Development of Innovative Transcritical Power Cycles Working with CO2 Mixtures for Concentrated Solar Power Applications

This work proposes a methodology to characterize binary mixtures based on CO2 to be used as working fluids in transcritical power cycles. Due to the penetration in the grid of cheap and renewable non-dispatchable energy sources, it becomes crucial to develop innovative cycles, suitable for various applications and able to efficiently work at high maximum temperatures. The focus of this work is on the development of power cycles models for hot climates with air-cooled heat rejection units: under these circumstances the good performance of pure sCO2 cycles cannot be guaranteed due to the drastic increase of the compression power occurring far from the critical temperature of CO2, for cycle minimum temperatures over 45-50 °C. A few innovative mixtures are proposed as working fluid for power cycles under these conditions, investigated with equations of states fitted on experimental data available in literature, or eventually taken within this work. At first, the performances of these cycles are showed and compared to the ones of sCO2 cycles, showing the benefits in cycle efficiency. Then, numerical in-house tools are developed to analyse the various cycle components: suitable literature correlations for the heat transfer coefficients and the pressure drops of mixtures are included, particularly for the VLE region. Given the tools developed and the ones already available, the power cycle performances were simulated for a set of case studies, evidencing both the cycle off-design behaviour operating in sliding pressure and the cycles integration in state-of-the-art and next gen CSP plants, an application of interest in this thesis. The results proposed in this thesis can potentially be of interest to researchers involved in the development of innovative categories of efficient power cycles, at high maximum temperatures and characterized by a wide and flexible range of operating conditions, adaptable to any ambient temperature.

Questa tesi di dottorato propone una metodologia per caratterizzare miscele binarie con prevalenza di CO2 come fluido di lavoro per cicli termodinamici transcritici chiusi. A causa della grande diffusione in rete di energia a basso costo generata da fonti rinnovabili non dispacciabili, assume sempre maggior importanza la capacità di produrre potenza elettrica efficientemente, con cicli innovativi capaci di lavorare ad alta temperatura e caratterizzati sia da grande flessibilità che da rapidi transitori. Il fulcro di questo lavoro è rappresentato dalla modellazione di cicli innovativi, raffreddati ad aria, adatti a lavorare in un clima caldo e arido. Infatti, in queste circostanze, le buone performance dei cicli a CO2 supercritica non possono essere garantite, a causa della alta temperatura all'ingresso del compressore (45-50°C). Sono proposte in questa tesi alcune miscele innovative che possono potenzialmente sostituire la CO2 supercritica in queste circostanze: le miscele vengono proposte modellandone le proprietà con equazioni di stato convenzionali, usando parametri di interazione binaria calcolati sulla base di risultati sperimentali di equilibrio liquido-vapore, in alcuni casi raccolti dall'autore di questa tesi. In primo luogo si evidenziano dal punto di vista prettamente termodinamico le migliori efficienze di ciclo delle configurazioni innovative rispetto ai casi a CO2 supercritica, a parità di condizioni al contorno. Successivamente vengono presentati modelli numerici in Matlab per modellare tutti gli scambiatori del ciclo, ricercando adatte correlazioni per i coefficienti convettivi di scambio termico e le perdite di carico, soprattutto durante la condensazione delle miscele. Con i tool sviluppati viene proposto un caso studio dettagliato, focalizzandosi sulla miscela CO2+C6F6 per ciclo semplice recuperativo ed applicazione per solare a concentrazione: grazie a questo caso studio, lavorando in off-design considerando variabile sia la temperatura ambiente che l'input termico al ciclo, si dimostra che cicli di potenza per impianti solari allo stato dell'arte possono arrivare ad avere efficienze oltre il 44%. Infine viene caratterizzato l'impianto solare a concentrazione, descrivendo ogni componente in design e in off-design (campo eliostati, ricevitore, sistema di accumulo). Viene descritto l'accoppiamento tra il ciclo innovativo e l'impianto solare, includendo assunzioni di costo, ed eventualmente presentando dei risultati preliminari di efficacia tecno-economica. La metodologia sviluppata in questa tesi può essere potenzialmente di interesse per lo sviluppo di cicli di potenza innovativi, per qualsiasi applicazione ad alta temperatura, capaci di adattarsi ad ogni condizione ambiente mantenendo un'alta efficienza.