Elektrik ve su üretimi için basınçlı su reaktörlü (PWR) bir kojenerasyon tesisinin termo-ekonomik analizi

Abstract

İstikrarlı elektrik ve tatlı suya yönelik yüksek talep, çoklu çıktıları yüksek verim ve asgari çevresel etkiyle sağlayabilen nükleer kojenerasyon sistemlerine olan ilgiyi artırmıştır. Bu çalışma, çok etkili damıtma (MED) yoluyla eşzamanlı olarak elektrik ve tatlı su üreten basınçlı su reaktörlü (PWR) bir kojenerasyon sistemini incelemektedir. Elektrik, yüksek-, orta- ve düşük basınç türbinlerini kullanan rejeneratif bir Rankine çevrimi ile üretilmekte; MED ünitesi ise düşük basınçlı çekme buharı ile beslenmektedir. Engineering Equation Solver (EES) kullanılarak oluşturulan ayrıntılı bir termodinamik model; besi suyu ısıtması, nem ayırıcı-yeniden ısıtıcı ve MED entegrasyonu dâhil olmak üzere tümleşik sistem genelinde kütle, enerji ve ekserji dengelerini değerlendirmektedir. Temel konfigürasyon, 1188 MWₑ net elektrik gücü üretmekte ve saniyede 200 kg (yıllık yaklaşık 6,3 milyon m³) tatlı su sağlamaktadır; buna karşılık ısıl verim %34,7 ve net seviyelendirilmiş elektrik maliyeti (LCOEₙₑₜ) 29,1 USD·MWh⁻¹’dir. İzentropik ve pompa verimleri, besi suyu ısıtıcısı uç sıcaklık farkı, MED kazanım oranı ve soğutma suyu sıcaklık artışına yönelik parametrik optimizasyon; LCOEₙₑₜ’i 28,7 USD·MWh⁻¹’e düşürürken net gücü 1245 MWₑ’ye yükselten ideal bir tasarım ortaya koymuştur. Bulgular, düşük dereceli ısıl enerjinin elektrik çıktısını etkilemeden tuzdan arındırma için kullanılabileceğini ve böylece tesisin toplam enerji verimliliğinin artırılabileceğini göstermektedir. Önerilen PWR-MED kojenerasyon sistemi, mevcut veya planlanan nükleer altyapıya sahip su kıtlığı yaşayan bölgelerde enerji-su bağlantısının ele alınmasına yönelik teknik olarak uygulanabilir, ekonomik açıdan elverişli ve termodinamik olarak tutarlı bir yaklaşım sunmaktadır.

Keywords

• Nükleer kojenerasyon
• Basınçlı su reaktörü
• Çok etkili damıtma
• Termodinamik analiz
• Seviyelendirilmiş elektrik maliyeti

Thermo‑economic analysis of a pressurized‑water‑reactor cogeneration plant for electricity and water production

Abstract

The high demand for stable electricity and freshwater has increased interest in nuclear cogeneration systems that can provide multiple outputs with high efficiency and minimal environmental impact. This study examines a cogeneration system utilizing a pressurized-water reactor (PWR) that concurrently produces electricity and freshwater through multi-effect distillation (MED). Electricity is produced by a regenerative Rankine cycle utilizing high-, intermediate-, and low-pressure turbines, and the MED unit is powered by low-pressure extraction steam. A detailed thermodynamic model, created in Engineering Equation Solver (EES), assesses mass, energy, and exergy balances across the integrated system, encompassing feedwater heating, moisture-separator-reheater, and MED coupling. The basic configuration produces a net electrical output of 1188 MWₑ and generates freshwater at a rate of 200 kg·s⁻¹ (about 6.3 million m³ annually), with a thermal efficiency of 34.7% and a net levelized cost of electricity (LCOEₙₑₜ) of 29.1 USD·MWh⁻¹. Parametric optimization of isentropic and pump efficiencies, feedwater heater terminal temperature differential, MED gain output ratio, and cooling water temperature rise showed an ideal design that reduces LCOEₙₑₜ to 28.7 USD·MWh⁻¹ while boosting net power to 1245 MWₑ. The findings indicate that low-grade thermal energy can be utilized for desalination with no impact on electrical output, hence enhancing the plant's total energy efficiency. The proposed PWR-MED cogeneration system offers a technically feasible, economically viable, and thermodynamically consistent approach for tackling the energy-water nexus in water-scarce areas with existing or projected nuclear infrastructure.

