Flessibilizzazione di un ciclo combinato tramite accumulo termico locale

This dissertation aims at assessing the benefits of integrating a Thermal Energy Storage (TES) system into the boundaries of a Turbine Gas Combined Cycle to enhance the operational flexibility of the power plant. TES systems have a great potential for the development of new process schemes with higher flexibility to load changes as the thermal input to the power plant can be partially decoupled from the power output. Two novel process concepts are investigated from a techno-economic perspective: the first one involves molten salts as heat transfer fluid and storage medium, while the second one employs both molten salts and synthetic oil. The plant models are implemented and optimized with commercial software Thermoflex 25®. Extensive process simulation is performed in order to evaluate steady-state mass and energy balances and estimate the performance of the integrated system at different loads. Partial load operation criteria are defined and assessed to analyze the charging and discharging phases of the TES systems. The results highlight valuable technical features but remarkable economic issues. On one hand, the operational flexibility is improved to a good degree, as the plant is capable of lowering its minimum and raising its maximum power outputs. On the other hand, the economic analysis shows that higher daily maximum prices of electricity are needed for the Combined Cycle integrated with the TES system to become profitable compared to a conventional plant layout. However, more work has to be carried out in order to properly assess the economic convenience of employing such technology at actual energy market conditions, considering the plants’ participation to ancillary markets.

Il presente lavoro di tesi è finalizzato alla valutazione della possibilità di integrare un sistema di accumulo dell’energia termica in un ciclo combinato di turbina a gas, con l’obiettivo di incrementare la flessibilità operativa della centrale. Due innovativi schemi di processo sono analizzati da un punto di vista tecnico-economico; un primo concept impiega sali fusi come fluido termovettore e mezzo per l’accumulo di energia termica sensibile, mentre un secondo utilizza sia sali fusi sia olio sintetico. I modelli d’impianto sono realizzati ed ottimizzati con il software commerciale Thermoflex 25®. I bilanci di massa ed energia sono risolti sotto l’ipotesi di stazionarietà, con lo scopo di stimare le prestazioni del sistema in condizioni nominali e di fuori progetto. Definiti i criteri di funzionamento off-design, è analizzato l’esercizio dell’impianto a carichi parziali per caratterizzare i processi di carica e scarica dell’accumulo. I risultati evidenziano la presenza di vantaggi tecnici riguardevoli. La flessibilità operativa è significativamente incrementata, dal momento che l’impianto è in grado di abbassare il suo minimo tecnico in maniera sostanziale ed aumentare la riserva di picco di una discreta quantità. D’altra parte, l’analisi economica mostra come siano necessari più alti prezzi massimi giornalieri dell’energia elettrica venduta sul mercato del giorno prima affinché il ciclo combinato con accumulo termico diventi economicamente conveniente rispetto alla sua configurazione convenzionale. Tuttavia, tale analisi economica comparativa tra le due tipologie di centrale, basata esclusivamente sulla partecipazione al mercato dell’energia, si è mostrata insufficiente per cogliere a pieno le potenzialità offerte dalla maggior flessibilità operativa garantita dalla tecnologia di accumulo: sono necessari ulteriori approfondimenti che prendano in considerazione la possibilità per gli impianti di partecipare anche al mercato dei servizi di dispacciamento.