تحلیل ترمودینامیکی و اقتصادی سیستم تولید همزمان بر پایه محرک هیبریدی موتورهای احتراق داخلی و احتراق خارجی با منبع تغذیه گاز طبیعی و زیست توده

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود،ایران

2 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود ،ایران

3 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود،ایران

چکیده

در این مقاله یک سیستم تولید همزمان گرمایش، سرمایش و توان بر پایه محرک هیبریدی موتور احتراق داخلی و خارجی با منبع تغذیه زیست توده شامل یک راکتور گازی سازی با عامل گازساز هوا و از نوع جریان مخالف بررسی شده است و گاز سنتز حاصل در یک موتور احتراق داخلی گازسوز استفاده می شود. سیستم پیشنهادی با یک سیستم تولید همزمان مشابه با منبع تغذیه گاز طبیعی مقایسه شده و از دیدگاه های انرژی و اقتصادی بررسی شده است. نتایج نشان می دهد سیستم پیشنهادی که از گاز سنتز به عنوان سوخت ورودی بهره می برد، در مقایسه با سوخت گاز طبیعی، دارای برتری قابل توجهی از دیدگاه انرژی و اقتصادی خواهد بود، به طوری که بررسی پارامتر مربوط به درصد کاهش مصرف انرژی اولیه نشان می دهد در صورت استفاده از گاز سنتز به عنوان سوخت در محرک موتور احتراق داخلی در مقایسه با گاز طبیعی سبب صرفه جویی 40.55% در مصرف انرژی ورودی خواهد شد. سیستم پیشنهادی با سوخت گاز سنتز از دیدگاه اقتصادی و درصد کاهش هزینه مصرف سوخت نیز دارای برتری محسوسی می باشد به طوری که نتایج نشان از صرفه جویی 83.98% در هزینه های ناشی از مصرف سوخت را نشان می دهد. نتایج همچنین نشان می دهد قیمت تمام شده تولید برق در سیستم پیشنهادی با منبع تغذیه زیست توده و گاز سنتز در دورهای مختلف موتور احتراق داخلی در مقایسه با هزینه مربوط به هزینه تولید برق با سوخت گاز طبیعی کمتر و به صرفه تر خواهد بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

  • Kirubakaran, A., Jain, S. and Nema, R.K. (2009) A review on fuel cell technologies and power electronic interface. Renewable and sustainable energy reviews, 13(9), pp.2430-2440.
  • Asgari, N., Saray, R.K. and Mirmasoumi, S.(2020) Energy and exergy analyses of a novel seasonal CCHP system driven by a gas turbine integrated with a biomass gasification unit and a LiBr-water absorption chiller. Energy Conversion and Management, 220, p.113096.
  • Balafkandeh, S., Zare, V. and Gholamian, E.(2019). Multi-objective optimization of a tri-generation system based on biomass gasification/digestion combined with S-CO2 cycle and absorption chiller. Energy Conversion and Management, 200, p.112057.
  • Fakhari, I., Behzadi, A., Gholamian, E., Ahmadi, P. and Arabkoohsar, A.(2021). Design and tri-objective optimization of a hybrid efficient energy system for tri-generation, based on PEM fuel cell and MED using syngas as a fuel. J. Cleaner Produc., 290, p.125205.
  • Akrami, E., Ameri, M. and Rocco, M.V.(2020). Integration of biomass-fueled power plant and MCFC-cryogenic CO2 separation unit for low-carbon power production: Thermodynamic and exergoeconomic comparative analysis. Energy Conversion and Management, 223, p.113304.
  • Zhang, J., Cui, P., Yang, S., Zhou, Y., Du, W., Wang, Y., Deng, C. and Wang, S.(2023). Thermodynamic analysis of SOFC–CCHP system based on municipal sludge plasma gasification with carbon capture. Applied Energy, 336, p.120822.
  • Xie, N., Xiao, Z., Du, W., Deng, C., Liu, Z. and Yang, S. (2023) Thermodynamic and exergoeconomic analysis of a proton exchange membrane fuel cell/absorption chiller CCHP system based on biomass gasification. Energy, 262, p.125595.
  • Wang, Y., Wehrle, L., Banerjee, A., Shi, Y. and Deutschmann, O.(2021) Analysis of a biogas-fed SOFC CHP system based on multi-scale hierarchical modeling. Renewable Energy, 163, pp.78-87.
  • Akrami, E., Ameri, M. and Rocco, M.V.(2021). Conceptual design, exergoeconomic analysis and multi-objective optimization for a novel integration of biomass-fueled power plant with MCFC-cryogenic CO2 separation unit for low-carbon power production. Energy, 227, p.120511.
  • Mehr, A.S., Lanzini, A., Santarelli, M. and Rosen, M.A.(2021). Polygeneration systems based on high temperature fuel cell (MCFC and SOFC) technology: System design, fuel types, modeling and analysis approaches. Energy, 228, p.120613.
  • برجی بداغی، مهدی، آتشکاری، کاظم، قربانی، صبا، و نریمان زاده، نادر. (1396). تحلیل ترمودینامیکی و بهینه سازی چندهدفی سیستم هیبرید متشکل از فرآیند گازی سازی زیست توده, پیل سوختی اکسید جامد و میکرو توربین گاز. مکانیک سازه ها و شاره ها، 7(1 )، 113-133. SID. https://sid.ir/paper/212702/fa
  • Rahimi M.J, Hamedi M.H, Amidpour M, Thermodynamic, Economic and Case Study of Synthesis Gas Using the Biomass Gasification Reactor in Distributed Generation Systems, Modares Mechanical Engineering. 2019;19(6):1417-1428
  • Shayan, E., Zare, V. and Mirzaee, I., 2019. On the use of different gasification agents in a biomass fueled SOFC by integrated gasifier: A comparative exergo-economic evaluation and optimization. Energy, 171, pp.1126-1138.
  • Rabea, K., Michailos, S., Hughes, K.J., Ingham, D. and Pourkashanian, M.(2023). Comprehensive process simulation of a biomass-based hydrogen production system through gasification within the BECCS concept in a commercial two-stage fixed bed gasifier. Energy Conversion and Management, 298, p.117812.
  • Khalilarya, S., Chitsaz, A. and Mojaver, P.(2021). Optimization of a combined heat and power system based gasification of municipal solid waste of Urmia University student dormitories via ANOVA and taguchi approaches. Int. J. Hydr. Energ., 46(2), pp.1815-1827.
  • Borooah, R., Antolini, D., Piazzi, S., Cordioli, E., Patuzzi, F. and Baratieri, M.(2023). Investigations into the performance and emissions of a small-scale CHP system using producer gas obtained from gasification of forest residues. J. Energ. Instit., 110, p.101354.
  • Fatiguso, M., Valenti, A.R. and Ravelli, S.(2023). Comparative energy performance analysis of micro gas turbine and internal combustion engine in a cogeneration plant based on biomass gasification. J. Cleaner Produc., p.139782.
