www.tubiad.org ISSN:2148-3736 El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi Cilt: 3, No: 1, 2016 (9-26) El-Cezerî Journal of Science and Engineering Vol: 3, No: 1, 2016 (9-26) ECJSE Makale / Research Paper Yunus Emre YÜKSEL 1, Murat ÖZTÜRK 2,* 1 Afyon Kocatepe Üniversitesi, Eğitim Fakültesi, Fen Bilgisi Öğretmenliği Bölümü, Afyonkarahisar yemre82@gmail.com 2 Süleyman Demirel Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Isparta muratozturk@sdu.edu.tr Received/Geliş: 03.08.2015 Revised/Düzeltme: 26.12.2015 Accepted/Kabul: 01.01.2016 Özet: Bu çalışmada parabolik oluk tipi yoğunlaştırıcı kollektör ve biyokütle destekli bir çoklu enerji üretim sisteminin termodinamik analizi yapılmıştır. Entegre sistemin çıktıları elektrik enerjisi, ısıtma, soğutma, hidrojen ve evsel kullanım amaçlı sıcak sudur. Yoğunlaştırıcı güneş kollektörü, organik Rankine çevrimi, biyokütle yakıcı, çift etkili absorbsiyonlu soğutma çevrimi ve proton değişimli membran (PEM) elektrolizöründen oluşan entegre sistem güneş ve biyokütle alt-sistemi olmak üzere iki farklı alt sistem modunda çalışmaktadır. Entegre enerji üretim sisteminin ve alt bileşenlerinin enerji ve ekserji verimliliği, ekserji yıkımları, enerji ve ısı transfer hızları hesaplanmıştır. Bu hesaplamalar sayesinde tüm sistem bileşenlerinde meydana gelen tersinmezlikler, sistemin enerji ve ekserji verimliliği elde edilmiştir. Enerji ve ekserji verimlilikleri güneş alt-sistemi için sırasıyla %51.32 ve %46.75, biyokütle alt-sistemi için % 47.44 ve % 45.43 olarak bulunmuştur. Çevre sıcaklığı, güneş radyasyonu ve biyokütlenin kütle akış hızı gibi bazı özel tasarım parametrelerinin sistem performansına, ekserji yıkımlarına ve ekserji verimliliğine etkisini incelemek amacıyla parametrik çalışmalar da yapılmıştır. Anahtar kelimeler: Termodinamik analiz, entegre sistem, çoklu enerji üretimi, verimlilik, ekserji. Thermodynamic Analysis of an Integrated Poly-generation Energy Production System Abstract: In this paper, a thermodynamic analysis is applied to a poly-generation energy production system consisting of a parabolic trough collector and biomass burner. Outputs of integrated system are power, heating, cooling, hydrogen and domestic hot water. Integrated system comprised of concentrating collectors, Organic Rankine Cycle (ORC), a biomass burner, double effect absorption cooling cycle and proton exchange membrane (PEM) electrolyzer is operated in two modes: solar mode and biomass mode. Energy and exergy efficiencies, exergy destruction rates, power and heat transfer rate of whole system and sub-systems are investigated. Irreversibility occurred in sub-components are determined via exergy analysis. Energy and exergy efficiencies of system for solar mode are found as 51.32% and 46.75%; for biomass mode 47.44% and 45.43%, respectively. A parametric study is applied to the integrated poly-generation system in order to find the effects of environmental variables such as reference temperature, solar radiation flux and biomass flow rate. Keywords: Thermodynamic analysis, integrated system, poly-generation energy production, efficiency, exergy. Bu makaleye atıf yapmak için Yüksel, Y.E., Öztürk, M, El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi 2016, 3(1); 9-26. How to cite this article Yüksel, Y.E., Öztürk, M, Thermodynamic Analysis of an Integrated Poly-generation Energy Production System El-Cezerî Journal of Science and Engineering, 2016, 3(1); 9-26.
ECJSE 2016 (1) 9-26 1. Giriş Kişi başına düşen enerji tüketimi sosyal, kültürel ve ekonomik kalkınmanın bir göstergesi olmakla birlikte, sürdürülebilir kalkınma için de önemli bir veri olarak karşımıza çıkmaktadır. Sanayi devriminden sonra evsel ve endüstriyel enerji tüketimi ile birlikte ulaşım için gerekli enerji kömür, petrol ve doğal gaz gibi fosil kökenli kaynaklardan sağlanmaktadır. Fosil yakıtların fiyatlarındaki belirsizlik, dünyada belli bölgelere toplanmış olması ve ozon tabakasının zarar görmesi, sera gazı emisyonları ve küresel ısınma gibi çevresel kaygıların artması fosil kökenli yakıtlara karşı alternatif teknolojileri arama girişimini hızlandırmıştır [1]. Çevresel kaygıları gidermek adına enerji üretiminde, depolanmasında ve dönüşümlerinde değişiklik yapılması gerekmektedir. Dolayısıyla sürdürülebilir kalkınma için hem enerjinin verimli kullanılması hem de alternatif enerji teknolojilerine geçiş sağlanmalıdır [2]. Bu bakış açısı ile entegre çoklu enerji üretim sistemleri verimli enerji kullanımı ve çevre ile dost teknoloji anlamında bir adım öne çıkmaktadır. Daha önceki çalışmalarda da görüldüğü üzere, termodinamik analiz yapılırken sadece enerji analizi kullanmak sistemin verimini etkileyen tersinmezliklerin yerini ve kaynağını belirleme ve iyileştirme potansiyelini ortaya koyma konusunda net bir bilgi sağlamadığı için yeterli olmamaktadır. Bu yüzden ekserji analizi