Conversion of solar energy into electricity: strength and limits in the integration of concentrating solar power with fossil fuelled power plants

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1 Stato di avanzamento della ricerca Conversion of solar energy into electricity: strength and limits in the integration of concentrating solar power with fossil fuelled power plants Sergio Rech, PhD 15 marzo 2017

2 INDICE 1. Le tecnologie del solare a concentrazione 2. Integrazione del solare a concentrazione in cicli combinati 3. Turbina a gas solare Progetto del sistema e dei suoi componenti Analisi del funzionamento del sistema Produttività annua 4. Conclusioni

3 Le tecnologie del solare a concentrazione Scopo: convertire l energia solare in energia termica a temperature più alte rispetto a quelle raggiungibili con collettori solari piani Caratteristiche comuni a tutte le tecnologie: Convertono solamente la componente diretta della radiazione solare Includono tre componenti principali: 1. Il concentratore (sistema ottico) che dirige la radiazione solare nella zona (ristretta) del ricevitore 2. Il ricevitore dove la radiazione concentrata viene assorbita e convertita in energia termica trasferita ad un fluido termovettore (l insieme di concentratore e ricevitore è detto collettore) 3. Il dispositivo di puntamento e movimentazione che orienta il collettore per inseguire il moto apparente del sole

4 3D (inseguimento a 2 assi) 2D (inseguimento ad 1 asse) Le tecnologie del solare a concentrazione Sono quattro e si differenziano tra loro per il n di dimensioni in cui si estensione il concentratore e la forma del concentratore stesso concentratore parabolico Parabolic trough concentratore piano Linear Fresnel Solar dish Central receiver

5 Le tecnologie del solare a concentrazione: prestazioni Parabolic trough Rapporto concen Aria T = 800/900 C η sf = 78/90% Taglia 5-25 kw Rapporto concen Olio diatermico T = 350/400 C Sali fusi T = 500/600 C η sf = 60/65% Taglia MW Solar dish Linear Fresnel Rapporto concen Sali fusi T = 500/600 C Aria T = 950/1000 C η sf = 55/60% Taglia MW Rapporto concen Acqua/vapore T = 480/520 C η sf = 55/60% Taglia MW Central receiver

6 Integrazione del solare a concentrazione in cicli combinati Integrated Solar Combined Cycle (ISCC) (Ain Beni Mathar Marocco)

7 THERMOFLEX Version 24,1 Revision: December 4, 2014 Giovanni Universita degli Studi di Padova psia F lb/s BTU/lb Impianto a ciclo combinato di riferimento (NGCC) (centrale Archimede Priolo Gargallo) Siemens SGT5-4000F LPT IPT HPT kw GT COND G2 LP FP HP ECO1 HP ECO2 HP ECO3 HP EVA HP SH1 HP SH2 ECON DEAER LP EVA IP FP IP ECO IP EVA LP SH IP SH RH1 RH2 HP FP TG rp 17,0 TIT ( C) 1316,3 m gas (kg/s) 643,1 Siemens SGT5-4000F :10:50 file= C:\TFLOW24\MYFILES\Reference CC_3000_grande.tfx P TG (MW e ) 254,25 h TG (%) 37,51% ST 3 pressure HRSG p HP EVA (bar) 103,0 p IP EVA (bar) 16,5 p LP EVA (bar) 4,5 Sheet 1 P ST (MW e ) 135,54 h ST (%) 37,40%

8 Impianti integrati solare ciclo combinato (ISCC) Target: +50 MWe da solare (P el,ngcc P el,iscc = P el,sol = +50 MWe) Layout Punto di integrazione HTF CSP technology ISCC 1 HP EVA Therminol-VP1 ISCC 2 HP EVA - SH1 Sali fusi ISCC 3 HP ECO3 - EVA - SH1 Sali fusi ISCC 4 HP EVA-SH1-SH2 Sali fusi ISCC 5 HP ECO3 - EVA acqua/vapore ISCC 6 HP ECO3 - EVA - SH1 acqua/vapore Parabolic Trough Parabolic Trough Parabolic Trough Central receiver Linear Fresnel Linear Fresnel

9 Confronto delle prestazioni [1] Manente G., Rech S., & Lazzaretto A. (2016). Optimum choice and placement of concentrating solar power technologies in integrated solar combined cycle systems. Renewable Energy, 96,