  • Nadaleti, W.C. and Przybyla, G.(2020). NOx, CO and HC emissions and thermodynamic-energetic efficiency of an SI gas engine powered by gases simulated from biomass gasification under different H2 content. Int. J. Hydr. Energ., 45(41), pp.21920-21939.
  • Sanaye, S., Khakpaay, N. and Chitsaz, A.(2020) Thermo-economic and environmental multi-objective optimization of a novel arranged biomass-fueled gas engine and backpressure steam turbine combined system for pulp and paper mills. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 40, p.100778.
  • Yun, K.T., Cho, H., Luck, R. and Mago, P.J.(2013) Modeling of reciprocating internal combustion engines for power generation and heat recovery. Applied energy, 102, pp.327-335.
  • Li, X., Kan, X., Sun, X., Zhao, Y., Ge, T., Dai, Y. and Wang, C.H.(2019) Performance analysis of a biomass gasification-based CCHP system integrated with variable-effect LiBr-H2O absorption cooling and desiccant dehumidification. Energy, 176, pp.961-979.
  • Khanmohammadi, K. Atashkari, R. Kouhikamali, Performance assessment and multi-objective optimization of a trigeneration system with modified biomass gasification model, Modares Mechanical Engineering Vol.15, No. 9, pp. 209-222, 2015 (In Persian)
  • Sheykhi, M., Chahartaghi, M., Balakheli, M.M., Kharkeshi, B.A. and Miri, S.M.(2019) Energy, exergy, environmental, and economic modeling of combined cooling, heating and power system with Stirling engine and absorption chiller. Energy conversion and management, 180, pp.183-195.
  • Kongtragool, B. and Wongwises, S. (2005). Investigation on power output of the gamma-configuration low temperature differential Stirling engines. Renewable Energy, 30(3), pp.465-476.
  • Mehrpooya, M., Sayyad, S. and Zonouz, M.J. (2017). Energy, exergy and sensitivity analyses of a hybrid combined cooling, heating and power (CCHP) plant with molten carbonate fuel cell (MCFC) and Stirling engine. J. cleaner produc., 148, pp.283-294.
  • Ehyaei, M.A., Ahmadi, A., Assad, M.E.H. and Rosen, M.A.(2020) Investigation of an integrated system combining an Organic Rankine Cycle and absorption chiller driven by geothermal energy: Energy, exergy, and economic analyses and optimization. J. Cleaner Produc., 258, p.120780.
  • Yao, E., Wang, H., Wang, L., Xi, G. and Maréchal, F (2017) Multi-objective optimization and exergoeconomic analysis of a combined cooling, heating and power based compressed air energy storage system. Energy conversion and management, 138, pp.199-209.
  • Habibollahzade, A., Gholamian, E., Houshfar, E. and Behzadi, A. (2018) Multi-objective optimization of biomass-based solid oxide fuel cell integrated with Stirling engine and electrolyzer. Energy conversion and management, 171, pp.1116-1133.
  • Zhang, X., Liu, X., Sun, X., Jiang, C., Li, H., Song, Q., Zeng, J. and Zhang, G (2018) Thermodynamic and economic assessment of a novel CCHP integrated system taking biomass, natural gas and geothermal energy as co-feeds. Energy Conversion and Management, 172, pp.105-118.
  • Wang, S. and Fu, Z.(2019) Thermodynamic and economic analysis of solar assisted CCHP-ORC system with DME as fuel. Energy Conversion and Management, 186, pp.535-545.
  • Roy, D., Samanta, S. and Ghosh, S.(2020) Performance assessment of a biomass-fuelled distributed hybrid energy system integrating molten carbonate fuel cell, externally fired gas turbine and supercritical carbon dioxide cycle. Energy Conversion and Management, 211, p.112740.
  • Arbabi, P., Abbassi, A., Mansoori, Z. and Seyfi, M.(2017) Joint numerical-technical analysis and economical evaluation of applying small internal combustion engines in combined heat and power (CHP). Applied Thermal Engineering, 113, pp.694-704.
  • Shayan, E., Zare, V. and Mirzaee, I.J.E.C.(2018) Hydrogen production from biomass gasification; a theoretical comparison of using different gasification agents. Energy Conversion and management, 159, pp.30-41.
  • Zainal Z.A., Ali R., Lean C.H., Seetharamu K.N (2001), Prediction of performance of a downdraft gasifier using equilibrium modeling for different biomass materials. Energy Conversion and management, 42, pp. 1499–515
مکانیک سازه ها و شاره ها
دوره 13، شماره 6
بهمن و اسفند 1402
صفحه 103-119

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار