Supercritical CO2 cycles for waste heat recovery in offshore application : a multi-objective optimization on net power output and volume

During the last decades, one of the biggest challenges the world has faced is climate change. The average global temperature is increasing, due mainly to the greenhouse gas effect from the energy sector. At the same time, the human need for energy is rising. One possible solution is using more renewable energy sources. However, these sources are not completely reliable yet because of their intermittent nature. Another significant solution may be represented by waste heat recovery, which is based on recovering large part of the waste heat released from an industrial process or an energy conversion system and exploiting it to generate electricity in another energy conversion process. In this context, the H2020 funded the CO2OLHEAT project which aims at designing a supercritical carbon dioxide-based power plant, exploiting the waste heat of several industrial processes or power generation system. Between these different applications, one of the most promising is the recovery of the flue gases made available from a gas turbine installed on an offshore platform. In this thesis work, different solutions are firstly investigated in order to find the optimal cycle layout under a thermodynamic point of view. In particular, an optimization of the design operating conditions that maximize the plant net power output is performed, using the maximum cycle temperature and the minimum pressure as optimization variables. Once the best configuration from a merely thermodynamic perspective is obtained, a further analysis on space occupation is carried out. In particular, for each cycle layout the size of every heat exchanger has been calculated, since they are the components that occupy the most space. Hence, a trade-off between the sum of heat exchangers’ volume and the net power output was found, using a multi-objective genetic algorithm, which is able to investigate the optimal solution in terms of plant layout. Results suggest that the best configurations in terms of net power output are the Turbine Split Flow and the Recuperative cycle with HTR bypass. However, considering the trade-off between occupied volume and net power output, the Single Heating layout can be considered the best configuration, as it presents the optimal ratio between net electric power output and total occupied volume. Finally, it is important to remind that the actual best configuration can be determined only after the analysis on the overall plant and on the remaining available space.

Negli ultimi decenni, una delle più grandi sfide che il mondo ha dovuto affrontare è il cambiamento climatico. La temperatura media globale è in aumento, principalmente a causa dell'effetto serra del settore energetico. Allo stesso tempo, il fabbisogno umano di energia sta aumentando. Una possibile soluzione è utilizzare più fonti di energia rinnovabile. Tuttavia, queste fonti non sono ancora completamente affidabili a causa della loro natura intermittente. Un'altra soluzione significativa può essere rappresentata dal recupero del calore di scarto, che si basa sul recupero di gran parte del calore di scarto rilasciato da un processo industriale o da un sistema di conversione dell'energia e sfruttandolo per generare elettricità in un altro processo di conversione dell'energia. In questo contesto, H2020 ha finanziato il progetto CO2OLHEAT che mira a progettare una centrale elettrica a base di anidride carbonica supercritica, sfruttando il calore di scarto di diversi processi industriali o sistemi di generazione di energia. Tra queste diverse applicazioni, una delle più promettenti è il recupero dei fumi resi disponibili da una turbina a gas installata su una piattaforma offshore. In questo lavoro di tesi, vengono dapprima studiate diverse soluzioni al fine di trovare il layout ottimale del ciclo dal punto di vista termodinamico. In particolare, viene eseguita un'ottimizzazione delle condizioni operative di progetto che massimizzano la potenza netta dell'impianto, utilizzando come variabili di ottimizzazione la massima temperatura di ciclo e la minima pressione. Una volta ottenuta la migliore configurazione dal punto di vista meramente termodinamico, viene effettuata un'ulteriore analisi sull'occupazione degli spazi. In particolare, per ogni layout è stato calcolato il dimensionamento di ogni scambiatore di calore, in quanto sono i componenti che occupano più spazio. È stato quindi trovato un trade-off tra la somma del volume degli scambiatori di calore e la potenza netta prodotta, utilizzando un algoritmo genetico multi-obiettivo, in grado di indagare la soluzione ottimale in termini di layout dell'impianto. I risultati suggeriscono che le migliori configurazioni in termini di potenza netta sono il Ciclo Turbine Split Flow e il Ciclo Recuperativo con HTR bypass. Tuttavia, considerando il trade-off tra volume occupato e potenza netta, la configurazione Single Heating può essere considerata la migliore, in quanto presenta il rapporto ottimale tra potenza elettrica netta e volume totale. Infine, è importante ricordare che la configurazione migliore può essere determinata solo dopo l'analisi complessiva di tutto l’impianto e sullo spazio disponibile rimanente.