Reducing Carbon Dioxide Emission from District Heating in Finland by Implementing Modular Nuclear Reactors – A LCA Study of SMRs
Back, Alex (2021)
Back, Alex
2021
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021060132639
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021060132639
Tiivistelmä
Ett av de största problemen som mänskligheten har för tillfället är hur koldioxidutsläppen ska minskas utan att minska energiproduktionen. Ett av de mest populära lösningsförslagen är att öka andelen förnybara källor. Dessa förnybara källor måste dock ha något slags reservkälla för tider när förnybara energiproduktionsätt inte fungerar optimalt. De lokala fjärrvärmenäten i Finland består av en eller flera kraftvärmeverk (CHP) som producera både fjärrvärme och elektricitet. Dessa anläggningar drivs med inhemska trädbränslen och torv eller i vissa fall med importerade fossila bränslen som kol eller naturgas. Många fjärrvärmeanläggningar står således framför en utmaning att sänka sina koldioxidutsläpp.
Syftet med detta examensarbete är att undersöka hur små modulära kärnreaktorer (SMR) skulle påverka koldioxidutsläppen från kraftvärmeproduktionen i Finland. De specifika utsläppen från SMR och vanliga kärnkraftverk jämförs även med varandra för att se om det finns stora skillnader.
Som metod valdes LCA med fokus på indirekta CO2 utsläpp från de material som behövs för att bygga och driva ett kärnkraftverk. Analysen förenklades genom att samla in och jämföra data använd i tidigare LCA analyser, gjorda för konventionella kärnkraft samt data som hittades för bygget vid Olkiluoto och sedan tillämpa mest relevant data för livscykelanalyserna Kraftvärmeverkens CO2 utsläpp uppskattades på basen av de bränslen som utnyttjades för elektricitet och fjärrvärmeproduktionen. Alla utsläpp allokerades på den värme och el som såldes till slutanvändaren.
Resultatet visar att de specifika koldioxidutsläppen från kärnkraftverken är mycket lägre än koldioxidutsläppen från kraftvärmeanläggningarna och fjärrvärmeföretagen. Detta pekar på att SMR är ett möjligt alternativ för att minska koldioxidutsläppen i kraftvärmeproduktion. Resultaten för kärnkraftreaktorerna pekar på att SMR har marginellt mindre specifika koldioxidutsläpp än den konventionella kärnkraftreaktorn.
För att utveckla studien som gjordes i detta arbete kunde investeringskostnader för bygget av SMR tas i beaktande. Ett problem som även bör beaktas är det ökade radioaktiva avfallet som ökningen av kärnkraft för med sig. Även data för kärnkraftsbränslekedjan borde uppdateras och möjligheten till kolneutralitet borde beaktas i framtiden om fordonen och maskinerna som används blir mera effektiva och eldrivna. LCA kunde även utföras för olika bränsledrivna CHP-anläggningar för att jämföra CHP-anläggningarna och kärnkraftsanläggningar på ett mer ändamålsenligt sätt. -----------
One of humanities biggest problem that is in dire need of a solution is how to make sure that the energy demand can be met without a rise in carbon dioxide emissions. Several solutions have been proposed how to solve this problem, with renewable energy sources being one of the more popular solutions. Renewable sources need a backup source, for conditions in which they cannot produce energy. The local district heating network in Finland is made up of one or more combined heat and power (CHP) plants that produce both district heating and electricity. These power plants mainly use domestic wood fuels and peat. In some cases, imported fossil fuels, such as coal and natural gas is used as an energy source. Due to this, many CHP plants face a challenge in lowering their carbon dioxide emissions.
The goal of this thesis is to investigate how small modular reactors (SMR) would affect the carbon dioxide emissions released by the CHP plants in Finland. The specific carbon dioxide emissions between an SMR and a conventional nuclear power plant are also compared, to see if there is a big difference between them. This is done by carrying out a LCA on the different indirect carbon dioxide emissions that are released from the materials that are needed to build the nuclear power plants as well as the emissions that are released from processes necessary to operate the plants. The analysis was simplified by gathering and comparing data used in previous LCAs done for conventional nuclear power plants and using data that was found for the Olkiluoto-3 construction.
The CHP plant CO2 emissions were calculated with data on how different fuels were used in the power plants. The specific emission factor was calculated by considering how much district heating and electricity was sold the end customer.
The results of this thesis show that the specific emissions for the nuclear power plants are significantly lower when compared to the current CHP plants in Finland, meaning that using SMRs for cogeneration would make it possible to lower the carbon dioxide emissions. The results for the different nuclear reactor types point to SMRs having marginally smaller carbon dioxide emissions compared to the conventional nuclear power plant.
