Techno-economic analysis of closed OTEC cycles using zeotropic mixtures

In this thesis work, diverse OTEC plant configurations for power production, working with zeotropic mixtures as working fluid in thermodynamic cycles, have been investigated in order to assess potential advantages compared to pure fluids. Techno-economic optimization has been performed to assess the best configuration among saturated Rankine cycle working with refrigerant mixtures or Kalina and Uehara cycle working with ammonia-water mixture. Furthermore, each of the studied thermodynamic cycles were compared with a conventional Rankine cycle working with pure ammonia. Finally, economic analysis has been conducted with the same simplified assumptions for each OTEC plants and LCOE is obtained. The achieved results show that adopting zeotropic mixtures in OTEC applications is not convenient with respect pure fluids; the lowest LCOE, equal to 259€/MWhe, has been obtained for saturated Rankine cycle working with pure ammonia.

In questo lavoro di tesi sono stati studiati diverse configurazioni impiantistiche OTEC per la produzione di potenza, le quali usano miscele zeotropiche come fluido di lavoro all’interno dei rispettivi cicli termodinamici, al fine di valutare se la differenza di temperatura in transizione di fase costituisce un vantaggio rispetto ai fluidi puri. Per valutare la migliore configurazione tra un ciclo Rankine saturo che lavora con miscele di refrigeranti o un ciclo Kalina o Uehara che lavorano con una miscela di acqua e ammoniaca, è stata considerata un’ottimizzazione tecno-economica. Inoltre, ciascuno dei cicli termodinamici proposti è stato confrontato con un ciclo Rankine convenzionale che impiega ammoniaca pura come fluido di lavoro. Infine, in seguito a un’analisi economica tra i diversi tipi di impianti studiati si è potuto ricavare il costo dell’elettricità LCOE. I risultati mostrano che l’impiego di miscele zeotropiche per applicazioni OTEC non è conveniente rispetto all’utilizzo di fluidi puri; il minor costo dell’elettricità, LCOE uguale a 259€/MWhe, è stato ottenuto per un ciclo Rankine saturo ad ammoniaca pura.