Operating strategies to tackle the effect of the increase of ambient temperature on the performance of dry-cooled coal power plants based on supercritical CO2 power cycles

Nowadays one of the biggest challenges is the battle against climate change. The mean global temperature is increasing and the catastrophic weather events are becoming more frequent with the years passing by. This situation is mainly caused by the greenhouse gases emissions from the energy sector and is therefore pressing to shift towards more sustainable energy sources. However the transitioning towards renewable energy sources cannot be immediate. Their intermittent nature may cause problems to the grid operation. Conventional plants could foster the integration of renewable energy sources (such as wind and solar) by off-setting their intermittent nature providing fluctuating back-up power, however this plants are currently not able to work in this operation and is therefore introduced the sCO2-Flex project. The project aims to design a power plant capable of satisfying this operation in term of power and flexibility, and it plans to do that with a supercritical CO2 brayton cycle. This cycles however present the major problem of the reduction of the maximum power producible with the increase of the ambient temperature. In this thesis work different solutions in order to tackle this problem have been investigated. After an introduction of the plant, the ambient temperature effect will be analyzed and also how the problem is dealt by now. Afterwards different alternative strategies are presented. From the results is assessed that strategies with no variation of the main compressor inlet pressure showed no significant advantage. Instead, the strategies that adopt a regulation of the compressor inlet with a pressure variation present huge improvements and could be considered a viable solution in order to tackle the ambient temperature effect problem for the sCO2 cycles.

Al giorno d’oggi una delle più grandi sfide è la battaglia contro il cambiamento climatico. La temperatura media globale sta aumentando e gli eventi climatici catastrofici stanno diventando sempre più frequenti con il passare degli anni. Questa situazione è causata principalmente dalle emissioni di gas serra provenienti dal settore energetico ed è quindi urgente il passaggio verso fonti energetiche più sostenibili. Tuttavia la transizione verso le energie rinnovabili non può essere immediata. La loro natura intermittente potrebbe causare problemi al funzionamento della rete elettrica. Impianti convenzionali possono incoraggiare l’integrazione delle fornti di energia rinnovabile (come eolico e solare) compensando la loro natura intermittente e fornendo potenza di back-up, tuttavia questo tipo di impianti non è al momento in grado di funzionare in questa operatione ed è quindi introdotto il progetto sCO2-Flex. Questo progetto ha come obbiettivo di progettare un impianto in grado di soddisfare questa operatione in termini di potenza e flessibilità, e pianifica di farlo utilizzando un cyclo Brayton a CO2 supercritica. Questi cicli però presentano il grande problema della riduzione della massima potenza producibile con l’aumento della temperatura ambiente. In questo lavoro di tesi diverse soluzioni mirate a risolvere questo problema sono analizzate. Dopo un’introduzione dell’impianto, l’effetto della temperatura ambiente verrà analizzato e verrà presentato anche come è trattato ora il problema. Successivamente diverse strategie operative saranno presentate. Dai risultati si è definito che strategie che non adottano una variazione della pressione di ingresso di compressore primario non presentano vantaggi signiticativi. Invece, le strategie che adottano una regolazione delle condizioni di ingresso compressore con una variazione di pressione, dimostrano grandi miglioramenti e possono essere considerati una soluzione fattibile per affrontare il problema dell’effetto della temperatura ambiente sui cicli ad anidride carbonica supercritica.