One of the main challenges for renewable energy sources massive implementation is to assure dispatchability even though their characteristic uncertainty. One attractive solution to this problem is energy storage which, in the last decades, has been analysed in all its variants: hydraulic, thermal, thermo-chemical, chemical, and electrochemical. Therefore, I chose to focus my master’s thesis on this concept, motivated by the global interest of increasing the percentage of energy production from renewable sources that led to pact 20 20 20 and the Paris Agreement. The present Master Thesis is focused on the Concentrated Solar Power (CSP) technology coupled with CO2/sCO2 cycles and thermo-chemical energy storage based on calcium looping technology (CaL). The thesis structure is the following. In the first three chapters of the present work, a brief analysis of CSP technology, sCO2 cycle and energy storage, is provided. Consequently, thanks to the software MATLAB, thermal models of the sand solid particle receiver and solar calciner are developed. Afterwards, the modelling of the sand-sCO2 and Cal-CO2 power cycles by means of ASPEN PLUS software is described. Finally, the two technologies are coupled in innovative plant configurations. CSP technology has been described from an economic perspective in order to motivate the interest in the technology itself. Secondly, a technical classification of CSP’s components has been developed enhancing those characteristics that have been exploited in the proposed models. More specifically, receiver component has been studied deeply, analysing the ideal performance of the desired receiver and the different technologies that ensure a behaviour close to the ideal one. Furthermore, several Heat Transfer Fluids (HTFs) have been described with a focus on solid particles. In chapter 2, a thermodynamic analysis of CO2 has been explicated highlighting how operating conditions close to CO2 critical point strongly reduce compression work. Furthermore, different power block designs have been explained discussing their operating conditions and performances. In chapter 3, energy storage classification has been provided in order to show the global perspective. As further described, this thesis adopts thermochemical energy storage by means of the CaL technology. Due to the proved high efficiency of sCO2 cycles coupled with CSP, and their elevated operating temperatures, in the last years new HTFs have been studied in order to achieve higher temperatures than the ones ensured by nitrate molten salts adopted in commercial CSP plants, such as Gemasolar whose HTF maximum temperature is 565°Ca. Solid particles heat transfer media represent an interesting solution because they are cheap and thermally stable at temperatures higher than 565°C. The receiver thermal model simulates several physical processes such as fluid dynamic interaction between gas and particles, radiative heat exchange, convective heat exchange and thermal losses. An advanced analysis of the physical processes has been provided in chapter 4. Each phenomenon has been simulated thanks to a proper functions and iterative cycles that verify obtained results. The solid particle receiver thermal model, discussed in the chapter 5, investigates a mixture of sand and air as HTF ensuring a temperature increase from 570°C to 770°C, overcoming the limiting maximum temperature of commercial molten salts. The sand receiver is composed by 46 tubes in parallel. Each tube has a diameter of 0,3 meters and globally the processed sand flow rate is 136 kg/s, meanwhile the processed air flow rate is 10,12 kg/s. Receiver geometry is a semi-circular cylinder with a diameter of 9 meters and a receiver height of 40 meters. The computed heat flux over the receiver (1,4 kW/m2) and the thermal efficiency of the receiver (81%) are acceptable results if compared with literature data. Following the characterization of the solid particle receiver that ensures a maximum HTF output temperature of 770°C, the design of the sand/sCO2 heat exchanger has been processed. A packed bed heat exchanger (PBHE) layout has been adopted. Maximum achieved CO2 output temperature is 700°C meanwhile heat exchanger effectiveness is 72%. Thanks to the high turbine inlet temperature (TIT) of 700°C the sCO2 proposed layout, Recompression Main Compressor Intercooling (RMCI), modelled with ASPEN PLUS, achieves efficiencies around 45,75% (without auxiliary energy consumption). Cycle optimisation has been developed varying SR, in order to counterbalance hot side and cold side heat capacities in the low temperature recuperator, and minimising temperature difference at recuperators’ interference. Optimised layout reaches an efficiency of 50,2% (47,11% considering auxiliaries). Chapters 7 and 8 deal with Calcium Looping (CaL) technology as thermochemical