrale che gli organizzatori hanno dovuto limitare a 35 il numero di partecipanti. Esistono infatti delle restrizioni agli accessi di personale esterno, in particolare nella zona controllata, ovvero quella parte dell’impianto nella quale è presente il rischio – estremamente basso ma non nullo – di essere esposti a una dose misurabile di radiazioni. Tale eventualità rende necessaria l’attivazione per il pubblico in visita delle normali procedure di sicurezza adottate quotidianamente dal personale dipendente, tra cui l’utilizzo di indumenti protettivi, la dotazione di dispositivi personali di sorveglianza dosimetrica, nonché la misurazione, all’uscita dalla zona controllata, di eventuali contaminazioni con un finale check total body [3].
Da Milano il gruppo si è trasferito nella località tedesca di Todtmoos, dove nel corso della mattinata successiva si è svolto un workshop introduttivo dedicato al ruolo dell’energia nucleare negli scenari internazionali di decarbonizzazione. I relatori Pierluigi Totaro, Lorenzo de Santanna e Paolo Errani sono intervenuti rispettivamente sul tema delle emissioni e dell’inquinamento atmosferico nel settore energetico, sul ruolo dell’opinione pubblica e la percezione del rischio nucleare in Europa, sui possibili risvolti tecnologici e sociologici derivanti dall’avvento dei reattori di quarta generazione. Il dibattito finale ha visto tutti i partecipanti confrontarsi su questi temi – troppo spesso banalizzati – con osservazioni di elevato contenuto tecnico e scientifico, ed allo stesso tempo in un clima informale.

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Figura 2: Un’istantanea del workshop svoltosi presso la località di Todtmoos (Germania), prima della visita alla centrale. Foto: CNeR

Nel primo pomeriggio il gruppo si è diretto in pullman alla volta della centrale di Leibstadt; durante il breve spostamento è stato possibile ammirare alcuni bei scorci di Foresta Nera e vallate. Nell’avvicinarsi al fiume Reno, lungo il confine svizzero-tedesco, è stato possibile godere di una meravigliosa vista complessiva della centrale di Leibstadt con la sua imponente torre di raffreddamento passiva iperbolica, che si erge in altezza per 144 metri.
Arrivati all’impianto, la visita è iniziata al Centro Informazioni con la visione di un filmato introduttivo, seguito dalla presentazione dei vari componenti della centrale e del suo ciclo di funzionamento tramite modellini interattivi in scala.

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Figura 3: Modellino interattivo della centrale di Leibstadt, presso il Centro Informazioni. Foto: CNeR

Grande fascino ha destato, nella sezione dedicata alla radioattività, la presenza di una camera a nebbia di Wilson perfettamente funzionante, che permette di osservare la traiettoria e di individuare la tipologia delle particelle che costituiscono il fondo di radioattività naturale.

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Figura 4: Camera a nebbia di Wilson. Foto: http://www.americhoiceradon.com/about-radon/

La visita vera e propria all’impianto è iniziata con le operazioni di  identificazione, cui si sono aggiunte le già menzionate procedure di sicurezza per l’ingresso nell’area controllata. Essendo la centrale in fase manutentiva [4], quindi a impianto spento, si sono rese agibili al pubblico alcune aree solitamente precluse durante il normale esercizio di un reattore ad acqua bollente (BWR). È stato pertanto possibile visitare – cosa del tutto inattesa – l’edificio che ospita gli impianti di conversione termoelettrica: le turbine ad alta e bassa pressione, l’alternatore ed il condensatore, quest’ultimo diviso in 4 sezioni indipendenti e composto da 42.000 tubi (13 km di lunghezza complessiva). Tutte queste strutture, in questo tipo di impianti nucleari,  sono a diretto contatto con il circuito primario del reattore e pertanto sono circondate da opere in muratura che ne schermano le radiazioni. Mentre il reattore è in funzione l’area non è accessibile nemmeno al personale della centrale, se non per le attività di monitoraggio e manutenzione strettamente necessarie.