For further studies the writer of this thesis recommends that life cycle analyses for CHP plants should be calculated in order to make the comparison of the different power plants fairer. The cost of building and operating SMRs should also be studied further, as well as the problems that might arise from the increased nuclear waste amounts. For the nuclear fuel chain, newer data could also be calculated and estimates on how the emissions from the whole process would change if the vehicles and machinery used would be replaced with more efficient and possibly fully electric counterparts in the future.
Syftet med detta examensarbete är att undersöka hur små modulära kärnreaktorer (SMR) skulle påverka koldioxidutsläppen från kraftvärmeproduktionen i Finland. De specifika utsläppen från SMR och vanliga kärnkraftverk jämförs även med varandra för att se om det finns stora skillnader.
Som metod valdes LCA med fokus på indirekta CO2 utsläpp från de material som behövs för att bygga och driva ett kärnkraftverk. Analysen förenklades genom att samla in och jämföra data använd i tidigare LCA analyser, gjorda för konventionella kärnkraft samt data som hittades för bygget vid Olkiluoto och sedan tillämpa mest relevant data för livscykelanalyserna Kraftvärmeverkens CO2 utsläpp uppskattades på basen av de bränslen som utnyttjades för elektricitet och fjärrvärmeproduktionen. Alla utsläpp allokerades på den värme och el som såldes till slutanvändaren.
Resultatet visar att de specifika koldioxidutsläppen från kärnkraftverken är mycket lägre än koldioxidutsläppen från kraftvärmeanläggningarna och fjärrvärmeföretagen. Detta pekar på att SMR är ett möjligt alternativ för att minska koldioxidutsläppen i kraftvärmeproduktion. Resultaten för kärnkraftreaktorerna pekar på att SMR har marginellt mindre specifika koldioxidutsläpp än den konventionella kärnkraftreaktorn.
För att utveckla studien som gjordes i detta arbete kunde investeringskostnader för bygget av SMR tas i beaktande. Ett problem som även bör beaktas är det ökade radioaktiva avfallet som ökningen av kärnkraft för med sig. Även data för kärnkraftsbränslekedjan borde uppdateras och möjligheten till kolneutralitet borde beaktas i framtiden om fordonen och maskinerna som används blir mera effektiva och eldrivna. LCA kunde även utföras för olika bränsledrivna CHP-anläggningar för att jämföra CHP-anläggningarna och kärnkraftsanläggningar på ett mer ändamålsenligt sätt.
One of humanities biggest problem that is in dire need of a solution is how to make sure that the energy demand can be met without a rise in carbon dioxide emissions. Several solutions have been proposed how to solve this problem, with renewable energy sources being one of the more popular solutions. Renewable sources need a backup source, for conditions in which they cannot produce energy. The local district heating network in Finland is made up of one or more combined heat and power (CHP) plants that produce both district heating and electricity. These power plants mainly use domestic wood fuels and peat. In some cases, imported fossil fuels, such as coal and natural gas is used as an energy source. Due to this, many CHP plants face a challenge in lowering their carbon dioxide emissions.
The goal of this thesis is to investigate how small modular reactors (SMR) would affect the carbon dioxide emissions released by the CHP plants in Finland. The specific carbon dioxide emissions between an SMR and a conventional nuclear power plant are also compared, to see if there is a big difference between them. This is done by carrying out a LCA on the different indirect carbon dioxide emissions that are released from the materials that are needed to build the nuclear power plants as well as the emissions that are released from processes necessary to operate the plants. The analysis was simplified by gathering and comparing data used in previous LCAs done for conventional nuclear power plants and using data that was found for the Olkiluoto-3 construction.
The CHP plant CO2 emissions were calculated with data on how different fuels were used in the power plants. The specific emission factor was calculated by considering how much district heating and electricity was sold the end customer.
The results of this thesis show that the specific emissions for the nuclear power plants are significantly lower when compared to the current CHP plants in Finland, meaning that using SMRs for cogeneration would make it possible to lower the carbon dioxide emissions. The results for the different nuclear reactor types point to SMRs having marginally smaller carbon dioxide emissions compared to the conventional nuclear power plant.
For further studies the writer of this thesis recommends that life cycle analyses for CHP plants should be calculated in order to make the comparison of the different power plants fairer. The cost of building and operating SMRs should also be studied further, as well as the problems that might arise from the increased nuclear waste amounts. For the nuclear fuel chain, newer data could also be calculated and estimates on how the emissions from the whole process would change if the vehicles and machinery used would be replaced with more efficient and possibly fully electric counterparts in the future.
Kokoelmat
- 222 Muu tekniikka [50]