Thermodynamic optimization of the Allam cycle and thermo-fluid dynamic design of the cooled CO2 turine

This thesis presents a thorough thermodynamic analysis and optimization of the Allam cycle, a natural-gas-fired oxy-combustion cycle featuring nearly 100 % CO2 capture level, very high net electric efficiency, and potentially near-zero emissions level. The systematic optimization of the cycle for the maximum efficiency, and the quantification of the effects of the modelling assumptions and equipment performance on the optimal cycle variables and efficiency are performed. To this purpose, the influence of the cycle variables on the thermodynamic performance of the cycle is first assessed by means of sensitivity analyses. Then, the cycle variables, which maximize the net electric efficiency, are determined. The analysis is completed with a high-level economic evaluation comparing the novel oxy-combustion cycle with a post-combustion monoethanolamine absorption process. In addition to the Allam cycle's design analysis, this work investigates the part-load performance of a promising configuration of the cycle, featuring less aggressive operative conditions while maintaining close to optimal efficiency. Several different control strategies are compared, identifying the most advantageous one for each load. Since the most critical piece of equipment of the Allam cycle is the supercritical CO2 turbine, operating at 30 MPa and 1423 K, a thermo-fluid-dynamic mean-line model for the preliminary design of multi-stage axial turbines with blade cooling is presented and applied to the promising configuration of the Allam cycle. Finally, this work proposes a new hybrid cycle based on integrating a pressurized solid oxide fuel cell and a semi-closed regenerative intercooled Brayton cycle using a CO2-rich stream as the working fluid to further boost the overall net electrical efficiency. The results show that the Allam cycle can achieve an optimal net electric efficiency of 55.2 %, featuring a turbine inlet and outlet pressures of 28.4 MPa and 4.7 MPa, respectively, and a turbine inlet temperature of 1397 K. However, a promising configuration features an efficiency penalization is only 0.3 percentage points, a higher net specific work, and a turbine outlet temperature of 998 K, reducing the high-temperature section of the regenerator heat transfer area. Compared to post-combustion monoethanolamine carbon capture, the Allam cycle's electricity and CO2 costs are marginally higher and are expected to decrease due to economies of scale and while increasing the maturity of the technology. Furthermore, it allows capturing the entirety of the CO2 produced in the combustion process, which is a significant advantage in case of the implementation of new emission policies featuring higher CO2 costs, and the higher conversion efficiency fosters the Allam cycle in a high natural gas cost scenario. The analysis of the part-load control strategies has shown that, when the load is above 60 %, the penalty produced by partializing the turbine is not justified. Furthermore, using a partial admission turbine is the only way to reduce the load below 30 %, and further increase the plant flexibility and achieving better cycle efficiency and turndown capacity than a conventional combined cycle. The developed 1-D mean-line code to estimate the preliminary row-by-row geometrical aero-thermal design of cooled turbines has highlighted that adopting a non-uniform distribution of the load coefficient and reducing it throughout the expansion (front-loaded configuration) has a positive impact on the turbine efficiency due to the lower coolant requirement. Furthermore, to cope with the high increase of the working fluid's volumetric flow rate, increasing the flow coefficient could be beneficial for an optimal design. Finally, the proposed hybrid configuration of the Allam cycle featuring a solid oxide fuel can achieve a net electric efficiency of 75.7 % with a turbine inlet and outlet pressure of 39.0 MPa and 1.1 MPa, respectively, and a turbine inlet temperature of 1474 K.

