Produzione di potenza in ambiente artico : cicli chiusi a CO2 con condensazione a bassa temperatura

The aim of this work is to find different solutions for power production in the Arctic environment, in order to satisfy the energy request of an Oil&Gas extraction platform. Starting from the analysis of the actual technologies and the environment temperatures, thermodynamics constraints were set, useful to obtain the best exploitation of these conditions. Imposing these constraints to Refprop® fluids database, carbon dioxide was selected as working fluid. Thanks to its critical temperature of 30,98° C, it fits well with close condensation cycle. Hence, several plant solutions were studied, with maximal temperature of 650 and 850° C, related to maximum temperatures of two different kinds of materials. Regarding maximum pressures, scenarios at 200 and 300 bar were studied; in condensation were analysed air and water solutions. Applying as design temperature the average environment temperature, five solutions were studied, both in design and off-design conditions. The off-design conditions regard external temperatures between -50 and 10° C. The results show that the best configuration is the one with partial condensation and double regenerator, named by us C2R. This high efficiency solution can reach design efficiency of 54,2% and off-design up to 56,9%. Obtained the curve of temperatures relative frequencies, it was possible to calculate the annual efficiency and all parameters for each plant at design temperatures of -20, -15 and -10° C. Then, for the plant solutions voted by us the most interesting, we have designed the turbine, with the worksheet Axtur, developed internally in Politecnico di Milano, and the heat exchangers, with the commercial software Aspen Exchanger Design and Rating®. Finally, we have estimated the cost of electricity (COE) for the main plants. The results are based on declared hypothesis and therefore they show some inaccuracies due to the lack of specified correlations.

L’obiettivo di questo lavoro è studiare le possibilità di produzione di potenza in territorio artico, al fine di soddisfare le esigenze energetiche di una piattaforma di estrazione Oil&Gas. Partendo dall’analisi delle tecnologie attuali e delle temperature del territorio, si sono posti i vincoli termodinamici di ciclo utili ad uno sfruttamento ottimale di tali condizioni. Imponendo tali vincoli al database di fluidi del tool Refprop® si è scelto di utilizzare come fluido di lavoro l’anidride carbonica che ben si adatta ad un possibile ciclo chiuso con condensazione. Sono state studiate quindi diverse soluzioni impiantistiche con temperature massime di 650 e 850° C, connesse alle temperature massime di due diversi materiali. Per quanto riguarda le pressioni sono stati studiati scenari a 200 e 300 bar; in condensazione sono state analizzate soluzioni ad acqua e ad aria. Applicando come temperatura di design la media del territorio, sono state studiate cinque diverse soluzioni impiantistiche, sia in condizioni nominali che in condizioni off-design nel range [-50 ÷ 10] ° C. Dai risultati appare che la configurazione migliore è quella in ciclo chiuso, con doppia rigenerazione e split di portata annesso all’uso di un compressore (C2R). Questa soluzione ad alta efficienza energetica riesce a raggiungere rendimenti nominali del 54,2% e invernali del 56,9%. Ricavata la curva delle frequenze relative di ogni singola temperatura, si è proceduto col calcolo dei rendimenti medi annuali e di tutti i parametri di ciclo alle temperatura di design -20, -15 e -10° C. Successivamente è stata proposta la progettazione di turbina e scambiatori di calore per le soluzioni impiantistiche ritenute da noi più interessanti. Per questa parte del lavoro sono stati utilizzati rispettivamente il foglio di lavoro Axtur, sviluppato all’interno del Politecnico di Milano, e il programma commerciale Aspen Exchanger Design and Rating®. In ultimo è stata effettuata una stima del costo dell’elettricità prodotta (COE) per le principali soluzioni analizzate precedentemente. I risultati sono basati su ipotesi citate esplicitamente ove necessario e presentano comunque una relativa incertezza dovuta all’assenza di correlazioni e studi precisi e consolidati sull’argomento.