SMR-technologies in hydrogen production

Abstract. This thesis goes out to explore the possibility of using small modular nuclear reactors (SMRs) in hydrogen production for industrial needs. Different types of hydrogen production technologies are examined in the thesis alongside small modular nuclear reactors. This work has been done to constitute an understanding of the requirements and limitations of nuclear hydrogen production in industrial settings. Additionally, the environmental impacts of nuclear hydrogen production methods are compared to traditional hydrogen production methods. The thesis has been done as a literature review. As society faces the problems of rising greenhouse gas emissions in the form of global warming, the importance of environmentally friendly energy solutions has increased. In recent years, the interest for the hydrogen economy has grown. Hydrogen has been introduced as an interesting resource for multiple energy applications. For example, hydrogen fuel cells are seen as a prospective option in the decarbonization of the transportation industry. Traditional hydrogen production methods rely on fossil fuels. The future development however is focused on water electrolysis since it produces almost pure hydrogen and is considered the most environmentally friendly hydrogen production technology. Water electrolysis is an energy intensive process. In this thesis, nuclear technologies are presented as a way of supplying the energy for hydrogen production instead of fossil fuels. This thesis presents benefits of using SMRs as the energy source for hydrogen production compared to the current production methods. The benefits include lower greenhouse gas emissions, predictable production conditions and higher total efficiency with cogeneration. The constraints of nuclear hydrogen production are presented in the thesis including the safety point of view, the efficiency issue and lacking infrastructure. SMR powered hydrogen production is lastly applied to industrial settings through a steel industry example. The hydrogen economy is constantly developing, and it is not yet clear how the future looks like in regards of it. The aim of this thesis is to present options for the development direction in the form of combining modern nuclear technologies with modern hydrogen technologies.SMR-teknologiat vedyn tuotannossa. Tiivistelmä. Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on selvittää pienten modulaaristen ydinvoimateknologioiden (SMR-teknologiat) hyödyntämismahdollisuutta teollisuuden tarpeisiin. Työssä esitellään sekä vedyn tuotantotapoja että pieniä modulaarisia ydinreaktoreita. Työn tavoitteen on ollut muodostaa käsitys siitä, miten ydinvoimalla voidaan tuottaa vetyä. Ydinvoimalla tuotetun vedyn tuotantoteknologioiden kehityksen edellytykset ja rajoitukset esitetään työssä. Ydinvoimalla tuotetun vedyn ympäristövaikutuksia verrataan vallitseviin vedyn tuotantomenetelmiin. Työ on toteutettu kirjallisuuskatsauksena. Ympäristöystävällisten energiantuotantotapojen kysyntä on noussut, kun kasvihuonekaasujen pitoisuudet lisääntyvät ilmakehässä. Energiasektorilla vetytalous on ollut kasvava puheenaihe. Vety on esitetty ratkaisevana tekijänä monissa energiateknologian sovelluksissa. Esimerkiksi, vetypolttokennojen avulla voitaisiin muuntaa liikenne hiilineutraaliksi. Perinteiset vedyn tuotantomenetelmät hyödyntävät fossiilisia polttoaineita, mutta elektrolyysimenetelmiä pidetään tulevaisuuden merkittävimpänä vedyn tuotantotapana. Elektrolyysillä on mahdollista tuottaa melkein puhdasta vetyä ja sitä pidetään ympäristöystävällisimpänä vedyn tuotantomenetelmänä. Vedyn tuotanto elektrolyysillä vaatii kuitenkin paljon energiaa. Tässä kandidaatintyössä ydinteknologiat esitetään fossiilisten polttoaineiden korvaajina energiaintensiivisissä vedyn tuotantoprosesseissa. Tässä kandidaatintyössä esitellään myös SMR-teknologioiden mahdollisia hyötyjä vedyn tuotannossa verrattuna nykytuotantoon. Hyötyjä ovat muun muassa pienemmät kasvihuonekaasupäästöt, ennustettavissa ja säädettävissä olevat tuotanto-olosuhteet ja korkeampi kokonaistehokkuus yhteistuotannon avulla. Ydinvoimalla tuotetun vedyn rajoitukset, muun muassa turvallisuusnäkökulma ja vaillinainen infrastruktuuri, tuodaan esille. Viimeisenä SMR-teknologiat ja vedyn tuotanto yhdistetään teolliseen ympäristöön terästeollisuuden esimerkin kautta. Vetytalous kehittyy jatkuvasti eikä ole selvää, millaiselta se tarkalleen tulevaisuudessa näyttää. Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on esitellä uusia mahdollisuuksia vetytalouden kehittymissuunnalle