Questa tesi presenta un'approfondita analisi e ottimizzazione termodinamica del ciclo Allam, un ciclo ad ossicombustione alimentato a gas naturale capace di catturare il 100 % della CO2 prodotta, con un’efficienza elevata, e potenzialmente evitando qualsiasi forma di emissione. Un'ottimizzazione sistematica dell'efficienza del ciclo è eseguita, e sono quantificati gli effetti delle assunzioni del modello e delle prestazioni dei componenti sulle variabili del ciclo ottimizzate e sull'efficienza. A tal fine, l'influenza delle variabili del ciclo sulle prestazioni termodinamiche è valutata per mezzo di un'analisi di sensitività. Successivamente, il valore delle variabili che massimizzano l'efficienza del ciclo è determinato. L'analisi è completata con un'analisi economica di alto livello confrontando il nuovo ciclo ad ossicombustione con un sistema di cattura post-combustion basato su un processo di assorbimento con monoetanolammina. In aggiunta all'analisi di design del ciclo Allam, questo lavoro investiga le prestazioni a carico ridotto di una configurazione promettente del ciclo caratterizzata da condizioni operative meno aggressive ma in grado di mantenere un’efficienza vicino al valore ottimo. Differenti strategie di controllo sono confrontate, identificando la migliore per ogni livello di carico. Dato che il component più critico del ciclo Allam è la turbina a CO2 supercritica, operante a 30 MPa e 1423 K, un modello mean-line termo-fluido-dinamico per il design di turbine assiali multistadio raffreddate è presentato e applicato alla configurazione promettente del ciclo Allam. In fine, questo lavoro presenta un nuovo ciclo ibrido basato sull'integrazione di una cella a combustibile ad ossidi solidi pressurizzata con un ciclo Bryton semi-chiuso rigenerativo e inter-refrigerato, usando un flusso principalmente composto da CO2 come fluido di lavoro al fine di incrementare ulteriormente l'efficienza elettrica netta. I risultati mostrano che il ciclo Allam è in grado di raggiungere un’efficienza del 55.2 %, utilizzando una pressione di ingresso e scarico turbina rispettivamente di 28.4 MPa e 4.7 MPa, e una temperatura massima di 1397 K. Tuttavia, una configurazione più promettente, con una penalizzazione di soli 0.3 punti percentuali di efficienza, produce un lavoro specifico maggiore e una temperatura di scarico della turbina di 998 K, riducendo l'area di scambio termico ad alta temperatura del rigeneratore. Confrontato a un sistema post-combustion basato sull'assorbimento con monoetanolammina il ciclo Allam ha costo dell'elettricità prodotta e della CO2 vitata leggermente superiori, ma questi destinati a ridursi come conseguenza delle economie di scala e del progredire della maturità della tecnologia in esame. In aggiunta il ciclo Allam permette di catturare completamente la CO2 prodotta durante il processo di combustione, il che risulta essere un vantaggio nel caso dell'implementazione di nuove politiche per la riduzione delle emissioni che prevedono un costo superiore della CO2, e l'efficienza di conversione superiore risulta ulteriormente vantaggiosa in uno scenario con un costo del gas naturale superiore a quello attuale. L'analisi delle strategie di controllo a carico ridotto mostra che quando il carico è superiore al 60 %, la penalizzazione introdotta dalla parzializzazione della turbina non è giustificabile. Tuttavia, parzializzare l'ammissione in turbina è l'unico modo per ridurre il carico sotto il 30 %, incrementando la flessibilità dell'impianto e raggiungendo un'efficienza e un minimo carico operativo migliori di un ciclo combinato. Il codice mean-line 1-D sviluppato per stimare la geometria preliminare schiera per schiera di turbine raffreddate ha evidenziato che l'adozione di una distribuzione non uniforme del coefficiente di lavoro, riducendolo al procedere dell'espansione, ha un impatto positivo sull'efficienza della turbina a causa della minore quantità di refrigerante richiesta. Inoltre, per sostenere l'incremento significativo di portata volumetrica del fluido di lavoro, aumentare il coefficiente e di flusso durante l'espansione potrebbe avere un effetto positivo per un design ottimale. In fine, il ciclo ibrido proposto combinando il ciclo Allam con una cella a combustibile ad ossidi solidi pressurizzata è in grado di raggiungere un'efficienza elettrica netta pari al 75.7 % con una pressione di ingresso e scarico turbina rispettivamente di 39.0 MPa e 1.1 MPa, e una temperatura massima di 1474 K.