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

This thesis analyzes binary cycle power plants (Organic Rankine Cycles) for electricity generation from low enthalpy geothermal resources. The objective is the maximization of the net power output by means of the proper selection of the working fluid and cycle parameters. A critical review of many studies on ORCs in the scientific literature is carried out to provide a basis for an optimization study having the exergy recovery efficiency as objective function. Two working fluids are analyzed taking into account both supercritical and subcritical pressures and different temperatures of the geothermal fluid. The application of advanced techniques derived from Pinch Analysis (HEATSEP method) allowed finding also sub-optimal solutions, corresponding to small deviations of the cycle parameters from the optimal design values. These solutions, although sub-optimal from a thermodynamic point of view, may be selected when different aspects related to the technology, economics, flexibility or safety of the system are considered. The costs of the optimal thermodynamic solutions are estimated using the module costing technique that relates all capital and operating costs to the purchased cost of equipment evaluated for some base conditions. The economic results show the impact of the geothermal fluid temperature and working fluid selection on the economics of the system. The results of this study are applied to the Stillwater real binary cycle power plant that started operating in 2009 in Nevada (USA). The power plant operates at subcritical pressures with isobutane as working fluid and uses a dry cooling system as heat rejection system. Due to the limited geothermal resource the plant net power output is much lower than expected. A detailed off-design model of the power plant is developed using the software Aspen. The model is tested and adjusted against the plant data collected during the first year of operation. After validation, the model is run to evaluate the operating parameters that maximize the annual energy production. A study is then performed to increase the performance of Stillwater geothermal binary power plant with the addition of the solar source. The combination of the high exergy solar resource with the low exergy geothermal resource could provide many benefits such as the improvement of the thermal efficiency and the increase of the power output during the day and especially during the warm season, a time when the energy production of air-cooled geothermal power plants is markedly reduced. The addition of the solar heat in the Stillwater geothermal plant restores operating conditions close to design point also in presence of reduced geothermal flow rate and temperature. The detailed off-design model of Stillwater power plant is used to carry out this hybridization study. Cycle parameters are optimized for different values of the ambient temperature and solar irradiation in order to maximize the annual energy production. Two different designs of hybrid geo-solar plants, with and without storage, are compared, and the levelized cost of electricity (LCOE) of the incremental generation from solar energy is calculated. As expected, this LCOE is quite high due to the high costs of the solar collectors and could be competitive only in presence of appropriate incentives.

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.