A novel supercritical CO2 recompression Brayton power cycle for power tower concentrating solar plants

Abstract

Las plantas termosolares de concentración con torre y con almacenamiento de energía térmica jugarán un papel clave en la transición a un escenario bajo en carbono, gracias a ser un sistema de energía renovable gestionable. La sal ternaria de MgCl2 / KCl / NaCl aparece como una de las más prometedoras debido a su menor punto de fusión, mayor capacidad térmica, menor costo y estabilidad hasta 800 ° C. Se ha seleccionado un receptor de tipo cavidad porque minimiza la pérdida de calor por radiación a altas temperaturas de trabajo, en comparación con un receptor de tipo externo, ya que todos los recubrimientos selectivos comerciales se degradan en el aire. Se ha elegido para el bloque de potencia el ciclo Brayton con CO2 supercrítico porque puede superar el 50% de eficiencia, incluso cuando se trabaja en condiciones de enfriamiento seco, y los intercambiadores de calor de circuito impreso generalmente se recomiendan debido a su capacidad para soportar las altas presiones. Sin embargo, surgen problemas de obstrucción en sus pequeños canales cuando se usan sales fundidas. Este documento propone un novedoso ciclo de potencia de Bayton supercrítico con CO2 cuya energía térmica se suministra a través del lado de baja presión (más de 85 bar) que permite el uso de intercambiadores de calor de carcasa y tubo, logrando una mayor compacidad y una menor inversión. Por lo tanto, se han investigado diferentes opciones basadas en el diseño de recompresión con interrefrigeración y recalentamiento tanto en escenarios de enfriamiento seco como húmedo. Se recomienda el recalentamiento para el enfriamiento húmedo, alcanzando una eficiencia del 54.6% y una inversión de 8662 $ / kWe; la interrefrigeración con recalentamiento es la mejor opción para el enfriamiento en seco, alcanzando una eficiencia del 52.6% y una inversión de 8742 $ / kWe.

Power tower concentrating solar plants with thermal energy storage will play a key role in the transition to a low carbon scenario, thanks to be a dispatchable renewable energy system. The ternary MgCl2/KCl/NaCl salt appears as one of the most promising due to its lower melting point, higher heat capacity, lower cost and stability up to 800 °C. A cavity-type receiver has been selected because minimizes radiation heat loss at high working temperatures, compared to an external-type receiver, since all commercial selective coatings degrade in air. Supercritical Brayton power cycle is chosen for the power block because it can surpass 50% efficiency, even when working in dry cooling conditions, and printed circuit heat exchangers are usually recommended due to its ability to support the high pressures. However, plugging/clogging issues arise in their small channels when using molten salts. This paper proposes a novel supercritical CO2 Bayton power cycle whose heat power is supplied through the low pressure side (over 85 bar) allowing the use of shell and tube heat exchangers, achieving a higher compactness and a lower investment. Thus, different options based on the recompression layout with intercooling and reheating have been investigated in both dry and wet cooling scenarios. Reheating is recommended for wet cooling, reaching 54.6% efficiency and an investment of 8662 $/kWe; intercooling with reheating is the best option for dry cooling, reaching 52.6% efficiency and an investment of 8742 $/kWe.