Nuclear- Renewable Hybrid Energy System

Hi han diverses iniciatives per integrar tecnologies nuclears i renovables per proporcionar sistemes energètics d’alt rendiment amb la màxima utilització dels recursos de les centrals nuclears, així com per aconseguir una generació  equilibrada d’energia per satisfer els perfils de càrrega i les demandes. 

Tanmateix, hi ha diversos reptes per aconseguir un sistema energètic renovable híbrid  pràctic i rendible (NR HES), com ara, l'escalabilitat, el cost, la vida del projecte, el període de construcció, l'adquisició dels terrenys,  la seguretat ecològica i la barrera tecnològica. Hi han possibles maneres de superar alguns dels reptes del NR HES mitjançant la introducció de reactors nuclears a petita escala, anomenat Reactor Modular Petit (SMR) o Micro Modular Reactor (MMR). El Nuclear- Renewable Hybrid Energy System (NR MHES) ofereix combinar una petita escala de la central nuclear (NPP) amb les fonts d’energia renovables (RES). El subproducte del NR MHES, que és  l’energia tèrmica, també s’utilitza d’una manera eficient per suportar la càrrega tèrmica, xom podria ser el district heating, la planta de producció d’hidrogen,  les bombes de calor, els refrigeradors d’absorció, etc. El NR MHES ofereix la possibilitat per diferents opcions d’acoblament entre entrada i sortida del sistema. Els criteris d’integració nuclear-renovables depenen de la disponibilitat de les RES i de la demanda de la càrrega dels consumidors. El NR MHES s’adapta millor al consumidor remot amb una quantitat adequada de càrrega elèctrica i tèrmica. El MHES NR connectat a la xarxa, proporciona l’oportunitat de comprar l’electricitat en cas d’emergències i vendre l’energia excedentària del NR MHES a la xarxa.

Font: ScienceDirect.com

La integració nuclear-renovable es pot dur a terme de dues maneres: a gran escala i petita escala d'integració de la nuclear-renovable. Si els sistemes de generació d’energia basats en les  RES s’instal·len al voltant dels tradicionals NPP, s’anomena integració nuclear renovable a gran escala. 

Quan l’energia nuclear a petita escala, com és el SMR o el MMR, es trasllada al lloc de les  RES i s’integra amb el sistema de generació d’energia basat en RES per donar suport a la demanda d’electricitat local, s’anomena integració renovable nuclear a petita escala; també se l’anomena “NR MHES”. 

Anteriorment, es pensava que només una font renovable és capaç de suportar la demanda d’electricitat a la zones remotes. Però, a causa de la irregularitat del les RES, és bastant difícil complir la demanda d’electricitat local de forma seguida durant tot el temps. D'altra banda, el NR MHES connectat a la xarxa constitueix com una solució digna per a grans empreses, oficines, i universitat; que permet redueit la dependència de la xarxa i redueir el cost energètic. Les simulacions de recerca estimen els criteris i ajuden a triar el sistema energètic més  adequat segons el perfil de càrrega elèctrica.

Font: Osti.gov

Criteris i selecció del sistema energètic

- Tipus de càrrega elèctrica

- Tipus de Sistema Energètic

- Baixa demanda d’electricitat

- MEG autònom basat en RES

- Demanda elèctrica mitjana

- MEG autònom basat en MMR

- Gran demanda d’electricitat

- NR MHES

La NR MHES pretén proporcionar energia elèctrica i tèrmica a la comunitat per tant, és possible l’acoblament  amb renovables-nuclears, de diversos nivells. El NR MHES inclou SMR / MMR, RES, emmagatzematge d’energia elèctrica i emmagatzematge d’energia tèrmica. El NR MHES també inclou xarxa elèctrica, però la introducció de la xarxa elèctrica és opcional; depèn del lloc i de la situació.

