Modelling on and off. Design performance of a concentrated solar power plant using supercritical carbon dioxide as working fluid

Research in the field of concentrated solar power plants of various types, in particular those of a solar thermal power based on a central receiver tower, reported a big improvement over the past decade, reaching full commercial operation with the PS10 plant in Spain. In spite of previous test demonstration plants that have experienced innovative types of receivers and different layouts of the thermodynamic cycle, this first commercial power station has adopted a receiver with simple production of saturated steam for a steam turbine thermodynamic cycle, with obvious limitations on 'efficiency, in order to obtain the reliability of the systems. However, according to experience, to achieve a competitive cost of electricity produced, the cost of capital and maintenance costs to be reduced and the efficiency of the thermodynamic cycle must be significantly increased. To achieve these objectives, the change of the thermodynamic cycle is considered indispensable, through the use of superheated steam or supercritical CO2 as working fluid. In this work, it is proposed the use of supercritical CO2 cycles for this application, considering the possible working conditions of the receiver and the overall efficiency of the thermodynamic cycle connected to it. A specific cycle is considered, which is a combined cycle that comprises a topping carbon dioxide gas turbine and a bottoming Organic Rankine Cycle (ORC). Preliminary results indicate that this cycle is promising for CSP tower, having the opportunity to compete in terms of efficiency with other conventional technologies, and using turbo machinery and heat exchangers with very compact dimensions.

La ricerca nel campo delle centrali solari a concentrazione di vari tipi,, in particolare, quelle di tipo solare termodinamico basate su ricevitore centrale a torre, ha registrato un grande miglioramento negli ultimi dieci anni, raggiungendo il pieno esercizio commerciale con l'impianto PS10 in Spagna. A dispetto di precedenti impianti dimostrativi di prova che hanno sperimentato tipologie innovative di ricevitori e diversi layout del ciclo termodinamico, questa prima centrale commerciale ha adottato un ricevitore con semplice produzione di vapore saturo destinato ad un ciclo termodinamico con turbina a vapore, con limitazioni evidenti sull’efficienza , al fine di ottenere l'affidabilità degli impianti. Tuttavia, secondo l'esperienza acquisita, per raggiungere un costo competitivo dell’elettricità prodotta, i costi di capitale e di manutenzione devono essere ridotti e l’efficienza del ciclo termodinamico deve essere notevolmente aumentata. Per raggiungere questi obiettivi, la modifica del ciclo termodinamico è considerata indispensabile, passando all'utilizzo di vapore surriscaldato o di CO2supercritica come fluido di lavoro. In questo lavoro, viene proposto l'impiego di cicli a CO2 supercritica per questa applicazione, valutando le possibili condizioni di lavoro del ricevitore e l’efficienza complessiva del ciclo termodinamico ad esso connesso. Si considera in particolare il caso di un ciclo ‘combinato’ che comprende unciclo a gastoppinga CO2 e un ciclo bottoming del tipo OrganicRankineCycle (ORC). I risultati preliminari indicano che questo ciclo èpromettente per impianti CSP a torre, avendo la possibilità di competere in termini di efficienza con altre tecnologie convenzionali, ed utilizzando turbomacchine e scambiatori di calore di dimensioni molto compatte.