Hybrid Solar Gas-Turbine Power Plants : A Thermoeconomic Analysis
The provision of a sustainable energy supply is one of the most importantissues facing humanity at the current time, and solar thermal power hasestablished itself as one of the more viable sources of renewable energy. Thedispatchable nature of this technology makes it ideally suited to forming theba...
| Main Author: | |
|---|---|
| Format: | Doctoral Thesis |
| Language: | English |
| Published: |
KTH, Kraft- och värmeteknologi
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-121315 http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-7501-704-4 |
| Summary: | The provision of a sustainable energy supply is one of the most importantissues facing humanity at the current time, and solar thermal power hasestablished itself as one of the more viable sources of renewable energy. Thedispatchable nature of this technology makes it ideally suited to forming thebackbone of a future low-carbon electricity system.However, the cost of electricity from contemporary solar thermal power plantsremains high, despite several decades of development, and a step-change intechnology is needed to drive down costs. Solar gas-turbine power plants are apromising new alternative, allowing increased conversion efficiencies and asignificant reduction in water consumption. Hybrid operation is a furtherattractive feature of solar gas-turbine technology, facilitating control andensuring the power plant is available to meet demand whenever it occurs.Construction of the first generation of commercial hybrid solar gas-turbinepower plants is complicated by the lack of an established, standardised, powerplant configuration, which presents the designer with a large number ofchoices. To assist decision making, thermoeconomic studies have beenperformed on a variety of different power plant configurations, includingsimple- and combined-cycles as well as the addition of thermal energy storage.Multi-objective optimisation has been used to identify Pareto-optimal designsand highlight trade-offs between costs and emissions.Analysis of the simple-cycle hybrid solar gas-turbines revealed that, whileelectricity costs were kept low, the achievable reduction in carbon dioxideemissions is relatively small. Furthermore, an inherent trade-off between thedesign of high efficiency and high solar share hybrid power plants wasidentified. Even with the use of new optimised designs, the degree of solarintegration into the gas-turbine did not exceed 63% on an annual basis.In order to overcome the limitations of the simple-cycle power plants, twoimprovements were suggested: the integration of thermal energy storage, andthe use of combined-cycle configurations. Thermal energy storage allowed thedegree of solar operation to be extended, significantly decreasing carbondioxide emissions, and the addition of a bottoming-cycle reduced the electricitycosts. A combination of these two improvements provided the bestperformance, allowing a reduction in carbon dioxide emissions of up to 34%and a reduction in electricity costs of up to 22% compared to a combination ofconventional power generation technologies. === Hållbar energiförsörjning är för närvarande en av de viktigaste frågorna förmänskligheten. Koncentrerad solenergi är nu etablerad som en tillförlitlig källaav förnybar energi. Den reglerbara karaktären hos tekniken gör den specielltintressant för uppbyggnaden av ett framtida koldioxidsnålt elsystem.Kostnaden för elektricitet från nuvarande termiska solkraftverk är hög trottsflera decennier av utveckling. Ett genombrått på tekniknivå krävs för att drivaned kostnaderna. Sol-gasturbiner är ett av de mest lovande alternativen, somger en ökad verkningsgrad samtidigt som vattenkonsumtionen reducerasdrastiskt. Sol-gasturbintekniken gör det möjligt att blandköra solenergi ochandra bränslen för att möta efterfrågan vid alla tidpunkter, en attraktiv aspekt iförhållande till alternativa lösningar.Uppbyggnaden av första generationens kommersiella hybrida solgasturbinkraftverkförsvåras dock av bristen på etablerade och standardiseradekraftverkskonfigurationer. Dessa ger planeraren ett stort antal valmöjlighetersom underlag för beslutsfattande. Termoekonomiska studier har genomförtsför ett flertal olika kraftverkskonfigurationer, däribland kraftverk med enkelcykel, kombikraftverk samt möjligheten att utnyttja termisk energilagring.Pareto-optimala konfigurationer har identifierats med hjälp av multiobjektsoptimeringför att belysa balansen mellan kostnader och utsläpp.Analysen av det enkla hybrida sol-gasturbinkraftverket visade attelektricitetskostnaden hållits på en låg nivå, men att den möjliga minskningen avkoldioxidutsläpp är relativt liten. Dessutom identifierades en inre balans mellanatt bibehålla en hög verkningsgrad hos konfigurationen och en hög andelsolenergi i produktionen. Andelen av solenergi i gasturbinen överskred aldrig63% på årlig bas, även med optimerade kraftverkskonfigurationer.Två förbättringar föreslås för att övervinna begränsningarna hos kraftverk medenkel cykel: integration av termisk energilagring samt nyttjande avkombikraftverkskonfigurationer. Termisk energilagring tillåter en ökad andelsolenergi i driften och reducerar koldioxidutsläppen drastiskt, medan denytterligare cykeln hos kombikraftverket reducerar elektricitetskostnaden.Kombinationen av dessa förbättringar ger den bästa prestandan, med enreduktion av koldioxidutsläppen på upp till 34% och reducerade elektricitetskostnaderpå upp till 22% i jämförelse med andra kombinationer avkonventionella kraftverkskonfigurationer. === <p>QC 20130503</p> |
|---|