Design and optimization of supercritical CO2 power systems for waste heat recovery focusing on heat transfer equipment

The subject of this Thesis focuses on the study of innovative energy systems for waste heat recovery applications. This field becomes more important day by day due to the increasing need to implement efficient solutions with respect to environmental problems. It therefore becomes essential to implement as many technologies as possible that improve the efficiency of the energy system. Of particular importance among these are Waste Heat Recovery (WHR) systems. In recent years, supercritical CO2 (sCO2) cycles have gained visibility and attention among researchers because of the great advantages their use would potentially bring. Indeed, carbon dioxide is nonflammable, low in toxicity and corrosivity, allows miniaturization of turbomachinery and heat transfer equipment, and its high vapor density results in reduced compression work. The objective of this work is to evaluate the economic feasibility of supercritical CO2 power systems in a real WHR application. This is done by performing design optimization of the most promising sCO2 system configurations, focusing on the heat transfer apparatus. The latter represents a significant fraction of the investment cost of the system and consists of a primary flue gas-sCO2 heat exchanger, one or more recuperators, and a cooler. It is chosen here to focus on the Heat Exchanger Network (HEN) design optimization, excluding turbomachinery. This is done because the heat transfer equipment is expected to occupy the largest space both in terms of volume and capital investment. Whereas the turbomachinery should be very small in size due to the properties of CO2, which has high density in the supercritical region near the critical point. The starting point of the design optimization of the sCO2 power system is the extensive study of the literature to select the best system configurations and heat exchanger types. Next, two different optimization approaches are proposed: 1) The Double Step Optimization Approach (DSOA), in which the optimization is carried out in two subsequent steps: in the first, the thermodynamic optimum that maximizes the power produced by the cycle with given boundary conditions is sought. Subsequently, the optimization of the heat exchangers design is carried out. The last optimization is done by first minimizing the pressure drop and weight of the heat exchangers, then comparing the points obtained on the Pareto front to choose which is the best solution. The two-objectives optimization performed to design the HEs is done with the purpose of investigating whether is possible to accept heat transfer equipment with higher pressure drops, but lower weight and cost. 2) The Single Step Optimization Approach (SSOA). The attempt in this case is to implement both optimizations, economic and thermodynamic, together. In this way, solutions should be found that maximize the total efficiency and minimize the capital cost of the equipment. The main result achieved through the implementation of the DSOA is a significant cost difference in all cycles analyzed between the case where a high temperature flue gas filtering system is used (HTf case) and the case where a low temperature flue gas filtering system is used (LTf case). In particular, the DSOA showed that the relative cost reduction is greater than the relative reduction in power generation when moving from the HTf to the LTf case. This could be a starting point for a real application to implement sCO2 power systems as an alternative technology for waste heat recovery. Second, the SSOA approach applied to a specific cycle configuration case produces a Pareto front in which all solutions improve the economic performance compared to the DSOA solution. In particular, it is found that it is possible to reduce the cost of the plant of 309 thousand dollars with respect the DSOA solution, producing almost the same electric power.

L'argomento di questa tesi è incentrato sullo studio di sistemi energetici innovativi per applicazioni di “Waste Heat Recovery”. Questo campo diventa di giorno in giorno più importante a causa della crescente necessità di implementare soluzioni efficienti rispetto ai problemi ambientali. Diventa quindi essenziale implementare il maggior numero possibile di tecnologie che migliorino l'efficienza del sistema energetico. Tra queste rivestono particolare importanza i sistemi di recupero del calore di scarto (WHR). Negli ultimi anni, i cicli a CO2 supercritica (sCO2) hanno guadagnato visibilità e attenzione tra i ricercatori per i grandi vantaggi che il loro utilizzo potenzialmente porterebbe. Infatti, l'anidride carbonica è non infiammabile, permette la miniaturizzazione delle turbomacchine e delle apparecchiature per il trasferimento di calore e la sua elevata densità di vapore consente di ridurre il lavoro di compressione. L'obiettivo di questo lavoro è valutare la fattibilità economica dei sistemi di alimentazione a CO2supercritica in un'applicazione WHR reale. A tal fine, viene eseguita un'ottimizzazione del design delle configurazioni più promettenti del sistema a CO2, concentrandosi sull'apparato di trasferimento del calore. Quest'ultimo rappresenta una frazione significativa del costo di investimento del sistema e consiste in uno scambiatore di calore primario gas di scarico-sCO2, uno o più recuperatori e un cooler. In questa sede si è scelto di concentrarsi sull'ottimizzazione della progettazione della rete di scambiatori di calore, escludendo le turbomacchine. Il punto di partenza dell'ottimizzazione del progetto del sistema di alimentazione a sCO2 è lo studio approfondito della letteratura per selezionare le migliori configurazioni del sistema e i tipi di scambiatori di calore. Successivamente, vengono proposti due diversi approcci di ottimizzazione: 1) Il Double Step Optimization Approach (DSOA), in cui l'ottimizzazione viene effettuata in due fasi successive: nella prima, si cerca l'optimum termodinamico che massimizza la potenza prodotta dal ciclo. Successivamente, si procede all'ottimizzazione del design degli scambiatori di calore. L'ultima ottimizzazione viene effettuata minimizzando le perdite di carico e il peso degli scambiatori di calore, quindi confrontando i punti ottenuti sul fronte di Pareto per scegliere quale sia la soluzione migliore. L'ottimizzazione a due obiettivi eseguita per progettare gli scambiatori di calore è stata fatta con lo scopo di indagare se è possibile accettare apparecchiature di trasferimento del calore con perdite di carico più elevate, ma con peso e costi inferiori. 2) The Single Step Optimization Approach (SSOA). In questo caso si cerca di implementare entrambe le ottimizzazioni, economica e termodinamica, insieme. In questo modo, si dovrebbero trovare soluzioni che massimizzino l'efficienza totale e minimizzino il costo di capitale dell'apparecchiatura. Il risultato ottenuto dal DSOA è una riduzione relativa dei costi superiore alla riduzione relativa della produzione di energia elettrica utilizzando un sistema di filtrazione ad alta temperatura (caso HTf) invece di filtri a bassa temperatura (caso LTf) per la rimozione delle polveri dai fumi. Questo potrebbe essere un punto di partenza per un'applicazione reale, per implementare i sistemi di potenza a sCO2 come tecnologia alternativa per il recupero del calore di scarto. In secondo luogo, l'approccio SSOA applicato a un caso specifico di configurazione del ciclo produce un fronte di Pareto in cui tutte le soluzioni migliorano la produzione di energia o le prestazioni economiche rispetto alla soluzione DSOA. In particolare, si è calcolata una possibile riduzione del costo dell’impianto di 309 mila dollari rispetto alla soluzione trovata con il DSOA, producendo all’incirca la stessa potenza.