bakış açısı ile değerlendirmek enerji sistemleri hakkında daha detaylı bilgi sağlamaktadır [3-4]. Çoklu enerji üretim sistemleri üç çıktı üründen fazlasını sağlayan entegre sistemlerdir. Bu çıktı ürünleri güç, ısıtma, soğutma, sıcak su, buz, hidrojen ve kimyasallar olabilmektedir. Entegre sistemler ise enerji kaynağı olarak birden fazla girdi kullanan sistemlerdir. Dolayısıyla entegre çoklu enerji üretim sistemleri enerji kaynağı olarak kömür, petrol, doğalgaz, biyokütle, güneş, jeotermal gibi kaynaklardan birden fazlasını kullanarak üç üründen fazlasını üreten sistemlerdir. Entegre çoklu enerji üretim sistemleri konvansiyonel sistemlere kıyasla daha yüksek sistem performansı, sürdürülebilir üretim, düşük termal kayıplar, daha az atık, daha düşük işletme maliyetleri, daha az çevresel etki, kaynakların daha verimli kullanılması ve daha yüksek güvenilirlik anlamına gelmektedirler [5-6]. Son zamanlarda çoklu enerji üretim sistemleri üzerine birçok teorik ve deneysel çalışmalar yapılmaktadır. Khaliq vd. [7] kombine güç ve soğutma çevrimi için enerji ve ekserji verimliliği analizi yapmıştır. Aynı zamanda atık gaz giriş sıcaklığının, sıkışma noktasının ve gaz bileşenlerinin enerji ve ekserji verimliliğine etkisini gösteren parametrik çalışmayı da yapmışlardır. Suresh vd. [8] gelişmiş entegre sistemlerin enerji, ekserji ve çevre analizini yapmışlardır. Bunun yanında güç tesisinin CO 2, SO x ve NO x gibi zararlı emisyonlarının çevresel etkilerini değerlendirmişlerdir. Çalışmaya göre yüksek kül içerikli kömür kullanan bir güç tesisinin maksimum çalışma performansının % 42,3 olabileceği öngörülmüştür. Al Sulaiman vd. [9] tri-jenerasyon enerji sistemlerinin farklı türlerini daha yüksek performans için faydaları, zorlukları ve kriterleri açısından analiz etmişlerdir. Tri-jenerasyon sistemler için birincil tahrik sistemleri üzerine bazı prensipleri sunmuşlardır. Ayrıca katı-oksit yakıt hücreleri ve organik Rankine çevrimi (ORC) kullanan tri-jenerasyon sistemi için örnek deneysel çalışma yaparak enerji ve ekserji analizlerinin yanı sıra çevresel etki değerlendirmesini de yapmışlardır. Al Sulaiman vd. [10] soğutma, ısıtma ve güç üretimi amaçlı parabolik oluk tipi yoğunlaştırıcı kollektör kullanan yeni bir entegre sisteminin de termodinamik analizini sunmuşlardır. Özellikle güneş kuşağı içinde yer alan coğrafyada orta sıcaklık (250-300 C) uygulamaları için çizgisel yoğunlaştırıcı kollektörlerin entegre sistemlerde başarılı bir şekilde kullanılabileceğini göstermişlerdir. Dinçer ve Zamfirescu [11] alternatif enerji sistemleri için daha iyi performans, düşük maliyet, çevre dostu ve sürdürülebilir olan çoklu enerji üretim sistemlerinin alternatiflerini incelemişler ve aynı zamanda farklı entegre sistemlerinin termodinamik analizini sunmuşlardır. Çoklu enerji üretim 10
Yüksel, Y.E., Öztürk, M. ECJSE 2016 (1) 9-26 sistemlerinin geliştirilmiş modellemesi için entegre sistem bileşenleri için termodinamik modelleme, sistem verimlilikleri ve ekserji yıkım oranlarını ayrıntılı şekilde analiz etmişlerdir. Öztürk ve Dinçer [12] hidrojen üretimi yapan güneş enerjisi temelli çoklu enerji üretim sisteminin termodinamik analizini yapmışlardır. Sunulan çalışmadaki çoklu enerji üretim sistemi dört alt sistemden oluşmaktadır; Rankine çevrimi, organik Rankine çevrimi, absorbsiyonlu soğutma sistemi, hidrojen üretim ve kullanım sistemi. Entegre sistemin ve alt bileşenlerinin ekserji verimliliği ve ekserji yıkım oranı analizlerine göre parabolik oluk tipi güneş kollektör sisteminin en yüksek ekserji yıkım oranına sahip olduğu belirlenmiştir. Ahmadi vd. [13] güç, hidrojen ve evsel sıcak su üreten biokütle temelli bir entegre sistemin yeni bir tasarımını termodinamik analiz çerçevesinde değerlendirmişlerdir. Bu sistemde biokütle yakıcı, organik Rankine çevrimi, absorbsiyonlu soğutma sistemi ve proton değişimli membran (PEM) yakıt pili bulunmaktadır. Konvansiyonel sistemden entegre sisteme geçilmesi durumunda, tersinmezliklerin tespiti için ekserji analizi, zararlı gaz emisyonlarındaki olası düşüşü tespit etmek için de çevresel etki değerlendirmesi yapılmıştır. Aynı zamanda entegre sistemin performansını etkileyen faktörler üzerinde parametrik çalışma da yapılmıştır. Ahmadi vd. [14] mikro gaz türbin sistemi, çift basınçlı ısı geri kazanımlı buhar jeneratörü (HRSG), absorbsiyonlu soğutma sistemi, ejektör sistemi, sıcak su depolama sistemi ve PEM elektrolizöründen oluşan bir çoklu enerji üretim sistemin termodinamik analizini ve çok amaçlı optimizasyon çalışmasını yapmışlardır. Sistem verimliliğini artırma amaçlı entegre sistem bileşenlerinin ekserji verimlilikleri ve ekserji yıkım oranları ile çevresel etki değerlendirmesini sunmuşlardır. Öztürk ve Dinçer [15] yoğunlaştırıcı güneş kollektörü ve kömür gazlaştırma ünitesinden oluşan çoklu enerji üretim sisteminin termodinamik analizini sunmuşlarıdır. Ortam sıcaklığı, kompresör