23440

تحليل انرژي، اگزرژي، اقتصادي، ارزيابي چرخه‌ي حيات و بهينه سازي سيستم توليد هيدروژن ترموشيميايي از انرژي خورشيدي

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك، تبديل انرژي

1397

14/11/1399

سمانه قندهاريون

مهندسي مكانيك

هيدروژن حاملي انرژي بدون كربن است كه به عنوان يك ماده شيميايي نيز در صنايع مختلفي همچون صنعت نفت و گاز كاربرد دارد. در حال حاضر بيش از 95 درصد هيدروژن مورد نياز جهان از سوخت‌هاي فسيلي تامين مي شود، ولي در سال‌هاي اخير محققين روش‌هاي نويني را معرفي كرده‌اند كه از آب به عنوان منبع هيدروژن استفاده مينمايند. اين روش‌ها كه به شكافت آب معروف هستند انواع مختلفي همچون چرخه‌هاي ترموشيميايي، الكتروليز يا برقكافت، سلول‌هاي الكتروشيميايي و استفاده از جلبك‌ها را شامل مي شوند. يكي از مهمترين و آينده‌ ‌دارترين اين روش‌ها، استفاده از چرخه‌ي ترموشيميايي مس-كلر مي‌باشد. اين چرخه با استفاده از انرژي حرارتي و الكتريكي كار مي‌كند و با توجه به دماي مورد نياز آن با منابع خاصي از انرژي مانند چرخه‌هاي خورشيدي توانايي تركيب شدن را دارد. در اين مطالعه به بررسي ترموديناميكي، اقتصادي و زيست محيطي توليد هيدروژن خورشيدي با استفاده از چرخه‌ي مس-كلر چهار مرحله‌اي براي توليد هيدروژن مورد نياز صنعت نفت و گاز مي پردازيم. در ابتدا پتانسيل بازيابي حرارتي چرخه‌ را مورد بحث قرار داده و شبكه‌هاي مختلف مبدل‌هاي حرارتي را بررسي مي‌كنيم. در ادامه با تركيبي نوين، سيستمي مبتني بر انرژي خورشيدي و چرخه‌ي مس-كلر را پيشنهاد مي‌دهيم كه از نمك مذاب دما بالا بهره مي‌برد. در نهايت با بهينه سازي سيستم مورد نظر، به مقايسه‌ي روش مس-كلر خورشيدي و ريفرمينگ بخار متان براي توليد هيدروژن پالايشگاه مي پردازيم. همچنين سيستم جديدي براي توليد چندگانه با تكنولوژي متفاوتي از برج‌هاي خورشيدي مبتني بر چرخه‌ي توربين گاز را براي توليد برق، هيدروژن، اكسيژن و بخار معرفي و بهينه سازي مينماييم. در انتها نيز به مقايسه‌ي نتايج اين مطالعه با مطالعات پيشين خواهيم پرداخت. نتايج بهينه سازي چرخه‌ي مس-كلر خورشيدي براي توليد هيدروژن با استفاده از نمك مذاب دما بالا نشان داد كه راندمان انرژي، راندمان اگزرژي و هزينه‌ي توليد هيدروژن براي شرايط اقتصادي ايران 6/28 درصد، 42/29 درصد و 14/18 دلار به كيلوگرم هيدروژن مي‌باشد. نتيجه‌ي مقايسه حالات مختلف نشان داد كه اگر نسبت توليد هيدروژن خورشيدي به نسبت كل هيدروژن توليدي پالايشگاه از 0 تا 1 تغيير كند، هزينه‌ي توليد هيدروژن و پتانسيل گرمايش جهاني از 33/1 دلار به كيلوگرم هيدروژن و 24/11 كيلوگرم كربن دي‌اكسيد معادل به كيلوگرم هيدروژن به 98/17 دلار به كيلوگرم هيدروژن و 628/0 كيلوگرم كربن دي‌اكسيد معادل به كيلوگرم هيدروژن تغيير پيدا مي‌كند.

1400/02/10

Energy, Exergy, Economic, Life Cycle Assessment, and Optimization of Solar Hydrogen Production from Thermochemical Cycles

2/3/2022 12:00:00 AM

Hydrogen is a carbon-free energy carrier that can be used in various industries. Currently, more than 95% of the world hydrogen demand is being produced from methods based on fossil-fuels. However, in the recent years, researchers proposed numerous new methods that use water-splitting process to produce hydrogen from dissociation of water molecules. These methods include water electrolysis, thermochemical cycles, electrochemical cells, utilization of special algae, etc. Copper-Chlorine (Cu-Cl) thermochemical cycle is one of the most promising types of these options. This cycle utilizes both heat and electricity, and based on its required temperature, it can be integrated with various energy sources like solar energy. In this study, thermodynamic, economic, and environmental analyses of a solar-powered hydrogen production system based on four-step Cu-Cl cycle is proposed and optimized. Waste heat recovery potential of the Cu-Cl cycle is investigated at first to find an optimal heat exchanger network for both thermal and economic perspectives. Afterwards, a new standalone plant is proposed that connects a solar power tower subsystem using high-temperature molten salt with a four-step Cu-Cl cycle and a supercritical steam Rankine cycle. By optimizing the current model using NSGA-II algorithm, the system is compared to another hydrogen production system based on steam methane reforming considering technical, economic, and environmental aspects of design. Moreover, another solar-powered system is proposed in this study that uses gas turbine and pressurized cavity receiver in its solar subsystem. The system is used to produce various outputs including steam, electricity, hydrogen, and oxygen. The optimization results indicated that the first system that utilizes high-temperature molten salt has an energy efficiency, exergy efficiency, and LCOH of 28.6%, 29.42%, and 18.14 $/kg H2, respectively. It was observed that if hydrogen of a plant is produced from both SMR and solar-powered Cu-Cl cycle, while the ratio of solar hydrogen to all of the plant required hydrogen increases from 0 to 1, the LCOH and GWP changes from 1.33 $/kg H2 and 11.24 kg CO2 eq./kg H2 to 17.98 $/kg H2 and 0.628 kg CO2 eq./kg H2, respectively.

انرژي خورشيدي , توليد هيدروژن , چرخه ي مس-كلر , ريفرمينگ بخار , بهينه سازي

Solar Energy , Hydrogen Production , Copper-chlorine Cycle , Steam Reforming , Optimization