Analysis and Development of Innovative Binary Cycle Power Plants for Geothermal and Combined Geo-Solar Thermal Resources

La tesi analizza gli impianti a ciclo binario (Organic Rankine Cycles) per generazione di elettricità da risorse geotermiche a bassa entalpia. L'obiettivo è la massimizzazione della potenza netta tramite una selezione appropriata del fluido operativo e dei parametri di ciclo. La valutazione critica di molti studi sui cicli di Rankine organici ha fornito le basi per formulare uno studio di ottimizzazione avente come funzione obiettivo il rendimento di recupero exergetico. Sono analizzati due fluidi operativi considerando sia pressioni supercritiche che subcritiche e diverse temperature del fluido geotermico. L'applicazione di tecniche avanzate derivate dalla Pinch Analysis (metodo HEATSEP) ha consentito di trovare anche soluzioni sub-ottimali, corrispondenti a piccoli scostamenti dei parametri di ciclo dai valori di progetto ottimali. Queste soluzioni, sebbene sub-ottimali da un punto di vista termodinamico, potrebbero essere scelte se venissero considerati anche aspetti legati alla tecnologia, economia, flessibilità o sicurezza del sistema. I costi delle soluzioni termodinamicamente ottimali sono quindi valutati mostrando l'impatto della temperatura del fluido geotermico e della scelta del fluido operativo sull'economia del sistema. I risultati di questo studio sono applicati all'impianto reale a ciclo binario di Stillwater che iniziò l'operazione nel 2009 in Nevada (USA). L'impianto opera a pressioni subcritiche con isobutano come fluido operativo e usa un sistema di raffreddamento ad aria. A causa della limitata risorsa geotermica la potenza netta prodotta dall'impianto è molto più bassa di quella attesa. E' stato sviluppato un modello dettagliato di fuori progetto dell'impianto usando il software Aspen. Il modello è stato validato con i dati dell'impianto raccolti nel primo anno di attività. Dopo validazione il modello è utilizzato per ottenere i parametri operativi che massimizzano la produzione energetica annuale. E' stato quindi effettuato uno studio per aumentare le prestazioni dell'impianto geotermico di Stillwater con l'aggiunta della risorsa solare. I parametri di ciclo sono ottimizzati per valori differenti della temperatura ambiente e della radiazione solare per massimizzare la produzione energetica annuale. Sono confrontate due configurazioni di ciclo ibrido, con e senza accumulo, ed è calcolato il costo dell'energia elettrica (LCOE). Come atteso, questo LCOE è abbastanza elevato a causa dei costi elevati dei collettori solari e potrebbe essere competitivo solo in presenza di incentivi appropriati.