Kärnkraftverk går vanligtvis antingen med full kapacitet eller inte alls. Ändå har anläggningarna den tekniska förmågan att anpassa sig till den förändrade efterfrågan på kraft och därmed bättre tillgodose källor till förnybar energi som vind- eller solkraft.

Forskare från U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory och Massachusetts Institute of Technology undersökte nyligen fördelarna med att göra just det. Om kärnkraftverk genererade kraft på ett mer flexibelt sätt, forskarna säger, anläggningarna kan sänka elkostnaderna för konsumenterna, möjliggöra användningen av mer förnybar energi, förbättra ekonomin för kärnenergi och bidra till att minska utsläppen av växthusgaser.

Teamet utforskade tekniska begränsningar för flexibel drift vid kärnkraftverk och introducerade ett nytt sätt att modellera hur dessa utmaningar påverkar hur kraftsystem fungerar. "Flexibel kärnkraftsverksamhet är en "vinn-vinn-vinn", ' sänka driftkostnaderna för kraftsystemet, öka intäkterna för kärnkraftsägare och avsevärt minska inskränkningen av förnybar energi, " skrev laget i en Tillämpad energi artikel publicerad online den 24 april.

Audun Botterud, en huvudingenjör inom energisystem inom Argonnes division Energy Systems, uppmuntras av hur, för första gången, "denna forskning utvärderar och visar det potentiella värdet av flexibla kärnkraftsoperationer i ett realistiskt kraftsystem i USA som utmanas av stor variation i förnybar energiproduktion."

Studien hjälper till att skingra långvariga åsikter om att kärnkraftverk måste fungera i "baslast"-läge, producerar kraft med maximal nominell kapacitet när de är online. Kärnkraftverk kan till och med reagera dynamiskt på elmarknadspriser per timme och behov av andra till andra frekvensreglering, laget hittade. Kraftsystem som inkluderar förnybar energi måste vara mer flexibla för att hela tiden balansera utbud och efterfrågan. Kärnkraftsoperatörer i Frankrike, Tyskland och andra länder är bekanta med detta tillvägagångssätt, men mindre i USA.

Forskarna utvecklade en matematisk representation av de fysikinducerade driftsbegränsningarna som uppstår från kärnreaktorns dynamik och bränslebestrålningscykeln i Applied Energy-artikeln och en följeslagare, publiceras i Kärnteknik . Det tvärvetenskapliga teamet kombinerade sedan det nya tillvägagångssättet med simuleringsmodeller för kraftsystem för att utvärdera den totala kostnaden för elproduktion, marknadspriser och resulterande intäkter för kraftverk, anta olika nivåer av nukleär flexibilitet.

"Kärnkraftverk styrs av en annan uppsättning principer jämfört med andra generatorer, och vårt tillvägagångssätt möjliggör representation av dessa relationer i analysen av kraftsystem och elmarknader, sa Francesco Ganda, projektets huvudutredare och huvudingenjör inom kärnkraftstekniken vid Argonnes division Nuclear Science and Engineering.

Genom att vara flexibel, anläggningsoperatörer kan sänka de totala driftskostnaderna i kraftsystemet. Till exempel, Operatörer skulle kunna generera mindre kärnkraft närhelst förnybar energi är allmänt tillgänglig. Kärnkraftverk skulle då kunna utnyttja sin lediga kapacitet för att sälja värdefulla "driftsreserver, " eller möjligheten att snabbt ändra effektuttaget för att hjälpa nätoperatörer att balansera utbud och efterfrågan när oväntade händelser inträffar, såsom fel i kraftverk eller fel i efterfrågeprognoser.

Denna flexibilitet skulle kunna öka lönsamheten för kärnkraftverk genom att öka intäkterna från elmarknaderna och minska rörliga drifts- och underhållskostnader. Övergripande, kärnkraftverksflexibilitet kan också bidra till att integrera fler vind- och solresurser och minska produktionen av fossilbränsleeldad energi och relaterade koldioxidutsläpp.

Jesse Jenkins, forskare vid MIT Energy Initiative, noterar hur forskarnas modelleringsmetod och studie "ger oss verktyg för att ytterligare utforska potentiella fördelar med flexibla kärnkraftsoperationer för att arbeta tillsammans med större andelar av varierande källor för förnybar elproduktion på vägen mot elförsörjning med låga koldioxidutsläpp."