basınç oranı, yanma odasına azot besleme oranı ve gaz türbini giriş sıcaklığı gibi tasarım parametrelerinin etkisini görmek için parametrik bir çalışma da yapmışlardır. Çoklu enerji üretim sisteminin güç, hidrojen, kimyasal ve sıcak su üretiminin yansıra ısıtma ve soğutma amaçlı kullanılmasının umut veren bir teknoloji olduğunu belirtmişlerdir. Bu çalışmanın amacı çoklu enerji üretim sistemi ve bileşenlerinin enerji analizini, ekserji analizini, ekserji yıkım oranlarını, enerji ve ekserji verimliliklerini hesaplayarak sistem performansını etkileyen bileşenlerini tespit etmek ve entegre sistem verimliliğini etkileyen tasarım parametrelerini belirlemektir. Aynı zamanda tasarım parametrelerini kullanarak güç, hidrojen, soğutma, ısıtma ve sıcak su üretimi için güneş enerjisi ve biyokütle destekli çoklu enerji üretim sistemi optimize edilmiştir. Güneş ve biokütle temelli entegre çoklu üretim sisteminin termodinamik değerlendirilmesi için Engineering Equation Solver (EES) yazılımı yapılmış ve parametrik çalışma sonuçları sunulmuştur. Aynı zamanda, çoklu enerji üretim sistemden elde edilen güç ve hidrojen çıktısını etkileyen entegre sistem tasarım ve çalışma parametreleri incelenmiştir. Entegre sistemin ve bileşenlerinin ekserji yıkım oranlarını ve ekserji verimliliğini etkileyen termodinamik parametrelerin etkisini belirlemek için de parametrik çalışmalar yapılmıştır. Çevre sıcaklığının ve güneş radyasyon akısının konsantre kolektörün ekserji yıkım oranına ve ekserji verimliliğine etkisini gösteren bir parametrik analiz yapılmıştır. Ayrıca bu parametrik çalışmalar ile sıkışma noktası sıcaklığının sistem performansına etkisi de incelenmiştir. 11
ECJSE 2016 (1) 9-26 2. Materyal ve Yöntem 2.1 Entegre sistemin yapısı Sunulan bu çalışma için tasarımı yapılan ve Şekil 1 de şematiği verilen çoklu enerji üretim sistemi parabolik oluk tipi yoğunlaştırıcı kollektör, biyokütle yakıcı, organik Rankine çevrimi, çift etkili absorbsiyonlu soğutma sistemi, PEM elektrolizörü ve sıcak su tankından oluşmaktadır. Sunulan bu çalışmada, yoğunlaştırıcı kollektör ve biyokütle yakıcı birincil tahrik çevirimi olarak kullanılmıştır. 1 2 Biyokütle yakıcı 39 41 40 Hava Biyokütle Siklon Hidrojen Kül O 2 ayrıştırma Üretim 42 Sistemi O 2 ;H 2 O 6 Elektrik H 2 Depolama H 2 O Organik Rankine HEX-I H 2 35 Çevrimi 34 36 Boyler 43 10 9 Pompa II 13 8 Kondenser I Türbine 7 Elektrik Jeneratörü O 2 Elektrolizör 33 32 H 2 O HEX-V 14 28 Parabolik HEX-II oluk Kollektör 5 12 Pompa I 3 HEX-III 44 11 25 Generatör I 21 22 HEX VI EV I 20 23 24 29 HEX VII 19 30 Pompa IV EV IV 18 31 Absorber 27 Kondenser II 26 15 Generatör II EV III (Soğutma) 16 Absorbsiyonlu Soğutma Sistemi 17 Evaporatör 4 Sıcak Su Tankı 38 37 Sıcak su Su 45 Şekil 1. Tasarımı yapılan güneş ve biyokütle enerjisi destekli entegre çoklu enerji üretim sistemi 12
Yüksel, Y.E., Öztürk, M. ECJSE 2016 (1) 9-26 Güneş enerjisi dünyada en fazla bulunan enerji türüdür. Güneş enerjisinin dezavantajlı yanı ise sürekli olmaması, kesikli bir kaynak olmasıdır. Güneş enerjisinin sağlanamadığı durumlarda güç kesintisi yaşanmaması için ya güneş enerjisi ile üretilen termal enerji bir yerde depolanmalı ya da sisteme uygun farklı bir birincil tahrik sistemleri ile birlikte kullanılmalıdır. Bahsi geçen problem bu çalışmada yardımcı tahrik elemanı olarak biokütle yakıcı kullanılması ile giderilmiştir. Parabolik oluk kollektör entegre sistemde ısı değiştiricisine girecek olan akışkanı ısıtmaya yaramaktadır. Bir başka deyişle güneş enerjisinden gelen ısı ORC de birincil tahrik kuvveti olarak kullanılmaktadır. Güneş enerjisinin dalgalandığı veya yeterli olmadığı zamanlarda biyokütle yakıcı ORC ye, absorbsiyon sistemine ve hidrojen üretim çevrimine ısı sağlamaktadır. ORC deki atık ısıyı verimli bir şekilde kullanmak için, kullanılan akışkanın yüksek kritik sıcaklığa sahip olması gerekmektedir [16]. 3. Bulgular 3.1. Termodinamik değerlendirme Bu çalışmada entegre çoklu enerji üretim sisteminin durgun hal şartları altında çalıştığı varsayılmıştır. Çoklu enerji üretim sistemi ve bileşenlerinin her birisi için enerji ve ekserji verimliliklerini ve ekserji yıkım oranlarını hesaplamak için genel kütle, enerji ve ekserji denklemleri yazılmıştır. 