Criteri di dimensionamento e valutazione economica di caldaie a polverino di carbone per impianti di potenza a CO2 supercritica

To increase the share of renewable energies in the current electric system, a possible solution is to raise the flexibility of coal power plants. This could be accomplished by adopting supercritical CO_2 power cycles (sCO_2), more flexible than the current steam ones and with comparable theoretical efficiency. However, the design of the boiler still presents some issues, due to the different thermodynamic conditions and the different thermal transfer properties of CO_2 with respect to steam. Since only a good exploitation of the heat released by the combustion of coal can allow sCO_2 cycles to compete economically, the scope of this thesis is to develop a numerical code able to design a pulverized coal boiler for a sCO_2 recompressed cycle with a single reheating and a rated power of 100 MW_el. This result is achieved adopting an innovative boiler configuration, which is sized in terms of dimensions and weights of the heat exchangers, partly using construction parameters and procedures of the practice of USC steam boilers, and partly by varying certain quantities in order to optimize some system performances. In this way, boiler designs are provided according to the objective functions to be optimized: maximum net plant efficiency, minimum specific overnight capital cost, minimum specific boiler cost and, lastly, minimum LCOE. To do this, with the masses of the exchangers in the boiler, their costs are estimated, while for the remaining components of the plant some scale functions are used. A sensitivity analysis is then performed on some of the quantities initially deduced from the USC practice and on the size of the system. It is concluded that to obtain a boiler efficiency close to the one of steam applications, it is necessary to change the sCO_2 cycle, and that, from an economical point of view, significant advantages could be achieved modifying some geometrical sizes of the furnace with respect to the USC boiler. Possible future improvements of the code are instead required to extent it with good results at bigger sizes.

Per aumentare lo share delle energie rinnovabili nell’attuale sistema elettrico, una possibile soluzione è la flessibilizzazione degli impianti a carbone. Ciò può essere compiuto adottando cicli di potenza a CO_2 supercritica (sCO_2), più flessibili degli attuali a vapore e con rendimenti teorici comparabili. La realizzazione del boiler presenta però ancora delle criticità, a causa delle diverse condizioni termodinamiche e delle diverse proprietà di scambio termico della CO_2 rispetto al vapore. Siccome solo un adeguato sfruttamento del calore rilasciato dalla combustione del carbone può permettere ai cicli a sCO_2 di competere economicamente, l’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di fornire un codice numerico in grado di dimensionare un boiler a polverino di carbone per un ciclo a sCO_2 ricompresso con singolo risurriscaldamento di taglia pari a 100 MW_el. Questo risultato è stato ottenuto adottando una configurazione di caldaia innovativa, la quale è dimensionata in termini di ingombro e peso degli scambiatori utilizzando in parte parametri costruttivi e procedure della pratica dei boiler per vapore USC, e in parte variando alcune grandezze al fine di ottimizzare certe prestazioni dell’impianto. Si è così proceduto a fornire diversi design di boiler a seconda della funzione obiettivo da ottimizzare: il massimo rendimento del sistema, il minimo overnight capital cost specifico, il minimo costo specifico della caldaia o, da ultimo, il minimo LCOE. Per far questo, a partire dalle masse degli scambiatori nel boiler, se ne è stimato il costo, mentre per i rimanenti componenti dell’impianto si sono utilizzate delle funzioni di scala. È stata poi eseguita un’analisi di sensibilità su alcune delle grandezze inizialmente dedotte dalla pratica USC e sulla taglia di riferimento. Si è concluso che per ottenere rendimenti di caldaia prossimi a quelle a vapore è necessario modificare il ciclo a sCO_2 impiegato, e che dal punto di vista economico significativi vantaggi sono apportati da un cambiamento della geometria della fornace rispetto a quelle USC. Possibili sviluppi futuri del codice sono invece richiesti per adattarlo con buoni risultati a taglie maggiori.