The energy is used in every aspect of our life, from gasoline to move the cars to the fuel needed to maintain large industries. According to the World Energy Outlook of the IEA (International Energy Agency) world energy consumption will increase of 72% from 2003 to 2030. With the world population growth in the future there will be an increasing need of clean and renewable energy. One of the technologies of power production that meet these characteristics is OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion). This technology is able to exploit the thermal gradient availabe between the surface and deep water in the tropical oceans to produce electric power and in some cases potable water . Of particular interest is the fact that to produce desalinated water the only energy consumption is related to pumps power inside the desalter. In the present work different types of system configurations for the production of power and pure water from the oceans are analyzed with the purpose of finding the best compromise between cost and performance. A first analysis focuses on closed cycle OTEC plants with 1 and 3 thermodynamic cycles in series before moving to the evaluation of SOTEC (Solar OTEC). SOTEC is a OTEC plant with one ORC cycle that uses solar energy harvested with parabolic trough collector as heat source . All analyzed plants have the same inlet flow of warm and cold sea water , of respectively 8491 and 8242 kg /s . Sensivity analyses are carried out varying the working fluid, the cold seawater mass flow and the temperature of warm seawater entering the plant. The fluid that allows obtaining the best efficiency is ammonia. For the OTEC, increasing the number of thermodynamic cycles from 1 to 3, causes the net power to increase (from 3.9 to 6.08 MWel). Moving on to the SOTEC configurations the net power goes from 9.6 to 11.57 MWel. The cases OTEC and SOTEC that allow obtaining the best efficiency appear to be those with 3 thermodynamic cycles. We chose the configurations with 3 thermodynamic cycles to carry out a detailed analysis on the production of drinking water as a co-product by adding a desalinating system downstream of the production system power. In the case in which the desalination system is added OTEC with 3 thermodynamic cycles reach the maximum efficiency of production of salted water equal to 0.59% with a flow rate of pure water of 50 kg/s. In the SOTEC plant with 3 thermodynamic cycles mass flow rate of pure water is 61kg/s, where with an efficiency equal to 0.88%. An economic analysis on the investment costs of the plant is conducted and , using the NPV (Net Present Value) methodology, the LCOE (Levelised Cost of Electricity) is computed. For all configurations a period of operation of the plant of 8,000 h/ per year is assumed (this assumption is very strong in the case SOTEC whose production depends strongly on environmental conditions), and the analysis is carried out on a time horizon of 30 years. We obtain investment costs of 10400, 10000, 8590 and 8260 Eur/kWel for OTEC plants with 1 and 3 cycles and SOTEC plants with 1 and 3 cycles. For OTEC with 1 and 3 thermodynamic cycles we find an LCOE equal to 103 and 100 Eur/MWh respectively. For similar SOTEC cases we find an LCOE equal to 86 and 88 Eur/MWh. Finally, an economic analysis is conducted on the OTEC and SOTEC plant configurations with 3 thermodynamic cycles with desalination. To do this, using as a selling price equal to the LCOE found in cases the selling price of water, wich allows amortizing the investment costs after an interval temporal always of 30 years is assessed. The parameter found, called LCOW (Levelised Cost of Water), is equal to 2.8Eur/ m3 for OTEC configuration and 2.5 Eur/ m3 for SOTEC respectively.
L’energia viene utilizzata in ogni aspetto delle nostre vite, dalla benzina per far muovere le auto ai combustibili necessari per mantenere attive le grandi industrie. Secondo il World Energy Outlook dell’IEA (International Energy Agency) il consumo energetico mondiale aumenterà del 72% dal 2003 al 2030. Con la crescita della popolazione mondiale in futuro ci sarà sempre più bisogno di energia pulita, che rispetti l’ambiente e che sia rinnovabile. Tra le tecnologie di produzione di potenza che rispettano queste caratteristiche troviamo quella OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion). Questa tecnologia è in grado di sfruttare il gradiente termico presente tra l’acqua superficiale e quella in profondità degli oceani in zone tropicali per produrre acqua potabile e potenza elettrica. Di particolare interesse è il fatto che per produrre acqua dissalata l’unica spesa energetica da sostenere risulta essere quella delle pompe per la modifica della pressione all’interno del dissalatore. Nel seguente elaborato verranno analizzati diversi tipi di configurazioni impiantistiche per la produzione di potenza e acqua pura dagli oceani con lo scopo di trovare l’impianto a maggior efficienza. Una prima analisi si concentra su impianti OTEC a ciclo chiuso a 1 e 3 cicli termodinamici in serie per poi passare alla valutazione di impianti SOTEC (Solar OTEC) che associano agli impianti OTEC analizzati un ciclo termodinamico con fluido ORC che sfrutta come sorgente calda l’energia solare fornita tramite un collettore parabolico-lineare. Tutti gli impianti analizzati presentano le stesse portate in ingresso di acqua di mare calda e fredda pari rispettivamente a 8491 e 8242 kg/s. Vengono condotte analisi di sensibilità al variare del fluido di lavoro, della portata di acqua salata estratta in profondità e della temperatura dell’acqua superficiale in ingresso all’impianto. Il fluido che permette di ottenere la miglior efficienza risulta essere l’ammoniaca. Per quanto riguarda gli impianti OTEC, incrementando il numero di cicli termodinamici da 1 a 3, la potenza netta passa da 3,9 a 6,08 MWel. Passando invece alle configurazioni SOTEC la potenza netta passa da 9,6 a 11,57 MWel. I casi OTEC e SOTEC che permettono di ottenere la migliore efficienza risultano essere quelli a 3 cicli termodinamici. Vengono