10 Layout Campo Solare C cs [k$] ISCC Sezione di potenza C sp [k$] C cs C ISCC = Analisi economica C cs C cs + C sp [ ] Costo specifico (totale) $ kwe Costo specifico (50 kwe) $ kwe 26,0% ISCC ,3% ISCC ,2% ISCC ,4% ISCC ,1% ISCC ,9% Il costo specifico di investimento per l installazione dell unità di potenza generata da solare è competitivo con quello di altre tecnologie per la generazione di potenza da fonti rinnovabili ( /kwe)

11 Integrazione di un disco solare in una turbina a gas Sistema di piccola taglia (P el = 7 10 kwe) Ciclo Brayton-Joule rigenerativo con singolo albero p 2 p 1 = 2,5 4

12 Integrazione di un disco solare in una turbina a gas Sistema di piccola taglia (P el = 7 10 kwe) Il sistema è alimentato da un gas naturale e da un disco parabolico + un ricevitore volumetrico a cavità (rapporto di concentrazione 3000) A dish A reciever

13 Integrazione di un disco solare in una turbina a gas Sistema di piccola taglia (P el = 7 10 kwe) Le turbomacchine (compressore e turbina) sono radiali a singolo stadio

14 Metodologia utilizzata Progetto: si è sviluppata una procedura automatica per ottenere il dimensionamento del sistema e di ciascuno dei suoi componenti che massimizza l efficienza di conversione da energia solare a energia elettrica Analisi del funzionamento: è stato costruito un modello di fuori progetto per «mappare» le prestazioni del sistema (dimensionato allo step precedente) in tutte le possibili condizioni di funzionamento considerando un opportuna strategia di controllo che permetta di rispettare tutti i limiti tecnologici Produttività annua: le mappe di prestazione ottenute allo step precedente sono state utilizzate per calcolare le prestazioni del sistema durante un anno «tipo» in tre località differenti Si è considerata dapprima una soluzione solo solare e successivamente la soluzione ibrida solare + fossile (in corso)

15 Progetto: dati Si considerano due livelli tecnologici in funzione della TIT DP (temperatura dell aria all uscita del ricevitore e all ingresso della turbina): 1. Base (tecnologia consolidata): TIT DP = 800 C 2. Advanced: TIT DP = 900 C Viene fissata una DNI di progetto pari a 800 W m 2 Viene fissata la taglia del sistema mediante la portata di aria m air,dp = 0,1 kg s

16 P el A dish DNI η components η solar = Progetto: risultati

17 Progetto: risultati La procedura di progetto genera anche le geometrie e le mappe caratteristiche di compressore e turbina necessarie a valutarne il funzionamento

18 Funzionamento: controllo del sistema Per mantenere elevato il rendimento del sistema a carico parziale la TIT (temperatura di ingresso in turbina) è mantenuta costante mediante: A. riduzione del numero di giri di turbina e compressore (N) per DNI < DNI maxtet B. orientamento del disco in una posizione che evita la captazione di tutta la radiazione solare (k depower = fattore di de-potenziamento) per DNI > DNI maxtet Con questa strategia di controllo viene rispettato anche il vincolo sulla massima temperatura all ingresso del rigeneratore (TET<600 C) A DNI DP DNI maxtet B

19 Funzionamento: risultati TIT = 800 C TIT = 900 C Queste mappe sono utilizzate per calcolare la produttività annua dei sistemi dimensionati per DNI DP = 800 W m2 in tre località caratterizzate da climi differenti (Pechino, Madrid e San Diego)

20 η conversion = E el,net E sol energia solare in input Produttività annua: risultati f dumped = E sol Q sol E sol f capacity = E el,net P el,dp 8760

21 Produttività annua: analisi di sensitività L intera procedura (progetto, analisi del funzionamento e determinazione della produttività annua) è stata eseguita per diversi valori di DNI DP per determinare il progetto migliore in relazione al reale funzionamento durante l anno TIT = 800 C TIT = 900 C

