Yeni Nesil Nükleer Reaktörler ile Entegre Seçilmiş Termokimyasal Çevrimlerin IAEA HEEP Kullanılarak Ekonomik Karşılaştırması

Öz

Yeni nesil nükleer reaktörlerle entegre edilen termokimyasal su parçalama yöntemleri, büyük ölçekli ve düşük karbonlu enerji sistemleri için umut verici bir hidrojen üretim yoludur. Bu çalışmada, HyS, CuCl, MgCl ve CaBr olmak üzere dört hibrit termokimyasal çevrimin teknik ve ekonomik karşılaştırması, Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı’nın Hidrojen Ekonomik Değerlendirme Programı (IAEA HEEP) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Her çevrim için sermaye yatırım (CAPEX) maliyetleri sırasıyla HyS için 200 milyon $, CuCl için 264 milyon $, MgCl için 462 milyon $ ve CaBr için 210 milyon $ olarak tahmin edilmiştir. Buna karşılık, hidrojen üretim maliyetleri HyS için 2,80 $/kg, CuCl için 2,99 $/kg ve MgCl için 3,61 $/kg olarak hesaplanmıştır. CaBr çevrimi ise 2,86 – 3,03 $/kg aralığında bir maliyet sunmaktadır. HyS çevrimi, elektroliz teknolojisindeki karmaşıklık nedeniyle uygulanabilirliğini büyük ölçüde kaybetmiş olsa da, CuCl çevrimi hem ekonomik açıdan en uygun hem de teknolojik olarak en gelişmiş seçenek olarak öne çıkmaktadır. Elde edilen sonuçlar, temiz hidrojen teknolojilerine yapılacak gelecekteki yatırımları yönlendirmek adına nükleer-hidrojen sistem entegrasyonlarının kapsamlı şekilde değerlendirilmesinin önemini vurgulamaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Termokimyasal Su Parçalama
• Yeni Nesil Nükleer Reaktörler
• Hidrojen Üretimi
• Ekonomik Değerlendirme
• IAEA HEEP
• Nükleer Hidrojen
• Yüksek Sıcaklıklı Reaktörler
• Sürdürülebilir Enerji
• Proses Entegrasyonu
• Nükleer Entegre Termokimyasal Çevrimler

Compared Economic Assessment of Selected Thermochemical Cycles Utilizing Next-Gen Nuclear Reactors Using IAEA’s HEEP

Öz

Hydrogen production through thermochemical water splitting offers a promising pathway for large-scale, low-carbon energy systems when coupled with next-generation nuclear reactors. In this study, a techno-economic comparison of four hybrid thermochemical cycles—HyS, CuCl, MgCl, and CaBr—is conducted using the IAEA’s Hydrogen Economic Evaluation Program (HEEP). Capital investment (CAPEX) requirements are estimated as $200 million for HyS, $264 million for CuCl, $462 million for MgCl, and $210 million for CaBr. The corresponding hydrogen production costs are calculated as $2.80/kg (HyS), $2.99/kg (CuCl), and $3.61/kg (MgCl), while CaBr yields a cost range of $2.86–3.03/kg. Despite the lower cost of HyS, its technical complexity in electrolysis poses feasibility challenges. Among the cycles studied, CuCl stands out as the most economically viable and technologically mature option. The results highlight the importance of integrated nuclear-hydrogen system assessments to guide future investments in clean hydrogen technologies.

Anahtar Kelimeler

• Thermochemical Water Splitting
• Next-Generation Nuclear Reactors
• Hydrogen Production
• Economic Assessment
• IAEA HEEP
• Nuclear Hydrogen
• High-Temperature Reactors
• Sustainable Energy
• Process Integration
• Nuclear-Coupled Thermochemical Cycles

Kaynakça

1. [1] L. E. Brecher, S. Spewock and C. J. Warde, "The Westinghouse Sulfur Cycle for the thermochemical decomposition of water," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 2, no. 1, pp. 7–15, 1977.
2. [2] M. Dokiya, T. Kameyama and K. Fukuda, "Thermochemical hydrogen preparation—Part V. A feasibility study of the sulfur iodine cycle," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 4, pp. 267–277, 1979.
3. [3] R. S. El-Emam, H. Ozcan and I. Dincer, "Comparative cost evaluation of nuclear hydrogen production methods with the Hydrogen Economy Evaluation Program (HEEP)," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 40, no. 34, pp. 11168–11177, 2015.
4. [4] T. B. Ferriday and P. H. Middleton, "Alkaline fuel cell technology—A review," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 46, no. 35, pp. 18489–18510, 2021.
5. [5] K. S. Gabriel, R. S. El-Emam and C. Zamfirescu, "Technoeconomics of large-scale clean hydrogen production – A review," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 47, no. 72, pp. 30788–30798, 2022.
6. [6] M. Kochański et al., "The technical and economical perspectives for the production and storage of hydrogen in Poland," Acta Innov., vol. 8, pp. 50–62, 2013.
7. [7] T. Kodama and N. Gokon, "Thermochemical Cycles for High-Temperature Solar Hydrogen Production," Chem. Rev., vol. 107, no. 10, pp. 4048–4077, 2007.
8. [8] G. F. Naterer et al., "Canada’s program on nuclear hydrogen production and the thermochemical Cu–Cl cycle," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 35, pp. 10905–10926, 2010.

9. [9] M. Orhan, I. Dincer and G. Naterer, "Cost analysis of a thermochemical Cu–Cl pilot plant for nuclear-based hydrogen production," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 33, pp. 6006–6020, 2008.
10. [10] H. Ozcan and I. Dincer, "Modeling of a new four-step magnesium–chlorine cycle with dry HCl capture for more efficient hydrogen production," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 41, no. 19, pp. 7792–7801, 2016.
11. [11] H. Ozcan and I. Dincer, "Exergoeconomic optimization of a new four-step magnesium–chlorine cycle," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 42, no. 4, pp. 2435–2445, 2017.
12. [12] H. Ozcan, R. S. El-Emam and B. A. Horri, "Thermochemical looping technologies for clean hydrogen production – Current status and recent advances," J. Cleaner Prod., vol. 382, p. 135295, 2023.
13. [13] H. Ozcan and H. Fazel, "Cost assessment of selected nuclear driven hybrid thermochemical cycles for hydrogen production," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 54, pp. 554–561, 2024.
14. [14] K. Pope, Z. Wang and G. F. Naterer, "Process integration of material flows of copper chlorides in the thermochemical Cu–Cl cycle," Chem. Eng. Res. Des., vol. 109, pp. 273–281, 2016.