An innovative approach for the techno-economic optimization of organic Rankine cycles

This work is focused on the definition of an innovative methodology for the systematic techno-economical optimization of ORC power systems for any kind of application. The model is implemented in Matlab® and it allows the investigation of several cycle configurations (single level cycles- subcritical and supercritical, two pressure levels cycles and flash –trilateral cycles) and it allows the use of various working fluids, both pure fluids and mixtures thanks to the integration with Refprop 9.1. A detailed study has been carried out on the ORC expanders which are the key components of this technology. Two routines have been implemented to estimate the design of the turbine (number of stages, rotational speed and mean diameter) and the screw expander device, allowing to evaluate their efficiency and their cost. Furthermore, an exhaustive databank of cost correlations has been calibrated, leading to the possibility to realize extensive techno-economic analysis of many cycles with the aim to find the combination of working fluid, cycle configuration and design parameters able to minimize the LCOE. The flexibility of the proposed approach is applied to four different test cases which are representative of the whole field of application of ORC technology. (i) The exploitation of hot geothermal brines is carried out comparing the potential of the different cycle configurations for the whole set of available working fluids. General rules for the pre-selection of a small number of promising working fluids are highlighted. (ii) A comparison between the use of pure fluids and mixtures is realized for a CHP biomass fired ORC, demonstrating that higher efficiencies and lower LCOE can be achieved thanks to a non-isothermobaric phase transition. (iii) The capability of screw expanders is evaluated for small thermal solar power applications in rural context and three cycle configurations are compared, namely evaporative binary plants with single or double stage expansion and flash trilateral cycles which allow designing a direct energy storage but they are more affected by both pressure drops and solar field specific cost. Finally (iv) the “grey zone” is investigated comparing the performances of steam Rankine cycles and ORC for WHR application from big cement industry. A sensitivity analysis has been carried out highlighting the competitiveness of non-flammable organic fluids against water for power outputs below 20 MWel.

Il presente lavoro di tesi è focalizzato sulla definizione di una metodologia innovativa per l'ottimizzazione tecnico-economica di sistemi ORC per qualsiasi tipo di applicazione. Il modello è stato implementato in Matlab ® e permettere l'analisi di varie configurazioni di ciclo (cicli ad un livello, sia subcritici che supercritici, cicli a due livelli di pressione e cicli triangolari con flash) e permette l'uso di vari fluidi di lavoro, sia fluidi puri che in miscela grazie all'integrazione con Refprop 9.1. Uno studio dettagliato è stato effettuato sugli espansori siccome essi sono i componenti chiave della tecnologia ORC. Due routine sono state implementate per la progettazione preliminare di turbine assiali (numero di stadi, velocità di rotazione e diametro medio) e per l’espansore a vite, in modo da poter valutare la loro efficienza al variare delle proprietà del fluido e dei parametri del ciclo termodinamico. É stata inoltre calibrata una esauriente banca dati di correlazioni costo per una stima affidabile del costo di impianto con la possibilità di realizzare estensive analisi tecnico-economiche aventi l'obiettivo di trovare la combinazione di fluido di lavoro, layout di impianto e parametri di progettazione in grado di minimizzare il costo dell’elettricità prodotta. L'approccio proposto, grazie alla sua flessibilità, è stato applicato a quattro test cases differenti, rappresentativi di tutto il campo di applicazione della tecnologia ORC. (i) Lo sfruttamento di acque calde geotermiche è stato valutato confrontando il potenziale delle diverse configurazioni di impianto per l'intero insieme di fluidi di lavoro disponibili. Dal confronto parametrico dei risultati ottenuti sono state ricavate delle regole generali per la pre-selezione di un numero limitato di promettenti fluidi di lavoro. (ii) Un confronto tra l'uso di fluidi puri e miscele è realizzato per una applicazione a biomassa cogenerativa, dimostrando che maggiori efficienze e inferiori LCOE possono essere raggiunti sfruttando la transizione di fase a temperatura variabile tipico delle miscele. (iii) La potenzialità dell’uso di espansori a vite per piccole applicazioni solari è valutata confrontando impianti binari ad un livello di pressione con espansione a singolo a doppio stadio e cicli trilaterali con flash che consentono di progettare un accumulo diretto, ma sono più penalizzati dalle perdite di carico e dal costo specifico del campo solare. Infine, (iv) uno studio sulla "gey zone" è realizzato confrontando le prestazioni di cicli Rankine a vapore e ORC per applicazioni di recupero termico da grandi cementifici. Un'analisi di sensibilità è stata effettuata evidenziando la competitività dei fluidi organici non infiammabili rispetto all'acqua come fluido di lavoro per potenza elettriche inferiori a 20 MWel.