Concentrating solar power plants can integrate cost-effective thermal energy storage systems and thereby supply controllable power on demand, an advantage against other renewable technologies. Storage integration allows a solar thermal power plant to increase its load factor and to shift production to periods of peak demand. It also enables output firmness, providing stability to the power block and to the grid. Thus, despite the additional investment, storage can enhance the performance and economic viability of the plants. However, the levelized cost of electricity of these plants yet remains higher than for other technologies, so projects today are only viable through the provision of incentives or technology-specific competitive bid tenders. It is the variability of the solar resource, the myriad roles that storage can assume, and the complexity of enhancing the synergies between the solar field, the storage and the power block, what makes the development of adequate policy instruments, design and operation of these plants a challenging process. In this thesis a comprehensive methodology for the pre-design and analysis of concentrating solar power plants is presented. The methodology is based on a techno-economic modeling approach that allows identifying optimum trade-off curves between technical, environmental, and financial performance indicators. A number of contemporary plant layouts and novel storage and hybridization concepts are assessed to identify optimum plant configurations, in terms of component size and storage dispatch strategies. Conclusions highlight the relevance between the sizing of key plant components, the operation strategy and the boundaries set by the location. The interrelation between critical performance indicators, and their use as decisive parameters, is also discussed. Results are used as a basis to provide recommendations aimed to support the decision making process of key actors along the project development value chain of the plants. This research work and conclusions are primarily meant to set a stepping stone in the research of concentrating solar power plant design and optimization, but also to support the research towards understanding the value of storage in concentrating solar power plants and in the grid. / Koncentrerad solkraft erbjuder möjligheten att integrera kostnadseffektiv termisk energilagring och därmed behovsstyrd kraftkontroll. Detta är en viktig fördel jämfört med andra förnybara energiteknologier. Lagringsintegration tillåter solkraftsanläggningar att öka sin lastfaktor och skifta produktion till tider med största efterfrågan. Vidare möjliggör lagring fast elproduktion vilket leder till förbättrad nät- och kraftturbinstabilitet. Därför kan termisk lagring öka anläggningsprestanda och ekonomiskt värde trots ökande initiala kapitalkostnader. I termer av specifik elproduktionskostnad (LCOE) ligger koncentrerade solkraftsanläggningar med lagring fortfarande högre än andra kraftteknologier och anläggningsprojekt blir endast lönsamma genom subventionsmodeller eller teknologispecifika konkurrensutsatta anbudsförfaranden. Att hitta adekvata policylösningar och optimala design och operationsstrategier är en utmanande process eftersom det gäller att hitta rätt balans mellan variabel solinstrålning, lagring av energi och tid för produktion genom optimal design och operation av solmottagarfält, kraftblock och lagringskapacitet. I denna avhandling presenteras en omfattande metodik för pre-design och analys av koncentrerande solkraftverk. Metodiken baseras på en tekno-ekonomisk modelleringsansats som möjliggör identifiering av optimala avvägningssamband för tekniska, ekonomiska och miljöprestanda indikatorer. Metodiken tillämpas på ett antal moderna anläggningslayouter  och lagrings- och hybridiseringskoncept för att identifiera optimal kraftanläggningsdesign i termer av komponentprestanda och lagringsanvändningsstrategier. I slutsatsen poängteras relevansen av att hitta rätt storlek på nyckelkomponenter i relation till lagringsstrategi och randvillkoren som ges av konstruktionsläget för optimal ekonomisk och miljömässig prestanda. Resultaten används för att formulera rekommendationer till nyckelaktörer i beslutsprocessen genom hela kraftanläggningens värdekedja från politisk beslutsfattare till anläggningsingenjör. Forskningen och slutsatserna i detta arbete skall i första hand ta ett steg framåt för optimering och design av solkraftsanläggningar men även tillhandahålla en metodik för utvärdering av lagringslösningar och dess specifika värde för solkraftsanläggningar och elnätet. / <p>QC 20160829</p>

