Techno-economic optimization of a modular CSP tower plant of 5 MWel

This thesis work compares different modular concentrated solar power (CSP) tower plants with their corresponding single field counterparts. For the modular configurations different heliostat dispositions and module sizes are investigated. Two ranges of operating temperatures are also considered. Sodium is adopted as heat transfer fluid (HTF), advanced molten salts are used as storage media, and a supercritical CO2 cycle is considered for the 5 MWel power block. Solar field, receiver, piping system, thermal energy storage (TES) system and power block are modelled to design and evaluate the performances of the plant. The piping system model is developed as part of this thesis work. For each configuration, tower height and receiver area are determined by optimization of the levelized cost of heat (LCOH). The solar multiple and the TES size of each configuration are determined by optimization of the levelized cost of electricity (LCOE). The identified best modular plant, consisting of 10 polar field modules, each one of 5 MWth of incident power on the receiver, achieves a LCOE value of 143.6 $/MWh, a reduction of 6.5 % with respect to the LCOE provided by the corresponding best single field plant.

Questo lavoro di tesi considera diverse possibili configurazioni per la modularizzazione di un impianto solare a concentrazione (CSP). Le configurazioni modulari sono confrontate con dei corrispondenti impianti a singola torre. Due diversi intervalli di temperatura sono analizzati per il funzionamento dell’impianto. Sodio liquido è adottato come fluido termovettore (HTF), per l’accumulo di calore vengono utilizzati sali fusi, e un ciclo a CO2 supercritico è utilizzato per il blocco di potenza da 5 MWel. Campo solare, ricevitore, sistema di tubazioni, sistema di accumulo e blocco di potenza sono modellizzati per il design e l’analisi delle prestazioni dell’impianto. Il modello del sistema di tubazioni è stato sviluppato durante questo lavoro di tesi. Per ogni configurazione l’altezza della torre e le dimensioni del ricevitore sono determinate dall’ottimizzazione del costo livellato del calore (LCOH). Il multiplo solare e le dimensioni del sistema di accumulo sono determinati, per ogni configurazione, in base all’ottimizzazione del costo livellato dell’energia (LCOE). Il miglior impianto modulare individuato consiste in 10 moduli, ognuno da 5 MWth al ricevitore, e raggiunge un LCOE di 143.6 $/MWh, una riduzione del 6.5 % rispetto al valore di LCOE ottenuto con un corrispondente impianto a singola torre.