Supercritical CO₂ cycles and electric power generation
Les cycles à base de CO₂ supercritique et la production d’électricité
Abstract
The thermal generation of electricity, which covers most of world needs, suffers from its "addiction" to fossil fuels. Modern power plants boast high energy efficiencies but remain difficult to decarbonize. In this context, power generators and researchers are looking for alternative thermodynamic cycles likely to offer strong gains in efficiency and, ideally, to open up economically viable routes towards the capture of CO₂. In this respect, thermodynamic based on supercritical CO₂ ("sCO₂") cycles boast theoretical advantages in terms of efficiency and some are capable of "inherent" CO₂ capture. The thesis work has consisted of an in-depth analysis of the advantages and drawbacks of Rankine and Brayton sCO₂ cycles for power generation. This study has been performed in the perspective of climate change and has placed particular emphasis on the real possibilities of industrial applications. Developments concerning sCO₂ power have been critically evaluated, from both a thermodynamic angle and engineering angle as regards the design of the power units. The work has confirmed the strengths of sCO₂ cycles essentially in terms of efficiency, compacity of their mechanical components and the multiplicity of possible applications. However, while the critical properties of CO₂ are very favorable for designing Brayton cycles, the low value of its critical temperature (31 °C) limits the number of cold sources that could be available for Rankine cycle applications, which constitutes a major handicap in the context of climate change. Furthermore, and in general, the industrialization of mechanical components poses difficult challenges, particularly with regard to the design of turbomachines (compressors and turbines), the choice of their materials and the control of CO₂ leaks, which explains - given the importance of the industrial stakes - significant public subsidies and strategies of relative discretion with regard to results. The future of this technology seems to be linked to the success of some development projects aimed at removing these technological barriers, in particular that of the STEP (Supercritical Transformational Electric Power) program which began in 2016.
La production thermique d'électricité, qui couvre de nos jours la grande majorité des besoins mondiaux, souffre de son « addiction » aux énergies primaires fossiles. Les centrales électriques modernes ont atteint de hauts niveaux d'efficience énergétique mais leur décarbonation reste un défi ardu. Dans ce contexte, la communauté des électriciens et des chercheurs s'intéresse à des cycles thermodynamiques alternatifs susceptibles d'offrir des gains de rendement substantiels et, idéalement, d'ouvrir des perspectives économiquement viables pour la capture du CO₂. A cet égard, les cycles à base de CO₂ supercritique (ou « cycles sCO₂ ») présentent des avantages théoriques en termes de rendement. Certains sont susceptibles de capture intégrée du CO₂. Le travail de thèse a consisté en une analyse approfondie des avantages et inconvénients des cycles sCO₂ de Rankine et de Brayton applicables à la production électrique. Cette étude a été placée dans la perspective du changement climatique et a mis un accent particulier sur les possibilités réelles d'application industrielle. A cette fin, les développements concernant les cycles sCO₂ ont été examinés et évalués de manière critique, non seulement sous l'angle de la thermodynamique mais aussi sous l'angle de l'ingénierie, pour ce qui concerne la conception des unités de production électrique. Ce travail a confirmé les points forts des cycles sCO₂ en ce qui concerne, essentiellement, les rendements, la compacité de leurs composants mécaniques et la multiplicité des applications possibles. Toutefois, alors que les propriétés critiques du CO₂ sont très propices pour concevoir des cycles de Brayton, la valeur relativement basse de sa température critique (31 °C) limite le nombre de sources froides disponibles pour la mise en œuvre de cycles de Rankine, ce qui constitue un gros handicap dans le contexte du changement climatique. Par ailleurs et d'une façon générale, l'industrialisation des composants pose des défis ardus, notamment en ce qui concerne la conception des turbomachines (compresseurs et turbines), le choix de leurs matériaux et le contrôle des fuites de CO₂, ce qui explique - vu l'importance des enjeux industriels - l'allocation de fortes subventions publiques et des stratégies de relative discrétion quant aux résultats. L'avenir de cette technologie est lié au succès de projets de développement visant à lever ces verrous technologiques, notamment celui du programme STEP (Supercritical Transformational Electric Power), démarré en 2016.
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