Load following with nuclear power by off-peak hydrogen production

Nuclear power has been historically considered a base-load technology. Nowadays the increasing penetration of intermittent and must-run power sources (i.e. PV, wind) in the electric grid is forcing Nuclear Plants (NPP) to operate in Load Following mode, reducing the output power during the off-peak hours by mean of the insertion of negative reactivity in the core. This operation is very inefficient since NPP costs are mainly fixed and sunk. A more efficient alternative is to maintain the primary loop at full power, and use the not required (by the grid) power to obtain valuable products by an auxiliary plant. Starting by this approach, this thesis assesses the techno-economic feasibility of the coupling between a NPP and five technologies: plastic pyrolysis, wood pelletisation, water electrolysis (WE), high temperature steam electrolysis (HTSE), sulfur-iodine cycle (SI). The first two are abandoned because of technical reasons. The economic analysis shows that in the medium term hydrogen from WE (electric application) can be produced at relatively low prices within certain electricity price contexts. The last two technologies (and in particular the SI cycle which a completely thermal application) despite being still under R&D, proved to be very attractive in a long term perspective for their capability to produce hydrogen with high efficiency; but only if the technology achieves a certain level of development.

Il nucleare è sempre stato considerato una tecnologia adatta a servire il carico di base. Oggi la crescente penetrazione di impianti di potenza intermittente e must-run nella rete elettrica (cioè fotovoltaico ed eolico) sta costringendo gli Impianti Nucleari (NPP) ad inseguire il carico elettrico (Load Following), riducendo la potenza generata durante le ore di bassa richiesta per mezzo di una inserzione di reattività negativa nel nocciolo. Questa operazione è molto inefficiente, dato che i costi del nucleare sono principalmente quelli fissi e i sommersi. Una alternativa più efficiente consiste nel mantenere il circuito primario a potenza nominale, e usare la potenza non richiesta (dalla rete) per ottenere prodotti attraverso un impianto ausiliario. Partendo da questo approccio, questa tesi valuta la fattibilità tecnico-economica di un accoppiamento tra un NP e cinque diverse tecnologie: pirolisi della plastica, pellettizzazione del legno, elettrolisi dell’acqua (WE), elettrolisi di vapore ad alta temperatura (HTSE), ciclo Zolfo-Iodio (SI). Le prime due sono scartate per ragioni tecniche. L’analisi economica dimostra che sul medio termine si può produrre idrogeno con WE (applicazione elettrica) a prezzi relativamente bassi in certi contesti di costo dell’elettricità. Le ultime due tecnologie (e in particolare la SI, che è un’applicazione completamente termica), sebbene siano ancora entrambe in una fase di Ricerca e Sviluppo, si dimostrano interessanti sul lungo periodo per la loro capacità di produrre idrogeno ad alta efficienza; ma solo se la tecnologia raggiungerà un sufficiente livello di sviluppo.