تحلیل انرژی و اگزرژی یک سیستم بر مبنای انرژی زمین‌گرمایی برای تولید همزمان توان، آب شیرین، گرمایش و هیدروژن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دکتری مکانیک، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

2 کارشناسی ارشد، دانشکده هوافضا، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

3 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

4 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

استفاده از سیستم های تولید همزمان به سرعت در دهه اخیر در حال گسترش می باشد. مطالعه حاضر به توسعه یک سیستم مجتمع بر مبنای زمین‌گرمایی، تبخیر آنی دومرحله‌ای، چرخه رانکین آلی، الکترولایزر غشاء پروتونی، واحد اسمز معکوس و آب گرم کن داخلی می پردازد. این آرایش برای تولید چهار خروجی توان، گرمایش، آب شیرین و هیدروژن طراحی شده است. این سیستم تولید همزمان جدید از دیدگاه انرژی و اگزرژی مورد تحلیل قرار گرفته است. همچنین یک مطالعه پارامتری جامع روی سیستم تولید همزمان انجام شده و در ادامه از سه دیدگاه مختلف (توان خالص تولیدی، بازده حرارتی و بازده اگزرژی) مورد بهینه سازی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که توان خالص تولیدی، بازده حرارتی و بازده اگزرژی دارای مقادیر بهینه نسبت به دو فشار جداساز می باشند. همچنین نتایج بهینه‌سازی از دیدگاه توان خالص تولیدی نشان می دهد که مقادیر توان خالص تولیدی 5091 کیلووات، آب شیرین تولید 75/41 کیلوگرم بر ثانیه، بازده حرارتی %58/15، بازده اگزرژی %44/43 و هیدروژن تولیدی 83/2 کیلوگرم بر ساعت، مقدار گرمایش 6/350 کیلووات می باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Abdolalipouradl M, Khalilarya S, Jafarmadar S., Energy and Exergy Analysis of a New Power, Heating, Oxygen and Hydrogen Cogeneration Cycle Based on the Sabalan Geothermal Wells. International Journal of Engineering, Vol. 32, pp. 445-50, 2019. 
[2]  عبدالعلی پورعدل م, خلیل آریا ش, جعفرمدار ص. استفاده از یک چرخه ترکیبی تبخیر آنی یک و سه مرحله ای با رانکین آلی برای تولید توان از چاههای زمین گرمایی سبلان. مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، در حال انتشار.
[3]  Olabi AG, Mahmoud M, Soudan B, Wilberforce T, Ramadan M., Geothermal based hybrid energy systems, toward eco-friendly energy approaches. Renewable Energy, Vol. 147, pp. 2003-12, 2020.
[4]  Rubio C-L, García-Alcaraz JL, Martínez-Cámara E, Latorre-Biel JI, Jiménez-Macías E, Blanco-Fernández J., Replacement of electric resistive space heating by a geothermal heat pump in a residential application–Environmental amortisation. Sustainable Energy Technologies and Assessments, Vol. 37, pp. 100567, 2020.
[5]  Martínez EH, Carlos MPA, Solís JIC, Avalos MMdCP., Thermodynamic simulation and mathematical model for single and double flash cycles of Cerro Prieto geothermal power plants. Geothermics, Vol. 83, pp. 101713, 2020.
[6]  Yari M., Exergetic analysis of various types of geothermal power plants. Renewable Energy, Vol. 35, pp. 112-21, 2010.
[7]  Shokati N, Ranjbar F, Yari M., Exergoeconomic analysis and optimization of basic, dual-pressure and dual-fluid ORCs and Kalina geothermal power plants: A comparative study. Renewable Energy, Vol. 83, pp. 527-42, 2015.
[8]  DiPippo R. Geothermal power plants: principles, applications, case studies and environmental impact. Butterworth-Heinemann, United Kingdom, 2012.
[9]  Tester JW, Anderson BJ, Batchelor A, Blackwell D, DiPippo R, Drake E, et al., The future of geothermal energy. Impact of Enhanced Geothermal Systems (EGS) on the United States in the 21st Century, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, U. 2006.
[10]              Abdolalipouradl M, Khalilarya S, Jafarmadar S., Exergoeconomic analysis of a novel integrated transcritical CO2 and Kalina 11 cycles from Sabalan geothermal power plant. Energy Conversion and Management, Vol. 915, pp. 420-35, 2019.
