Power generation from sub-boiling geothermal wells using supercritical CO2
Author
Vorobjov, Filip
Term
4. term
Education
Publication year
2016
Submitted on
2016-01-07
Pages
79
Abstract
This thesis explores the feasibility and stability of generating electricity from sub‑boiling geothermal wells by using supercritical CO2 as the heat carrier. Through laboratory experiments with sCO2 heat exchangers, data acquisition, and modeling in Matlab and Fluidprop, commonly used heat‑transfer correlations were evaluated by comparing simulations to measurements via RMSE. The Gnielinski correlation, a modification of Petukhov–Kirillov, matched the data best, predicting fluid temperature within about 3 °C when boiling water was used as the heating medium. However, its predictions became unreliable at higher temperatures and when the fluid was cooled using an ice bath. Building on the experimental insights, the study develops, optimizes, and evaluates a simulated power plant based on a supercritical CO2 Rankine cycle coupled to a U‑tube heat exchanger installed at 1000 m depth in a hydrothermal well. For representative well parameters (200 m3 h^-1, 90 °C water through a 0.3 m diameter well), the model indicates a theoretical power output of approximately 600 MW h^-1. The results suggest potential for sCO2‑based power generation from sub‑boiling resources while highlighting limitations of standard correlations outside near‑boiling conditions.
Afhandlingen undersøger gennemførlighed og stabilitet af elproduktion fra geotermiske brønde med sub‑kogende vand ved at anvende superkritisk CO2 som varmebærer. Gennem laboratorieforsøg med sCO2‑varmevekslere, dataopsamling og modellering i Matlab og Fluidprop evalueres udbredte varmeoverførselskorrelationer ved at sammenholde simulationer med målinger via RMSE. Gnielinski‑korrelationen, en modificering af Petukhov–Kirillov, gav den bedste overensstemmelse med en temperaturfejl på omkring 3 °C, når kogende vand blev anvendt som varmekilde. Forudsigelserne blev dog upålidelige ved højere temperaturer og når væsken blev afkølet i isbad. Med udgangspunkt i de eksperimentelle indsigter opstilles, optimeres og vurderes en simuleret geotermisk kraftproduktion baseret på en Rankine‑cyklus med superkritisk CO2, koblet til en U‑rørsvarmeveksler placeret i 1000 m dybde i en hydrotermal brønd. For repræsentative brøndparametre (200 m3 h^-1, 90 °C vand gennem en brønd med diameter 0,3 m) indikerer modellen en teoretisk effekt på omkring 600 MW h^-1. Resultaterne peger på potentiale for sCO2‑baseret udnyttelse af sub‑kogende geotermiske ressourcer, samtidig med at begrænsninger i standardkorrelationer uden for nær‑kogende forhold fremhæves.
[This apstract has been generated with the help of AI directly from the project full text]