3.1.1. Enerji analizi Enerji; bir cisim ya da sistemin iş yapabilme yeteneği olarak tanımlanabilir. Sözcük, Eski Yunan dilindeki (içinde) ve (iş) kelimelerinden türemiştir. Bir anlamda işe dönüştürülebilen şeklinde nitelendirilebilir. Enerji; bir fiziksel sistemin ne kadar iş ya da ısı alışverişi yapabileceğini belirleyen bir durum fonksiyonudur. Enerji korunumludur; evrende var olan enerji yok olmaz, sadece biçim değiştirebilir. Toplamda 8 ana enerji çeşidinden söz edilebilir Bunlar potansiyel, kinetik, ısı, ışık, elektrik, kimyasal, nükleer ve ses enerjisidir. Termodinamiğin birinci kanunu, enerjinin termodinamik bir kavram olduğunu ve enerjinin korunumunu ve dönüşümünü ifade etmektedir. Aynı zamanda bu kanuna göre enerji varken yok edilemez ve yoktan var edilemez, ancak başka bir enerji formuna dönüşebilir. Elektrik, manyetik alan, yüzey gerilimi ve nükleer reaksiyonun bulunmadığı termal sistemlerde toplam enerji miktarı; kinetik, potansiyel, fiziksel ve kimyasal enerjinin toplamından oluşur. Durgun hal şartları altında kinetik, potansiyel ve kimyasal enerjide değişiklik olmadığını varsayarak, entegre sistem için genel enerji denklemi aşağıda verildiği gibi yazılır; (1) Burada kütle akış hızını, alt indisler g ve ç sırasıyla giren ve çıkış kütleleri ifade etmektedir. ve sırasıyla ıs ve iş transfer hızlarını, ise spesifik entalpiyi göstermektedir [17]. 3.1.2. Ekserji analizi Termodinamik problemlerin çözümü için sadece I. kanun yeterli olmadığından, ekserji ya da entropi kavramlarını içeren II. kanunun da I. kanun ile birlikte kullanılmalıdır. Hesaplama kolaylığı, daha sağlıklı sonuçlar verme gibi nedenler, ekserji analizinin tercih edilme sebepleri olarak gösterilebilir. Ekserji kavramı, bazı bilim adamları tarafından aşağıdaki şekillerde tanımlanmıştır: Belirli bir haldeki sistemin yapabileceği en çok iş [18]. Ekserji, tersinmez sistemler veya süreçlerde, entropi üretiminin neden olduğu kullanılabilir enerji kaybını belirleyen bir ifadedir [19]. 13
ECJSE 2016 (1) 9-26 Bir termodinamik sistemin ekserjisi, sistemin sadece çevresiyle etkileşimi durumunda, sistemin çevresiyle tümüyle termodinamik denge haline gelirken, elde edilebilecek maksimum teorik yararlı iş (mekanik veya elektrik işi) olarak tanımlanır [20]. Bir enerji şeklinin ya da maddenin ekserjisi, onun çevre üzerinde değişim yapabilme potansiyeli, kalitesi ya da kullanışlılığının bir ölçüsüdür [21]. Ekserji, sistemin çevresiyle etkileşimi sonucu, ısı transferinin sadece çevreyle olması durumunda elde edilebilecek maksimum teorik yararlı iştir [22]. Ekserji, herhangi bir maddenin, çevresiyle tersinir anlamda termodinamik denge haline gelmesi esnasında elde edilebilecek maksimum iştir [23]. Ekserji, gazlarda, sıvılarda ya da bir kütlede, herhangi bir referans ortama göre var olan dengesizliğin neden olduğu iş potansiyelidir [24]. Ekserji, enerjinin tamamen diğer enerji şekillerine dönüşebilen kısmıdır [25]. Bir sistemin, çevresiyle termodinamik dengede bulunması, o sistemin ölü halde olduğunu ifade etmektedir. Sistemin, çevre sıcaklığında (25 C) ve basıncında (101,23 kpa) olduğu durumuna ölü hal denir. Eğer bir sistem bulunduğu koşullardan, çevrenin bulunduğu ölü hale getirilirse, maksimum iş elde edilir. Bu maksimum değere ekserji denir. Son hal, ölü hal ise tersinir iş, ekserjiye eşittir ve tersinir iş ile yararlı iş arasındaki fark, tersinmezlikleri verir. Sistemde meydana gelen tersinmezlikleri tespit etmek ve entegre sistemin bileşenlerinin verimliliğini artırmak için ekserji analizi bakış açısı ile yaklaşılmalıdır. Durgun hal şartları için, entegre sistem ve bileşenlerinin ekserji denklemi aşağıdaki gibidir; (2) Burada ekserji transfer hızı, ısı transfer hızının ekserjisi ve iş ile alakalı ekserji transfer hızıdır. Ekserji yıkımı ile ifade edilmektedir. prosesin spesifik ekserjisidir. Bu kavramlar aşağıdaki şekilde ifade edilir; Burada,, ve sırasıyla kinetik, potansiyel, fiziksel ve kimyasal ekserjidir. Kinetik ve potansiyel ekserjiler ihmal edilebilir olduğundan, fiziksel ekserji şu şekilde ifade edilebilir; (3) (4) (5) İdeal gazların kimyasal ekserji içerikleri şu şekildedir; (6) (7) Burada i numaralı bileşenin mol kesrini ve verilen referans sıcaklık ve basınçta molar kimyasal ekserjidir ve şu şekilde ifade edilir [26]; (8) Burada, ve sırasıyla i numaralı kimyasal bileşenin standart molar kimyasal ekserjisi, oluşum entalpisi ve gazlaştırma sıcaklığıdır. Materyal akışının ekserjisi aşağıda verildiği gibidir; 14
Yüksel, Y.E., Öztürk, M. ECJSE 2016 (1) 9-26 Ekserji denklemlerinden yola çıkarak elde edilen entegre sistemin ve bileşenlerinin ekserji yıkımları ve ekserji verimlilik eşitlikleri Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Entegre sistemin ve bileşenlerinin ekserji yıkım oranları ve ekserji verimlilikleri (9) Sistem Bileşenleri Parabolik oluk kolektör Boyler Ekserji Yıkım Oranı Eşitlikleri Ekserji Verimlilikleri HEX I Sıcak Su Tankı Pompa I Türbin Kondenser I Pompa II PEM Elektroliz sistemi Generatör I Generatör II Kondenser II Genleşme Valfi I Evaporatör Absorber 3.1.3. Enerji verimliliği Sistemin enerji verimliliği sistemin proseslerinden elde edilen net enerjinin sistem sınırlarına giren toplam enerjiye bölünmesiyle hesaplanmaktadır [27]. Bu çalışmada beş alt sistemin enerji verimliliği verilmiştir, bunlar parabolik oluk kollektör, organik Rankine çevrimi, hidrojen üretimi, absorbsiyonlu soğutma ve ısıtma alt sistemi ve biyokütle yakıcı alt sistemidir. 15
