Preliminary power plant simulator for modelling of hybrid systems scenarios

In the near future a substantial share of the world energy production will be given by renewable energy sources. Given their intrinsic intermittency, a study of future power generation and distribution needs to be assessed. Therefore a change in how grids are developed and built is necessary to ensure high reliability and frequency stability. For this purpose Generation-IV reactors should be developed to operate in a flexible manner. In the present work, a model of the Advanced Lead Fast Reactor European Design (acrshort{alfred}) will be created and put inside a simulated fully meshed grid environment. A suitable controller for said reactor will be developed to cope with grid frequency stabilization and steam extraction for cogenertion options. Given the large thermal inertia of this technology, a novel control strategy compared to the widely adopted one for light water reactors will be used by keeping constant the thermal power while the mechanical power at the alternator is adjusted via the turbine admission valve. Verification tests show the feasibility of this strategy taking into account the physical constraints of the system. Various studies found that the $Load :following: by :cogeneration$ is an economically more viable option compared to the well known thermal power variation. Therefore an effort has been made to develop models of different desalination technologies such as reverse osmosis (acrshort{ro}), multi-effect distillation (acrshort{med}) and multi-stage flashing (acrshort{msf}) to be studied in conjunction with the reactor. Preliminary simulations show that acrshort{ro} and acrshort{med} are more suitable to be coupled with energy production systems. To further add completeness to the model, wind and photovoltaic power generation as well as battery storage systems have been implemented. The $13^{th}$ of July 2020 for both meteorological and energy demand data was simulated. Various scenarios pertaining: preprogrammed cogeneration, excess electricity redirection to the acrshort{ro} plant, preprogrammed time dependant charge/discharge battery control strategy and acrshort{ro} with battery coupling were simulated. The load follow by cogeneration was simulated for a reactor otherwise working in base load. All the other simulations were carried out both for a base load and a load following reactor configuration. The results show a higher degree in load following by using battery and acrshort{ro} technology for base load configuration and acrshort{ro} only for load following configuration. The latter happens to be the best option overall in terms of grid stability and meeting the electrical demand requirements. Given the modularity of this simulator, further systems can be added in future as new reactors, hydrogen and bio-fuel production etc. The outcomes of every simulation could then be used as an input to a further techno-economical study.

Nel prossimo futuro una quota sostanziale della produzione mondiale di energia sarà data da sorgenti rinnovabili. Data la loro intrinseca intermittenza, è necessario valutre futuri scenari di generazione e distribuzione di energia. Pertanto è necessario un cambiamento nel modo in cui le reti vengono sviluppate e costruite per garantire un'elevata affidabilità e stabilità di frequenza. A tal fine, i reattori di quarta generazione dovrebbero essere sviluppati per funzionare in modo flessibile. Nel presente lavoro, un modello del progetto europeo avanzato del reattore veloce al piombo (acrshort {alfred}) verrà creato e inserito all'interno di un modello di rete fortemente magliata. Un controllore adatto per detto reattore sarà sviluppato per far fronte alla stabilizzazione della frequenza di rete e all'estrazione del vapore per opportune opzioni di cogenerazione. Data la grande inerzia termica di questa tecnologia, verrà utilizzata una nuova strategia di controllo rispetto a quella ampiamente adottata per i reattori ad acqua leggera mantenendo costante la potenza termica mentre la potenza meccanica all'alternatore viene regolata tramite la valvola d'ammissione in turbina. I test di verifica mostrano la fattibilità di questa strategia tenendo conto dei vincoli fisici del sistema. Vari studi hanno evidenziato che una strategia di $ Load : following : by : cogeneration $ è un'opzione economicamente più praticabile rispetto alla ben nota variazione di potenza termica. Pertanto è stato fatto uno sforzo per sviluppare modelli di diverse tecnologie di desalinizzazione come l'osmosi inversa (acrshort {ro}), la distillazione multieffetto (acrshort {med}) e il flashing multistadio (acrshort {msf}) per essere studiato in combinazione con il reattore. Le simulazioni preliminari mostrano che acrshort {ro} e acrshort {med} sono più adatti per essere accoppiati a sistemi di produzione energetica. Per aggiungere ulteriore completezza al modello, sono stati implementati sistemi di generazione di energia eolica e fotovoltaica, nonché sistemi di accumulo delle batterie. È stato simulato il 13 di luglio 2020 avendo i dati meteorologici ed energetici a disposizione. Sono stati simulati vari scenari. Il primo relativo alla cogenerazione preprogrammata durante le ore notturne. Gli altri scenari sono stati analizzati con due configurazioni del reattore: una in carico base ed una per l'inseguimento del carico. Su queste configurazioni sono state simulate: la possibilità di reindirizzamento dell'elettricità prodotta in eccesso all'impianto acrshort {ro}, la strategia di controllo per il pacco batterie e l'accoppiamento fra queste due. I risultati mostrano un migliore inseguimento del carico nel caso di utilizzo congiunto di batterie con acrshort {ro} per la configurazione carico base. La configurazione per l'inseguimento del carico trova invece la soluzione migliore nell'utilizzare solamente l'impianto acrshort {ro}. Quest'ultima è stata trovata essere, fra tutte, la soluzione migliore per avvicinare domanda e produzione elettrica. Data la modularità di questo sistema, in futuro potranno essere aggiunti ulteriori sistemi come nuovi reattori, produzione di idrogeno e biocarburanti, ecc. I risultati delle simulazioni potranno poi essere utilizzati come input per un possibile studio tecnico-economico.