Preliminary design and part load analysis of supercritical carbon dioxide power cycles for gas turbine bottoming applications

Renewables are increasingly growing in the energy mix, causing regulation and control problems for the grid due to their intermittent and unpredictable nature. in the Thus, in the next future conventional fossil fuels power plants will have to shift towards peaker operation and, in this context, combined cycles power plants adopting supercritical CO2 bottoming cycles could be more flexible than steam based ones. This thesis work is developed around one of the replication sites of the CO2OLHEAT project, an EU-funded H2020 project, which aims to enhance waste heat recovery in the industrial and power generation sector by developing a sCO2 power cycle in an operational environment. The replication site is located in the Paris region, where EDF is proposing to convert a power plant consisting of two gas turbines into a combined cycle with a sCO2-based-bottoming configuration. Thus, the objectives of this thesis are to study possible configurations that can be applied to the system and to study their techno-economical performance under nominal and off-design operation. The thesis work mainly focused on two consequent analyses: firstly, the nominal design of the bottoming cycle and secondly its part-load and off design operation, also considering a brief economic evaluation and a preliminary yearly simulation. This Simple Recuperated Configuration (SRC) was selected as it represents the optimal solution for the studied application (i.e., a peaker plant) thanks to its compact dimensions, also leading to lower investment cost. By setting the boundaries (i.e. ambient temperature and gas turbine load) of the analysis, several operative and performances maps have been generated for both the cooling solutions considered in the work, ambient air and water. These maps provide insights on how to operate the power cycle under optimal terms, knowing the optimized variables and inventory and obtaining the maximum power output under those conditions. Finally, the maps of the cycle optimal off-design operation have been employed for a preliminary yearly simulation and techno-economic analysis, obtaining the not discounted payback time of the bottoming system. Even if it resulted evident that considering today’s peaker plant load schedule and 2019 electricity prices the plant may not seem feasible from an economic point of view, considering the conservative assumptions the technology still results interesting for the considered application.

Le rinnovabili sono sempre più in crescita nel mix energetico, causando problemi di regolazione e controllo della rete elettrica a causa della loro natura intermittente e imprevedibile. Per questo motivo nel futuro imminente le centrali elettriche convenzionali a combustibili fossili dovranno gradualmente operare sempre più come impianti “peaker” e, in questo contesto, una soluzione tecnologica basata su cicli combinati che adottano in bottoming cicli supercritici a CO2 potrebbero essere più flessibili di quelle tradizionali che usano cicli Rankine a vapore. Questo lavoro di tesi è stato quindi sviluppato attorno a uno dei casi studio del progetto H2020 CO2OLHEAT, il quale mira a migliorare il recupero del calore di scarto del settore industriale e della generazione di energia dimostrando il potenziale dei cicli a sCO2 in ambiente operativo. Il caso studio considerato è localizzato vicino Parigi, dove EDF propone di convertire una centrale costituita da due turbine a gas in un ciclo combinato con un ciclo di bottoming a sCO2. Gli obiettivi di questa tesi sono pertanto lo studio delle possibili configurazioni di impianto e delle loro prestazioni tecnico-economiche in condizioni di funzionamento nominale e fuori progetto. Il lavoro di tesi si è concentrato principalmente su queste due analisi conseguenti: in primo luogo è stato svolto il progetto nominale del ciclo di bottoming e successivamente è stato studiato il suo funzionamento a carico parziale e fuori progetto al variare del carico della turbina a gas e della temperatura ambiente. In conclusione è stata svolta anche una breve valutazione economica e una simulazione annuale preliminare. La configurazione simple recuperative cycle (SRC) è stata selezionata in quanto rappresenta la soluzione ottimale per l'applicazione studiata (peaker plant) grazie alle sue dimensioni compatte, che comportano anche un costo di investimento inferiore. Dopo aver fissato le condizioni al contorno dell'analisi in termini di temperatura ambiente e carico turbina a gas, diverse mappe operative e prestazionali sono state generate per entrambe le soluzioni di raffreddamento considerate nel lavoro, cioè aria ambiente e acqua. Queste mappe forniscono informazioni sul funzionamento ottimale del ciclo di potenza, e riportano i valori delle le variabili di controllo e della quantità di fluido di lavoro all’interno del sistema, ottimizzati in modo da ottenere la massima potenza per ogni condizione operativa. Infine, le mappe dell'operazione ottimale del ciclo sono state utilizzate per una simulazione annuale preliminare e un'analisi tecnico-economica, ottenendo il tempo di ritorno dell'investimento del sistema bottoming a sCO2. Seppur con le assunzioni fatte, essendo molto conservative, la tecnologia risulta ancora interessante per l’applicazione considerata.