Hybrid nuclear and solid oxide electrolysis systems for flexible power and hydrogen generation

The GHG emissions reduction targets set at European level with the Paris Agreement and the European Green Deal are driving the power generation sector toward the exploitation of low-carbon energy sources like renewables and nuclear. Most renewable energy sources are not predictable; so, programmable power plants and storage systems are crucial to maintain the electric system balance between electricity generated and consumed. In this scenario, high flexibility is requested from programmable power plants. Since nuclear power plants are best suited for nominal operation, it is necessary to increase their flexibility combining them with storage systems. The aim of this work is to analyse a hybrid system composed of a small modular nuclear reactor (SMR) and a high-temperature electrolysis system for hydrogen production based on Solid Oxide Electrolysis Cells (SOEC). To make the net power output of the system more flexible, when the demand of electricity is lower, some steam is extracted from the power cycle and used to provide thermal power to the SOEC section to produce hydrogen, while absorbing part of the generated electricity. The steam cycle of the SMR is examined in THERMOFLEXTM to compare possible configurations and identify the best location and conditions for the steam extraction, assessing also the potential for heat recovery. The analysis shows that mid-pressure steam extraction guarantees a milder impact on the output power with respect to the high-pressure extraction. The modular SOEC system is then sized, using Aspen Plus®, for a nominal capacity in line with the maximum steam extraction from the power cycle. The partial-load operation is studied, focusing on the impacts at single-module level, aiming to evaluate the operation of the overall hybrid system as a function of the extracted steam. This shows that the hybrid system exhibits high flexibility allowing its power output to be widely regulated according to the necessity of the grid maintaining a good efficiency in the hydrogen production.

Gli obiettivi riguardanti la riduzione di emissioni di gas serra imposti a livello europeo in base all’Accordo di Parigi e alla direttiva European Green Deal stanno spingendo il settore della produzione di elettricità verso l’utilizzo di fonti di energia a bassa emissione di carbonio, come le rinnovabili e il nucleare. Tuttavia, molte rinnovabili non sono accuratamente prevedibili quindi gli impianti programmabili e i sistemi di accumulo hanno un ruolo fondamentale per mantenere l’equilibrio della rete. In questo scenario, perciò, gli impianti programmabili devono possedere un’adeguata flessibilità nella produzione. Tuttavia, gli impianti nucleari prima citati, lavorano meglio a carico nominale costante ed è quindi necessario accoppiarli a sistemi di accumulo per aumentare la loro flessibilità. Il fine di questo lavoro di tesi è quindi quello di esaminare un sistema ibrido costituito da un impianto nucleare Small Modular Reactor (SMR) e un sistema di elettrolisi ad alta temperatura tramite Solid Oxide Electrolysis Cells (SOEC) per la produzione di idrogeno. Per rendere più flessibile la potenza netta in uscita dal sistema, quando la domanda di elettricità dalla rete diminuisce, del vapore viene estratto dal ciclo nucleare per fornire calore al sistema SOEC che assorbe anche parte della potenza elettrica generata per produrre idrogeno. Il ciclo nucleare è analizzato grazie al software THERMOFLEXTM confrontando diverse configurazioni per trovare il miglior punto e le migliori condizioni per l’estrazione del vapore ed esaminando diverse soluzioni per il recupero termico. Per esempio, l’estrazione in media pressione risulta avere un impatto meno gravoso sul ciclo rispetto all’estrazione in alta pressione. Successivamente, la massima portata di vapore estratto è usata in Aspen Plus® per dimensionare il sistema modulare di SOEC in modo da avere capacità nominale per la massima quantità di vapore estratto. In seguito, il comportamento a carico parziale del singolo modulo è analizzato per capire come poter regolare tutto il sistema ibrido e valutare il funzionamento del sistema complessivo in funzione del vapore estratto. Ne risulta un sistema ibridi ad alta flessibilità capace di variare sensibilmente la potenza elettrica in uscita mantenendo comunque una buona efficienza nella produzione di idrogeno.