Design, optimization and performance assessment of a combined-cycle GT-ORC unit for hybrid heavy-duty trucks

Full vehicle electrification is spreading in the light-duty sector, but is still problematic for long haul trucks: this is due to the reduced energy density of state-of-the-art batteries, which limit the autonomy range of the vehicle. In this context, hybrid electric vehicles are an interesting alternative to deal with the transition. This thesis investigates the possibility of using a combined cycle (micro gas turbine and ORC) as a range extender for a Class 8 HEV. The idea is to exploit the advantages of a microturbine engine w.r.t. a traditional ICE (high power density, fuel flexibility, reduced local emissions), while compensating for its drawbacks: the addition of a bottoming ORC increases the peak efficiency, and the HEV application allows for constant design point operation, thus eliminating the problem of the poor off-design performance. The analysis is performed in two steps. First, the thermodynamic cycle and the two bulkiest heat exchangers (recuperator and HRSG) are designed in an integrated manner. A two-objective optimization is carried out, seeking a trade-off between the system efficiency and the total heat exchanger volume. The best-efficiency point (η=39.6%) is selected from the Pareto front thus generated: indeed, the volume of such point is still quite small (0.154 m3). Secondly, a quasistatic simulation is performed in order to evaluate the fuel economy and emissions of the HEV, and compare them with a conventional Class 8 truck. Results show that, if the the two systems operate with the same fuel (Diesel), the proposed HEV has a better fuel economy and lower CO2 production already for a relatively reduced battery size (1.55 ton). Even better results can be achieved if the microturbine is fed with Natural Gas instead of Diesel (higher LHV, lower CO2 emission factor). Local pollutant emissions are well below the North American and European standards, therefore the vehicle does not require an aftertreatment unit. Such results demonstrate the overall attractiveness and competitiveness of the proposed solution.

La completa elettrificazione dei veicoli si sta diffondendo nel settore light-duty, ma è ancora problematica per gli autocarri a lunga percorrenza: ciò è dovuto alla ridotta densità energetica delle attuali batterie, che limita il raggio di autonomia del veicolo. In questo contesto, i veicoli elettrici ibridi sono un’interessante alternativa per gestire la transizione. Questa tesi indaga la possibilità di usare un ciclo combinato (microturbina a gas e ORC) come range extender per un veicolo ibrido di Classe 8. L’idea è quella di sfruttare i vantaggi di una microturbina rispetto al tradizionale motore a combustione interna (alta densità di potenza, possibilità di operare con combustibili diversi, ridotte emissioni locali), e al tempo stesso compensare i suoi punti deboli: l’aggunta di un ciclo ORC sottostante aumenta il rendimento di picco, mentre l’applicazione a un veicolo ibrido consente un funzionamento costante al punto di progetto, eliminando così il problema della scarsa prestazione off-design. L’analisi è svolta in due fasi. Per prima cosa, il ciclo termodinamico e i due scambiatori di calore più ingombranti (recuperatore e HRSG) sono progettati in modo integrato. Viene svolta un’ottimizzazione con due obiettivi, ricercando un trade-off tra il rendimento del sistema e il volume totale degli scambiatori. Dal fronte di Pareto così generato, viene selezionato il punto con il rendimento più alto (39,6%), in quanto il suo volume è comunque piuttosto ridotto (0,154 m3 ). Successivamente, viene svolta una simulazione quasistazionaria per valutare il consumo di combustibile e le emissioni del veicolo ibrido, e paragonarli con quelli di un autocarro Classe 8 tradizionale. i risultati mostrano che, se i due sistemi operano con lo stesso combustibile (Diesel), il veicolo ibrido proposto ha un minor consumo di combustibile e minore produzione di CO2, già con una batteria di taglia relativamente ridotta (1,55 ton). Si possono ottenere risultati ancora migliori alimentando la microturbina a Gas Naturale anziché a Diesel (maggiore LHV, minor fattore di emissione di CO2). Le emissioni di inquinanti locali sono molto al di sotto degli standard stunitensi ed europei, perciò il veicolo non necessita di un’unità di post-trattamento. Tali risultati dimostrano come, nel complesso, la soluzione proposta sia interessante e competitiva.