Valutazione termodinamica di cicli diretti per impianti solari a concentrazione con miscele a base CO2

In the present work, carried out at the Research Center for Non-Conventional Energies - Istituto ENI Donegani, in Novara, the use of mixtures of CO2 in power cycles coupled with Parabolic Trough Concentrating Solar Power plants (PT-CSP) has been studied. After an initial review on the main solar technologies, especially focusing on the state of the art in Concentrated Solar technology, an interesting solution represented by the "direct" use of the heat transfer fluid (HTF) in closed gas power cycles has been analyzed. These cycles are already used in conventional power applications, although with substantially different operating conditions from those obtainable in a linear solar concentration plant. Supercritical CO2 represents one of the most studied fluid. Its relatively low critical temperature (31,1°C), however, requires condensing systems with very low temperature refrigerant fluids, hardly available in geographic areas where high solar radiation makes the construction of CSP plants economically attractive. To avoid this problem is theoretically possible to add some particular compound to the CO2, with the aim to raise the HTF critical temperature. In this study we focalized mainly on hydrocarbons compounds, varying their concentration in the mixture both to maximize the real gas positive effect on the compression work and allow fluid condensation even in torrid zones. Particular attention has been spent to the literature study of the thermal stability of the investigated mixtures, from which the maximum allowable temperature and the performance achievable by the thermodynamic cycle depend strongly. Propane resulted the most interesting compound, being able to increase the HTF critical temperature of over 30°C with a molar composition of the mixture of 50% CO2 and 50% C3H8; propane resulted also the most thermally stable hydrocarbon, able to work up to 490°C. Then, 5 different Brayton cycle configurations and 4 Rankine cycle configurations with different complexity have been compared to be used in small size plants (5 MWe) without storage. For all the proposed cycles a minimum temperature of 40°C, limited by environmental conditions, and a maximum of 490°C, limited by the thermal stability of the propane, have been supposed. The modeling of thermodynamic cycles was performed using the commercial software Aspen HYSYS®, considering the effect of the variation of both the operating conditions and the plant configuration. Finally, it was performed an annual simulation, based on real irradiation data of Seville (Spain), of the 2 cycles with the highest global nominal efficiency (Solar-to-Electricity): a supercritical Rankine cycle with double expansion and a supercritical Rankine cycle with double expansion and recompression. Starting from the performance curves parameterized on the effective radiation, the plants have been then compared in terms of both global annual efficiency and Levelized Cost Of Electricity (LCOE). The supercritical Rankine cycle plant with double expansion that uses a mixture with a molar composition of 42% CO2 and 58% C3H8 was found to be globally the most convenient configuration, with an estimated global annual efficiency of 13,73% and a LCOE of about 225 €/MWh.

Nel presente lavoro di tesi, svolto presso il Centro Ricerche per le Energie non Convenzionali - Istituto Eni Donegani di Novara, si è studiato l'impiego di miscele di CO2 per cicli di potenza accoppiati ad impianti solari a concentrazione (CSP) che utilizzano collettori parabolici lineari (Parabolic Trough). Dopo un'iniziale review relativa alle principali tecnologie solari, approfondendo in particolare lo stato di avanzamento del solare a concentrazione, si sono analizzate interessanti soluzioni rappresentate dall'utilizzo "diretto" del fluido termovettore in cicli di potenza chiusi a gas. Tali cicli sono già utilizzati in applicazioni tradizionali di generazione di energia elettrica, sebbene con condizioni operative sostanzialmente diverse da quelle ottenibili in un impianto a concentrazione solare lineare. Uno dei fluidi maggiormente studiati è rappresentato dalla CO2 supercritica: la sua temperatura critica relativamente bassa (31,1°C) richiede tuttavia sistemi di raffreddamento che impieghino fluidi refrigeranti a temperature molto basse, difficilmente reperibili nelle aree geografiche dove l'elevato irraggiamento solare rende economicamente interessante la costruzione di impianti CSP. Per ovviare tale problema, è teoricamente possibile aggiungere un particolare composto alla CO2 con l'intento di innalzare la temperatura critica dell'HTF. In questo studio ci si è focalizzati principalmente su composti idrocarburici, variandone la concentrazione in miscela in modo sia di massimizzare l'effetto positivo di gas reale sul lavoro di compressione, sia di permettere la condensazione del fluido di lavoro anche in zone torride. Particolare attenzione, mediante un approfondito studio della letteratura, è stata dedicata alle problematiche di stabilità termica delle miscele indagate, dalla quale dipendono fortemente la temperatura massima e, di conseguenza, il rendimento raggiungibili dal ciclo termodinamico. Da questo studio il propano è risultato il composto più interessante da associare alla CO2, essendo in grado di incrementarne la temperatura critica di oltre 30°C con una composizione molare della miscela di 50% CO2 e 50% C3H8, risultando inoltre l'idrocarburo termicamente più stabile, in grado di lavorare fino a 490°C. Si sono quindi confrontate 5 differenti configurazioni di ciclo Brayton e 4 configurazioni di ciclo Rankine con diversi gradi di complessità da utilizzare in impianti di piccola taglia (5 MWe) privi di storage; per tutti i cicli proposti si è ipotizzata una temperatura minima di 40°C, limitata dalle condizioni ambientali, e una massima di 490°C, limitata dalla stabilità termica del propano. La modellazione dei cicli termodinamici è stata eseguita utilizzando il software commerciale Aspen HYSYS®, valutando l'effetto della variazione sia delle condizioni operative, sia della configurazione impiantistica. Si è infine effettuata una simulazione annuale con i dati di irraggiamento di Siviglia (Spagna) per i 2 cicli con i migliori rendimenti nominali complessivi (Solar-to-Electricity): un ciclo Rankine supercritico con doppia espansione e un ciclo Rankine supercritico con doppia espansione e ricompressione. A partire dalle curve di prestazione parametrizzate sulla radiazione efficace, gli impianti sono stati quindi confrontati in termini sia di rendimenti complessivi annuali, che di Levelized Cost Of Electricity (LCOE). La configurazione globalmente più conveniente è risultata essere l'impianto a ciclo Rankine supercritico con doppia espansione che utilizza una miscela con composizione molare 42% CO2 e 58% C3H8, per il quale si è stimato un rendimento annuale complessivo del 13,73% e un LCOE di circa 225 €/MWh.