[11]  عبدالعلی پورعدل م, خلیل آریا ش, محمدخانی ف. تحلیل ترمودینامیکی یک آرایش جدید تولید همزمان توان، برودت، هیدروژن و اکسیژن با استفاده از چاه‌های زمین گرمایی سبلان. نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر، در حال انتشار.
[12]              Zare V., A comparative thermodynamic analysis of two tri-generation systems utilizing low-grade geothermal energy. Energy conversion and management, Vol. 118, pp. 264-74, 2016.
[13]              Ganjehsarabi H., Mixed refrigerant as working fluid in Organic Rankine Cycle for hydrogen production driven by geothermal energy. International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 44, pp. 18703-11, 2019.
[14]              Ratlamwala T, Dincer I., Comparative efficiency assessment of novel multi-flash integrated geothermal systems for power and hydrogen production. Applied Thermal Engineering, Vol. 48, pp. 359-66, 2012.
[15]              Yilmaz C, Kanoglu M, Bolatturk A, Gadalla M., Economics of hydrogen production and liquefaction by geothermal energy. International journal of hydrogen energy, Vol. 37, pp. 2058-69,2012.
[16]              Kianfard H, Khalilarya S, Jafarmadar S., Exergy and exergoeconomic evaluation of hydrogen and distilled water production via combination of PEM electrolyzer, RO desalination unit and geothermal driven dual fluid ORC. Energy Conversion and Management, Vol. 177, pp. 339-49, 2018.
[17]              Akrami E, Chitsaz A, Nami H, Mahmoudi S., Energetic and exergoeconomic assessment of a multi-generation energy system based on indirect use of geothermal energy. Energy, Vol. 124, pp. 625-39, 2017.
[18]              Yuksel YE, Ozturk M., Thermodynamic and thermoeconomic analyses of a geothermal energy based integrated system for hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 42, pp. 2530-46, 2017.
[19]              Mohammadi A, Mehrpooya M., Energy and exergy analyses of a combined desalination and CCHP system driven by geothermal energy. Applied Thermal Engineering, Vol. 116, pp. 685-694, 2017.
[20]              Ghaebi H, Namin AS, Rostamzadeh H., Performance assessment and optimization of a novel multi-generation system from thermodynamic and thermoeconomic viewpoints. Energy conversion and management, Vol. 165, pp. 419-39, 2018.
[21]              Shokati N, Ranjbar F, Yari M., Comparative and parametric study of double flash and single flash/ORC combined cycles based on exergoeconomic criteria. Applied thermal engineering, Vol. 91, pp. 479-95,2015.
[22]              Aali A, Pourmahmoud N, Zare V., Exergoeconomic analysis and multi-objective optimization of a novel combined flash-binary cycle for Sabalan geothermal power plant in Iran. Energy Conversion and Management, Vol. 143, pp. 377-90, 2017.
[23]              Ni M, Leung MK, Leung DY., Energy and exergy analysis of hydrogen production by a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer plant. Energy conversion and management, Vol. 49, pp. 2748-56, 2008.
[24]              Nafey A, Sharaf M., Combined solar organic Rankine cycle with reverse osmosis desalination process: energy, exergy, and cost evaluations. Renewable Energy, Vol. 35, No 11, pp. 2571-2580, 2010.
[25]              Cengel, Y. A., & Boles, M. A., Thermodynamics: an engineering approach. McGraw-Hill,USA, 8862.
[26]              Sonntag RE, Borgnakke C, Van Wylen GJ, Van Wyk S., Fundamentals of thermodynamics, Wiley, New York, 1998.
[27]              Bejan A, Tsatsaronis G, Moran M., Thermal design and optimization. John Wiley & Sons, New York, 1996.
[28]              Klein S, Alvarado F. EES—Engineering Equation Solver. F-Chart Software, 2002.
[29]              Yari M, Mehr A, Zare V, Mahmoudi S, Rosen M., Exergoeconomic comparison of TLC (trilateral Rankine cycle), ORC (organic Rankine cycle) and Kalina cycle using a low grade heat source. Energy, Vol. 83, pp. 712-22,  2015.