SUPERCRITICAL CO2 CYCLES FOR THE NEXT GENERATION OF CONCENTRATED SOLAR POWER PLANTS

Renewable energy plays a central role in the net-zero economy transition, with solar energy being one of the most promising resources. The concentrated solar power (CSP) plants can integrate relatively low-cost thermal energy storage, which makes them flexible and enables dispatchable electricity generation up to 24 hours. This is increasingly important as the share of non-dispatchable renewable generation (such as photovoltaic plants with no or only short-term energy storage) in the power grid continues to grow. The competitiveness of the next-generation CSP plants can be enhanced through the adoption of advanced CO2 power cycles operating at higher turbine inlet temperatures. Considering the operation of CSP plants in hot and arid climates, power cycle operation in a supercritical state (sCO2) is expected. Further performance improvement can be achieved by utilizing CO2-based mixtures using dopants with high critical temperatures. This enables a transition from supercritical to transcritical cycles with compression in the liquid phase, allowing for both improved efficiency and lower cost of the power cycle and CSP plant. The thesis is structured as a collection of scientific papers organized into four parts. Part one focuses on the design and experimental characterization of equipment for sCO2 and CO2 mixture power cycles. The comparison of different commercial technologies available today for recuperators and primary heat exchangers is carried out. Then the similarity between water and solar salt is explored to experimentally characterize the thermo-hydraulic performance of innovative heat exchanger design for primary heat exchanger applications. Finally, the equipment for sCO2, CO2 mixture, and steam Rankine power cycles is designed with mass, cost, and flexibility estimations performed. Part two investigates the novel dopants proposed in this work. New CO2 mixtures for CSP plants are proposed and evaluated through preliminary thermodynamic optimization of power cycle performance and techno-economic optimization of CSP plants. Thermal stability tests of C3F6 and GeCl4 were carried out, showing low thermal stability limits of both fluids. Part three evaluates the techno-economic performance of sCO2 and CO2 mixture power cycles in CSP plants. The use of sCO2 and CO2 + SiCl4 mixture power cycles in Gen2 and Gen3 CSP plants is assessed for different cycle layouts, solar multiples, and thermal energy storage capacities. Additionally, off-design modeling of supercritical and transcritical simple recuperated cycles is conducted to assess the influence of air-cooled heat rejection unit design on the overall techno-economic performance of CSP plants. Part four presents a high-temperature combined cycle configuration for CSP applications. The combined cycle consisting of the topping alkali metal cycle and bottoming sCO2 recompression power cycle is proposed and compared with a standalone sCO2 recompression cycle. In summary, this thesis presents theoretical and experimental investigations of equipment, novel dopants, and the techno-economic performance of CSP plants using sCO2 and CO2 mixture power cycles, as well as high-temperature combined cycle configuration for CSP. The findings contribute to both industry and academia by providing a valuable basis for the design of next-generation CSP plants with sCO2 and CO2 mixture power cycles.

Le energie rinnovabili hanno un ruolo centrale nella transizione verso una produzione dell’energia ad impatto zero, e l'energia solare rappresenta una delle risorse più promettenti. Gli impianti concentrazione solare (CSP) possono integrare sistemi di accumulo di energia termica a costi relativamente bassi, risultando così flessibili e consentendo una produzione di energia elettrica programmabile fino a 24 ore. Un aspetto sempre più importante dato che la quota di generazione rinnovabile non programmabile (come i sistemi fotovoltaici, che non hanno accumulo di energia o ne hanno solo a breve termine) nella rete elettrica continua a crescere. La competitività degli impianti CSP di futura generazione può essere migliorata attraverso l'adozione di cicli di potenza a CO2 avanzati che operano a temperature di ingresso della turbina più elevate. Considerando il funzionamento degli impianti CSP in climi caldi e aridi, è previsto che il ciclo di potenza operi in uno stato supercritico (sCO2). Ulteriori miglioramenti delle prestazioni possono essere ottenuti utilizzando miscele a base di CO2 con dopanti ad alta temperatura critica. Ciò consente una transizione dai cicli supercritici a quelli transcritici con compressione in fase liquida, permettendo sia una maggiore efficienza che un costo inferiore del ciclo di potenza e dell'intero impianto CSP. La tesi è strutturata come una raccolta di articoli scientifici organizzati in quattro parti. La prima parte si concentra sulla progettazione e sulla caratterizzazione sperimentale dei componenti dei cicli di potenza a sCO2 e a miscela di CO2. Viene effettuato un confronto tra le diverse tecnologie commerciali attualmente disponibili per i recuperatori e gli scambiatori di calore primari. Successivamente, viene esplorata la similitudine tra acqua e sali fusi per caratterizzare sperimentalmente le prestazioni termoidrauliche di un design innovativo di scambiatore di calore per applicazioni di scambio termico ad alta temperatura. Infine, vengono progettate le apparecchiature per i cicli di potenza a sCO2, a miscela di CO2 e a vapore, con stime di massa, costi e flessibilità. La seconda parte indaga i nuovi dopanti proposti in questo lavoro. Nuove miscele di CO2 per impianti CSP vengono proposte e valutate attraverso un'ottimizzazione termodinamica preliminare delle prestazioni del ciclo di potenza e un'ottimizzazione tecnico-economica degli impianti CSP. Sono stati effettuati inoltre test di stabilità termica su C3F6 e GeCl4, che hanno evidenziato bassi limiti di stabilità termica per entrambi i fluidi. La terza parte valuta le prestazioni tecnico-economiche dei cicli di potenza a sCO2 e a miscela di CO2 negli impianti CSP. L'utilizzo di cicli di potenza a sCO2 e a miscela di CO2 + SiCl4 negli impianti CSP di seconda e terza generazione viene valutato per diverse configurazioni di ciclo, multipli solari e capacità di accumulo di energia termica. Inoltre, viene condotta una modellazione fuori progetto di cicli a recupero semplice supercritici e transcritici per valutare l'influenza della progettazione dell’unità di dissipazione del calore raffreddata ad aria sulle prestazioni tecnico-economiche complessive degli impianti CSP. La quarta parte presenta una configurazione di ciclo combinato ad alta temperatura per applicazioni CSP. Il ciclo combinato, costituito da un ciclo a metalli alcalini e un secondo ciclo ricompresso a sCO2, viene proposto e confrontato con un ciclo ricompresso a sCO2. In sintesi, questa tesi presenta indagini teoriche e sperimentali su apparecchiature, nuovi dopanti, prestazioni tecnico-economiche di impianti CSP che utilizzano cicli di potenza a sCO2 e a miscela di CO2, nonché un ciclo combinato ad alta temperatura per CSP. I risultati contribuiscono sia al settore industriale che a quello accademico, fornendo una base preziosa per la progettazione di impianti CSP di prossima generazione con cicli di potenza a sCO2 e a miscela di CO2.