Keywords

• Nuclear cogeneration
• Pressurized water reactor
• Multi‑effect distillation
• Thermodynamic analysis
• Levelized cost of electricity

References

1. [1] International Atomic Energy Agency, Non‑electric applications of nuclear energy: Seawater desalination, hydrogen production and other industrial applications, IAEA‑TECDOC‑1964. Vienna, Austria: IAEA, 2021.
2. [2] OECD Nuclear Energy Agency and International Atomic Energy Agency, Projected costs of generating electricity. Paris, France: OECD Publishing, 2020.
3. [3] Massachusetts Institute of Technology, The future of nuclear energy in a carbon‑constrained world. Cambridge, MA, USA: MIT Energy Initiative, 2018.
4. [4] I. Khamis and K. C. Kavvadias, “Nuclear desalination: A sustainable route to water security,” Desalination, vol. 496, p. 114727, 2020.
5. [5] A. Al‑Karaghouli and L. L. Kazmerski, “Energy consumption and water production cost of conventional and renewable‑energy‑powered desalination processes,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 24, pp. 343–356, 2013, doi: 10.1016/j.rser.2012.12.064.
6. [6] A. M. El‑Nashar, “Nuclear desalination: History and prospects,” Desalination, vol. 135, no. 1–3, pp. 169–185, 2001.
7. [7] M. A. Darwish, N. M. Al‑Najem, and N. Lior, “Towards sustainable seawater desalination in the Gulf area,” Desalination, vol. 235, no. 1–3, pp. 58–87, 2009, doi: 10.1016/j.desal.2008.07.005.
8. [8] A. S. Nafey, M. A. Sharaf, and L. García‑Rodríguez, “Thermo‑economic investigation of multi‑effect evaporation (MEE) and hybrid multi‑effect evaporation‑multi‑stage flash (MEE‑MSF) systems,” Desalination, vol. 201, no. 1–3, pp. 241–254, 2006, doi: 10.1016/j.desal.2005.09.044.

9. [9] A. M. El‑Nashar and S. Al‑Mansoori, “Performance analysis of a combined nuclear‑powered multi‑effect distillation plant,” Desalination, vol. 259, no. 1–3, pp. 191–199, 2010.
10. [10] K. Ansari, H. Sayyaadi, and M. Amidpour, “Thermoeconomic optimization of a hybrid pressurized water reactor (PWR) power plant coupled to a multi-effect distillation desalination system with thermo-vapor compressor (MED-TVC),” Energy, vol. 35, pp. 1981–1996, 2010, doi: 10.1016/j.energy.2010.01.013.
11. [11] I. S. Al‑Mutaz and I. Wazeer, “Development in thermal desalination processes: Design and performance,” Desalination Water Treat., vol. 57, no. 31, pp. 14429–14444, 2016.
12. [12] S. E. Hosseini, H. Barzegar‑Avval, and P. Ahmadi, “Exergy and exergoeconomic analysis of a PWR nuclear power plant coupled with MED‑TVC desalination system,” Desalination, vol. 475, p. 114190, 2020.
13. [13] A. Al‑Othman, N. N. Darwish, M. Qasim, M. Tawalbeh, N. A. Darwish, and N. Hilal, “Nuclear desalination: A state‑of‑the‑art review,” Desalination, vol. 457, pp. 39–61, 2019, doi: 10.1016/j.desal.2019.01.002.
14. [14] A. Bejan, G. Tsatsaronis, and M. Moran, Thermal Design and Optimization. New York, NY, USA: Wiley, 1996.
15. [15] M. S. Peters, K. D. Timmerhaus, and R. E. West, Plant Design and Economics for Chemical Engineers, 5th ed. New York, NY, USA: McGraw‑Hill, 2003.
16. [16] Z. Triki, R. Menasri, M. N. Bouaziz, H. Tahraoui, M. Kebir, A. Amrane, J. Zhang, and L. Mouni, “Energy and Exergy Analyses of a PWR-Type Nuclear Power Plant Coupled with an ME-TVC-MED Desalination System,” Sustainability, vol. 15, no. 10, p. 8358, 2023, doi: 10.3390/su15108358.
17. [17] W. M. El-Ashmawy, W. M. El-Maghlany, and M. Elhelw, “Thermo-economic analysis of potential desalination processes utilized by no greenhouse gas emissions power plant,” Alexandria Engineering Journal, vol. 109, pp. 191–200, 2024, doi: 10.1016/j.aej.2024.08.062.
18. [18] M. Alessi and A. A. Al-Rabiah, “A Feasibility Study of Utilizing Nuclear Energy for an Existing MED-TVC Desalination Plant,” Appl. Sci., vol. 12, no. 19, p. 9506, 2022, doi: 10.3390/app12199506. R. K. Ahluwalia and X. Wang, "Fuel cell systems for transportation: Status and trends," Journal of Power Sources, vol. 177, no. 1, pp. 167-176, 2008.