Concentrating Solar Power (CSP) is one of the most promising renewable energybased electricity generation technologies to deal with the increasing demand of power consumption and environmental sustainability. With the aim of achieving the 2020 SunShot cost target for CSP of 60 USD/MWh, the United States Department of Energy presented, in May 2018, the Gen3 CSP initiative. In particular, the CSP Gen3 Liquid-Phase Pathway proposes to design a CSP system adopting liquid sodium as Heat Transfer Fluid (HTF) in the receiver, advanced high-temperature molten chloride salt as storage fluid and supercritical CO2 (sCO2) Brayton cycle as power cycle. Within this framework, the aim of this master thesis was to design the sodium-chloride salt Heat Exchanger (HX) by developing both a heat exchanger model and a sodiumsalt-sCO2 system model. To pursue these purposes, a completely new Modelica-based HX model was developed and added to the SolarTherm library. Furthermore, as an extension of earlier models, the sodium-salt-sCO2 CSP system (NaSaltsCO2System) was implemented in SolarTherm, by incorporating the HX model and linking it with other new and existing component models. As for the HX, a general model was developed for shell and tube heat exchangers, based on the TEMA guidelines, with the possibility of being customized in terms of media adopted, constraints, boundary conditions, and correlations. The model performs an optimization in order to select the internal geometry configuration that optimizes a user-defined objective-function. By employing the implemented HX model in the NaSaltsCO2System, the sodium-salt heat exchanger was designed aiming at minimizing the Levelized Cost of Electricity (LCOE), providing a complete geometry description, and an estimation of the performances and costs. The resulting NaSaltsCO2System model was found to be robust and able to perform annual simulations that allowed to estimate the energy performances of the CSP plant, as well as the LCOE. Considering the sodium-salt-sCO2 CSP system characterized by a receiver capacity of 543 MWth, 12 hours of Thermal Energy Storage (TES), and a 100 MWe power block, the LCOE resulted equal to 72.66 USD/MWh. The sodium-salt HX design that minimizes the LCOE resulted in a single-shell/single tube pass configuration, with vertical alignment, characterized by an overall height of 15 m, and a shell diameter of 1.8 m. It represents the 3.2% of the total capital cost of the plant. An interesting system-level optimization was then carried out on the combined receiver-heat exchanger block. It regarded the variation of the Log Mean Temperature Difference (LMTD) of the HX and highlighted the possibility to drop the LCOE down to 68.54 USD/MWh. The techno-economic investigations and the sensitivity analysis showed the flexibility and robustness of the HX model, as well as the importance of the NaSaltsCO2System. The latter lays the groundwork to explore potential improvements of this new generation of CSP systems, which can play a fundamental role in the future global energy mix. / Termisk solkraft (CSP) är en av de mest lovande elproduktionsteknologierna baserade på förnybar energi. Den kan bidra till hanteringen av den ökande efterfrågan på energi och miljömässig hållbarhet. I syfte att uppnå 2020 SunShot-kostnadsmålet för CSP på 60 USD/MWh presenterade USA:s energidepartement Gen3 CSPinitiativet. I synnerhet föreslår CSP Gen Liquid-Phase Pathway att utforma ett CSPsystem som använder flytande natrium som värmeöverföringsvätska i mottagaren, smält kloridsalt med hög temperatur som lagringsvätska, samt superkritisk CO2 (sCO2) Brayton-cykel som kraftcykel. Syftet för detta examensarbete var att utforma natriumkloridsaltets primära värmeväxlare genom att utveckla både en värmeväxlarmodell (HX) modell och en natriumsalt-sCO2-systemmodell. För att fullfölja dessa syften utvecklades HX-modellen först, sedan implementerades natriumsalt-sCO2 CSP-systemet NaSaltsCO2System. Båda verktygen utvecklades med hjälp av Modelica som programmeringsspråk. De finns nu tillgängliga i det öppna SolarTherm-biblioteket. När det gäller HX utvecklades en allmän modell för skal- och rörvärmeväxlare med möjligheten att anpassas när det gäller antagna medium, begränsningar, gränsvillkor och korrelationer. Dessutom utförde modellen en optimering för att välja den interna geometri-konfigurationen som optimerar en användardefinierad objektiv-funktion. Genom att använda den implementerade HX-modellen i NaSaltsCO2System designades natriumsalt-värmeväxlaren, vilket gav en fullständig konfiguration-beskrivning och en uppskattning av prestanda och kostnader. Den utvecklade NaSaltsCO2System-modellen visade sig vara robust och kapabel till att utföra simuleringar på årsbasis. Detta gjorde det möjligt att uppskatta CSP-anläggningens energiprestanda samt LCOE. Det utvecklade natriumsalt-sCO2 CSP-systemet som känneteckna des av en mottagarkapacitet på 543 MWth, 12 timmars TES och ett 100 MWe power block, resulterade i en LCOE på 72.66 USD/MWh. Natrium-salt HX-konstruktionen som minimerade LCOE resulterade i en enskalig/enkel rörpassningskonfiguration, med vertikal inriktning, kännetecknad av en total höjd av 15 m och en skaldiameter på 1.8 m. Det motsvarade 3.2% av anläggningens totala kapitalkostnad. Den mest intressanta systemoptimeringen genomfördes på det kombinerade blocket bestående av mottagare och värmeväxlare. Den behandlade variationen av HX:s LMTD och framhöll möjligheten att sänka LCOE till 68.54 USD/MWh. De teknisk-ekonomiska undersökningarna och känslighetsanalysen visade flexibiliteten och robustheten i HX-modellen, liksom vikten av NaSaltsCO2Systemet. Den senare lägger grunden för att utforska potentiella förbättringar av denna nya generation av CSP-system, som kan spela en grundläggande roll i den framtida globala energimixen.