تولید توان در چرخه رانکین آلی از گرمای تلف شده انرژی زمین گرمایی و بویلرها به منظور تولید هیدروژن با استفاده از الکترولایزر غشاء پروتونی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه بین المللی امام خمینی(ره)، قزوین، ایران

2 هیئت علمی دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران

3 گروه مهندسی مکانیک، واحد تهران غرب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران ، ایران

چکیده

استفاده از الکترولیز آب برای تولید هیدروژن در سال‌های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است زیرا در این روش، آب بدون هیچ گونه آلایندگی به گاز هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شود. در این تحقیق، یک چرخه رانکین آلی و الکترولایزر مدل‌سازی و تحلیل شده تا از گرمای تلف شده برای راه‌اندازی الکترولایزر استفاده شود. توان تولید شده‌ی چرخه رانکین آلی برای تولید هیدروژن در یک الکترولایزر غشاء پروتونی مصرف می‌گردد. مدل‌سازی و کدنویسی برای الکترولایزر با استفاده از نرم افزار EES انجام شده است و تحلیل‌های ترمودینامیکی به منظور شناخت و بررسی عملکرد مدل پیشنهادی انجام گردید. به ازای دمای اواپراتور 67 درجۀ سلسیوس، توان چرخه رانکین آلی و بازده حرارتی به ترتیب مقادیر 220 کیلووات و %5/8 حاصل گردید. ظرفیت تولید الکترولایزر مورد نظر در این پژوهش 27 کیلوگرم بر ساعت گاز هیدروژن با دمای 80 درجۀ سلسیوس و فشار 101 کیلو پاسکال به دست آمد. الکترولیز آب با استفاده از جریان برق مستقیم بین دو الکترود آند و کاتد انجام شد که توسط یک غشاء از هم جدا شده ‌بودند. پتانسیل غشایی در مقادیر مختلف چگالی جریان برای انجام اعتبار سنجی مدلِ شبیه‌سازی شده، محاسبه و مقایسه بین آنها انجام شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


