Conception and optimization of supercritical CO2 Brayton cycles for coal-fired power plant application

par Qiao Zhao

Thèse de doctorat en Génie des procédés et des produits

Sous la direction de Jean-Noël Jaubert et de Romain Privat.

Le président du jury était Xavier Joulia.

Le jury était composé de Claire Adjiman.

Les rapporteurs étaient Xavier Joulia, Claire Adjiman.

  • Titre traduit

    Conception et optimisation du cycle de Brayton au CO2 supercritique dans l’application des centrales à charbon


  • Résumé

    L'amélioration des systèmes énergétiques est considérée comme un levier technologique pour répondre aux défis liés à la croissance de la demande d’électricité et des émissions des gaz à effet de serre. Les futures centrales devraient présenter une intégration thermique plus flexible et des sources de chaleur mixtes possibles. Une des solutions fiables consiste à utiliser un cycle de Brayton au CO2 supercritique (CO2-SC), un tel cycle à haut rendement est théoriquement prometteur pour les applications nucléaires, fossiles et solaires thermiques. Un des principaux obstacles au déploiement du cycle de Brayton au CO2-SC est de justifier sa faisabilité, sa viabilité et son potentiel à l’échelle industrielle. Dans ce contexte deux axes de recherche ont été identifiées : • Une sélection rigoureuse de l’équation d’état qui permet de représenter les propriétés d’intérêt du CO2-SC. • Une nouvelle méthodologie pour l’optimisation des centrales électriques, permettant de sélectionner automatiquement le procédé optimal parmi une grande quantité de configurations possibles (dénomme superstructure). Les résultats de la première partie de cette thèse mettent en lumière que l’équation de SW est pertinente pour limiter l’impact de l’imprécision de l’équation d’état sur le dimensionnement du procédé. Dans cette thèse, un simulateur de procédé commercial, ProSimPlus a été combiné avec un solveur type évolutionnaire (MIDACO) afin d’effectuer des optimisations superstructure. Premièrement, le critère d’optimisation est de maximiser le rendement énergétique du procédé. Dans un deuxième temps, on cherche simultanément à minimiser les coûts du procédé. Pour ce faire, des fonctions de coût internes à EDF ont été utilisées afin de permettre l’estimation des coûts d'investissement (CAPEX), des dépenses opérationnelles (OPEX) et du coût actualisé de l'électricité (LCOE)


  • Résumé

    Efficiency enhancement in power plant can be seen as a key lever in front of increasing energy demand. Nowadays, both the attention and the emphasis are directed to reliable alternatives, i.e., enhancing the energy conversion systems. The supercritical CO2 (SC-CO2) Brayton cycle has recently emerged as a promising solution for high efficiency power production in nuclear, fossil-thermal and solar-thermal applications. Currently, studies on such a thermodynamic power cycle are directed towards the demonstration of its reliability and viability before the possible building of an industrial-scale unit. The objectives of this PhD can be divided in two main parts: • A rigorous selection procedure of an equation of state (EoS) for SC-CO2 which permits to assess influences of thermodynamic model on the performance and design of a SC-CO2 Brayton cycle. • A framework of optimization-based synthesis of energy systems which enables optimizing both system structure and the process parameters. The performed investigations demonstrate that the Span-Wagner EoS is recommended for evaluating the performances of a SC-CO2 Brayton cycle in order to avoid inaccurate predictions in terms of equipment sizing and optimization. By combining a commercial process simulator and an evolutionary algorithm (MIDACO), this dissertation has identified a global feasible optimum design –or at least competitive solutions– for a given process superstructure under different industrial constraints. The carried out optimization firstly base on cycle energy aspects, but the decision making for practical systems necessitates techno-economic optimizations. The establishment of associated techno-economic cost functions in the last part of this dissertation enables to assess the levelized cost of electricity (LCOE). The carried out multi-objective optimization reflects the trade-off between economic and energy criteria, but also reveal the potential of this technology in economic performance.


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