energy storage. In CaL plants, the receiver is a calciner reactor that exploits concentrated heat supporting the endothermic calcination reaction. In a calciner, the chemical reaction strongly influences mass flows, heat fluxes and fluid dynamic. Therefore, to better control the reaction across the calciner, an inhomogeneous heat flux over the receiver has been modelled. The optimised MATLAB calciner’s configuration achieves complete conversion with a residence time of 15, 57 seconds. In order to process a particle flow rate around 100 kg/s, the adopted receiver design is a parallelepiped with four cavity reactors (one per each side). Due to the proposed design, obtained receiver geometry is relatively compact: receiver height 20 meters, receiver cross area 478 square meters. For further information please check chapter 7. Afterwards the calciner characterisation, Cal plant’s design has been analysed in chapter 8 with the help of ASPEN PLUS software. The main advantage of CaL plants is the possibility to operates in night-time without requiring any heat source. In order to do so, carbonator’s reactants must be preheated correctly in night-time mode. Therefore, different plant designs and mass flow rates have been analysed to ensure efficient night-time operating conditions. Ultimately, several plant data have been optimised to improve cycle efficiency reaching a final value of 27,13%. Optimised plant data are here reported: carbonator pressure of 3 bar, CO2 storage pressure of 75 bar and CaO conversion of 40%. Obtained power output in day-time is 4,5 MW, meanwhile is 16,2 MW in night-time. The coupled CaL-sCO2 configuration is analysed and optimised in chapter 9. Three different configurations have been studied. All investigated layouts exploit a portion of the calciner outlet CO2 flow in the sCO2 cycle before loading it in the storage tank. Layout 1 presents a heat exchanger between sand receiver’s air outlet and calciner’s reactant flow. The adopted design solution reduces sCO2 cycle auxiliary consumption increasing overall plant efficiency up to 30,6%. Layout 2 presents an additional heat exchanger that provides heat from calciner’s CO2 output to the sCO2 cycle downstream the PBHE. Therefore, sCO2 TIT rises up to 764,3°C improving sCO2 cycle power production from 11,9 MW (layout 1) to 13,7 MW. Due to so, the global plant integration efficiency rises to 31,18%. Finally, a third layout is proposed. The sand solid particle receiver is removed therefore the only heat provided to the sCO2 cycle came from calciner’s CO2 outlet. In order to achieve high TIT (948°C) the sCO2 cycle mass flow rate has been reduced from 100 kg/s to 20 kg/s. Global plant efficiency reached is 28,8%. The thesis was developed in collaboration with the University of Seville in the context of the H2020 project, Socratces, grant number 727348.
Una delle principali sfide per l'implementazione massiva delle fonti energetiche rinnovabili è garantire la dispacciabilità di energia pulita, nonostante la caratteristica aleatorietà delle fonti stesse. Una soluzione interessante a questo problema è l'accumulo energetico che, negli ultimi decenni, è stato analizzato in tutte le sue varianti: idraulico, termico, termochimico, chimico ed elettrochimico. Ho quindi scelto di sviluppare la mia tesi magistrale su questo concetto motivato dall'interesse globale di aumentare la percentuale di produzione di energia da fonti rinnovabili, come dimostrato dal patto 20 20 20 e dall'Accordo di Parigi. La presente tesi di laurea è incentrata sulla tecnologia del solare a concentrazione termodinamico (CSP) accoppiata a cicli CO2/sCO2 e accumulo termochimico di energia Calcium Looping (CaL). La struttura della tesi è la seguente. Nei primi tre capitoli del presente elaborato viene fornita una breve analisi della tecnologia CSP, dei cicli sCO2 e dei sistemi di accumulo energetico. Successivamente vengono sviluppati, utilizzando il software MATLAB, il modello termico del ricevitore solare a sabbia e del calcinatore solare. Dopodiché i cicli di potenza sabbia-sCO2 e CaL-CO2 sono modellati con il software ASPEN PLUS. Infine, le due tecnologie analizzate vengono integrate in innovative configurazioni di impianto. Gli impianti CSP sono stati descritti dal punto di vista economico con lo scopo di motivare l'interesse per la tecnologia stessa, mentre, in secondo luogo, una classificazione tecnica dei componenti è stata esposta, valorizzando quelle caratteristiche che sono state sfruttate nei modelli proposti. Nello specifico, la componente del ricevitore è stata studiata a fondo, analizzandone il comportamento teorico-ideale e le diverse tecnologie che permettono di emularlo. Inoltre, sono stati descritti diversi fluidi termovettori, con particolare attenzione ai mezzi di particelle solide. Nel capitolo 2 è fornita un'analisi termodinamica