- مراجع
[1] A. Mahmoudi, M. Fazli, and M. R. Morad, “A recent review of waste heat recovery by Organic Rankine Cycle,” Appl. Therm. Eng., Vol.143,No.July,pp.660–675,2018,doi: 10.1016/j.applthermaleng.2018.07.136.
[2] C. L. Chen, P. Y. Li, and S. N. T. Le, “Organic Rankine Cycle for Waste Heat Recovery in a Refinery,” Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 55, No. 12, pp. 3262–3275, 2016, doi: 10.1021/acs.iecr.5b03381.
[3] H. Chen, D. Yogi Goswami, M. M. Rahman, and E. K. Stefanakos, “Energetic and exergetic analysis of CO2- and R32-based transcritical Rankine cycles for low-grade heat conversion,” Appl. Energy, Vol. 88, No. 8, pp. 2802–2808, 2011, doi: 10.1016/j.apenergy.2011.01.029.
[4] H. Chen, D. Y. Goswami, M. M. Rahman, and E. K. Stefanakos, “A supercritical Rankine cycle using zeotropic mixture working fluids for the conversion of low-grade heat into power,” Energy, Vol. 36, No. 1, pp. 549–555, 2011, doi: 10.1016/j.energy.2010.10.006.
[5] R. Rayegan and Y. X. Tao, “A procedure to select working fluids for Solar Organic Rankine Cycles (ORCs),” Renew. Energy, Vol. 36, No. 2, pp. 659–670, 2011, doi: 10.1016/j.renene.2010.07.010.
[6] J. P. Roy, M. K. Mishra, and A. Misra, “Parametric optimization and performance analysis of a waste heat recovery system using Organic Rankine Cycle,” Energy, Vol. 35, No. 12, pp. 5049–5062, 2010, doi: 10.1016/j.energy.2010.08.013.
[7] H. Huang, J. Zhu, and B. Yan, “Comparison of the performance of two different Dual-loop organic Rankine cycles (DORC) with nanofluid for engine waste heat recovery,” Energy Convers. Manag., Vol. 126, pp. 99–109, 2016, doi: 10.1016/j.enconman.2016.07.081.
[8] Y. M. Kim, D. G. Shin, C. G. Kim, and G. B. Cho, “Single-loop organic Rankine cycles for engine waste heat recovery using both low- and high-temperature heat sources,” Energy, Vol. 96, pp. 482–494, 2016, doi: 10.1016/j.energy.2015.12.092.
[9] E. Yun, H. Park, S. Y. Yoon, and K. C. Kim, “Dual parallel organic Rankine cycle (ORC) system for high efficiency waste heat recovery in marine application,” J. Mech. Sci. Technol., Vol. 29, No. 6, pp. 2509–2515, 2015, doi: 10.1007/s12206-015-0548-5.
[10] A. Hernandez, F. Ruiz, S. Gusev, R. De Keyser, S. Quoilin, and V. Lemort, “Experimental validation of a multiple model predictive control for waste heat recovery organic Rankine cycle systems,” Appl. Therm.Eng.,Vol.193,No.May,p.116993,2021,doi: 10.1016/j.applthermaleng.2021.116993.
[11] M. Holik, M. Živić, Z. Virag, A. Barac, M. Vujanović, and J. Avsec, “Thermo-economic optimization of a Rankine cycle used for waste-heat recovery in biogas cogeneration plants,” Energy Convers. Manag.,Vol.232,No.February,2021,doi: 10.1016/j.enconman.2021.113897.
[12] J. Qu, Y. Feng, Y. Zhu, S. Zhou, and W. Zhang, “Design and thermodynamic analysis of a combined system including steam Rankine cycle, organic Rankine cycle, and power turbine for marine low-speed diesel engine waste heat recovery,” Energy Convers. Manag.,Vol.245,p.114580,2021,doi: 10.1016/j.enconman.2021.114580.
[13] M. G. Civgin and C. Deniz, “Analyzing the dual-loop organic rankine cycle for waste heat recovery of container vessel,” Appl. Therm.Eng.,Vol.199,No.September,p.117512,2021,doi: 10.1016/j.applthermaleng.2021.117512.
[14] F. Z. Aouali, M. Becherif, H. S. Ramadan, M. Emziane, A. Khellaf, and K. Mohammedi, “Analytical modelling and experimental validation of proton exchange membrane electrolyser for hydrogen production,” Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 42, No. 2, pp. 1366–1374, 2017, doi: 10.1016/j.ijhydene.2016.03.101.
[15] M. Carmo, D. L. Fritz, J. Mergel, and D. Stolten, “A comprehensive review on PEM water electrolysis,” Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 38, No. 12, pp. 4901–4934, 2013, doi: 10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.
[16] E. Zoulias and E. Varkaraki, “A review on water electrolysis,” Tcjst,Vol.4,No.2,pp.41–71,2004,[Online].Available: http://large.stanford.edu/courses/2012/ph240/jorna1/docs/zoulias.pdf.
[17] K. Onda, T. Kyakuno, K. Hattori, and K. Ito, “Prediction of production power for high-pressure hydrogen by high-pressure water electrolysis,” J. Power Sources, Vol. 132, No. 1–2, pp. 64–70, 2004, doi: 10.1016/j.jpowsour.2004.01.046.