Hi ha principalment quatre tipus o mètodes d'acoblament en la integració de renovables-nuclears:

i)  Acoblats més solts

En aquest procés, els RES es combinen amb un reactor nuclear i la principal consideració és la generació d’electricitat. El RES i el reactor nuclear generen energia elèctrica per separat i estan units entre si a nivell de distribució d’electricitat. El sistema combinat pot subministrar l'excedent d'electricitat a la xarxa elèctrica. Per tant, NR MHES també es pot connectar amb la xarxa elèctrica.

 Dèbilment acoblats 

En aquest procés, les  RES es combinen amb un reactor nuclear i la principal consideració és la generació d’electricitat. El RES i el reactor nuclear generen energia elèctrica per separat i estan units entre si a nivell de distribució d’electricitat. El sistema combinat pot subministrar l'excedent d'electricitat a la xarxa elèctrica. Per tant, NR MHES també es pot connectar amb la xarxa elèctrica.

Debilment acoblat (Font: IEEE Spectrum Smart Grids)

Múltiples productes rígidmament acoblats

Aquí, el reactor nuclear s’integra amb l’energia renovable, que també és produïda per l’energia nuclear a l’interior del NR MHES. En aquest tipus d'acoblament, no es combinen les RES externes amb un reactor nuclear. L’energia elèctrica i el calor del reactor nuclear produeixen algunes RES, com la biomassa, l’hidrogen gas, etc., que s’integren amb el reactor nuclear per subministrar energia elèctrica. Al NR MHES, l’hidrogen i la biomassa es consideren fonts RES.

Múltiples productes rígidametn acoblats (Font: IEEE Smart Grids)

Aquest tipus d'acoblament ofereix una integració energètica de dos nivells; és a dir, acoblament tèrmic i elèctric. Hi ha algunes RES, com ara la font d’energia geotèrmica, font d’energia solar concentrada, etc., que produeix una quantitat considerable d’energia tèrmica; aquesta energia tèrmica s’afegeix amb la potència tèrmica del reactor nuclear per generar electricitat. D'altra banda, en l'acoblament a nivell elèctric, l'electricitat generada a partir d'un reactor nuclear està relacionada amb l'electricitat, produïda a partir d'altres sistemes RES (eòlica, solar, hidroelèctrica, biomassa, etc.). També es connecta a una xarxa elèctrica al NR MHES per obtenir energia elèctrica excedentària o subministrar electricitat al NR MHES en un cas de nedesstitats. Tot i això, l’objectiu d’aquest mètode d’acoblament és generar electricitat.

Recursos multiples rígidametn acobalts (Font: IEEE Samrt Grids)

Rigidament acoblat

En un mètode estrictament acoblat, tota forma d’energia es barreja entre elles per aprofitar al màxim l’energia disponible al MHES NR. Totes les energies tèrmiques s’afegeixen i es combinen totes les energies elèctriques; aleshores s’utilitzen totes les formes d’energia de la manera més eficient. L’energia tèrmica i elèctrica disponible s’utilitza en totes les aplicacions possibles, com la dessalinitzadora d’aigua de mar, pila de combustible, calefacció de districte, motor de calor, calcinació, etc.

Rigidametn acoblant (Font: IEEE Smart Grids)

És possible que un sistema híbrid no inclogui tot tipus de fonts RES. La calor generada amb el NR MHES s’utilitza generalment amb finalitats industrials; mentre que, l'electricitat generada del sistema híbrid, s'utilitza per donar suport a la demanda elèctrica. L’excedent d’energia produït al sistema es pot subministrar a la xarxa i es pot remunerar mitjançant “balanç net”. Si cal, es pot obtenir energia elèctrica de la xarxa i combinar-se amb la calor per suportar la càrrega industrial (per exemple, la demanda d’hidrogen). El sistema avançat d’emmagatzematge d’energia juga un paper molt important en el MHES NR. Als sistemes, MHES NR s’adopta una estratègia de control dinàmic per maximitzar l’eficiència del sistema.

Font: IEEE.