Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Hybrid Solar Gas-Turbine Power Plants: A Thermoeconomic Analysis
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology, Heat and Power Technology. (Concentrated Solar Power)
2013 (English)Doctoral thesis, monograph (Other academic)
Abstract [en]

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.

Abstract [sv]

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.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2013. , 279 p.
Series
Trita-KRV, ISSN 1100-7990 ; 13:04
Keyword [en]
solar thermal power, hybrid gas-turbine, thermoeconomics
Keyword [sv]
koncentrerad solenergi, gas-turbiner, ekonomisk analys
National Category
Energy Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-121315ISBN: 978-91-7501-704-4 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-121315DiVA: diva2:618267
Public defence
2013-05-24, M2, Brinellvägen 66, KTH, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20130503

Available from: 2013-05-03 Created: 2013-04-26 Last updated: 2013-05-03Bibliographically approved

Open Access in DiVA

PhD_JSpelling(13735 kB)10824 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 13735 kBChecksum SHA-512
43473b5ecfea8eab32b56c8f79c1bc1a982e4e7fdbf7f7f867272d0235ff9d58481f3a09bc50482b21c146aca0ac1f19d648d6439186b5f904b69ec756f74dea
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Spelling, James
By organisation
Heat and Power Technology
Energy Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 10824 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 1585 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf