تحلیل اگزرژی، اقتصادی و زیست محیطی سیستم تولید سه گانه بر پایه پیل سوختی اکسید جامد به همراه گاز سازی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

2 دانشیار، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

چکیده

در این مقاله یک سیستم ترکیبی به منظور تولید توان، گرما وسرما با استفاده از سوخت زیست توده، بر پایه ی پیل سوختی اکسید جامد پیشنهاد شده و تحلیل کامل ترمودینامیکی و اگزرژی و نیز بررسی اثرات زیست ­محیطی انجام گرفته است. با استفاده از نرم افزار EES(حل گر معادلات مهندسی) سیستم ترکیبی جهت تعیین بازگشت ناپذیری ها در اجزا مختلف، به منظور تعیین نقاط ضعف سیستم، تحلیل اگزرژی می‌شود. همچنین معادلات موازنه اقتصادی به منظور یافتن هزینه محصول نوشته می­شود. در این راستا به اثرات زیست محیطی سیستم توجه شده و این پارامتر برای سه حالت متفاوت بر اساس چرخه‌های سازنده‌ی سیستم ترکیبی محاسبه می‌شود. برای درک بهتر کارکرد سیستم تاثیر تغییر متغیر‌های طراحی تاثیر گذار سیستم بر روی توان تولیدی و بازده قانون دوم ترمودینامیک بررسی می‌شود. نتایج نشان می­دهد که افزایش اختلاف دمای سلول پیل سوختی به میزان 75 درجه سلسیوس باعث 8/99 %  افزایش بازده اگزرژی و 17/47%  افزایش بازده انرژی می‌شود. همچنین تولید توان سیستم نسبت به چگالی جریان و فاکتور مصرف سوخت دارای مقادیر بهینه می­باشد. نتایج همچنین حاکی از این است که سیستم ترکیبی نسبت به سیستم تولید توان تنها دارای 12/04%  بازده قانون دوم بیشتر و 62/34 %  تولید کربن دی ‌اکسید کمتر می‌باشد. نتایج معرف این مهم نیز هست که هزینه واحد محصول توان 15/76 دلار بر گیگاژول می­باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Ahmadi P., Dincer I., Rosen M. a., Development andassessment of an integrated biomass-based multi-generation energy system, Energy, Vol. 56, pp. 155–166, 2013.
 [2] Gholamian E., Mahmoudi S. M. S., Zare V., Proposal, exergy analysis and optimization of a new biomass-based cogeneration system, Applied Thermal Engineering, Vol. 93, pp. 223-235, 2016.
[3] Soltani S., S. Mahmoudi M. S., Yari M., Morosuk T., M. a. Rosen, Zare V., A comparative exergoeconomic analysis of two biomass and co-firing combined power plants,Energy Conversion and Management, Vol. 76, pp. 83–91, 2013.
[4] Datta A., Ganguly R., Sarkar L., Energy and exergy analyses of an externally fired gas turbine (EFGT) cycle integrated with biomass gasifier for distributed power generation, Energy, Vol. 35, No. 1, pp. 341–350, 2010.
[5] Soltani S., Mahmoudi S. M. S., Yari M., Rosen M. a., Thermodynamic analyses of a biomass integrated fired combined cycle, Applied Thermal Engineering, Vol. 59, no. 1–2, pp. 60–68, 2013.
[6] Handbook F. C., EG&G technical services,Albuquerque, Inc., NM, DOE/NETL-2004/1206, 2004.
[7] Singh D., Hern E., Hutton P. N., Pate N. l, Mann M. D., Carbon deposition in an SOFC fueled by tar-laden biomass gas : a thermodynamic analysis,Journal of Power Sources, Vol. 142, No. 1-2, pp. 194–199, 2005.
[8] Athanasiou C., Coutelieris F., Vakouftsi E., Skoulou V.,  E. Antonakou, From biomass to electricity through integrated gasification / SOFC system-optimization and energy balance, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 32, No. 3, pp. 337–342, 2007.
[9] Colpan C. O., Dincer, Hamdullahpur F., Thermodynamic modeling of direct internal reforming solid oxide fuel cells operating with syngas, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 32, No. 7, pp. 787–795, 2007.
[10] Jang H., Ocon J. D., Lee S., Lee J. K., Lee J., Direct power generation from waste coffee grounds in a biomass fuel cell, Journal of Power Sources, Vol. 296, pp. 433–439, 2015.
