The demand for load following operation capabilities of the nuclear power plants is increased in accordance with the recently increased renewable energy utilization. In order to cope with hourly load change due to the intermittence problem of the renewable energy, the concept of thermal energy storage with $CO_2$ power conversion system is suggested as an ad hoc system to the existing nuclear power plant for this purpose in this thesis.
For the power conversion of the stored thermal energy, supercritical $CO_2$ based power conversion system is studied due to the compactness and high performance while having simple system configuration. In this thesis, the $CO_2$ based mixture power cycles are studied to improve the disadvantages of the existing pure carbon dioxide power system. Among various substances, a multi-variable comparison method was utilized to distinguish the suitable mixing additives by maintaining the advantage of the pure $CO_2$ system. It was confirmed that moving the critical point of $CO_2$ is effective to improve the power system’s performance by mixing heavy molecular weight substances such as organic refrigerants and solvents. Through the thermodynamic analysis, it was confirmed that the mixture power cycle can achieve higher efficiency than the pure $CO_2$ system by lowering the minimum pressure and increasing recuperation while avoiding thermodynamic limitations near the critical point. In order to show the feasibility of the suggested mixture power cycle, lab-scale compressor and heat exchanger performance tests were conducted. Through the experimental results of turbomachinery and heat exchanger, the feasibility of the suggested mixture power cycle is demonstrated while reducing the uncertainties of mixture properties.
From the experiments and thermodynamic analysis, it is concluded that the suggested thermal energy storage system integrated nuclear power plant with $CO_2$ mixture power cycle will enable the nuclear power plant operation for daily load following operation without changing the nuclear reactor core thermal power. It is further expected that the mixture power cycle can be utilized for general heat source with low temperature especially in marine propulsion systems or space applications due to the compactness and high efficiency.
신재생 에너지가 확대됨에 따라 원자력 발전소의 부하조절운전 능력에 대한 요구가 증가하였다. 이에 따라 열에너지 저장시스템과 이산화탄소 발전 시스템을 이용하여 일간 전력 수요 및 발전량 변동에 대응이 가능한 새로운 개념의 원자력 발전 시스템 개념을 본 논문에서 제시하고 분석하였다.
본 학위논문에서는 기존에 제시된 순수 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 단점을 보완하고 성능을 개선하기 위해 이산화탄소 기반 이종 혼합 유체 발전시스템을 제시하였다. 다양한 물질 중 기존의 이산화탄소 시스템의 특징은 살리고, 성능을 개선하기 위한 혼합물질의 후보군을 다변수 비교 방법을 통해 우선 선정하였다. 순수 이산화탄소에 유기 냉매 및 유기 용매 등의 분자량이 높고, 무거운 물질을 혼합함으로써 이산화탄소의 임계점을 이동시키는 것이 효과적임을 확인하였다. 유체 혼합을 통해 이산화탄소 시스템의 높은 작동압력을 낮추고, 액화가 가능하게 하여 기술적 난이도를 낮출 수 있을 것으로 기대되며, 임계점 근처에서의 특이점을 우회함으로써 시스템 복잡성은 낮추고 발전 효율을 개선할 수 있음을 확인하였다. 또한, 터보 기계 중 원심 압축기, 고집적 열교환기인 인쇄기판형 열교환기의 실험적 검증을 통해 이산화탄소 기반 혼합 유체 발전시스템의 기술적 타당성을 확인하고 개선 효과를 확인하였다.
본 에너지 저장 및 혼합 유체 발전 기술을 통해 대형 원자력 발전소가 원자로의 출력 변화 없이 부하조절운전이 가능할 수 있음을 확인하였으며, 원자력 발전소뿐만 아니라 다양한 열원에 적용할 수 있어, 작고 효율적인 시스템 개발이 가능할 것으로 예측하였다.
