Options for Power to X and Energy Storages in Connection to Nuclear Power Plants

Abstract

As the share of variable renewable energy in the electricity grid is rapidly increasing, more fluctuations in electricity supply and prices will occur, which poses a challenge for traditional base load power plants like nuclear facilities. More flexibility from nuclear power plants will be demanded and as has been demonstrated with flexibly operated nuclear plants in France, it is achievable. However, there are uncertainties relating to increased operation and maintenance costs and system lifetime in load following nuclear power plant operation.

This thesis examined how Power to X technologies and energy storages could be implemented in connection to nuclear power plants, focusing on Fennovoima’s Hanhikivi 1 nuclear power plant. The aim was to analyse if profitability of load following nuclear facilities can be increased with this type of product flexibility. Load following operation of Hanhikivi 1 was modelled according to current demand curves, and suitability of electrolyzers and energy storages was investigated with technical and economic analysis.

Main results of the thesis were that operating hours of the electrolyzers and electricity prices have significant impact on hydrogen production costs and need to be considered and optimized. Feasibility of this type of nuclear hydrogen production depends on how hydrogen economy in Finland will develop, hence a definitive conclusion cannot be conducted yet. Another thing that needs to be considered is the European Union’s classification of nuclear hydrogen.

For energy storage technologies the large required capacity and high capital costs are challenging, and it was concluded that compressed air energy storage and cryogenic energy storages could be connected to Hanhikivi 1 to store low-demand electricity economically.

Vaihtelevan uusiutuvan energian osuuden kasvaminen sähköverkossa johtaa siihen, että sähkön tuotanto ja hinnat vaihtelevat lyhyenkin ajan sisällä enemmän. Tämä luo haasteita perinteisesti tasaista peruskuormaa tuottaville voimalaitoksille kuten ydinvoimaloille. Ydinvoimaloilta tullaan mahdollisesti vaatimaan enemmän joustavuutta taloudellisen kannattavuuden takaamiseksi, ja kuten Ranskassa on joustavalla ydinvoimatuotannolla osoitettu, on tämä toteutettavissa. Ydinvoimaloiden kuormanseurantaan liittyy kuitenkin epävarmuuksia käyttökustannuksiin ja komponenttien käyttöikään liittyen.

Tässä diplomityössä tutkittiin Power to X -teknologian ja energiavarastojen hyödyntämistä kuormanseurantaa tekevän ydinvoimalan yhteydessä, rajaten työ Fennovoiman Hanhikivi 1 -ydinvoimalahankkeeseen. Hanhikivi 1:en kuormanseurantaan perustuva kuormituskäyrä mallinnettiin tämänhetkisiin sähkön kysynnän vaihteluihin perustuen. Tämän jälkeen vedyn tuotantotekniikoita ja energiavarastojen sopivuuksia tarkasteltiin teknisten vaatimusten ja taloudellisen kannattavuuden perusteella.

Loppupäätelmänä todettiin, että elektrolyysiprosessin tekniset epävarmuudet ja tarpeellisen kapasiteetin saavuttaminen, sekä EU-tason poliittiset päätökset vihreän vedyn määritelmästä luovat epävarmuuksia ydinvoimalla tuotetun vedyn ympärille. Ydinvoiman rooli vedyn tuottamisessa jää vielä avoimeksi, ja EU:n lopullisilla määritelmillä sekä vetymarkkinan kehittymisellä tulee olemaan suuri merkitys. Energiavarastojen kohdalla ainoastaan paineilmavarasto sekä kryogeeninen energiavarasto vaikuttavat nykyisillä hinnoilla sekä ominaisuuksilla taloudellisesti kannattavilta ratkaisuilta, jotka todennäköisesti pystytään toteuttamaan tarpeeksi suurilla kapasiteeteilla.