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Figura 5: Edificio che ospita le turbine della centrale nucleare di Leibstadt. È possibile notare le barriere disposte attorno agli impianti, per schermare le radiazioni del circuito primario. Foto: http://www.alstom.com/Global/Switzerland/Resources/Images/Media%20Center/PDF/KKL/Turbogruppe2.jpg

Durante la passeggiata nell’area perimetrale esterna della centrale è stato possibile entrare nella cavità della torre di raffreddamento: anche questa struttura è normalmente preclusa ai visitatori quando il reattore è in funzione, in questo caso non a causa della radioattività ma per le elevate temperature e soprattutto il tasso di umidità dell’ambiente, avvolto dal vapore che si sprigiona dal circuito secondario di raffreddamento, alimentato con l’acqua del Reno.

Immancabile è stata la visita alla sala di controllo, con le telecamere puntate sul nocciolo del reattore, aperto ed in fase di refueling. Proprio a causa delle operazioni di movimentazione del combustibile, non è stato invece possibile visitare l’edificio che ospita il reattore.
Il tour si è concluso con un piccolo rinfresco presso l’esposizione museale.

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Figura 6: Vano superiore dell’edificio che ospita il reattore della centrale di Leibstadt. Le operazioni di manutenzione e di sostituzione del combustibile sono eseguite attraverso un carroponte, dopo aver sollevato il coperchio del reattore. La movimentazione delle barre di combustibile avviene mantenendole sempre immerse nell’acqua, per dissipare il calore residuo e schermare le radiazioni.  Foto: http://darkroom.baltimoresun.com/wp-content/uploads/2012/09/REU-SWITZERLAND_-760×506.jpg

Qual è il bilancio di questa iniziativa? La visita alla centrale nucleare di Leibstadt è stata senza dubbio di elevato livello tecnico. Le guide, cordiali e professionali, hanno offerto ai partecipanti la possibilità – complice anche l’inatteso prolungamento del fermo manutenzione – di entrare nel “cuore” dell’impianto. C’è da sottolineare che l’aspetto della centrale sembra contraddire un’età di esercizio ormai superiore ai 30 anni: come dicevamo, la centrale è operativa dal 1984, e ci si potrebbe aspettare di entrare in un ambiente che ne ricordi l’età, tipo in un vecchio film Anni ‘80, invece sembra di entrare in una “astronave di ultimissima generazione”.
Gli ambienti nel complesso hanno un aspetto assolutamente moderno, quasi futuristico, e la qualità della manutenzione è quella che si vede nelle officine meccaniche più innovative. Tutto questo va sicuramente a vantaggio della tesi degli operatori, che sostengono la possibilità di continuare ad esercire il loro “gioiello”, per almeno altri 30 anni – aggiungiamo noi: salvo (eventuali) intralci politici.
E ci permettiamo di augurare altri 40 anni di esercizio alla centrale di Leibstadt! Perché ci piace pensare che possa dare lavoro ad almeno due generazioni di operatori (attualmente vi lavorano più di 500 persone), mantenendosi sempre sicura, affidabile, e competitiva a livello economico.

Con il rammarico di poter essere, come italiani, soltanto spettatori non protagonisti di questa impresa tecnologica, alle luci del tramonto ci siamo rimessi in viaggio verso casa, promettendo un arrivederci al 2017.

Note:
[1] I dati tecnici di produzione relativi alla centrale di Leibstadt, aggiornati al 2015, sono liberamente fruibili sul database PRIS (Power Reactor Information System) della IAEA: https://www.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/ReactorDetails.aspx?current=59
[2] Riepilogo informativo sulla produzione di energia elettronucleare in Svizzera: http://world-nuclear.org/information-library/country-profiles/countries-o-s/switzerland.aspx
[3] La normativa italiana in materia di radiazioni ionizzanti, recependo le direttive EURATOM, classifica come “zona controllata” ogni area di lavoro in cui sussiste per i lavoratori in essa operanti il rischio di superamento, in un anno solare, di uno dei valori limite di dose stabiliti per i lavoratori esposti di categoria A: 6 mSv per esposizione globale; 45 mSv sul cristallino; 150 mSv per la pelle, mani, avambracci, piedi e caviglie (Decreto Legislativo 230/95).

[4] Qualche informazione sul fermo manutenzione tutt’ora in corso: http://www.neimagazine.com/news/newsextended-outage-for-swiss-leibstadt-reactor-4988068

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Figura 7: I partecipanti alla visita del 01/10/2016, in posa davanti al modello del reattore.