Market Potential of Small Modular Nuclear Reactors in District Heating

Abstract

To answer the challenges presented by climate change, all aspects of our energy systems have to carry out a rapid transition towards decarbonisation. This is especially true for the heating sector that has relied heavily on fossil fuels in the past. District heating systems have been traditionally praised for their efficiency, but replacing old fossil fuel based CHP plants is an ongoing challenge as new CHP investments are running into issues with profitability and the sustainability of renewable options such as biomass can be considered questionable.

Small modular nuclear reactors are one of the potential sources of CO2-free district heat production. In this thesis, the suitability and cost-effectiveness of these plants for district heating is evaluated both through literature review and scenario modelling. There is potential for nuclear district heating in multiple regions including Finland and Poland. The technical aspects of small modular reactors seem promising but there is still significant amount of uncertainty both around their costs and deployability. Nevertheless, the initial results seems promising. The scenario modelling assesses the investment in 300 MWdh of new district heating capacity in the Helsinki Metropolitan area in 2030 either as a CHP plant or as a heat-only boiler.

The small modular reactor with data based on the NuScale reactor fared well against most other options. The preliminary results indicate that a heat-only boiler using the technology would be a fairly profitable while investment in a CHP plant would rely heavily on the form that future electricity markets take. In both cases, the potential investments will still rely on the development of multiple factors, especially the cost of capital.

Ilmastonmuutoksen haasteisiin vastaaminen tulee vaatimaan energiasysteemeiltä nopeaa muutosta kohti hiilineutraalia tuotantoa. Tämä muutos on erityisen tärkeä pitkään fossiilisiin polttoaineisiin perustuneelle lämmön tuotannolle. Kaukolämpöjärjestelmät mahdollistavat jo nyt varsin energiatehokkaan lämmöntuotannon, mutta investoinnit uuteen tuotantokapasiteettin eivät ole täysin ongelmattomia. Investoinnit lämmön ja sähkön yhteistuotantoon ovat olleet jo jonkin aikaa haasteellisia tuottavuuden kannalta ja joidenkin perinteisesti hiilineutraalien tuotantomuotojen, kuten biomassan polton, kestävyyttä on alettu kyseenalaistamaan.

Yksi potentiaalisista CO2-vapaista kaukolämmönlähteistä ovat pienet modulaariset ydinreaktorit. Tämä diplomityö pyrkii arvioimaan näiden laitosten taloudellisuutta ja sopivuutta kaukolämmöntuotantoon niin kirjallisuuskatsauksen kuin skenaariomallinnuksen kautta. Vaikka laitoksiin ja niihin liittyvään dataan liittyy vielä huomattavat määrät epävarmuutta, alustavat tulokset laitosten potentiaalista esimerkiksi Suomen ja Puolan markkinoille ovat lupaavia. Työn skenaariomallinnus pyrkii arvioimaan näistä Suomen markkinoita analysoimalla vuodesta 2030 eteenpäin investointia yhteistuotanto- tai lämpölaitokseen joka tuottaisi 300 MW kaukolämpötehoa pääkaupunkiseudun verkkoon.

Tässä tarkastelussa NuScalen reaktoriin pohjautuva modulaarinen ydinvoimala pärjäsi varsin hyvin muita harkittuja vaihtoehtoja vastaan. Alustavat tulokset osoittavat, että puhtaana lämpölaitoksena investointi voisi olla varsin tuottava. Lisäinvestointi lämpölaitoksesta yhteistuotantolaitokseen taas on huomattavasti epävarmempi ja sen kannattavuus riippuu pitkälti sähkömarkkinoiden kehityksestä. Vaikka alustavat tulokset ovatkin lupaavia, vaativat tarkemmat johtopäätökset parempaa dataa pienistä modulaarisista ydinreaktoreista sekä kaukolämpöjärjestelmien ja esimerkiksi pääoman kustannusten kehityksestä.