Effects of the main design parameters of a recuperator on the cycle performance and economics using TiCl4-based additive in a sCO2 Brayton cycle for CSP applications

Concentrating Solar Power (CSP) plants coupled with Thermal Energy Storage (TES) can dispatch large electrical production capacities into the grid, by helping with the intermittency and variability of renewable energies. However, the current state-of-art technology for CSP plants is a superheating steam Rankine cycle, which results in a complex power block, with high capital and operational costs, avoiding the diffusion of this type of technology. An interesting alternative is the utilization of CO2 in supercritical conditions with a Brayton cycle which has been proved to allow higher efficiencies at simpler configurations. Nevertheless, CO2 has the disadvantage of having a low critical temperature; thus, maintaining the liquid state at the inlet of the compressor is hardly achievable in hot, dry environments where CSP are commonly located. Previous studies have proposed the use of additives in sCO2 power block to modify the critical point of the working fluid. Titanium chloride is a promising substance that can allow a mixture with a higher critical temperature, enabling to perform compression work near the critical region thus at the CSP environmental conditions. For this study, a simple recuperated Brayton cycle of 50 MW was selected with a working fluid mixture of 95% CO2 + 5% TiCl4, whose power efficiency was increased 5 points to that of a pure sCO2 -based cycle. For this configuration, the recuperator is a crucial component for the cycle efficiency to increase; however, it shares a significant fraction in the capital investment of the power block. Therefore, two types of recuperators were chosen: Shell & Tubes and PCHE, to analyse their main design characteristics such as UA, MITA, and pressure drops and to comprehend their effects on the overall efficiency and the total costs of the power block. Results showed an advantage in the cycle performance for the PCHE based system, which presented lower pressure drops and a significant reduction in volume when compared to that of the Shell & Tubes heat exchangers. These outcomes were complemented with an economic assessment, where Aspen EDR was used for the cost estimation of the Shell & Tubes, and for the PCHE, it was based on the methods found in the literature. The levelized cost of electricity is computed assuming a CSP plant coupled with TES for each power block considered. This analysis showed that there is a MITA value that enables the lowest LCOE which is not affected by the increase in the pressure drop at lower values or the increase in TES and condenser costs at higher MITA. The resulting thermodynamic properties of the mixture showed lower pressure drops on the system with a reduction of the LCOE up to $165/MWh, whereas the pure sCO2 cycle accounted for $169/MWh.

Gli impianti solari a concentrazione (CSP) abbinati a impianti ad accumulo termico (TES) sono in grado di immettere in rete grandi quantità di energia, supportando l'intermittenza e la variabilità dell’energia immessa dalle fonti rinnovabili. Tuttavia, ad oggi la tecnologia all'avanguardia per gli impianti CSP è un ciclo Rankine a vapore surriscaldato, che si traduce in un “blocco di potenza” complesso, con elevati costi sia di capitale che operativi, che attualmente impedisce la diffusione di questo tipo di tecnologia. Una interessante alternativa è l'utilizzo della CO2 in condizioni supercritiche con un ciclo di Brayton che ha dimostrato di consentire efficienze più elevate con configurazioni impiantistiche più semplici. Tuttavia, la CO2 ha lo svantaggio di avere una bassa temperatura critica; pertanto, mantenere lo stato liquido all'ingresso del compressore è di difficile realizzazione negli ambienti caldi e asciutti dove si trovano comunemente CSP. Precedenti studi hanno proposto l'uso di additivi nel power block con sCO2 per modificare il punto critico del fluido di lavoro. Il cloruro di titanio è una sostanza promettente che, miscelata alla CO2, può raggiungere una temperatura critica più elevata, consentendo di eseguire lavori di compressione vicino alla regione critica e quindi alle condizioni ambientali CSP. Per questo studio, è stato selezionato un semplice ciclo di Brayton da 50 MW con recupero termico, che lavora con una miscela fluida composta al 95% da CO2 e al 5% da TiCl4, la cui efficienza energetica è risultata essere 5 punti % maggiore rispetto a quella di un ciclo puro basato su sCO2. Per questa configurazione, il recuperatore di calore è una componente cruciale per l’incremento dell’efficienza del ciclo; tuttavia, occupa una frazione significante all’interno dei costi di capitale del power block. Pertanto, sono stati scelti due tipi di recuperatori: Shell & Tubes e PCHE, analizzando le loro principali caratteristiche di progettazione come UA, MITA e cadute di pressione e comprendendo i loro effetti sull’efficienza complessiva e sul costo totale dell’impianto CSP. I risultati hanno mostrato un vantaggio nelle prestazioni del ciclo per sistema basato su PCHE, il quale ha presentato minori cadute di pressione e una significativa riduzione del volume rispetto agli scambiatori di calore Shell & Tubes. Questi risultati sono stati integrati con una valutazione economica, in cui Aspen EDR è stato utilizzato per la stima dei costi di Shell & Tubes ed i costi di PCHE sono stati stimati con la letteratura trovata. Il costo livellato dell'elettricità viene calcolato ipotizzando un impianto CSP accoppiato con TES per ciascun blocco di potenza considerato. Questa analisi ha dimostrato che esiste un valore MITA che permette il più basso LCOE, che non è influenzato dall'aumento della caduta di pressione a valori più bassi o dall'aumento dei costi di TES e del condensatore a valori più alti. Le proprietà termodinamiche risultanti dalla miscela hanno mostrato minori cadute di pressione sul sistema con una riduzione del LCOE fino a $165/MWh, mentre il ciclo di sCO2 puro ha rappresentato $169/MWh.