Enhanced thermoeconomic input-output analysis (TIOA) for energy conversion system monitoring and diagnosis

In the last decades, thermoeconomic analysis emerged as a combination of exergy analysis and cost accounting principles, widely used for multiple purposes: to account for the exergy and economic costs of energy systems products, to derive the structures of such costs for the design optimization purpose, and to perform system diagnosis quantifying the source and the impact of malfunctions and dysfunctions within the analyzed process. There exist several methodologies to perform Thermoeconomic analysis of the energy conversion systems. These techniques, however; are debatable due to lack of solid classification as well as poor industrial orientation stem from high level of computational requirements. This work aims to fill those gaps by benchmarking the methodologies to define and to solve the Thermoeconomic problem, and to decrease the impediments between research and practice by reducing the complexity of the Thermoeconomic analysis. To do so, two well-established benchmarks, namely, CGAM and TADEUS are employed for the purpose of description and comparison of methodologies, and to highlight strengths, weaknesses and differences among those methods. It is found that, the mathematical layout of the Input-Output method makes it suitable for such kind of analysis known as Thermoeconomic Input-Output Analysis (TIOA). The method is then enhanced for the diagnosis purposes, elaborating on the specific characteristic of the Input-Output method, which investigates the interdependencies between the components. An innovative approach is proposed and formalized to identify the influence of each individual component on the malfunctioning of the other components. The new approach is called Malfunction Decomposition (MD) and it is applied to the well-established CGAM benchmark to highlight the advantages over other Thermoeconomic diagnosis methodologies. Finally, a stand-alone and a reduced order TIOA model is proposed for the on- and off-design performance prediction of energy systems, and applied to La Casella Natural Gas Combined Cycle (NGCC) power plant, in Italy. The model is a suitable tool for power plant operators, makes them capable to derive the same information as the traditional Thermoeconomic Analysis models while providing less complexity and computational effort.

Negli ultimi decenni l'analisi Termoeconomica si è affermata come una metodologia di analisi che combina i principi della termodinamica e quelli di contabilità economica, ampiamente utilizzata per più scopi: valutare i costi exergetici ed economici dei prodotti dei sistemi energetici, derivare la struttura di tali costi per ottimizzare il design dei sistemi energetici, compiere diagnosi finalizzate alla valutazione dell’impatto dei malfunzionamenti interni al processo. Esistono diverse metodologie per l'analisi Termoeconomica dei sistemi di conversione dell'energia. Queste tecniche tuttavia mancano di una solida classificazione e formalizzazione, e richiedono una grande mole di dati per essere applicate. Questo lavoro di tesi mira a colmare queste lacune, compiendo una revisione delle metodologie utili a chiarire il processo di definizione, applicazione e risoluzione del sistema termoeconomico, riducendo così la complessità dell'analisi. A tal fine, sono utilizzati due casi applicativi di riferimento consolidati, ovvero CGAM e TADEUS, per la descrizione e il confronto di metodologie e per evidenziare punti di forza, debolezze e differenze tra questi metodi. I risultati della ricerca rivelano the l’analisi Input-Output può essere impiegata come struttura computazionale adatta per l’applicazione dell’analisi Termoeconomica ai sistemi energetici, e questa tesi si riferisce all’uso di questa metodologia come all’analisi Termoeconomica Input-Output (Thermoeconomic Input-Output Analysis, TIOA). In particolare, questo metodo viene adattato per scopi di diagnosi, rendendo possibile comprendere le interdipendenze dirette e indirette tra diversi componenti in un sistema energetico. Viene quindi proposto e formalizzato un approccio innovativo per identificare l'influenza di ciascun componente sul malfunzionamento degli altri componenti: questo approccio viene denominato Malfunction Decomposition (MD), e viene applicato al benchmark di CGAM consolidato per evidenziare i vantaggi rispetto alle altre metodologie di diagnosi termoeconomica. Infine, il metodo di analisi Termoeconomica Input-Output viene proposto al fine di compiere una riduzione d’ordine dei modelli termodinamici di sistemi energetici, riproducendo il le prestazioni degli impianti di produzione energetica in condizioni di on- e off-design senza ricorrere al loro modello termodinamico. Questo approccio è applicato a una centrale a ciclo combinato realmente operante in Italia (La Casella). Il modello può considerarsi uno strumento idoneo per gli operatori delle centrali elettriche, rendendoli capaci di ricavare le stesse informazioni dei tradizionali modelli di analisi termoeconomica, e fornendo allo stesso tempo una minore complessità e uno sforzo computazionale.