Advanced carbon dioxide thermodynamic cycles for power production

Carbon dioxide thermodynamic cycles for power production is a new technology under research and development in various research groups around the globe. The main attractive features of carbon dioxide cycles are higher cycle efficiency, lower size footprint and their integration capability with different heat sources. However, there are some application-specific challenges of such power cycles including lower heat recovery effectiveness, lower cycle specific work and necessity of complex cycle layouts for waste heat recovery. Secondly, the sensitivity of cycle efficiency to rising cycle minimum temperature also limits its operation for conditions where only cold cooling medium is available. To address the aforesaid challenges of carbon dioxide power cycles, this work proposes new transcritical advanced carbon dioxide cycles operating with CO2-based binary mixtures as working fluids for power production. The accurate calculation of thermophysical properties of working fluids is critical for thermodynamic analysis of power cycles using CO2-based binary mixtures as working fluids. As a result, one of the primary goals of this research is to examine various thermodynamic property models in order to select one that is capable of computing accurate thermodynamic properties in the temperature range of interest. Furthermore, vapor-liquid critical points at various molar compositions of mixture are calculated by combining Gibbs critical point criteria with Peng-Robinson EoS. In order to explore thermodynamic potential of CO2 mixtures working fluids over wide range of heat source temperatures, two applications are considered: high temperature waste heat recovery (Tmax=350℃) and concentrated solar power (Tmax=550℃ and 700℃). In the field of high temperature heat recovery, CO2-R134a mixture (70% molar CO2) in transcritical power cycle shows 4 points higher total efficiency compared to carbon dioxide power cycle (14.3% in case of CO2-R134a and 10.8% in case of CO2) with the same cycle layout and maximum operating pressure. Five CO2 mixtures are considered as working fluids for power cycles coupled with a concentrated solar power (CSP) tower, and the gain in cycle efficiency is studied with reference to sCO2 recompression cycle and sCO2 simple recuperative cycle. With a simple recuperative cycle layout, CO2-TiCl4 [80% molar CO2] working fluid shows cycle efficiency of 50.7%, which is close to the optimum cycle efficiency of the sCO2 recompression cycle (i.e. 50.8 percent) at cycle maximum temperature of 700℃. Moreover, when cycle maximum temperature is 550 ℃, CO2-TiCl4, CO2-C6F6, CO2-CF3I and CO2-SO2F2 also brings about gain in cycle efficiency compared to sCO2 simple recuperative cycle. Considering the huge potential of CO2 mixtures in improving thermodynamic efficiency of the cycle, a detailed analysis is carried out for a 100 MW power block integrated with concentrated solar power tower adopting CO2-SO2 mixture working fluid. Analysis at different molar composition of mixture suggests 85% molar CO2 mixture as optimum choice owing to higher cycle efficiency irrespective of cycle layout. Based on thermodynamic and economic advantages, transcritical power cycles operating with CO2-SO2 mixture turns out to be a better choice for CSP power plants.

I cicli termodinamici dell'anidride carbonica per la produzione di energia sono una nuova tecnologia in fase di ricerca e sviluppo in vari gruppi di ricerca in tutto il mondo. Le principali caratteristiche attrattive dei cicli ad anidride carbonica sono una maggiore efficienza del ciclo, un ingombro ridotto e la loro capacità di integrazione con diverse fonti di calore. Tuttavia, ci sono alcune sfide specifiche dell'applicazione di tali cicli di alimentazione, tra cui una minore efficacia di recupero del calore, un lavoro specifico per il ciclo inferiore e la necessità di schemi di ciclo complessi per il recupero del calore di scarto. In secondo luogo, la sensibilità dell'efficienza del ciclo all'aumento della temperatura minima del ciclo ne limita anche il funzionamento per condizioni in cui è disponibile solo un mezzo di raffreddamento freddo. Per affrontare le suddette sfide dei cicli energetici dell'anidride carbonica, questo lavoro propone nuovi cicli avanzati transcritici dell'anidride carbonica che funzionano con miscele binarie a base di CO2 come fluidi di lavoro per la produzione di energia. Il calcolo accurato delle proprietà termofisiche dei fluidi di lavoro è fondamentale per l'analisi termodinamica dei cicli di alimentazione utilizzando miscele binarie a base di CO2 come fluidi di lavoro. Di conseguenza, uno degli obiettivi primari di questa ricerca è quello di esaminare vari modelli di proprietà termodinamiche al fine di selezionarne uno in grado di calcolare proprietà termodinamiche accurate nell'intervallo di temperatura di interesse. Inoltre, i punti critici vapore-liquido in varie composizioni molari della miscela vengono calcolati combinando i criteri dei punti critici di Gibbs con Peng-Robinson EoS. Al fine di esplorare il potenziale termodinamico delle miscele di CO2 che lavorano fluidi su un'ampia gamma di temperature della sorgente di calore, vengono considerate due applicazioni: recupero del calore di scarto ad alta temperatura (Tmax=350℃) e energia solare concentrata (Tmax=550℃ e 700℃). Nel campo del recupero di calore ad alta temperatura, la miscela CO2-R134a (70% CO2 molare) nel ciclo di alimentazione transcritico mostra un'efficienza totale di 4 punti superiore rispetto al ciclo di alimentazione ad anidride carbonica (14,3% in caso di CO2-R134a e 10,8% in caso di CO2) con la stessa disposizione del ciclo e pressione massima di esercizio. Cinque miscele di CO2 sono considerate fluidi di lavoro per cicli energetici accoppiati a una torre solare concentrata (CSP) e il guadagno in efficienza del ciclo è studiato con riferimento al ciclo di ricompressione di sCO2 e al ciclo di recupero semplice di sCO2. Con un semplice layout del ciclo di recupero, il fluido di lavoro CO2-TiCl4 [80% CO2 molare] mostra un'efficienza del ciclo del 50,7%, che è vicina all'efficienza del ciclo ottimale del ciclo di ricompressione sCO2 (cioè 50,8%) alla temperatura massima del ciclo di 700 ℃ . Inoltre, quando la temperatura massima del ciclo è 550 ℃, CO2-TiCl4, CO2-C6F6, CO2-CF3I e CO2-SO2F2 determinano anche un guadagno nell'efficienza del ciclo rispetto al semplice ciclo di recupero sCO2. Considerando l'enorme potenziale delle miscele di CO2 nel migliorare l'efficienza termodinamica del ciclo, viene effettuata un'analisi dettagliata per un blocco di potenza da 100 MW integrato con una torre solare a concentrazione che adotta il fluido di lavoro della miscela CO2-SO2. L'analisi a diversa composizione molare della miscela suggerisce una miscela di CO2 molare all'85% come scelta ottimale a causa della maggiore efficienza del ciclo indipendentemente dal layout del ciclo. Sulla base dei vantaggi termodinamici ed economici, i cicli di alimentazione transcritici operanti con una miscela di CO2-SO2 risultano essere una scelta migliore per le centrali elettriche CSP.