[18] S. Rau et al., “Highly Efficient Solar Hydrogen Generation-An Integrated Concept Joining III-V Solar Cells with PEM Electrolysis Cells,” Energy Technol., Vol. 2, No. 1, pp. 43–53, 2014, doi: 10.1002/ente.201300116.
[19] M. Ni, M. K. H. Leung, and D. Y. C. Leung, “Electrochemistry modeling of proton exchange membrane (PEM) water electrolysis for hydrogen production,” 16th World Hydrog. Energy Conf. 2006, WHEC 2006, Vol. 1, No. June, pp. 33–39, 2006.
[20] J. H. Yang, Y. Yoon, M. Ryu, S. K. An, J. Shin, and C. J. Lee, “Integrated hydrogen liquefaction process with steam methane reforming by using liquefied natural gas cooling system,” Appl. Energy, Vol. 255, No. September, p. 113840, 2019, doi: 10.1016/j.apenergy.2019.113840.
[21] S. Faramarzi, S. M. Mousavi Nainiyan, M. Mafi, and R. Ghasemiasl, “Modification and optimization of an integrated hydrogen liquefaction process with an LNG regasification system,” J. Mech. Eng.,2021,[Online].Available: https://tumechj.tabrizu.ac.ir/article_12868.html.
[22] M. Imran, B. S. Park, H. J. Kim, D. H. Lee, M. Usman, and M. Heo, “Thermo-economic optimization of Regenerative Organic Rankine Cycle for waste heat recovery applications,” Energy Convers. Manag., Vol. 87, pp. 107–118, 2014, doi: 10.1016/j.enconman.2014.06.091.
[23] F. Faramarz Ranjbar, Arash Nourbakhsh Saadabad, Mahdi Nami Khaliledeh, Saman Faramarzi, "Simulation, analysis and optimization of a non-emission process producing power, hydrogen gas and liquid hydrogen using solar energy and PEM electrolysis," Journal of Mechanical Engineering, Vol. 02, No. 04, pp. 26–48, 2022.
[24] M.W. Chase, ”Thermochemical Tables,” J. Phys. Chem. Ref. Data Monogr., Vol. 9. p. 1, 1998.
[25] H. Nami, E. Akrami, and F. Ranjbar, “Hydrogen production using the waste heat of Benchmark pressurized Molten carbonate fuel cell system via combination of organic Rankine cycle and proton exchange membrane (PEM) electrolysis,” Appl. Therm. Eng., Vol. 114, pp. 631–638, 2017, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2016.12.018.
[26] H. Kianfard, S. Khalilarya, and S. Jafarmadar, “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 Convers. Manag., Vol. 177,No.September,pp.339–349,2018,doi: 10.1016/j.enconman.2018.09.057.
[27] S. Faramarzi, S. M. Mousavi Nainiyan, M. Mafi, R. Ghasemiasl, Proposing a simultaneous production cycle of liquid natural gas and liquid hydrogen. 2021.
[28] A. Auld, A. Berson, and S. Hogg, “Organic rankine cycles in waste heat recovery: A comparative study,” Int. J. Low-Carbon Technol., Vol. 8, No. 1, pp. 9–18, 2013, doi: 10.1093/ijlct/ctt033.
[29] M. Ni, M. K. H. Leung, and D. Y. C. Leung, “Energy and exergy analysis of hydrogen production by a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer plant,” Energy Convers. Manag., Vol. 49, No. 10, pp. 2748–2756, 2008, doi: 10.1016/j.enconman.2008.03.018.
[30] S. F. Ranjbar, H. Nami, A. Khorshid, and H. Mohammadpour, “Hydrogen production using waste heat recovery of MATIANT non-emission system via PEM electrolysis,” Modares Mech. Eng., Vol. 16, No.10,pp.42–50,2017,[Online].Available: https://mme.modares.ac.ir/article-15-3305-en.html.
[31] T. J. Kotas, “Exergy Concepts for Thermal Plants.,” Int. J. Heat Fluid Flow, Vol. 2, No. 3, pp. 105–114, 1980, doi: 10.1016/0142 727X(80)90028-4.
[32] B. Kurs and K. Okten, “ScienceDirect Thermodynamic analysis of a Rankine cycle coupled with a concentrated photovoltaic thermal system for hydrogen production by a proton exchange membrane electrolyzer plant,” Vol. 4, 2019, doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.07.003.
[33] S. Faramarzi, S. Gharanli, M. Ramazanzade Mohammadi, A. Rahimtabar, Ali J Chamkha, “Energy, exergy, and economic analysis of an innovative hydrogen liquefaction cycle integrated into an absorption refrigeration system and geothermal energy,” Energy, Vol. 282, 128891, 2023, doi: 10.1016/J.ENERGY.2023.128891.
[34] S. Faramarzi, A. Khavari, “An innovative mixed refrigerant hydrogen liquefaction cycle to store geothermal energy as liquid hydrogen,” J. Energy Storage, 2023, Vol. 72, 108008, doi: 10.1016/j.est.2023.108008.