22 Produttività annua: analisi di sensitività giugno 2016

23 Costi (stima in corso) Costo totale [ ] Sezione potenza [ ] Solar dish [ ] Ricevitore [ ] Ausiliari [ ] Costo specifico kwe TIT = 800 C TIT = 900 C (22,2%) 5455 (20,9%) (72,1%) (72,7%) 985 (4,1%) 1305 (5,0%) 373 (1,6%) 375 (1,4%) TIT = 800 C TIT = 900 C Sez.Pot. Dish Rec. Aux Sez.Pot. Dish Rec. Aux

24 Conclusioni Nell integrazione del solare a concentrazione in un impianto di grossa taglia a ciclo combinato: La soluzione più efficiente consiste nel utilizzare il calore solare per l evaporazione dell acqua di alta pressione I collettori parabolic trough sono risultati essere i più efficienti (η solar 30%) mentre i linear Fresnel sono risultati essere quelli più economici (costo specifico di installazione 1923 /kwe) Nell integrazione di un disco parabolico in un impianto di piccola taglia (micro turbina a gas): Si è ottenuto un rendimento di conversione (che è fortemente influenzato dai parametri di progetto r C e TIT) di poco inferiore a quello di sistemi tradizionali della stessa taglia (η solar 22%) Si è dimostrato che l analisi del funzionamento può fornire informazioni molto utili per il progetto di sistemi che siano in grado di sfruttare al meglio l energia solare disponibile...

25 Progetto: procedura E una procedura iterativa per valutare le prestazioni di «differenti progetti» del sistema per differenti valori del rapporto di compressione (compresi tra 2,5 e 4) I rendimenti isoentropici della turbina e del compressore vengono calcolati ad ogni iterazione con modelli mono-d in funzione del valore corrente dei parametri di progetto ( m, r c, N) Le dimensioni del disco parabolico (A conc ) e del ricevitore (A rec ) vengono determinate ad ogni iterazione con un processo di ottimizzazione che cerca l ottimo compromesso tra potenza intercettata e perdite verso l esterno

26 Progetto: procedura E una procedura iterativa per valutare l efficienza di «differenti progetti» del sistema per differenti valori del rapporto di compressione (compresi tra 2,5 e 4) I rendimenti isoentropici della turbina e del compressore vengono calcolati ad ogni iterazione con modelli mono-d in funzione del valore corrente dei parametri di progetto ( m, r c, N) Le dimensioni del disco parabolico (A conc ) e del ricevitore (A rec ) vengono determinate ad ogni iterazione con un processo di ottimizzazione che cerca l ottimo compromesso tra la potenza intercettata e le perdite verso l esterno

27 Progetto: procedura E una procedura iterativa per valutare l efficienza di «differenti progetti» del sistema per differenti valori del rapporto di compressione (compresi tra 2,5 e 4) I rendimenti isoentropici della turbina e del compressore vengono calcolati ad ogni iterazione con modelli mono-d in funzione del valore corrente dei parametri di progetto ( m, r c, N) Le dimensioni del disco parabolico (A conc ) e del ricevitore (A rec ) vengono determinate ad ogni iterazione con un processo di ottimizzazione che cerca l ottimo compromesso tra la potenza intercettata e le perdite verso l esterno

28 Progetto: procedura E una procedura iterativa per valutare l efficienza di «differenti progetti» del sistema per differenti valori del rapporto di compressione (compresi tra 2,5 e 4) I rendimenti isoentropici della turbina e del compressore vengono calcolati ad ogni iterazione con modelli mono-d in funzione del valore corrente dei parametri di progetto ( m, r c, N) Le dimensioni del disco parabolico (A conc ) e del ricevitore (A rec ) vengono determinate ad ogni iterazione con un processo di ottimizzazione che cerca l ottimo compromesso tra la potenza intercettata e le perdite verso l esterno

29 Funzionamento: procedura Si valutano le prestazioni del sistema (dimensionato allo step precedente) per differenti valori della radiazione solare (DNI) e della temperatura ambiente (T amb ) mediante una procedura iterativa Sono necessari tre loop per la risoluzione del modello: i. interno per calcolare la temperatura all uscita della turbina (T 5 ), ii. intermedio per determinare il punto di equilibrio (portata m e numero di giri N) tra compressore e turbina iii. esterno che rappresenta il sistema di inseguimento del solar dish (k dep minori di 1 rappresentano un «depotenziamento» del sistema)

30 Funzionamento: risultati 2

31 Produttività annua: analisi di sensitività 2 Progetti ottimi Produttività ottima

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