Mikromodulaarinen ydinvoimala voimalaitoksen ja kiinteäoksidielektrolyysin yhdistelmässä

Abstract

Neljännen sukupolven ydinvoimalat ovat kehittymässä kaupalliseen käyttöön länsimaissa seuraavan vuosikymmenen aikana. Ne tulevat olemaan keskeisessä roolissa siirryttäessä vähäpäästöiseen energiantuotantoon. Näillä voimaloilla voidaan tuottaa myös korkealämpöistä energiaa, mikä mahdollistaa uusia sovelluksia – esimerkiksi erittäin korkean lämpötilan kaasujäähdytteisten reaktoreiden tuottama lämpö soveltuu hyvin yhdistettäväksi kiinteäoksidielektrolyysiin. Korkeissa lämpötiloissa veden hajottaminen vedyksi on energiatehokkaampaa.

Tässä diplomityössä tutkittiin simulointien avulla erittäin korkean lämpötilan kaasujäähdytteisen ydinvoimalan yhdistämistä lämmön-, sähkön- ja vedyntuotantoon kiinteäoksidielektrolyysin avulla. Simulointeja tehtiin kahdella eri skenaariolla, joissa molemmissa käytettiin ydinenergiaa sekä sähkön että lämmön tuottamiseen. Ensimmäisessä skenaariossa järjestelmä oli kytketty sähköverkkoon, ja vedyntuotantoteho rajoitettiin 10 megawattiin. Toisessa skenaariossa sähköverkko oli kytketty irti, ja kaikki voimalaitoksessa tuotettu sähkö käytettiin vedyntuotantoon. Ylijäämälämpö myytiin molemmissa skenaarioissa kauko- tai teollisuuslämpönä.

Simulointien perusteella laadittiin energiataseet, joiden pohjalta arvioitiin järjestelmän taloudellista kannattavuutta eri kustannustasoilla. Mikäli investoinnin suuruus pysyy kohtuullisena ja tuotetun lämmön, sähkön ja vedyn myyntihinnat ovat riittävän korkeita, järjestelmä voi olla kannattava. Tulokset kuitenkin osoittavat, että arvioiduilla kustannus- ja hintatasoilla investointi ei välttämättä vielä ole taloudellisesti perusteltu. Siitä huolimatta teknologialla on merkittävää potentiaalia tulevaisuudessa myös taloudellisesta näkökulmasta.

Next-generation nuclear power plants are expected to reach commercial deployment in Western countries during the next decade. These reactors play a key role in the transition to low-emission energy and can also produce high-temperature heat. This makes them well-suited for integration with solid oxide electrolysis, which benefits from higher efficiencies at elevated temperatures.

This thesis investigates, through simulations, the integration of a very high-temperature gas-cooled nuclear power plant with heat, electricity, and hydrogen production using solid oxide electrolysis. Two different scenarios were simulated, both utilizing nuclear energy to generate electricity and heat. In the first scenario, the system was connected to the power grid, and the hydrogen production power was limited to 10 megawatts. In the second scenario, the system was disconnected from the grid, and all electricity produced by the plant was used for hydrogen production. In both scenarios, the surplus heat was sold as district or industrial heat.

Based on the simulations, energy balances were drawn up to evaluate the economic feasibility of the system under different cost scenarios. If the investment cost remains reasonable and the selling prices of the produced heat, electricity, and hydrogen are sufficiently high, the system can be economically viable. However, the results indicate that under current cost and price conditions, the investment may not yet be economically justified. Nevertheless, the technology shows significant potential for future economic viability.