della CO2, che evidenzia come condizioni operative prossime al punto critico riducano fortemente il lavoro di compressione. Inoltre, sono stati elencati diversi design di cicli di potenza dettagliando le condizioni operative e le prestazioni. Nel capitolo 3, la classificazione delle tecnologie di accumulo energetico è stata fornita per mostrare la prospettiva globale. Successivamente, l'accumulo di energia termochimico mediante la tecnologia CaL, principale oggetto di studio di questa tesi, viene approfondito. A causa della comprovata alta efficienza dei cicli sCO2 accoppiati con CSP e delle loro elevate temperature di esercizio, negli ultimi anni sono stati studiati vari fluidi termovettori per ottenere temperature più elevate di quelle assicurate dai sali fusi ai nitrati attualmente utilizzati in applicazioni CSP commerciali, come ad esempio l’impianto Gemasolar che raggiunge una temperatura massima di 565°Ca. I mezzi a particelle solide rappresentano una soluzione interessante perché sono economici e termicamente stabili a temperature maggiori di 565°C. Il modello termico del ricevitore simula diversi processi fisici: l'interazione fluidodinamica tra gas e particelle, scambio termico radiativo, scambio termico convettivo e perdite termiche. Ogni fenomeno è stato simulato grazie ad apposite funzioni e cicli iterativi che verificano i risultati ottenuti. Nel capitolo 4 è stata fornita un'analisi avanzata dei processi fisici. Il modello termico MATLAB del ricevitore a particelle solide, discusso nel capitolo 5, processa una miscela di sabbia e aria come fluido termovettore garantendo un aumento della temperatura da 570°C a 770°C, superando la limitante temperatura massima dei sali fusi ai nitrati. Il ricevitore di sabbia è composto da 46 tubi in parallelo. Ogni tubo ha un diametro di 0,3 metri e globalmente la portata di sabbia è di 136 kg/s, mentre la portata d'aria è di 10,12 kg/s. La geometria del ricevitore è un cilindro semicircolare con un diametro di 9 metri e un'altezza di 40 metri. Il flusso di calore calcolato sul ricevitore (1,4 kW/m2) e l'efficienza termica ottenuta (81%) sono risultati accettabili se confrontati con i dati della letteratura. A seguito della caratterizzazione del ricevitore di particelle solide, che garantisce una temperatura massima di uscita del fluido termovettore di 770 ° C, è stato dimensionato lo scambiatore di calore sabbia /sCO2. È stato adottato un layout a letto impaccato (PBHE). La temperatura massima di uscita della CO2 raggiunta è di 700°C, mentre l'efficacia dello scambiatore di calore è del 72%. Grazie all'elevata temperatura di ingresso alla turbina (TIT) di 700°C il layout sCO2 proposto, Recompression Main Compressor Intercooling (RMCI), modellato con ASPEN PLUS, raggiunge efficienze intorno al 45,75% senza considerare il consumo degli ausiliari. L'ottimizzazione del ciclo è stata sviluppata variando la quantità di flusso massico ricompresso, al fine di controbilanciare le capacità termiche del lato caldo e del lato freddo nel recuperatore di bassa temperatura, e ridurre la differenza di temperatura all'interfaccia dei recuperatori. Il layout ottimizzato raggiunge un‘efficienza del 50,2% (47,11% considerando il consumo degli ausiliari). I capitoli 7 e 8 trattano la tecnologia Calcium Looping (CaL) con accumulo di energia termochimico. Negli impianti CaL, il ricevitore è un calcinatore che sfrutta il calore solare per sviluppare la reazione di calcinazione endotermica. In un calcinatore, la reazione chimica influenza fortemente i flussi di massa, i flussi di calore e l’interazione fluidodinamica tra gas e particelle. Pertanto, al fine di controllare al meglio la reazione lungo tutto il calcinatore, è stato modellato un flusso di calore disomogeneo sul ricevitore. La configurazione ottimizzata del modello MATLAB del calcinatore raggiunge la conversione completa di CaCO3 con un tempo di residenza di 15, 57 secondi. Per elaborare una portata di particelle di circa 100 kg/s, si è dovuto adottare un ricevitore a forma di parallelepipedo con quattro reattori a cavità (uno per ogni lato). A causa del design proposto, la geometria ottenuta è relativamente compatta. Altezza 20 metri, area trasversale 478 metri quadrati. Per ulteriori informazioni consultare il capitolo 7. Dopo la caratterizzazione del calcinatore, l'impianto CaL è stato analizzato nel capitolo 8 con l’aiuto del software ASPEN PLUS. Il vantaggio principale degli impianti CaL è la possibilità di operare di notte senza necessitare di alcuna fonte di calore. Per fare ciò, i reagenti del carbonatatore devono essere preriscaldati correttamente durante le ore notturne. Pertanto, diversi modelli di impianto e portate massiche sono stati analizzati per garantire condizioni operative notturne efficienti. Successivamente, diversi dati di impianto sono stati ottimizzati per migliorare