Ottimizzazione dei parametri operativi termodinamici di un HTGR per uso cogenerativo e produzione di idrogeno

Abstract

La tesi svolge un analisi termo-economica di un impianto basato sull’isola nucleare del reattore cinese HTR-PM, a parametri nominali, adattato in un caso ipotetico cogenerativo per produzione di elettricità, idrogeno mediante steam methane reforming e acqua dissalata. A valle di ciascun modulo una frazione X della portata di elio primario è deviata dal generatore di vapore verso uno scambiatore intermedio elio–elio aggiuntivo che alimenta il reformer, ed il calore residuo del syngas alimenta un dissalatore multi-effetto. Allo scopo di ottenere un codice di calcolo 0D per valutazioni di massima, si realizza un modello stazionario realizzato in EES calcola al variare di X le tre produzioni, il rendimento exergetico, la distribuzione delle perdite e i costi livellati di elettricità, idrogeno e acqua, con allocazione exergetica dei costi comuni e due scenari di costo (primo impianto e serie). Si fanno assunzioni impiantistiche su alcuni limiti operativi e altri parametri tecnici basandosi su dati di mercato, e stime disponibili nelle altre analisi in letteratura soprattutto a causa della carente disponibilità di dati raffinati sul reattore. Infine si svolge una breve analisi di sensibilità dei parametri tecnici ed economici principali dell’impianto al variare di alcune grandezze di influenza e se ne evidenziano i risultati.

This thesis presents a thermo-economic analysis of a plant based on the nuclear island of the Chinese HTR-PM reactor, operated at nominal parameters and adapted to a hypothetical cogeneration case that produces electricity, hydrogen via steam methane reforming, and desalinated water. Downstream of each module, a fraction X of the primary helium flow is diverted from the steam generator to an additional helium–helium intermediate heat exchanger that supplies the reformer, while the residual heat of the syngas feeds a multi-effect desalination unit. In order to build a 0D simulation code a steady-state model is built in EES, computes as X varies the three outputs, the exergy efficiency, the distribution of exergy losses, and the levelized costs of electricity, hydrogen and water. Common costs are allocated on an exergy basis, and two cost scenarios are considered (first-of-a-kind plant and series production). Plant assumptions on some operating limits and other technical parameters are based on market data and on estimates available in other studies in the literature, mainly because refined data on the reactor are scarce. Finally, a brief sensitivity analysis is carried out on the main technical and economic parameters of the plant, varying a number of influencing quantities, and its results are highlighted.