Study of a high temperature thermal energy storage for a hybrid solar gas power plant

Despite the attention toward solar thermal power generation systems is grown up in the last decade, the hybrid open solar Brayton cycle remains a underrated but promising technology. In particular, only few small size projects have been made operative, but have demonstrated the feasibility of using a solar tower to heat the pressurized air flow of a gas turbine. However, all these projects have never been integrated with a thermal energy storage system. Purpose of this master thesis work is the creation of a model for optimizing the design of the thermal energy storage. First of all, the reference power plant, where the storage should work, is determinate, in order to know the boundary conditions of operation. After that, the storage medium is selected between some candidate materials, taking into account the maximum operating temperature and the specific volume, in order to contain the costs. Finally the storage model is created and its parameters are optimized for obtaining a high heat transfer coefficient and low pressure drops. In particular, the charging and discharging processes are simulated for several combination of parameters and the most suitable are selected. Lastly, the improvements due to the storage installation into the solar power plant are calculated, especially the increase of solar share, the fuel saving, the reduction of carbon dioxide emissions and the storage response to solar transients that happens after different charging times.

Nonostante l'attenzione verso il solare termodinamico per la generazione di energia elettrica sia andata crescendo nell'ultimo decennio, l'utilizzo di un ciclo Brayton ibrido solare-gas rimane un'opzione sottovalutata, ma molto promettente. In particolare, solo pochi progetti di piccola taglia sono stati realizzati, dimostrando la fattibilità di usare una torre solare per riscaldare la portata d'aria di una turbina a gas. Comunque, tutti questi progetti non sono mai stati integrati con un sistema di accumulo termico. Lo scopo di questa tesi consiste nel creare un modello per ottimizzare la progettazione di un sistema di accumulo termico. Per prima cosa viene determinato l'impianto in cui il sistema di accumulo è integrato, in modo da conoscerne le condizioni di funzionamento. Dopo di questo si passa a scegliere il materiale di accumulo, prendendo in considerazione parametri quali la massima temperatura di utilizzo e il volume specifico, in modo da tenere bassi i costi. Successivamente viene creato il modello del sistema di accumulo e i suoi parametri vengono ottimizzati per ottenere un alto coefficiente di scambio termico e basse cadute di carico. Inoltre la fasi di carica e di scarica sono simulate per diverse combinazioni di parametri e vengono scelti i parametri più adatti. Infine, vengono calcolati i miglioramenti dovuti all'integrazione dell'accumulo nella centrale solare, in particolare l'incremento di solar share, il risparmio di combustibile, la riduzione delle emissioni di anidride carbonica e la risposta dell'accumulo a dei transitori solari che avvengono a carica incompleta.