[11] De Lorenzo G., Fragiacomo P., Energy analysis of an SOFC system fed by syngas, Energy Conversion and Management, Vol. 93, pp. 175–186, 2015.
[12] Jia J., Abudula A., Wei L., Sun B., Shi Y., Thermodynamic modeling of an integrated biomass gasi fi cation and solid oxide fuel cell system,Renewable Energy, Vol. 81, pp. 400–410, 2015.
[13] Kartha S.  , Kreutz T. G., Williams R. H., Small-scale biomass fuel cell/gas turbine power systems for rural areas, Energy for Sustainable Development, ol. 4, no. 1, pp. 85–89, 2000.
[14] Ghirardo F., Santin M., Traverso A., Massardo A., Heat recovery options for onboard fuel cell systems, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36, no. 13, pp. 8134–8142, 2011.
[15] Gomri R., Investigation of the potential of application of single effect and multiple effect absorption cooling systems, Energy Conversion and Management, Vol. 51, no. 8, pp. 1629–1636, 2010.
[16] Gomri R., Second law comparison of single effect and double effect vapour absorption refrigeration systems, Energy Conversion and Management, Vol. 50, no. 5, pp. 1279–1287, 2009
[17] Wellinger A., Murphy J. D., Baxter D., The biogas handbook: science, production and applications, Elsevier, 2013.
[18] Al-sulaiman F. A., Dincer I., Hamdullahpur F.Energy and exergy analyses of a biomass trigeneration system using an organic Rankine cycle, Energy, Vol. 45, no. 1, pp. 975–985, 2012.
[19] Mehr A. S., Mahmoudi S. M. S., Yari M., Chitsaz a., Thermodynamic and exergoeconomic analysis of biogas fed solid oxide fuel cell power plants emphasizing on anode and cathode recycling: A comparative study, Energy Conversion and Management, Vol. 105, pp. 596–606, 2015.
[20] Al-sulaiman F. A., Dincer I., Hamdullahpur F., Energy analysis of a trigeneration plant based on solid oxide fuel cell and organic Rankine cycle, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, no. 10, pp. 5104–5113, 2010.
[21] Zainal Z. A., Ali R., Lean C. H., Seetharamu K. N., Prediction of performance of a downdraft gasifier using equilibrium modeling for different biomass materials, Energy Conversion and Management, Vol. 42, no. 12, pp. 1499–1515, 2001.
[22] Ranjbar F., Chitsaz A., Mahmoudi S. M. S., Khalilarya S., Rosen M. a., Energy and exergy assessments of a novel trigeneration system based on a solid oxide fuel cell, Energy Conversion and Management, Vol. 87, pp. 318–327, 2014.
[23] Chan S. H., Ho H. K., Tian Y., Modelling of simple hybrid solid oxide fuel cell and gas turbine power plant, Journal of  Power Sources, Vol. 109, no. 1, pp. 111–120, 2002.
[24] Ptasinski K. J., Prins M. J., Pierik A., Exergetic evaluation of biomass gasification”, Energy, Vol. 32, no. 4, pp. 568–574, 2007.
[25] Soltani S., Mahmoudi S. M. S., Yari M., Rosen M. a., Thermodynamic analyses of an externally fired gas turbine combined cycle integrated with a biomass gasification plant, Energy Conversion and Management, Vol. 70, pp. 107–115, Jun. 2013.
[26] Bejan A., Moran M.  J. ,Thermal design and optimization, John Wiley & Sons, 1996.
[27] Landau L., Moran M. J., Shapiro H. N., Boettner D. D., M. Bailey, Fundamentals of engineering thermodynamics, John Wiley & Sons, 2010.
[28] Tsatsaronis G, Lin L, Pisa J. Exergy costing in exergoeconomics. J Energy Resour Technol 1993;115:9–16.
[29] Zare V, Mahmoudi SMS, Yari M. On the exergoeconomic assessment of employing Kalina cycle for GT-MHR waste heat utilization.EnergyConversManag2015;90:364–74. doi:10.1016/j.enconman.2014.11.039.