Techno-economic analysis and optimization of large-scale modular CSP tower plants

The rapid growth in the installed capacity from variable renewable sources is increasingly problematic for the electric grid. Thus, concentrated solar power (CSP) appears promising, offering a low-cost thermal storage and decoupling the solar resource from the electric generation. The modular configuration, in which modules are connected to a single thermal storage and power block, solves the optical performance decay for large powers, and takes advantage of the economies of scale of the power block. In this thesis, a techno-economic analysis of large-scale modular CSP plants using molten salts as heat transfer fluid and Rankine cycles is developed. Solar fields are analysed using SolarPILOT, receivers with a Matlab model and Rankine cycles with Thermoflex. In addition, a Matlab model developed from scratch is used for the analysis and optimization of the piping system, allowing the evaluation of thermal losses, pressure losses, and costs. A bottom-up methodology is also developed for designing and optimizing modular plants. Modules of different sizes and geometries are compared using the LCOH indicator, while plants are compared based on LCOE and LSP, a new parameter indicating the plants’ compactness. The results highlight the cost-effectiveness of square modules over free-shape ones, and the techno-economic benefits offered by placing the tower in the centre of circular and square modules. Configurations with polar square modules reduce the LCOE compared to equivalent conventional plants of 110 MWel, at the expense of a lower compactness. The use of surrounded square modules, instead, offers much more compact plants. In the case of 45 MWel with hazy sky, the modular system results in lower LCOE and a higher compactness. Finally, the study of modular plants up to 500 MWel shows a gradual increase in the LCOE due to the piping system, emphasizing the convenience of plants up to 300 MWel and of 2-reheats Rankine cycles. In conclusion, over a wide range of latitudes and in the case of hazy sky, large-scale modular plants offer lower LCOE by employing square polar modules and greater compactness by using square surrounded modules.

Il rapido aumento della capacità installata da fonti rinnovabili variabili è sempre più problematico per la rete elettrica. Il solare termodinamico a concentrazione (CSP) appare dunque promettente, offrendo un accumulo di calore a basso costo e disaccoppiando la risorsa solare dalla generazione elettrica. La configurazione modulare, in cui i moduli sono collegati ad un unico sistema di accumulo e ciclo di potenza, risolve il decadimento delle prestazioni ottiche ad elevate potenze, e sfrutta le economie di scala del ciclo di potenza. Nella presente tesi si sviluppa un’analisi tecno-economica di impianti CSP modulari di grande taglia, che impiegano sali fusi come fluido termovettore e cicli Rankine. I campi solari sono analizzati con SolarPILOT, i ricevitori con un modello Matlab e i cicli Rankine con Thermoflex. Inoltre, si sviluppa integralmente un modello Matlab per l’analisi e l’ottimizzazione del sistema di tubature del fluido termovettore, permettendo la valutazione delle perdite termiche, di pressione, e dei costi. Si definisce anche una metodologia dettagliata per il dimensionamento e l’ottimizzazione di impianti modulari. Moduli i diverse taglie e geometrie sono confrontati tramite l’indicatore LCOH, mentre gli impianti sono confrontati tramite LCOE e LSP, nuovo parametro che ne indica la compattezza. I risultati evidenziano la convenienza dei moduli quadrati rispetto a quelli con forma libera, oltre ai benefici tecno-economici offerti dal posizionamento della torre al centro dei moduli circolari e quadrati. Configurazioni con moduli quadrati polari riducono il parametro LCOE rispetto ad impianti convenzionali equivalenti da 110 MWel, a sfavore di una compattezza inferiore. L’impiego di moduli quadrati circondati offre invece impianti molto più compatti. Nel caso di potenze di 45 MWel ad elevata foschia, la soluzione modulare offre un LCOE inferiore e una compattezza maggiore. Infine, lo studio di impianti modulari fino a 500 MWel evidenzia un progressivo incremento del LCOE a causa del sistema di tubature, sottolineando la convenienza di impianti fino a 300 MWel e di cicli Rankine con 2 risurriscaldamenti. In sintesi, in un ampio intervallo di latitudini e ad elevata foschia, gli impianti modulari di grande taglia offrono LCOE inferiori impiegando moduli polari quadrati e maggiori compattezze utilizzando moduli quadrati circondati.