ECJSE 2016 (1) 9-26 (10) (11) (12) (13) (14) (15) Absorbsiyonlu soğutma alt sisteminin enerjetik performansını incelemek için, performans katsayısı (COP en ) aşağıdaki gibi verilmiştir; (16) Burada pompanın elektrik tüketimidir ve çok düşük bir enerji ihtiyacı vardır. Bu yüzden ihmal edilebilmektedir. ise jeneratöre gerçekleşen ısı transfer hızıdır. 3.1.4. Ekserji verimliliği Sistemin ve daha önce bahsedilen alt bileşenlerin ekserji verimliliği sistem bileşenlerinden çıkan net ekserjinin sisteme giren toplam ekserjiye oranı ile ifade edilmektedir; (17) (18) (19) (20) (21) (22) Absorbsiyonlu soğutma sistem için ekserji performansını kullanmak faydalı bir araçtır ve ekserjetik performans katsayısı (COP ex ) şu şekilde ifade edilir; (23) 16
Yüksel, Y.E., Öztürk, M. ECJSE 2016 (1) 9-26 4. Sonuç ve Tartışma EES mühendislik yazılım programında [28] Çizelge 1 de verilen denklemler kullanılarak entegre sistemin ve bileşenlerinin ekserji yıkımları ve ekserji verimlilikleri elde edilmiştir. EES yazılımında kullanılan girdi verileri ise Çizelge 2 de verilmiştir. Çizelge 2. Entegre sistem girdi verileri Organik Rankine Çevrimi (ORC) Değer ORC pompa verimliliği 80% ORC türbin verimliliği 85% Kütle akış oranı 7,2 kgs -1 ORC boylerinin sıkışma sıcaklığı 20 K ORC türbin giriş basıncı 2 MPa ORC türbin giriş sıcaklığı 550 K Parabolik oluk kollektör [29] Değer Tek kollektör genişliği 5,76 m Tek kollektör uzunluğu 12,27 m Alıcı iç çapı 0,066 m Alıcı dış çapı 0,07 m Koruyucu iç çapı 0,115 m Koruyucu dış çapı 0,121 m Kollektör koruyucusunun yayıcılığı 0,86 Kollektör alıcısının yayıcılığı 0,15 Kollektör aynasının yansıtıcılığı 0,94 Cam koruyucunun geçirgenliği 0,96 Alıcının soğuruculuğu 0,96 Sistemdeki yoğunlaştırıcı kollektör sayısı 20 Biyokütle yakıcı Değer Biyokütle kütle akış oranı 80 kgs -1 Biyokütle yakıcı sıcaklığı 2073.15 K Standart kimyasal ekserji [30] Değer 9,5 kj/mol Referans şartları Referans sıcaklık Referans basınç 3,97 kj/mol 0,72 kj/mol 19,87 kj/mol Değer 298.15 K 101.3 kpa Bu çalışmada ORC sisteminde kullanılan akışkan sıvı olarak yüksek kritik sıcaklığından (T c =569K) dolayı n-oktan seçilmiştir. Çift etkili absorbsiyonlu soğutma sisteminde akışkan olarak ise LiBr çözeltisi ve su seçilmiştir. LiBr- H 2 O absorbsiyonlu soğutma sistemlerinin en büyük avantajı, LiBr din uçucu olmamasıdır. Generatörden yalnızca su buharı uzaklaştırılır. LiBr- H 2 O absorbsiyonlu soğutma sistemi basit olup, amonyak-su absorbsiyonlu sisteme göre daha büyük bir COP değeri ile çalışır. LiBr- H 2 O absorbsiyonlu soğutma sisteminin tek kusuru, buharlaştırıcısının 2 C nin çok altında (soğutucu su buharı olduğundan) çalışamamasıdır. Sistem tasarımında ve analizde kullanılan bazı öngörüler şu şekildedir; 17
ECJSE 2016 (1) 9-26 Çoklu enerji üretim sisteminin bileşenlerinde meydana gelen tüm çevrimlerde durgun hal şartlarının geçerli olduğu ve biyokütle yakıcısı hariç herhangi bir alt çevrimde kimyasal reaksiyon olmadığı varsayılmıştır. Sistem bileşenlerinden çevreye salınan ısı, pompa kayıpları ile kinetik ve potansiyel enerjiler ihmal edilmiştir. Genleşme ve daraltma valfllerinin eş entalpili olduğu varsayılmıştır. Aynı zamanda alt sistemleri birbirine bağlayan hatlardaki ısı transferi ve basınç düşüşleri ihmal edilecek kadar küçük oldukları için göz ardı edilmişlerdir. Entegre sistemin ve bileşenlerinin ekserji yıkımları (kw), ekserji yıkım yüzdesi (%), ekserji verimliliği (%) ve güç veya ısı transfer hızları EES mühendislik yazılım programı kullanarak hesaplanmıştır. Bu sonuçlar güneş ve biyokütle alt-sistemleri için sırasıyla Çizelge 3 ve 4 de verilmiştir. Tablolardan görüldüğü gibi, en yüksek ekserji yıkım oranı güneş alt-sisteminde parabolik oluk tipi güneş kollektöründe, biyokütle alt-sisteminde ise biyokütle yakıcısında gerçekleşmektedir. Absorbsiyonlu soğutma proseslerinin diğer sistemlere kıyasla daha yüksek enerji verimliliği daha düşük ekserji verimliliği vardır. Absorbsiyon sisteminin alt bileşenlerinde ısı transferinden kaynaklanan tersinmezlikler soğutma sisteminin ekserji verimliliğini düşürmektedir. Jeneratörlerde meydana gelen ekserji yıkımının başlıca sebebi akışkan sıvı sıcaklığı ile yüksek ve düşük sıcaklık jeneratörlerinin sıcaklık farkından kaynaklanmaktadır. Çizelge 3. Güneş alt-sistemi için entegre sistem bileşenlerinin termodinamik değerlendirmeleri Sistem bileşenleri Ekserji yıkım oranları (kw) 18 Ekserji yıkım yüzdesi (%) Ekserji verimliliği (%) Güç veya ısı transfer oranı (kw) Parabolik oluk kollektör 1982 36.71 20.21 18987 Boyler 848.1 15.71 90.92 8898 HEX-III 505.8 9.37 89.24 5168 Sıcak su tankı 321.3 5.95 28.19 2984 Pompa-I 62.52 1.16 56.03 740 Türbin 401.3 7.43 93.6 3997 Kondenser-I 261.6 4.85 25.71 2734 Pompa-II 114.7 2.12 58.77 1755 PEM elektroliz sistemi 244.4 4.53 37.03 2310 Hidrojen depolama 182.1 3.37 25.34 1142 Oksijen ayrıştırma 41.7 0.77 82.84 458 Jeneratör-I 97.03 1.80 75.42 1075 Jeneratör-II 74.85 1.39 54.65 809 Kondenser-II 19.91 0.37 21.94 201 Evaporatör 56.31 1.04 40.84 571 Absorber 98.25 1.82 21.42 1096 Pompa-III 8.24 0.15 34.41 92 HEX-IV 6.72 0.12 66.53 69 HEX-V 5.46 0.10 72.85 61 HEX-VI 66.7 1.24 54.87 704
