Development of a techno-economic methodology for the analysis of flexible nuclear hybrid energy systems

In the context of the energy transition, rising shares of variable renewables and the need to decarbonise sectors that are hard to abate call for energy systems capable of providing both flexibility and low-carbon electricity, heat, and fuels. Nuclear Hybrid Energy Systems (NHES), where nuclear reactors are tightly integrated with other energy sources, storage devices and non-electric applications, are attracting growing interest, but their implementation presents strongly interconnected technical, economic, regulatory and policy challenges. This thesis work develops a holistic methodological framework to analyse NHES from a system level to their role in broader energy systems, for instance, in long-term decarbonisation strategies. The approach starts from a context analysis that characterises local requirements and demands, as well as policy and market conditions, and uses it to define scenarios for NHES deployment. Considering this background, physics-based models are developed to represent NHES architectures, with particular attention to thermal interconnections, and are applied to assess the flexible operation, control strategies, transient behaviour, and safety-relevant aspects of the integrated systems. In particular, safety analysis is enabled by coupling the dynamic simulators with thermal-hydraulic system codes for the primary loop to evaluate transients and safety margins, with the aim of supporting regulators and safety authorities to define guidelines for the deployment of hybridised reactors. Moreover, the tools are embedded into techno-economic optimisation schemes that determine optimal layouts and dispatch strategies under different boundary conditions, accounting for operational constraints resulting from the system dynamics captured through the aforementioned simulators. Finally, nuclear cogeneration and an archetypical NHES configuration, characterised through the detailed system-level models, are integrated into country-level long-term energy planning frameworks to explore if and how NHES can contribute to decarbonisation pathways. Applications to illustrative case studies highlighted the importance of having an interdisciplinary framework for NHES analyses that integrates technical, economic and policy dimensions. In this work, these systems were analysed from a progressively broader point of view, ranging from subsystem-level investigations to their integration into country-level energy system models. Overall, the case studies indicate that nuclear cogeneration and NHES could represent a viable option for providing low-carbon heat and hydrogen while enhancing system flexibility and supporting grid stability. The resulting technically grounded framework is applied to derive policy-relevant insights and recommendations. In particular, if these systems emerge as cost-competitive options, policymakers should consider creating an enabling environment, for example, by adapting regulatory and licensing frameworks, so that the potential deployment of NHES architectures can be appropriately assessed.

Nel contesto della transizione energetica, le crescenti quote di fonti rinnovabili aleatorie e la necessità di decarbonizzare i settori hard-to-abate richiedono sistemi energetici in grado di fornire sia flessibilità sia elettricità, calore e combustibili a basse emissioni. I sistemi energetici ibridi, che prevedono l’integrazione dei reattori nucleari con altre fonti energetiche, sistemi di accumulo e applicazioni non elettriche, stanno attirando un interesse crescente nel dibattito energetico; la loro implementazione, tuttavia, presenta sfide fortemente interconnesse di natura tecnica, economica, regolatoria e di policy. Questo lavoro di tesi sviluppa un quadro metodologico integrato per l'analisi dei sistemi ibridi, che spazia dalla scala del singolo impianto fino al loro ruolo all'interno di sistemi energetici più ampi, ad esempio nell'ambito di strategie di decarbonizzazione a lungo termine. L'approccio parte da un'analisi di contesto che caratterizza i requisiti e le domande locali, nonché le condizioni di policy e di mercato, e utilizza tali elementi per definire possibili scenari d'implementazione di questi sistemi energetici. Nell'ambito dell'analisi sono stati sviluppati modelli fisici per rappresentare le architetture di sistemi ibridi, con particolare attenzione alle interconnessioni termiche; tali modelli dinamici sono stati successivamente integrati in simulatori del sistema complessivo, impiegati per valutare l’operazione flessibile, le strategie di controllo, il comportamento transitorio e gli aspetti rilevanti per la sicurezza dei sistemi integrati. In particolare, l'analisi di sicurezza si basa sull'accoppiamento dei simulatori con codici termoidraulici di sistema per il circuito primario, al fine di valutare i transitori e i margini di sicurezza e con l'obiettivo di supportare i regolatori e le autorità di sicurezza nella definizione di linee guida per il dispiegamento di reattori inseriti in configurazioni ibride. Inoltre, i simulatori sono stati integrati in schemi di ottimizzazione tecnico-economica che determinano le configurazioni e le strategie di dispacciamento ottimali in diversi scenari, tenendo conto dei vincoli operativi derivanti dalla dinamica del sistema. Infine, la cogenerazione nucleare e una configurazione archetipica di sistema ibrido, caratterizzate mediante i modelli dettagliati a livello di impianto, sono integrate in modelli di pianificazione energetica di lungo periodo su scala nazionale, per esplorare se e in che misura i sistemi ibridi possano contribuire alle strategie di decarbonizzazione. Le applicazioni della metodologia proposta a casi di studio hanno evidenziato l'importanza di disporre di un quadro interdisciplinare per l'analisi di sistemi ibridi che integri le dimensioni tecnica, economica e di policy. In questo lavoro, tali sistemi sono stati analizzati da un punto di vista progressivamente più ampio, che comprende le indagini a livello di singolo componente fino alla loro integrazione in sistemi energetici su scala nazionale. Nel complesso, i casi studio indicano che la cogenerazione nucleare e i sistemi ibridi possono rappresentare un'opzione valida per la fornitura di calore e idrogeno a basse emissioni di carbonio, contribuendo al contempo ad aumentare la flessibilità del sistema e a supportare la stabilità della rete. Il quadro metodologico risultante, fondato sulle basi tecniche presentate nel lavoro, è applicato per derivare indicazioni e raccomandazioni rilevanti per le policy energetiche. In particolare, qualora tali sistemi emergano come opzioni economicamente competitive, i decisori politici dovrebbero considerare la creazione di un contesto abilitante, ad esempio adattando i quadri regolatori e di licensing, affinché il potenziale dispiegamento di configurazioni di sistemi ibridi possa essere adeguatamente valutato.