Hybrid Brayton supercritical CO2 power cycle using a gas turbine and a tower solar receptor with an ORC as a waste heat recovery system

Abstract

España tiene una gran capacidad instalada de plantas de energía solar de concentración (CSP) y también una producción científica relevante en ese campo. La cuota actual en el mix eléctrico es baja (alrededor del 2%, con una potencia total instalada de 2300 MWe). Se espera un crecimiento significativo de esa potencia instalada en la próxima década, apoyado por la capacidad de despacho de las plantas ESTC basadas en sistemas de almacenamiento de energía térmica (TES). Sin embargo, hay que hacer un esfuerzo para reducir los actuales costes nivelados de la electricidad. También hay otras formas de mejorar la despachabilidad de las plantas ESTC, y en relación con ello, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables de Estados Unidos señaló, en la Hoja de Ruta de Demostración de la Energía Solar por Concentración Gen3, el papel clave del ciclo de potencia supercrítica de CO2 Brayton como sistema eficiente de conversión de energía. El proyecto AdInCCSol (Integración avanzada de ciclos combinados en centrales termosolares) pretende estudiar y desarrollar cuatro tecnologías solares diferentes con sus correspondientes ciclos termodinámicos avanzados. Este trabajo muestra los primeros pasos en la definición de una de estas tecnologías, siendo el ciclo de potencia de CO2 supercrítico Brayton (S-CO2) unido a un ciclo de turbina de gas, la clave de esta configuración híbrida.

Spain has a large installed power capacity of concentrating solar power (CSP) plants and also a relevant scientific production in that field. The current share in the electricity mix is low (around 2%, with a total installed power capacity of 2300 MWe). A significant growth in that installed power is expected in the following decade, supported by the dispatchability of CSP plants based on thermal energy storage systems (TES). Nevertheless, an effort to reduce the current levelized costs of electricity should be done. There are also other ways of improving the dispatchability of CSP plants, and linked to that, the National Renewable Energy Laboratory of the United States stated, in the Concentrating Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap, the key role of the Brayton supercritical CO2 power cycle as an efficient energy conversion system. The project AdInCCSol (Advanced integration of combined cycles in solar thermal power plants) aims to study and develop four different solar technologies with four corresponding advanced thermodynamic cycles. This paper shows the first steps in the definition of one of these technologies, being the Brayton supercritical CO2 power cycle (S-CO2) attached to a gas turbine cycle, the key of this hybrid configuration.