Yüksel, Y.E., Öztürk, M. ECJSE 2016 (1) 9-26 Çizelge 4. Biyokütle alt-sistemi için entegre sistem bileşenlerinin termodinamik değerlendirmeleri Sistem bileşenleri Ekserji yıkım oranı (kw) Ekserji yıkım yüzdesi (%) Ekserji verimliliği (%) Güç veya ısı transfer oranı (kw) Biokütle yakıcı 2098 35.41 38.26 19879 Siklon 148.8 2.51 82.91 1201 HEX-I 957.6 16.16 88.12 9108 HEX-II 528.1 8.91 90.47 5414 Sıcak su tankı 350.8 5.92 29.42 3184 Türbin 443.7 7.49 92.3 4098 Kondenser-I 284.9 4.81 24.83 2896 Pompa-II 128.4 2.17 59.08 1805 PEM elektroliz sistemi 278.7 4.70 36.18 2608 Hidrojen depolama 180.4 3.04 24.47 1329 Oksijen ayrıştırma 43.9 0.74 80.57 462 Jeneratör-I 122.64 2.07 78.18 1209 Jeneratör-II 80.57 1.36 52.72 811 Kondenser-II 21.84 0.37 23.14 218 Evaporatör 62.52 1.06 41.26 618 Absorber 101.57 1.71 24.85 1081 Pompa-III 9.41 0.16 37.06 93 HEX-IV 7.28 0.12 65.42 71 HEX-V 6.68 0.11 71.28 62 HEX-VI 69.4 1.17 58.08 714 Çevresel değişkenler arasında ortam sıcaklığı sistem performansını önemli ölçüde etkilemektedir. Şekil 2 de referans sıcaklığın çift etkili absorbsiyonlu soğutma sisteminin verimliliğine etkisini göstermektedir. Referans sıcaklığının değişmesi ile COP en değişmemektedir. Bunun sebebi absorbsiyonlu soğutma sisteminin analizinde sistemden çevreye olan ısı kayıplarının ihmal edilmesidir. COP ex ise ortam sıcaklığının 0 C den 35 C ye artması ile birlikte arttığı görülmektedir. Bu durumun sebebi absorbsiyonlu soğutma sistemi ile çevre sıcaklığı arasındaki sıcaklık farkının azalmasıdır. Yani prosesin ekserji içeriği referans sıcaklık ile doğrudan ilişkilidir. Ekserji yıkım oranı kullanılabilir enerjideki düşüşü göstermekte fakat entegre sistem bileşenlerinin enerji ve ekserji kullanım verimliliklerini analiz etmede kullanılmamaktadır. Genellikle entegre sistemin ekserji verimliliği sistemden çevreye gerçekleşen ekserji kayıplarını göstermede oldukça pratiktir. Entegre sistemin ekserji yıkım oranları ve ekserji verimlilikleri güneş ve biokütle altsistemleri için sırasıyla Şekil 3 ve 4 de verilmiştir. 19
ECJSE 2016 (1) 9-26 2 1.8 1.6 1.4 2 1.8 1.6 1.4 COP en Ex Y,sistem-günes (kw) 1.2 1 0.8 COP en COP ex 1.2 1 0.8 COP ex 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 T 0 ( o C) Şekil 2. Referans sıcaklıktaki artışa bağlı olarak çift etkili absorbsiyonlu sistemin COP en ve COP ex değerlerindeki değişimler 6200 0.59 6000 Ex D,sistem-günes y sistem-günes 0.585 5800 5600 5400 0.58 0.575 ysistem-günes 5200 0.57 0 5 10 15 20 25 30 35 T 0 ( o C) Şekil 3. Güneş alt-sistemi için referans sıcaklığa göre entegre sistemin ekserji yıkım oranında ve ekserji verimliliğindeki değişimler 20
Enerji verimliligi (h) Ekserji verimliligi (y) Yüksel, Y.E., Öztürk, M. ECJSE 2016 (1) 9-26 Şekil 4. Biyokütle alt-sistemi için referans sıcaklığa göre entegre sistemin ekserji yıkım oranında ve ekserji verimliliğindeki değişimler Şekillerden görüldüğü üzere, çevre sıcaklığı arttıkça her iki alt sistem için de ekserji yıkım oranı düşmekte, ekserji verimliliği ise artmaktadır. Parametrik çalışmalar değişkenlerin sistem ve bileşenlerinin performansını ve ekserji yıkım oranlarındaki değişiklikleri göstermektedir. Referans sıcaklığın sistemin ve alt bileşenlerinin enerji ve ekserji verimliliklerine etkisi güneş ve biyokütle alt sistemi için sırasıyla Şekil 5 ve 6 da verilmiştir. 0.6 0.6 0.5 horc habsorbsiyon yorc yabsorbsiyon 0.5 0.4 hhidrojen hpyk hgünes-sistemi yhidrojen ypyk ygünes-sistemi 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 5 10 15 20 25 30 35 T 0 ( o C) Şekil 5. Güneş alt-sistemi için referans sıcaklığa bağlı olarak sistem bileşenlerinin enerji ve ekserji verimliliklerindeki değişimler ORC alt sisteminin enerji verimliliği artan referans sıcaklığı ile birlikte değişmemektedir, fakat ekserji verimliliği 0 0 C de % 18.5 den 35 0 C de % 20 ye çıkmaktadır. Buna ek olarak, hem güneş hem de biyokütle alt sistemleri için absorbsiyonlu soğutma prosesi hariç tüm sistem ve alt sistemlerde referans sıcaklığın artması enerji ve ekserji verimliliğinde artışa neden olmuştur. Şekillerden görüldüğü üzere, biokütle temelli sistemin hidrojen üretim performansı güneş temelli 21
