Performance and cost assessment of integrated solar combined cycles using direct steam generation in linear collectors

Sun energy can be directly converted in electricity through photovoltaic technology or it can be transferred to a working fluid as thermal energy to be converted in electricity in a power plant. Solar thermodynamic technology costs are still high in comparison with more mature technologies. A different way to exploit solar thermal energy is to integrate solar collectors into existing fossil fuelled power plants, thus avoiding investment costs of the power block and enhancing the thermal energy conversion. The present thesis, compares several strategies of integrating solar linear collectors (Parabolic trough and Linear Fresnel) with Direct Steam Generation into a Natural Gas Combined Cycle ((Integrated Solar Combined Cycles - ISCC)). Thermoflex® software has been employed to evaluate integrated cycles performances, both in design and off-design condition, over a representative year. Two operating modalities have been considered: power boosting and fuel saving. Annual results have been used for the economic evaluation of integrated plants, in terms of cost of electricity and of marginal cost of the solar production. Power boosting modality highlights that the marginal cost for solar production is lower for integrated combined cycles than for solar stand-alone plants, while the total electricity produced is not enough to cover the solar part investment costs, so that the electricity cost is lower than the one of the reference combined cycle. In fuel saving mode, requested energy is produced with a lower fuel consumption, thus reducing the LCOE with respect to the reference combined cycle.

L’energia proveniente dal Sole può essere convertita direttamente in energia elettrica, grazie alla tecnologia fotovoltaica, oppure trasferita ad un fluido di lavoro come energia termica che viene convertita in energia elettrica in un impianto di potenza. I costi della tecnologia solare termodinamica, utilizzata in impianti solari stand-alone, sono ancora particolarmente elevati, in confronto ad altre tecnologie più mature. Un’alternativa agli impianti stand-alone per sfruttare l’energia solare termodinamica è quella di integrare i collettori solari in impianti fossili già esistenti, risparmiando così il costo di investimento del blocco di potenza e convertendo l’energia solare con una maggiore efficienza. Il presente lavoro di tesi si concentra sullo studio di diverse strategie di integrazione di concentratori solari lineari (Fresnel e Parabolici), con generazione diretta di vapore, all’interno di un ciclo combinato di riferimento, alimentato a gas naturale (Integrated Solar Combined Cycles - ISCC). Tramite il software Thermoflex®, sono state valutate le performance degli impianti integrati sia in condizioni nominali che di off-design, nell’arco di un anno rappresentativo, seguendo due diverse strategie di funzionamento dell’impianto: power boosting e fuel saving. I risultati annuali sono quindi stati utilizzati per la valutazione dei costi dell’energia totale prodotta da tali impianti, e per la valutazione del costo marginale dell’energia prodotta dalla fonte solare. Nel caso di power boosting, si è evidenziato che il costo marginale dell’energia solare è minore di quella prodotta in impianti solari stand-alone; l’aumento energia elettrica prodotta nell’ISCC non è sufficiente a coprire i costi di investimento addizionali della parte solare, con un conseguente aumento dell’LCOE (Levelised Cost Of Electricity) rispetto a quello del ciclo combinato. Considerando la strategia fuel saving, con richieste della rete ridotte, invece, l’impianto riesce a produrre l’energia richiesta con un minor consumo di combustibile e quindi l’LCOE risulta minore di quello del ciclo combinato di riferimento.