Technical and economic assessment of transient supercritical carbon dioxide Brayton cycles with thermal energy storage systems

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Battisti, Felipe Gesser
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/219316
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2020.
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spelling Technical and economic assessment of transient supercritical carbon dioxide Brayton cycles with thermal energy storage systemsEngenharia mecânicaDióxido de carbonoEnergia térmicaTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2020.Esta tese explora o comportamento transiente de plantas de produção de potência com fontes intermitentes de calor, dióxido de carbono supercrítico (s-CO2) como fluido de transferência de calor (HTF), ciclos Brayton e sistemas de armazenamento de energia térmica (TES). Este documento compreende três estudos intercomplementares principais. Primeiro, a tese discute o comportamento transiente de um ciclo de Brayton recuperativo utilizando s-CO2, que inclui TES sólido e sistema de armazenamento de massa. O comportamento transiente do ciclo é promovido através de um perfil de temperatura da fonte de calor que imita o de uma planta híbrida (usina solar assistida por combustível fóssil) ? ou seja, um perfil idealizado de temperatura semelhante ao fluxo solar associado a uma linha base constante. Para permitir as discretizações espacial e temporal dos principais componentes do ciclo, foram desenvolvidas rotinas numéricas em volumes finitos. Em segundo lugar, o comportamento transiente de um sistema TES packed-bed cilíndrico com s-CO2 é investigado. O modelo numérico 1-D desenvolvido é responsável pela troca de calor entre o meio poroso e o HTF através de uma formulação de duas temperaturas, permitindo o cálculo das perdas de carga e de calor para o ambiente derivadas do escoamento de fluido pelo do tanque do TES. A análise termo-hidráulica investiga, por pontos de vista paramétrico e de otimização, os efeitos de parâmetros operacionais e de projeto, como tamanho do tanque e sua razão de aspecto, tamanho das partículas do meio poroso, temperatura de carregamento, ciclos de carga e descarga. Em terceiro lugar, é apresentada uma avaliação econômica e ambiental da viabilidade de um sistema integrado composto por campo de energia solar concentrada (CSP), bloco de potência e sistema TES packed-bed considerando s-CO2 como HTF. A análise considera dados de ano meteorológico típico (TMY) para determinar os custos anuais de produção de energia de uma usina de ~10 MW, também usando a abordagem do custo nivelado de energia (LCOE). Com base em análises paramétricas, combinações de tamanhos de campo solar e sistema TES são estudadas enquanto considerando custos de equipamentos, operação e manutenção, aquecimento auxiliar e ambientais. Sobre a primeira parte, a análise mostra que os efeitos inerciais térmicos são capazes de alterar drasticamente a produção das plantas, já que o sistema pode requerer vários dias para atingir um padrão operacional periódico representativo, e que as hipóteses de regime permanente e de processo quase estático devem ser cuidadosamente consideradas quando um sistema TES é empregado. Além disso, se utilizado um controle adequado para os processos de carga e descarga do TES, seu uso pode estender significativamente a produção da planta, permitindo um melhor ajuste ao perfil de demanda. Sobre a segunda parte, os resultados sugerem claramente as tendências de design para sistemas TES packed-bed com s-CO2, mostrando que não apenas a eficiência termo-hidráulica combinada de carga-descarga do sistema TES é altamente dependente dos parâmetros de projeto e operação, mas também que ele pode ser otimizado com relação a tais parâmetros. Sobre a terceira parte, a avaliação exploratória encontrou tendências econômicas para a planta integrada. Embora as soluções com o sistema TES packed-bed possam não ter melhorado o LCOE em comparação com as respectivas referências, a avaliação geral revelou não apenas a possível viabilidade do sistema integrado usando essa opção de TES com s-CO2, mas também evidenciou caminhos para exames mais aprofundados, como otimização multiobjetivo também considerando aspectos ambientais.Abstract: This dissertation explores the transient behavior of intermittent-heat-sources-based power plants using supercritical carbon dioxide (s-CO2) as heat transfer fluid (HTF), Brayton cycles, and thermal energy storage (TES) systems. This document comprises three main inter-complementary studies. First, this dissertation discusses the transient behavior of an s-CO2 recuperative Brayton cycle, which includes solid TES and mass storage systems. The cycle time-dependent behavior is promoted through a heat source temperature profile mimicking that of a hybrid power plant (fossil-assisted solar plant) ? i.e., an idealized solar-radiation-flux-like temperature profile on top of a constant baseline. For allowing spatial and temporal discretizations of key components of the cycle, finite-volume numerical routines were specifically developed. Secondly, the transient behavior of a cylindrical s-CO2-based packed-bed TES system is investigated. The 1-D numerical model developed accounts for the heat exchange between the porous medium and the HTF through a two-temperature formulation, thus allowing the calculation of the pressure drop and the heat loss to the environment derived from the fluid flow through the TES tank. The thermal-hydraulic analysis investigates, from parametric and optimization standpoints, the effects of design and operational parameters, such as the tank size and aspect ratio, the porous medium particle size, the charging temperature, the charging-discharging cycling. Thirdly, an economic assessment on the feasibility of a concentrated solar power (CSP) plant composed of solar field, power block, and packed-bed TES system considering s-CO2 as HTF is presented. The analysis considered typical meteorological year (TMY) data for determining the annual costs of producing energy in a ~10 MW plant also using the levelized cost of energy (LCOE) approach. By drawing upon parametric analyses, combinations of solar field and TES sizes are studied while considering equipment, operation and maintenance, auxiliary heating, and environmental costs. From the first part, the analysis shows that the thermal inertial effects are capable of drastically changing the power delivery of the cycles because the overall system might require several days to reach a periodic representative operational pattern, which suggests that steady-state and quasi-steady-state hypotheses must be carefully considered when a TES system is employed. Moreover, if a proper control strategy is used for the TES charging and discharging processes, its use can significantly extend the cycle power output delivery allowing a better fitting to the demand profile. From the second part, the results clearly suggest design trends for s-CO2-based systems, showing that not only the thermal-hydraulic charging-discharging combined efficiency of the TES unit is highly dependent on design and operation parameters, but also that it can be optimized with respect to such parameters. From the third part, the exploratory assessment found economic trends for the integrated plant. Although the solutions with the packed-bed TES system might have not improved the LCOE in comparison to the respective references, the overall examination revealed the possible feasibility of the integrated system using such a TES technology for s-CO2 and evidenced several venues for further examination, such as multi-objective optimization also regarding environmental aspects.Silva, Alexandre Kupka daUniversidade Federal de Santa CatarinaBattisti, Felipe Gesser2021-01-14T18:07:41Z2021-01-14T18:07:41Z2020info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis197 p.| il., gráfs.application/pdf370517https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/219316engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2021-01-14T18:07:41Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/219316Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732021-01-14T18:07:41Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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