Preliminary analysis of nuclear hybrid energy systems : modeling and simulation of nuclear cogeneration applications

Nuclear power plays a key role in the shift towards a more sustainable energy system. It can deliver dispatchable and carbon-free electricity to support a large-scale deployment of variable renewable energy sources, as well as heat for the decarbonization of hard-to- abate sectors. The integration of nuclear power plants with renewables and cogeneration applications in nuclear renewable hybrid energy systems, which combine different energy sources to produce multiple commodities such as electricity, process heat, and hydrogen, is explored in this thesis. The aim of this work is to develop dynamic models for several hybrid system topologies in order to simulate how the system behaves in different scenarios and assess whether it can satisfy both technical requirements and commodity demands. As illustrative examples of technologies that can be integrated in hybrid systems, the NUWARD™ Small Modular Reactor, a sensible heat energy storage system, and an alkaline electrolyzer for hydrogen production are selected. Their dynamic models, developed in the object-oriented modeling language Modelica, are connected according to a plug-and-play philosophy to assemble different hybrid system architectures. Moreover, the dynamic response of the various layouts is investigated in relation to two scenarios, representing current typical grid demand and a load affected by increased penetration of variable renewable sources in the grid. The simulation results demonstrate that the proposed methodology can be employed for the analysis of nuclear hybrid energy systems, both in terms of system design, including the development of control strategies to divert energy flows among the various subsystems, and in monitoring the overall system behavior in several scenarios. Thanks to the work performed in this thesis, it will be possible to develop a comprehensive framework for the techno-economic evaluation of hybrid energy systems in different scenarios, for example by coupling the dynamic models to optimization tools to find the most convenient dispatch strategy.

Il contributo dell’energia nucleare alla transizione sostenibile è fondamentale, in particolare grazie alla possibilità di bilanciare fonti rinnovabili aleatorie senza emissioni di carbonio e di fornire calore per decarbonizzare settori hard-to-abate. Il lavoro descritto in questa tesi è incentrato sull’integrazione di reattori nucleari con fonti di energia rinnovabile in sistemi ibridi, i quali permettono di combinare queste fonti energetiche con applicazioni cogenerative per ottenere diversi prodotti energetici, come elettricità, vapore di processo e idrogeno. L’obiettivo del lavoro è di sviluppare modelli dinamici di diverse architetture di sistemi ibridi, necessari per simulare il comportamento del sistema in vari scenari e per stabilire se i requisiti tecnici dell’impianto vengano rispettati e se la domanda di prodotti energetici sia soddisfatta. A titolo esemplificativo, vengono presentati e trattati sistemi ibridi costituiti dal reattore modulare NUWARD™, un sistema di accumulo di energia termica e un elettrolizzatore alcalino per la produzione di idrogeno. Le diverse configurazioni sono state assemblate con un approccio “plug-and-play” che consente di collegare flessibilmente i modelli dinamici, sviluppati nel linguaggio di programmazione orientato agli oggetti Modelica, dei vari componenti. Inoltre, il comportamento dinamico di questi sistemi è stato analizzato in risposta a due scenari: l’uno rappresenta la domanda di elettricità alle attuali condizioni, mentre l’altro considera una maggiore penetrazione di fonti rinnovabili aleatorie. I risultati ottenuti nelle simulazioni dimostrano che la metodologia proposta può essere utilizzata sia per l’analisi dei diversi sistemi ibridi, compreso lo sviluppo di strategie di controllo per la distribuzione dei flussi energetici tra i componenti del sistema, sia per il monitoraggio delle variabili soggette a limiti operativi dell’impianto durante il transitorio. Il lavoro presentato in questa tesi può quindi essere considerato un punto di partenza per lo sviluppo di una metodologia per un’analisi tecnico-economica di sistemi ibridi. Abbinando i modelli dinamici ad un ottimizzatore, per esempio, è possibile ricavare una strategia di dispacciamento che massimizzi i profitti del sistema ibrido.