W net (kw) m H2 (kghr -1 ) Enerji verimliligi (h) Ekserji verimliligi (y) ECJSE 2016 (1) 9-26 sisteme göre daha yüksektir. Bu da biyokütle temelli sistemde güç üretim miktarının daha yüksek olmasından kaynaklanmaktadır. 0.6 0.6 0.5 hby horc hhidrojen habsorbsiyon hbiyokütle-sistemi 0.5 0.4 0.4 0.3 yby yorc yhidrojen yabsorbsiyon ybiyokütle-sistemi 0.3 0.2 0.2 0.1 0 5 10 15 20 25 30 T 0 ( o C) Şekil 6. Biyokütle alt sistemi için referans sıcaklığa bağlı olarak sistem bileşenlerinin enerji ve ekserji verimliliklerindeki değişiklikler Sunulan teorik çalışma spesifik olarak herhangi bir yer için yapılmamıştır. Fakat sistemin çalışma aralığı olarak direk günş radyasyonunun şiddeti 500 ile 1000 W/m 2 aralığında seçişmiş ve direkt güneş radyasyonunun elektrik ve hidrojen üretimi üzerine olan etkisi Şekil 7 de gösterilmiştir. Grafiğin sol tarafı ORC alt sisteminin güç üretimini, sağ tarafı da PEM elektrolizörünün hidrojen üretimini göstermektedir. Grafikten görüldüğü üzere direkt güneş radyasyonunun artışı hem güç üretimini hem de hidrojen üretimini artırmaktadır. Bu artışın nedeni ORC türbin giriş sıcaklığının artmasından kaynaklanan boylerin çıkış sıcaklığının artması ile alakalıdır. Güneş radyasyonunu en yüksek olduğu öğle vakitlerinde elektrik üretimi en yüksek seviyeye çıkmakta ve bu fazla elektrik PEM elektrolizörü sayesinde hidrojen enerjisi olarak depolanabilmektedir. 0.1 310 5.5 300 290 5 280 4.5 270 260 W net m H2 4 250 3.5 500 600 700 800 900 1000 I s (Wm -2 ) Şekil 7. Güneş alt-sistemi için direkt güneş radyasyonunun güç ve hidrojen üretimine etkisi 22
W net (kw) m H2 (kghr -1 ) W net (kw) m H2 (kghr -1 ) Yüksel, Y.E., Öztürk, M. ECJSE 2016 (1) 9-26 ORC ısı değiştiricisinin sıkışma noktası sıcaklığındaki değişikliğin güç ve hidrojen üretimine etkisi Şekil 8 de gösterilmiştir. Grafik ORC ısı değiştirici sıkışma noktasının 20 K den 70 K ne artması ile elektriksel güç üretiminin 580 kw dan 390 kw a düştüğünü, benzer olarak hidrojen üretiminin de 8 kgs -1 den 6 kgs -1 değerine düştüğünü göstermektedir. Bu beklenen bir sonuçtur, çünkü ORC ısı değiştiricisinin sıkışma noktasının artışıyla ORC alt sistemine ısı girişi düşmekte bu da ORC türbini ve PEM elektrolizörü daha az faydalı enerji üretiyor anlamına gelmektedir. 600 8.5 550 W net m H2 8 500 7.5 450 7 400 6.5 350 6 20 30 40 50 60 70 T sn (K) Şekil 8. Her iki alt-sistem için, sıkışma noktası sıcaklığının güç ve hidrojen üretimine etkisi ORC türbinin giriş basıncındaki değişikliğin elektriksel güç ve hidrojen üretimine etkisi Şekil 9 da gösterilmiştir. Giriş basıncı 2000 kpa dan 6000 kpa değerine arttıkça, elektriksel güç üretimi 520 kw dan 482 kw değerine ve hidrojen üretimi miktarı ise 7.02 kgs -1 den 5.88 kgs -1 değerine düşmektedir. Bu düşüşün sebebi diğer termodinamik değişkenler sabit iken giriş basıncının artması akışkanın çıkış entalpisinin sabit kalmasına rağmen giriş entalpisini düşürmesidir. 520 7.2 510 W net m H2 7 6.8 500 6.6 490 480 6.4 6.2 6 470 5.8 2000 3000 4000 5000 6000 P 16 (kpa) Şekil 9. Her iki alt-sistem için, ORC türbin giriş basıncının artmasının güç ve hidrojen üretimine etkisi 23
ECJSE 2016 (1) 9-26 5. Tartışma Entegre çoklu enerji üretim sistemleri yüksek verimlilikleri, düşük işletme giderleri ve çevre dostu olmaları nedeniyle güç üretiminde ve diğer faydalı ürünleri elde etmede iyi bir alternatif çözüm olarak görülmektedir. Küresel iklim değişiklikleri, küresel ısınma, ozon tabakasının incelmesi, yüksek nüfus artışı, fazla kaynak ve enerji kullanımı gibi çevresel kaygılar entegre enerji üretim sistemlerinin önemini bir kat daha artırmaktadırlar. Bu çalışmada güneş ve biyokütle destekli entegre çoklu enerji üretim sistemi termodinamik olarak analiz edilmiş ve ekserji yıkımları, enerji ve ekserji verimlilikleri sunulmuştur. Ayrıca entegre sistem performansını etkileyen değişkenler üzerinde parametrik çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmadan çıkarılabilecek başlıca sonuçlar aşağıda listelenmiştir. Referans sıcaklığın artması absorbsiyonlu soğutma sisteminin COP ex değerini artırırken COP en değerinde bir değişikliğe yol açmamıştır. Güneş alt-sistemi için parabolik oluk tipi güneş kollektörünün, ORC alt sisteminin, absorbsiyonlu soğutma sisteminin, hidrojen üretim sisteminin ve tüm sistemin enerji verimlilikleri sırasıyla %24.83, %13.32, %29.96, %19.96 ve %52.27 şeklinde hesaplanmıştır. Güneş alt-sistemi için parabolik oluk tipi güneş kollektörün, ORC alt sisteminin, absorbsiyonlu soğutma sisteminin, hidrojen üretim sisteminin ve tüm sistemin ekserji verimlilikleri sırasıyla %20.22, %19.51, %15.21, %20.11 ve %57.16 olarak hesaplanmıştır. Biyokütle alt-sistemi için biyokütle yakıcının, ORC alt sisteminin, absorbsiyonlu soğutma sisteminin, hidrojen üretim sisteminin ve tüm sistemin enerji verimlilikleri sırasıyla %42.91, %14.56, %20.08, %30.98 ve %53.28 olarak hesaplanmıştır. Biyokütle alt sistemi için biyokütle yakıcının, ORC alt sisteminin, absorbsiyonlu soğutma sisteminin, hidrojen üretim sisteminin ve tüm sistemin ekserji verimlilikleri sırasıyla %38.24, %19.37, %16.49, %21.27 ve %57.26 olarak hesaplanmıştır. Çoklu enerji üretim sisteminin kapasitesi ve performansı entegre sistem bileşenlerinin tasarım parametrelerine bağlı olarak değişmektedir. Güneş alt-sistemi için en yüksek ekserji yıkım oranı yoğunlaştırıcı güneş kollektöründe iken biyokütle alt-sistemi için en yüksek ekserji yıkım oranı ise biyokütle yakıcıda gerçekleşmektedir. Hem güneş hem de biyokütle alt sistemi için en düşük ekserji yıkım oranı genleşme valfinde gözlenmektedir. Güneş alt-sistemi için direkt güneş radyasyonundaki artış net elektrik çıktısını ve hidrojen üretimini artırmaktadır. ORC ısı değiştiricisinin sıkışma noktası sıcaklığındaki ve ORC türbin girişindeki basıncın artması net elektrik üretimini ve hidrojen üretimini azaltmaktadır. Bu çoklu enerji üretim sistemi için tasarım modelinin yatırımcılara enerji üretim sistemleri tasarımlarında daha verimli ve optimum sistem bileşenleri seçmelerine yardımcı olacağı düşünülmektedir. 24
