Analisi termodinamica di cicli a recupero a CO2 per impianti turbogas di piccola-media taglia

In the last years, an increasing attention to environmental issues and sustainable development made necessary the development of energy systems with reduced carbon dioxide emissions such as plants powered by renewable sources or by fossil fuels but equipped with CO2 capture sections, or the improvement of the energy efficiency. Closed supercritical CO2 cycles represent a technological solution that finds application in all these areas. In particular, they can be used for waste heat recovery. This thesis aims at investigating the performance of a supercritical CO2 cycle selected as bottoming cycle for two small gas turbines manufactured by Kawasaki. In detail, the rated powers of the gas turbines are respectively 17.97 and 5.28 MWe. The partial heating cycle is chosen as the layout of the bottoming cycle, since it ensures the best trade-off between heat recovery and cycle efficiency, thus a high value of the global system efficiency. Moreover, radial turbomachines are chosen according to the theory of similitude, since the power of the bottoming cycle and the supercritical CO2 volumetric flowrate are very low. In order to evaluate the efficiency of such machines, proper correlations available in literature are used. The thermodynamic analysis of the bottoming cycle is carried out by means of the mass and energy balance equations and the database REFPROP for the evaluation of the thermodynamic properties of CO2. Results show that the system efficiency and the power output are independent on how the flow is internally partitioned in the cycle. However, by increasing the percentage of the total CO2 flowrate sent to the recuperative heat exchanger, the heat rejected by the bottoming cycle and, thus, the auxiliary consumption decrease, therefore the net electric power improves.

Negli ultimi anni, una sempre maggiore attenzione alla tutela dell’ambiente e allo sviluppo sostenibile ha determinato la necessità di sviluppare sistemi di produzione energetica ad emissioni ridotte di anidride carbonica quali impianti alimentati da fonti rinnovabili oppure da combustibili fossili ma dotati di sistemi di cattura della CO2, oppure al miglioramento dell’efficienza energetica. I cicli a gas chiusi a CO2 supercritica rappresentano una soluzione tecnologica che trova applicazione in tutti questi ambiti. In particolare, essi possono essere impiegati per lo sfruttamento energetico del calore di scarto. Lo scopo di questa tesi è proprio lo studio delle prestazioni di un ciclo a CO2 impiegato come bottomer di piccoli turbogas. Nello specifico, qui sono state selezionate due macchine del costruttore Kawasaki con taglia pari rispettivamente a 17,97 e 5,28 MWe. Come layout del ciclo bottomer è scelto il ciclo a riscaldamento a parziale in quanto esso garantisce il miglior compromesso tra recupero di calore di scarto ed efficienza di conversione termodinamica del calore in energia utile, dunque un valore elevato del rendimento di recupero. Inoltre, sono scelte turbomacchine radiali come suggerito dalla teoria della similitudine, in base ai valori di potenza del ciclo bottomer e di portata volumetrica della CO2 supercritica. Per valutare l’efficienza di tali macchine, sono utilizzate correlazioni dedicate presenti in letteratura. L’analisi termodinamica del ciclo bottomer, svolta tramite le equazioni di bilancio di massa ed energia e il database REFPROP per la valutazione delle proprietà termodinamiche della CO2, mostra che il rendimento di recupero del ciclo e la potenza meccanica prodotta sono indipendenti da come il flusso è ripartito internamente al ciclo. Tuttavia, aumentando, la frazione del flusso al recuperatore, diminuisce il calore di scarto del ciclo bottomer, dunque anche il consumo degli ausiliari, ed aumenta, così, la potenza elettrica netta.