Generation IV nuclear energy systems. Economical viablity of the most promising reactor
Resumen
La energía nuclear pierde actualmente protagonismo en el mix energético
global, debido a las nuevas tendencias para la producción de energía. Tal y
como es, este recurso no es apropiado para encajar en el sistema energético
global, requiere una evolución el desarrollo de respuestas apropiadas a los
tres grandes retos a los que se enfrenta: seguridad, gestión de residuos y
efectividad económica. Estos problemas ocultan las ventajas que este recurso
presenta para la transición energética, una de la últimas iniciativas para
mitigar los efectos del calentamiento global. Algunas de estas ventajas son:
las bajas emisiones derivadas de esta tecnología, su probada adaptación a la
red, la capacidad de producción base (sustituta de las centrales de carbón), y
otras, menos tangibles, como la dispersión de reservas de combustible nuclear,
la prevención de la contaminación del aire o la alta densidad energética.
En este proyecto, se prueba la necesidad de la energía nuclear el marco de
la transición energética, basado en los alarmantes niveles de los indicadores
de cambio climático y en la actuación inefectiva de los mecanismos de prevención.
El papel secundario de la energía nuclear en el sistema energético
global, especialmente en occidente, se cubre también. Este proyecto apuesta
como los sistemas de Generación IV como una respuesta a esta situación y a
los principales retos de la nuclear actual.
De entre los sistemas de Generación IV, se selecciona el VHTR para su análisis
económico, debido a las perspectivas de viabilidad técnica de este reactor.
En particular, el diseño seleccionado es el MPBR, un diseño del MIT de este
reactor. La característica más importante de este rector es la modularidad,
que puede llevar a estandarización de su fabricación y reducir su coste de
construcción, actualmente el factor más crítico en plantas nucleares. El dise
«o es de tamaño medio, 120m MWe pero la motivación de su desarrollo es
reducir su tamaño manteniendo la modularidad, para mejorar la flexibilidad
frente a la demanda eléctrica.
La estrategia para construir el modelo económico de la planta fue de bottom-up.
Los costes se categorizan, y se determinan rangos de valores basados en
medidas comparativas. La característica innovadora de este reactor hace que
la determinación exacta de los costes no sea realista. Por este motivo, los
rangos de valores se presentan como una alternativa más robusta.
Partiendo de dicho modelo, la valoración económica de la planta se pone a
prueba con los parámetros convencionales de rentabilidad: valor actual neto,
periodo de retorno y tasa interna de retorno. La extensa vida de la central en
comparación con las plantas actuales favorece la satisfacción de los criterios
de rentabilidad. Los resultados son favorables exceptuando el escenario más
pesimista, donde no se satisfacen, pero llegan a resultados cercanos. En
cuanto al coste nivelado de la electricidad, se obtienen valores mayores que
los declarados para nuclear en el caso base y en el escenario pesimista, lo que
supone un resultado realista teniendo en cuenta la novedad de la tecnología.
El análisis de sensibilidad demuestra la robustez del modelo de esta planta
frente a incrementos de costes. También muestra la mejora de rentabilidad
de la planta lograda con la incorporación de productos secundarios para la
cogeneración.
En conclusión, la viabilidad queda demostrada ante la mayoría de los escenarios
considerados. El coste de construcción se mantiene como el factor más
crítico para la viabilidad económica. Los problemas asociados con este coste,
como retrasos o sobrecostes, deben ser evitados para asegurar la rentabilidad
de los nuevos desarrollos de la energía nuclear Nuclear energy is currently stepping away from the spotlight in the world's
energy mix, due to the new tendencies for energy production. This source
is inappropriate to fit in the world's energy system as it is, it requires an
evolution, and effective answers to the three main challenges of nuclear power:
safety, waste management and cost effectiveness. These three problems
overshadow the advantages that NPPs provides for the energy transition, the
latest initiative to fight back global warming. Some of these advantages are:
the low emission derived from this technology, its proven grid suitability,
its capacity for base load production (direct substitute of coal plants), and
some other, less tangible features, such as nuclear fuel reserves being more
widespread than fossil fuels, lack of air pollution, or its high energy density.
In this thesis, the need for nuclear energy in the framework of the energy
transition is demonstrated, based on the dangerous levels of global warming
indicators and the poor performance of the mechanisms to fight it back.
The poor performance of current nuclear energy in global energy system,
especially in the west, is also covered. As an appropriate response to this
situation, and the three main challenges of nuclear energy, this thesis defends
innovative Generation IV nuclear energy systems.
Among these Generation IV systems, the VHTR is the one selected for the
economic analysis, due to the current feasibility perspective for this reactor.
Particularly, the selected design for the case study is the MPBR, a project of
the Massachusetts Institute of Technology for this reactor. The most important
characteristic of this reactor is the modularity of its elements, which can
lead to standardization for manufacturing processes reducing significantly the
capital cost of the plant, currently one of the most challenging costs sources
of NPPs. The plant is medium size, 120 MWe, but the design is meant to
be further developed to smaller sizes while maintaining modularity of the
elements, in order to be more flexible against variable energy demand.
The strategy to build the economic model of the plant was a bottom-up
approach. The costs were categorized and cost ranges were determined based
on comparative measures. The innovative characteristics of the plant makes
the exact determination of these costs unrealistic and, therefore, the cost
ranges meant a more robust approach.
Construction and O&M cost are the most challenging cost to determine,
due to the innovative characteristics of the plant. These cost are obtained
from the economic model as a direct comparison to current NPPs, as it
was suggested in studies to determine the cost of nuclear power. As
for nuclear fuel, the approach was developed based on the division of cost
between material, fabrication, quality assurance and back end to develop
an estimation for fuel cycle cost. Th hypothesis taken for this cost source,
even in the base case, were not the most optimistic, in order to increase the
robustness of the model against a more pessimistic scenario.
From this model, the economic assessment of the plant was tested with the
conventional parameters of net present value, payback period and IRR. The
longer lifetime of this plant compared to current nuclear favours the profitability
criteria of this parameters, so the results were favourable except for
the most pessimistic scenario, were these criteria was close to profitable but
were not accomplished. However, the levelised cost of electricity obtained
was higher than this parameter for current nuclear in the base case and in
the pessimistic scenario, a realistic result if the novelty of the technology is
taken into account.
The sensibility analysis demonstrated the robustness of this plant against
increases in cost factors, and the improvements in the profitability of the
plant with the incorporation of by-products sales.
In conclusion, the economic viability of the plant is proven to be achievable
under the majority of the considered scenarios. Construction cost remain
the most critical factor for the cost e ectiveness of this plant. Therefore,
the problems associated with construction of NPPs such as delays and construction
over-costs need to be prevented to ensure the profitability of new
developments of nuclear technology.
Trabajo Fin de Máster
Generation IV nuclear energy systems. Economical viablity of the most promising reactorTitulación / Programa
El proyecto consistirá en un análisis sobre la viabilidad económica de uno de los diseños propuestos por el Generation IV International Forum GIF. Para ello se realizará un análisis sobre la situación actual de la energía nuclear y sobre sus perspectivas futuras, su relación con el cambio climático como raíz de la necesidad de esta tecnología y un análisis sobre los diseños propuestos por el GIF. De entre estos diseños se elegirá el más apropiado para llevar a cabo su análisis económico.Materias/ categorías / ODS
MII-M (H62-mecanica)Palabras Clave
Energía nuclear, Generación IV, VHTR, Análisis Económico, TRISONuclear Energy, Generation IV, VHTR, Economic Analisis, TRISO