Yüksel, Y.E., Öztürk, M. ECJSE 2016 (1) 9-26 6. Kaynaklar [1] Sekercioglu, S., Yılmaz, M. Renewable energy perspectives in the frame of Turkey s and the EU s energy policies, Energy Conversion and Management, 63;233-238;2012. [2] 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, 70;107-715;2013. [3] Bejan, A., Tsatsaronis, G., Moran, M. Thermal design and optimization, Hoboken, NJ: John Wiley;1996. [4] Dincer, I. The role of exergy in energy policy making, Energy Policy, 30(2);137 149;2002. [5] Dincer, I., Zamfirescu, C. Renewable energy based multigeneration systems, International Journal of Energy Research, 36(15);1403-1415;2012. [6] Al-sulaiman, F.A. Exergy analysis of parabolic trough solar collectors integrated with combined steam and organic Rankine cycles, Energy Conversion and Management 77;441-449, 2014. [7] Khaliq, A., Kumar, R., Dincer, I. Performance analysis of an industrial waste heat based trigeneration system, International Journal of Energy Research 33;737 744;2009. [8] Suresh, M.V.J.J., Reddy, K.S., Kolar, A.K. 3-E analysis of advanced power plants based on high ash coal International Journal of Energy Research 25;716-735;2010. [9] Al-Sulaiman, F.A., Hamdullahpur, F., Dincer I. Trigeneration: A comprehensive review based on prime movers International Journal of Energy Research 35:233 258;2011. [10] Al-Sulaiman, F.A., Hamdullahpur, F., Dincer, I. Performance assessment of a novel system using parabolic trough solar collectors for combined cooling, heating, and power production, Renewable Energy, 48;161-172;2012. [11] Dincer, I., Zamfirescu, C. Renewable-energy-based multigeneration systems, International Journal of Energy Research, Special Issue on Developments in Nuclear and Renewable Energy 36(15);1403-1415;2012. [12] Ozturk, M., Dincer, I. Thermodynamic analysis of a solar-based multi-generation system with hydrogen production Applied Thermal Engineering 51(1-2);1235-1244;2013. [13] Ahmadi, P., Dincer, I., Rosen, M.A. Development and assessment of an integrated biomassbased multi-generation energy system, Energy 56;155-166;2013. [14] Ahmadi, P., Dincer, I., Rosen, M.A. Thermodynamic modeling and multi-objective evolutionary-based optimization of a new multigeneration energy system, Energy Conversion and Management 76;282 300;2013. [15] Ozturk, M., Dincer, I. Thermodynamic assessment of an integrated solar power tower and coal gasification system for multi-generation purposes, Energy Conversion and Management 76;1061-1072;2013. [16] Ahmadi, P., Dincer, I., Rosen, M.A. Exergo-environmental analysis of an integrated organic Rankine cycle for trigeneration, Energy Conversion and Management 64;447-453;2012. [17] Kotas, T.J. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis, Florida, Kreiger; 1995. [18] Çengel, Y. A., Boles, M.A. Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik. Palme Kitap Evi, 7. Baskı, 2013. [19] Hepbaşlı, A. Endüstriyel işletmelerde ekserji yönetim sisteminin kurulması gerekli mi?, Termodinamik Dergisi, Sayı 190, 2008. [20] Tsatsaronis, G. Recent developments in exergy analysis and exergoeconomics, International Journal of Exergy, 5(5-6);489 499;2008. [21] Dinçer, İ. The role of exergy in energy policy making, Energy Policy 30;137-149;2002. [22] Bejan, A. Advanced Engineering Thermodynamic, 3 rd edition, Wiley, 2006. [23] Szargut J. Exergy analysis: technical and ecological applications, Southampton (UK): WITPress, 2005. [24] Ahem, J.E. The Exergy Method of Energy System Analysis, John Willey and Sons, Inc. Toronto, 1980. 25
ECJSE 2016 (1) 9-26 [25] Rant, Z. Exergy and energy, Wiss. Z. Tech. Univ. Dresden. 13(4);1145 1149;1964. [26] Dinçer, İ., Rosen, M.A. Exergy: energy, environment, and sustainable development, Elsevier, Oxford, UK; 2013. [27] Szargut, J. Exergy Method: Technical and Ecological Applications, WIT press; 2005. [28] Klein, S.A. Engineering Equation Solver (EES), Academic Commercial, F-Chart Software, www.fchart.com, 2007. [29] Ni, M., Leung, M., Leung, D. Energy and exergy analysis of hydrogen production by a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer plant, Energy Conversion and Management 49(10);2748-2756;2008. [30] Hamann, C.H., Hamnett, A., Vielstich, W. Electrochemistry, Wiley-VCH, Weinheim; 2007. 26