quindi scelte le configurazioni a 3 cicli termodinamici per svolgere un’analisi dettagliata sulla produzione di acqua potabile come co-prodotto aggiungendo un sistema di dissalazione a valle del sistema di produzione di potenza. Nel caso in cui il sistema di dissalazione venga inserito a valle della configurazione OTEC a 3 cicli termodinamici l’efficienza massima di produzione di acqua salata risulta essere pari allo 0,59% con una portata di acqua pura pari a 50 kg/s. Inserendo il sistema a valle della configurazione SOTEC a 3 cicli termodinamici invece si ottiene nel migliore dei casi una portata di acqua pura di 61 kg/s dove l’ efficienza è pari allo 0,88%. Viene poi condotta un’analisi economica sui costi d’investimento degli impianti e valutando tramite la metodologia NPV (Net Present Value) il LCOE (Levelised Cost of Electricity). Per tutte le configurazioni viene ipotizzato un periodo di funzionamento dell’impianto pari a 8000h annue (ipotesi molto forte nel caso SOTEC la cui produzione dipende strettamente dalla condizioni ambientali, che per essere soddisfatta richiede l’utilizzo di un accumulo termico) e l’analisi viene svolta su un orizzonte temporale di 30 anni. Si ottengono dei costi d’investimento pari a 10400, 10000, 8590 e 8260 Euro/kWel passando dai casi a 1 ciclo e 3 cicli OTEC e 1 ciclo e 3 cicli SOTEC. Per gli impianti OTEC a 1 e 3 cicli termodinamici si ottiene rispettivamente un LCOE pari a 103 e 100 Euro/MWh. Passando agli analoghi casi SOTEC invece si ottiene un LCOE pari a 86 ed 88 Euro/MWh. Infine, viene condotta un’analisi economica sulle configurazioni impiantistiche OTEC e SOTEC a 3 cicli termodinamici con dissalazione. Per fare ciò, utilizzando come prezzo di vendita dell’energia l’LCOE trovato nei casi in cui non veniva prodotta acqua pura, si è passati alla ricerca del prezzo di vendita dell’acqua che permette di ammortizzare i costi d’investimento dopo un intervallo temporale sempre di 30 anni. Il parametro trovato, chiamato LCOW (Levelised Cost of Water), risulta valere 2,8 Euro/m3 per la configurazione OTEC e 2,5 Euro/m3 per quella SOTEC.
Studio di cicli OTEC chiusi per la produzione di energia elettrica e acqua dissalata
MURA, LUCA MARIO
2013/2014
Abstract
The energy is used in every aspect of our life, from gasoline to move the cars to the fuel needed to maintain large industries. According to the World Energy Outlook of the IEA (International Energy Agency) world energy consumption will increase of 72% from 2003 to 2030. With the world population growth in the future there will be an increasing need of clean and renewable energy. One of the technologies of power production that meet these characteristics is OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion). This technology is able to exploit the thermal gradient availabe between the surface and deep water in the tropical oceans to produce electric power and in some cases potable water . Of particular interest is the fact that to produce desalinated water the only energy consumption is related to pumps power inside the desalter. In the present work different types of system configurations for the production of power and pure water from the oceans are analyzed with the purpose of finding the best compromise between cost and performance. A first analysis focuses on closed cycle OTEC plants with 1 and 3 thermodynamic cycles in series before moving to the evaluation of SOTEC (Solar OTEC). SOTEC is a OTEC plant with one ORC cycle that uses solar energy harvested with parabolic trough collector as heat source . All analyzed plants have the same inlet flow of warm and cold sea water , of respectively 8491 and 8242 kg /s . Sensivity analyses are carried out varying the working fluid, the cold seawater mass flow and the temperature of warm seawater entering the plant. The fluid that allows obtaining the best efficiency is ammonia. For the OTEC, increasing the number of thermodynamic cycles from 1 to 3, causes the net power to increase (from 3.9 to 6.08 MWel). Moving on to the SOTEC configurations the net power goes from 9.6 to 11.57 MWel. The cases OTEC and SOTEC that allow obtaining the best efficiency appear to be those with 3 thermodynamic cycles. We chose the configurations with 3 thermodynamic cycles to carry out a detailed analysis on the production of drinking water as a co-product by adding a desalinating system downstream of the production system power. In the case in which the desalination system is added OTEC with 3 thermodynamic cycles reach the maximum efficiency of production of salted water equal to 0.59% with a flow rate of pure water of 50 kg/s. In the SOTEC plant with 3 thermodynamic cycles mass flow rate of pure water is 61kg/s, where with an efficiency equal to 0.88%. An economic analysis on the investment costs of the plant is conducted and , using the NPV (Net Present Value) methodology, the LCOE (Levelised Cost of Electricity) is computed. For all configurations a period of operation of the plant of 8,000 h/ per year is assumed (this assumption is very strong in the case SOTEC whose production depends strongly on environmental conditions), and the analysis is carried out on a time horizon of 30 years. We obtain investment costs of 10400, 10000, 8590 and 8260 Eur/kWel for OTEC plants with 1 and 3 cycles and SOTEC plants with 1 and 3 cycles. For OTEC with 1 and 3 thermodynamic cycles we find an LCOE equal to 103 and 100 Eur/MWh respectively. For similar SOTEC cases we find an LCOE equal to 86 and 88 Eur/MWh. Finally, an economic analysis is conducted on the OTEC and SOTEC plant configurations with 3 thermodynamic cycles with desalination. To do this, using as a selling price equal to the LCOE found in cases the selling price of water, wich allows amortizing the investment costs after an interval temporal always of 30 years is assessed. The parameter found, called LCOW (Levelised Cost of Water), is equal to 2.8Eur/ m3 for OTEC configuration and 2.5 Eur/ m3 for SOTEC respectively.| File | Dimensione | Formato | |
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