l'efficienza del ciclo raggiungendo un valore finale del 27,13%. Vengono qui riportati i dati dell'impianto ottimizzato: pressione del carbonatatore di 3 bar, pressione di stoccaggio della CO2 di 75 bar e conversione del CaO del 40%. La potenza prodotta durante il giorno è di 4,5 MW, mentre di notte è di 16,2 MW. Infine, la configurazione accoppiata CaL-sCO2 viene analizzata e ottimizzata nel capitolo 9. Sono state studiate tre diverse configurazioni. Tutti i layout studiati sfruttano una parte del flusso di CO2 in uscita dal calcinatore nel ciclo sCO2 prima di immagazzinarlo nel serbatoio di stoccaggio. Il layout 1 presenta uno scambiatore di calore tra il flusso d’aria all’uscita del ricevitore a sabbia e il flusso del reagente del calcinatore. La soluzione progettuale adottata riduce il consumo ausiliario del ciclo sCO2 aumentando l'efficienza complessiva dell'impianto fino al 30,6%. Il layout 2 presenta uno scambiatore di calore aggiuntivo che fornisce calore dal flusso di CO2 all'uscita del calcinatore al ciclo sCO2, a valle del PBHE. Pertanto, la TIT del ciclo sCO2 sale fino a 764,3° C migliorando la produzione di potenza del ciclo di sCO2 da 11,9 MW (layout 1) a 13,7 MW. Di conseguenza, l'efficienza dell'impianto integrato sale al 31,18%. Infine, viene proposto un terzo layout. Il ricevitore di a sabbia viene rimosso, perciò l'unico fonte di calore del ciclo sCO2 è il flusso di CO2 all'uscita del calcinatore. Per ottenere una TIT elevata (948°C), la portata massica del ciclo sCO2 è stata ridotta da 100 kg/s a 20 kg/s. L'efficienza globale dell'impianto raggiunta è del 28,8%. Si ricorda che la tesi è stata sviluppata in collaborazione con l'Università di Siviglia nell'ambito del progetto H2020, Socratces, borsa di studio 727348.
1-D modelling of solid particle solar receivers and technical assessment of innovative sCO2-CaL plant integrations
Ceresoli, Giorgio
2019/2020
Abstract
One of the main challenges for renewable energy sources massive implementation is to assure dispatchability even though their characteristic uncertainty. One attractive solution to this problem is energy storage which, in the last decades, has been analysed in all its variants: hydraulic, thermal, thermo-chemical, chemical, and electrochemical. Therefore, I chose to focus my master’s thesis on this concept, motivated by the global interest of increasing the percentage of energy production from renewable sources that led to pact 20 20 20 and the Paris Agreement. The present Master Thesis is focused on the Concentrated Solar Power (CSP) technology coupled with CO2/sCO2 cycles and thermo-chemical energy storage based on calcium looping technology (CaL). The thesis structure is the following. In the first three chapters of the present work, a brief analysis of CSP technology, sCO2 cycle and energy storage, is provided. Consequently, thanks to the software MATLAB, thermal models of the sand solid particle receiver and solar calciner are developed. Afterwards, the modelling of the sand-sCO2 and Cal-CO2 power cycles by means of ASPEN PLUS software is described. Finally, the two technologies are coupled in innovative plant configurations. CSP technology has been described from an economic perspective in order to motivate the interest in the technology itself. Secondly, a technical classification of CSP’s components has been developed enhancing those characteristics that have been exploited in the proposed models. More specifically, receiver component has been studied deeply, analysing the ideal performance of the desired receiver and the different technologies that ensure a behaviour close to the ideal one. Furthermore, several Heat Transfer Fluids (HTFs) have been described with a focus on solid particles. In chapter 2, a thermodynamic analysis of CO2 has been explicated highlighting how operating conditions close to CO2 critical point strongly reduce compression work. Furthermore, different power block designs have been explained discussing their operating conditions and performances. In chapter 3, energy storage classification has been provided in order to show the global perspective. As further described, this thesis adopts thermochemical energy storage by means of the CaL technology. Due to the proved high efficiency of sCO2 cycles coupled with CSP, and their elevated operating temperatures, in the last years new HTFs have been studied in order to achieve higher temperatures than the ones ensured by nitrate molten salts adopted in commercial CSP plants, such as Gemasolar whose HTF maximum temperature is 565°Ca. Solid particles heat transfer media represent an interesting solution because they are cheap and thermally stable at temperatures higher than 565°C. The receiver thermal model simulates several physical processes such as fluid dynamic interaction between gas and particles, radiative heat