Analysis of VHTR co-generation and the role of nuclear power in an integrated energy system

Abstract

Die Dekarbonisierung des globalen Energiesystems erfordert einen raschen Ausbau von kohlenstoffarmer Stromerzeugung. Während variable erneuerbare Energien (VRE) wie Photovoltaik und Windkraft in vielen Ländern bereits bedeutende Anteile erreicht haben, erfordert ihre intermittierende Einspeisung komplementäre, steuerbare Energiequellen. Die Kernenergie bietet eine solche Fähigkeit, und insbesondere fortgeschrittene Reaktorkonzepte können ihre Rolle über die reine Stromproduktion hinaus durch die Kraft-Wärme-Kopplung um die Erzeugung anderer Energieträger wie Wasserstoff und Wärme erweitern. Diese Arbeit besteht aus zwei Hauptteilen. Der theoretische Teil behandelt fortgeschrittene Kernreaktorkonzepte mit Schwerpunkt auf fortgeschrittenene Hochtemperaturreaktoren (auf englisch Very High Temperature Reactors, VHTR) und deren Potenzial für Kraft-Wärme-Kopplung. Zusätzlich werden grundlegende Konzepte der Energieökonomie und der Energiesystemmodellierung vorgestellt, um die anschließende systemanalytische Untersuchung verständlicher zu gestalten. Der praktische Teil umfasst eine Systemanalyse unter Verwendung eines linearen Optimierungsmodells, das in Python mit OR-Tools implementiert wurde und die Gesamtkosten eines integrierten Strom-Wasserstoff-Systems minimiert. Das Modell, das im Rahmen eines Praktikums bei der Internationalen Atomenergieorganisation entwickelt wurde, untersucht die Rolle der Kernenergie unter strengen CO2-Emissionsgrenzen. Die analysierten Szenarien variieren in der Verfügbarkeit von CO2-Abscheidung und -Speicherung (auf englisch Carbon Capture and Storage, CCS), im Wasserstoffbedarf, in der geografischen Region sowie in zentralen techno-ökonomischen Parametern. Die Ergebnisse zeigen, dass Kernenergie in allen Szenarien mit ambitionierter Dekarbonisierung als zentrale kohlenstoffarme Grundlastoption hervorgeht, weitgehend unabhängig von der Verfügbarkeit von CCS. In Szenarien mit Wasserstoffnachfrage führt der Einsatz von Elektrolyse zu einem verstärkten Ausbau erneuerbarer Energien. Wenn jedoch Alternativen wie Dampfreformierung mit CCS verfügbar sind, werden diese bevorzugt, was die hohen Kosten der Elektrolyse verdeutlicht und die vorherige Annahme sehr hoher VRE-Anteile infrage stellt. Diese Studie untersucht sektorübergreifende Kopplungen und bildet eine wichtige Grundlage für zukünftige Analysen der nuklearen Kraft-Wärme-Kopplung in integrierten Energiesystemen.

Decarbonizing the global energy system requires a rapid expansion of low-carbon electricity generation. While variable renewable energy (VRE) technologies such as solar photovoltaics and wind turbines have gained significant shares in many countries, their intermittency necessitates complementary dispatchable sources. Nuclear power offers such capability, and advanced reactor designs can further extend its role beyond electricity production through co-generation of other energy carriers such as hydrogen and heat. This thesis consists of two main parts. The theoretical part reviews advanced nuclear reactor concepts, focusing on very high-temperature gas-cooled reactors (VHTRs) and their potential for co-generation. In addition, it introduces fundamental concepts in energy economics and energy system modeling to make the subsequent system-level analysis more accessible to the reader. The practical part conducts a system-level analysis using a linear optimization model implemented in Python with OR-Tools, designed to minimize total system costs in an integrated electricity–hydrogen system. The model, developed during an internship at the International Atomic Energy Agency, explores the role of nuclear energy under stringent carbon constraints. The analyzed scenarios vary in carbon capture and storage (CCS) availability, hydrogen demand, geographic region, and key techno-economic parameters. Results show that nuclear power consistently emerges as a key low-carbon baseload option across all stringent decarbonization scenarios, largely independent of CCS availability. In scenarios with hydrogen demand, electrolysis stimulates the deployment of VRE. However, when alternatives such as steam methane reforming with CCS are available, they are preferred, highlighting the high costs of electrolysis and challenging the assumption of very high VRE shares. This study investigates cross-sectoral couplings and provides an important foundation for future analyses of nuclear co-generation within integrated energy systems.