Design and techno-economic analysis of a Cu-Cl hydrogen production system coupled with EAGLES-300 lead-cooled fast reactor

The transition toward a global hydrogen economy is a critical prerequisite for the decarbonization of hard to abate industrial sectors. This thesis investigates the technical and economic viability of coupling a Generation IV Lead-cooled Fast Reactor, specifically the EAGLES-300 design, with a 4-step Copper-Chlorine (Cu-Cl) thermochemical water splitting cycle. The methodology employs advanced process simulation in EBSILON Professional to model the integrated system Balance of Plant, composed of EAGLES-300 linked to the hydrogen Cu-Cl cycle via a Thermal Delivery Loop (TDL). This intermediate loop ensures thermal stability and safety isolation between the nuclear and chemical subsystems. An alternative of the 4-step Cu-Cl cycle was modeled in the simulation software to recreate the conditions of the hydrogen production environment. The system achieves a target production reaching 500 kg/h of Hydrogen, requiring approximately 10% of the reactor's net electric power generation, thereby maintaining a high degree of electrical grid flexibility. It was then assessed a comparison of the integrated cycle with EAGLES-300 SuperCritical reactor BoP coupled with an alternative of hydrogen production through SOEC technology, demonstrating the higher thermal requirements for the Cu-Cl cycle and a complexively higher energy consumption of the thermochemical cycle. Economically, the study evaluates the Levelized Cost of Hydrogen (LCOH) across First Of A Kind (FOAK) and Nth Of A Kind (NOAK) scenarios. Findings indicate a significant LCOH reduction in the NOAK phase due to technological learning and standardized manufacturing, other than a more advantageous LCOH for the thermochemical cycle when compared to SOEC, with a relative importance given by lower technological maturity of the Cu-Cl cycle. Strategically, the research advocates for a vertically integrated business model, which internalizes energy transfer prices at the Levelized Cost of Electricity (LCOE). This work was conducted during an internship at Ansaldo Nucleare, effectively bridging industrial technological expertise with academic research.

La transizione verso un'economia globale dell'idrogeno rappresenta un prerequisito fondamentale per la decarbonizzazione dei settori industriali cosiddetti "hard-to-abate". Questa tesi analizza la fattibilità tecnica ed economica dell'accoppiamento di un reattore di quarta generazione raffreddato a piombo (LFR), nello specifico il design di EAGLES-300, con un ciclo termochimico di produzione di idrogeno rame-cloro (Cu-Cl). La metodologia prevede l'impiego di simulazioni di processo tramite il software EBSILON per modellare il bilancio dell'impianto ("Balance Of Plant" BoP) del sistema integrato, composto dal reattore EAGLES-300 collegato al ciclo di produzione di idrogeno tramite un ciclo intermedio di scambio termico "Thermal Delivery Loop" (TDL). Questo circuito intermedio garantisce la stabilità termica e la sicurezza tra i sistemi nucleare e chimico. Un'alternativa del ciclo Cu-Cl a 4 stadi è stata modellata nel software di simulazione per ricreare accuratamente le caratteristiche tecniche del ciclo. Il sistema raggiunge una produzione target di 500 kg/h di idrogeno, richiedendo circa il 10% della generazione elettrica netta del reattore, garantendo così un elevata flessibilità sull'immissione in rete di energia elettrica. È stato inoltre effettuato un confronto tra il BoP del ciclo integrato e il BoP di un reattore supercritico EAGLES-300 accoppiato a degli elettrolizzatori SOEC; tale analisi ha dimostrato i maggiori requisiti termici del ciclo Cu-Cl e un consumo energetico complessivamente superiore del ciclo termochimico. Dal punto di vista economico, lo studio valuta il LCOH attraverso scenari First Of A Kind (FOAK) e Nth Of A Kind (NOAK). I risultati indicano una significativa riduzione dell'LCOH nella fase NOAK grazie all'apprendimento tecnologico e alla standardizzazione dei processi produttivi; inoltre un LCOH più vantaggioso si nota per il ciclo termochimico rispetto alla tecnologia SOEC, pur considerando la minore maturità tecnologica del ciclo Cu-Cl. La ricerca sostiene un modello di business verticalmente integrato che internalizza i prezzi di trasferimento dell'energia al costo livellato dell'elettricità (LCOE). Questo lavoro è stato condotto durante un tirocinio presso Ansaldo Nucleare, unendo le competenze tecnologiche industriali con la ricerca accademica.