exchange, convective heat exchange and thermal losses. An advanced analysis of the physical processes has been provided in chapter 4. Each phenomenon has been simulated thanks to a proper functions and iterative cycles that verify obtained results. The solid particle receiver thermal model, discussed in the chapter 5, investigates a mixture of sand and air as HTF ensuring a temperature increase from 570°C to 770°C, overcoming the limiting maximum temperature of commercial molten salts. The sand receiver is composed by 46 tubes in parallel. Each tube has a diameter of 0,3 meters and globally the processed sand flow rate is 136 kg/s, meanwhile the processed air flow rate is 10,12 kg/s. Receiver geometry is a semi-circular cylinder with a diameter of 9 meters and a receiver height of 40 meters. The computed heat flux over the receiver (1,4 kW/m2) and the thermal efficiency of the receiver (81%) are acceptable results if compared with literature data. Following the characterization of the solid particle receiver that ensures a maximum HTF output temperature of 770°C, the design of the sand/sCO2 heat exchanger has been processed. A packed bed heat exchanger (PBHE) layout has been adopted. Maximum achieved CO2 output temperature is 700°C meanwhile heat exchanger effectiveness is 72%. Thanks to the high turbine inlet temperature (TIT) of 700°C the sCO2 proposed layout, Recompression Main Compressor Intercooling (RMCI), modelled with ASPEN PLUS, achieves efficiencies around 45,75% (without auxiliary energy consumption). Cycle optimisation has been developed varying SR, in order to counterbalance hot side and cold side heat capacities in the low temperature recuperator, and minimising temperature difference at recuperators’ interference. Optimised layout reaches an efficiency of 50,2% (47,11% considering auxiliaries). Chapters 7 and 8 deal with Calcium Looping (CaL) technology as thermochemical energy storage. In CaL plants, the receiver is a calciner reactor that exploits concentrated heat supporting the endothermic calcination reaction. In a calciner, the chemical reaction strongly influences mass flows, heat fluxes and fluid dynamic. Therefore, to better control the reaction across the calciner, an inhomogeneous heat flux over the receiver has been modelled. The optimised MATLAB calciner’s configuration achieves complete conversion with a residence time of 15, 57 seconds. In order to process a particle flow rate around 100 kg/s, the adopted receiver design is a parallelepiped with four cavity reactors (one per each side). Due to the proposed design, obtained receiver geometry is relatively compact: receiver height 20 meters, receiver cross area 478 square meters. For further information please check chapter 7. Afterwards the calciner characterisation, Cal plant’s design has been analysed in chapter 8 with the help of ASPEN PLUS software. The main advantage of CaL plants is the possibility to operates in night-time without requiring any heat source. In order to do so, carbonator’s reactants must be preheated correctly in night-time mode. Therefore, different plant designs and mass flow rates have been analysed to ensure efficient night-time operating conditions. Ultimately, several plant data have been optimised to improve cycle efficiency reaching a final value of 27,13%. Optimised plant data are here reported: carbonator pressure of 3 bar, CO2 storage pressure of 75 bar and CaO conversion of 40%. Obtained power output in day-time is 4,5 MW, meanwhile is 16,2 MW in night-time. The coupled CaL-sCO2 configuration is analysed and optimised in chapter 9. Three different configurations have been studied. All investigated layouts exploit a portion of the calciner outlet CO2 flow in the sCO2 cycle before loading it in the storage tank. Layout 1 presents a heat exchanger between sand receiver’s air outlet and calciner’s reactant flow. The adopted design solution reduces sCO2 cycle auxiliary consumption increasing overall plant efficiency up to 30,6%. Layout 2 presents an additional heat exchanger that provides heat from calciner’s CO2 output to the sCO2 cycle downstream the PBHE. Therefore, sCO2 TIT rises up to 764,3°C improving sCO2 cycle power production from 11,9 MW (layout 1) to 13,7 MW. Due to so, the global plant integration efficiency rises to 31,18%. Finally, a third layout is proposed. The sand solid particle receiver is removed therefore the only heat provided to the sCO2 cycle came from calciner’s CO2 outlet. In order to achieve high TIT (948°C) the sCO2 cycle mass flow rate has been reduced from 100 kg/s to 20 kg/s. Global plant efficiency reached is 28,8%. The thesis was developed in collaboration with the University of Seville in the context of the H2020 project, Socratces, grant number 727348.| File | Dimensione | Formato | |
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