Techno- and thermo-economic assessment of supercritical CO2 cycles bottoming small-scale gas turbines

The aim of the present thesis work is the assessment of the economic feasibility and the techno-economic optimization of a combined cycle consisting of a small-scale commercial gas turbine by Kawasaki, characterized by a net power output equal to 5.28 MW, and a supercritical CO2 power cycle, characterized by a Partial Heating configuration and by radial-flow turbomachinery. Due to the lack of information on the costs of the sCO2 technology, the economic analysis of the power cycle is here performed by using cost estimates and cost functions available from literature, validated and modified to fit the considered field of application. The economic feasibility assessment, performed by comparing the Levelized Cost of Electricity (LCOE) of the plant with the one of a generic gas turbine providing the same net power output of the considered combined cycle, highlights that, despite the greater initial investment cost, the proposed combined cycle is competitive thanks to its higher efficiency, which allows to achieve cost savings in terms of fuel purchasing. A techno-economic optimization of the plant is carried out with the aid of exergoeconomics. In details, two optimization problems have been defined. The first one, concerning the minimization of costs of the supercritical CO2 bottoming cycle, is solved by means of an iterative procedure based on the use of the exergoeconomic variables, obtaining a solution comparable to the one of an optimization tool. The second optimization problem, also involving, although just partially, the minimization of the costs of the commercial gas turbine, is solved with the aid of an optimization tool. In both cases, despite the uncertainties on the investment costs of the supercritical CO2 cycle, the exergoeconomic analysis leads to similar configurations to varying of the investment costs.

Questa tesi ha come obiettivo lo studio della fattibilità economica e l’analisi tecnico-economica di un impianto per la produzione di potenza composto da un turbogas commerciale Kawasaki, di taglia pari a 5.28 MW, e da un ciclo a CO2 supercritica, caratterizzato da un layout a riscaldamento parziale e dall’impiego di turbomacchine a geometria radiale. A causa della mancanza di informazioni riguardo al costo della tecnologia a CO2 supercritica, i costi di investimento dei componenti del ciclo di potenza sono stati calcolati attraverso stime di costo e correlazioni disponibili in letteratura, validate attraverso un’analisi preliminare e opportunamente adattate al contesto tecnologico. Lo studio della fattibilità economica, realizzato comparando il costo livellato dell’energia elettrica (LCOE) dell’impianto con quello di un generico turbogas della stessa taglia, mostra che, nonostante il maggiore investimento iniziale, l’impianto proposto è competitivo grazie alla maggiore efficienza che consente di ottenere un risparmio dei costi legati al consumo di combustibile. L’analisi tecnico-economica dell’impianto è realizzata attraverso l’ausilio della termoeconomia. Nello specifico, sono stati definiti due problemi di ottimizzazione. Il primo, riguardante la minimizzazione dei costi del solo ciclo a CO2 supercritica, è stato risolto attraverso l’utilizzo di un metodo iterativo basato sulle variabili termoeconomiche. Il secondo, che tiene conto, seppur in maniera parziale, anche dei costi del turbogas, è stato invece risolto attraverso l’utilizzo di un risolutore. In entrambi i casi, nonostante le incertezze relative ai costi di investimento del ciclo a CO2 supercritica, l’analisi termoeconomica porta a configurazioni simili al variare dei costi di investimento.