A two-step procedure for the identification of the optimal HTF in solar tower receivers

Concentrated solar power tower (CSP) is one of the most interesting renewable energy technology due to its possibility to adopt a thermal energy storage that allows the continuity of production also during the night. This technology is in the first phase of development, and one of the main problems is the high investment cost, compared to the others renewable ones. Its evolution depends on the reduction of these costs, possible thanks to an improvement of the performances. The objective of this thesis to select thanks to a two-step procedure an innovative working fluid that can overcome the limit of the temperature of operation of 565°C This limit is imposed by two factors, the boiling temperature of the working fluid and the maximum allowable temperature of the traditional Rankine cycle. For this reason, it is performed an analysis to find innovative HTFs that can support higher temperature of operation (700°C). After this research are selected NaCl-KCl-MgCl2, KCl-MgCl2-ZnCl2, KCl-MgCl2, Solar salt, HITEC, NaCl-MgCl2, Li2CO3-Na2CO3-K2CO3, sodium, LiF-Na2CO3-K2CO3 and LBE as interesting HTFs. All the HTFs under study are analysed computing their thermal properties and then are compared, thanks to some Figures of Merit. The new operating temperature allows to couple the receiver with new power blocks like sCO2 and TiCl4-CO2 cycle, that have a higher efficiency than that of the traditional one. The methodology of the analysis of on-design, annual and economic performances are introduced in two locations: Sevilla and Las Vegas. The results obtained shown the possibility of improvement of the annual efficiency up to 19% for the sodium, for NaCl-MgCl2 and for LiF-Na2CO3-K2CO3 with a net energy produced of 131.69 MWh, 116.45 MWh and 118.25 MWh respectively in Sevilla. It is also computed the Levelized Cost of Electricity that is 163.17 $/MWh for the sodium, 166.75 $/MWh for NaCl-MgCl2 and 172.77 $/MWh for LiF-Na2CO3-K2CO3. The competitivity of NaCl-MgCl2 is attributable to its low cost and good performances, despite its high corrosivity. The same analysis is performed also in Las Vegas with an increase in the net energy produced and a reduction in the LCOE.

Gli impianti solari a concentrazione sono una delle più interessanti tecnologie per lo sfruttamento delle fonti rinnovabili, perché hanno la possibilità di adottare un sistema di stoccaggio termico, il quale permette di avere una produzione di energia continua anche di notte. Questa tecnologia non è ancora completamente matura, uno dei sui principali problemi è l’elevato costo d’investimento, rispetto alle altre energie rinnovabili. Il suo sviluppo e la sua diffusione dipendono dalla riduzione di questi costi, realizzabile attraverso un miglioramento delle prestazioni. L’obbiettivo di questa tesi è trovare attraverso un metodo a due step un fluido termovettore che permetta di superare la massima temperatura operativa delle attuali centrali a torre che è fissata a 565°C. Questo limite è dovuto a due fattori: la temperatura di ebollizione dei fluidi e la massima temperatura di funzionamento dei tradizionali cicli Ranking. Per risolvere il primo problema è stata eseguita un’analisi di nuovi fluidi termovettori che possano sopportare alte temperature operative (700°C). I fluidi selezionati sono: NaCl-KCl-MgCl2, KCl-MgCl2-ZnCl2, KCl-MgCl2, Solar salt, HITEC, NaCl-MgCl2, Li2CO3-Na2CO3-K2CO3, Sodio, LiF-Na2CO3-K2CO3 e LBE. Per tutti questi fluidi sono state calcolate le proprietà termodinamiche ed è stata eseguita una comparazione attraverso delle Figure di Merito. La nuova temperature operativa permette di accoppiare il ricevitore con un innovativo ciclo di potenza che utilizza la tecnologia dei cicli a gas con sCO2 o TiCl4-CO2 come fluido di lavoro. La metodologia per l’analisi on-design, annuale ed economica è stata definita per due località: Siviglia e Las Vegas. I risultati ottenuti mostrano una possibilità di crescita per il rendimento annuale fino ad un valore intorno al 19% per il sodio per NaCl-MgCl2 e LiF-Na2CO3-K2CO3 con una potenza annuale pari a 131.69 GWh, 116.45 GWh e 118.25 MWh rispettivamente. Questi valori sono validi per Siviglia, in seguito la stessa analisi è stata eseguita a Las Vegas con una crescita della produzione dovuta al maggiore irraggiamento. È stato anche calcolato LCOE che è pari a 163.17 $/MWh per il sodio, 166.75 $/MWh per NaCl-MgCl2 e 172.77 $/MWh per LiF-Na2CO3-K2CO3, questo risultato è dovuto principalmente al minor costo del sale e alle sue buona proprietà termiche, nonostante la forte penalizzazione dovuta all’elevata corrosività.