Optimal control of S-CO2 systems using object-oriented models and tools

Flexible tools, such as Modelica, based on the latest face the increasing complexity of the systems and the reduced development time available. It becomes interesting to take advantage from such a high-level language to analyze and simulate innovative energy systems as well as supercritical CO2 cycles. This is not the only advantage, indeed, thanks to the Optimica extension, it is possible to implement on them advanced non-linear optimal control techniques. Considering the intrinsically non-programmable nature of the new renewable sources, such multi-variable strategies, allow to obtain an higher flexibility of the response to load variations if compared with the traditional regulation schemes. Following the development of a Modelica model of a re-compressing S-CO2 Brayton cycle, suitable for optimization tasks, and after a careful dynamic analysis which has permitted to detect the most critical aspects of the system, it has been provided a clear and valid methodology to implement such a control strategy. It has been demonstrated as well as how, through appropriate arrangements, the Open-source tools OpenModelica and Jmodelica, can be successfully used to solve these types of issues on S-CO2 innovative energetic systems described in Modelica.

Tool flessibili basati sui più recenti linguaggi di modellazione ad oggetti, come Modelica, vengono utilizzati sempre più per far fronte alla crescente complessità dei sistemi e alle ridotte tempistiche di sviluppo disponibili. Diventa interessante poter sfruttare i vantaggi portati da un tale linguaggio ad alto livello per l'analisi e la simulazione di sistemi energetici innovativi quali i cicli a CO2 supercritica. Non solo, grazie all'estensione Optimica, risulta possibile implementare su di essi tecniche avanzate di controllo ottimo non lineare. Tali strategie multivariabili, data la natura intrinsecamente non programmabile delle nuove fonti di energia rinnovabili, consentono di ottenere una maggiore flessibilità della risposta a variazioni di carico rispetto ai tradizionali schemi di regolazione. A seguito dello sviluppo di un modello Modelica di un ciclo Brayton a ricompressione a CO2 supercritica, adatto per impieghi di ottimizzazione, e dopo un'attenta analisi dinamica che ha permesso di individuare gli aspetti critici del sistema, è stata fornita una metodologia valida per l'implementazione di tale strategia di controllo. Si è dimostrato così come, attraverso opportuni accorgimenti, gli strumenti Open-source OpenModelica e Jmodelica, possano essere utilizzati con successo per risolvere problemi di questo tipo su sistemi energetici innovativi a SCO2 descritti in Modelica.