THERMAL AND EXERGO-ECONOMIC ANALYSIS OF A SYSTEM FOR HYDROGEN PRODUCTION INTEGRATED WITH SOLAR PHOTOVOLTAIC PANELS AND CO-GENERATION CYCLE. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.
|
PDF (200703010 PhD Dissertation)
200703010_PhD_Dissertation.pdf - Accepted Version Download (4MB) | Preview |
Arabic Abstract
إن مصادر الطاقة المتجددة لديها إمكانات كبيرة لتغطية حصة كبيرة من الطلب العالمي على الطاقة. ذلك يتطلب تركيب نظام عالي الكفاءة لتخزين الطاقة الأمرالذي يؤدي إلى رفع التكلفة. إن إمكانية تحويل الطاقة الشمسية إلى وقود كيميائي بطريقة مباشرة يشكل أحد الحلول لهذه المشكلة. يشكل نظام إنتاج الهيدروجين الذي يستخدم موارد الطاقة المتجددة إمكانية واعدة لتخزين الطاقة بتكلفة منخفضة مقارنةً مع أنظمة التخزين الأخرى. من الممكن إنتاج الهيدروجينن عن طريق التحليل الكهربائي للمياة العادمة أو للمائع النانوي المصنع من خليط الماء و أنابيب الكربون النانوية (CNT) مع توليد الطاقة الكهربائية اللازمة من مصادر الطاقة المتجددة. إن تقييم أداء نظام متعدد لتوليد الطاقة يمثل تحديا وينطوي على مهام معقدة نظرا لوجود العديد من المتغيرات التي يجب أن تؤخذ بعين الاعتبار. الإعتماد على مؤشر أداء واحد فقط مثل كفاءة الطاقة، كفاءة الإكسيرجي أو تكلفة توليد الطاقة, قد يؤدي الى قرار خاطئ في إختيار أحجام مكونات النظام. فكرة مبتكرة تتمثل في إنشاء مؤشر جديد لتقييم الأداء، وهو ما يسمى مؤشر الأداء العام (OPI). يمكن أن ينطوي مؤشر الأداء العام على عدد من مؤشرات الأداء مع إمكانية تعيين وزن لكل مؤشر إعتماداً على مدى تأثيره على أداء النظام. إن العدد والحجم المثاليين لمكونات النظام تكمن حيث يتم تحقيق أقصى قيمة لمؤشر الأداء العام (OPI). في هذا الشأن, سيتم التحليل الإكسيرجي-الاقتصادي لنظام توليد الطاقة عبر الدورة المدمجة من أجل رفع الكفاءة وتحسين الأداء باستخدام برنامج GT PRO- PEACE. في هذه الرسالة, تم التحقق من إمكانية توليد الطاقة وإنتاج الهيدروجين عن طريق موارد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح المتجددة في مواقع مختلفة في المملكة العربية السعودية، وهي: الظهران، الرياض، جدة، أبها وينبع حيث تعكس هذه المواقع تنوع الظروف المناخية في المملكة واختلاف موارد الإشعاع الشمسي وسرعة الرياح. في كل موقع، تمت دراسة أنظمة مختلفة منفصلة عن الشبكة الكهربائية لتوليد الطاقة من موارد الطاقة المتجددة لتغطية الطلب الكهربائي لمنزل نموذجي عن طريق دمج: مصفوفات خلايا الطاقة الشمسية (PV), توربينات الرياح، محول كهربائي، بنك بطاريات، وحدة التحليل الكهربائي، خلايا الوقود (FC) وخزان الهيدروجين. عن طريق المحاكاة المعتمدة على كل ساعة في السنة, تمت دراسة ستة أنظمة: خلايا الطاقة الشمسية (PV) / بنك بطاريات, توربينات الرياح/ بنك بطاريات, خلايا الطاقة الشمسية (PV) / توربينات الرياح / بنك بطاريات, خلايا الطاقة الشمسية (PV)/ خلايا الوقود (FC), توربينات الرياح / خلايا الوقود (FC), خلايا الطاقة الشمسية (PV) / توربينات الرياح / خلايا الوقود (FC). تهدف المحاكاة إلى تحديد عدد وحجم مكونات النظام التي تؤدي إلى أفضل أداء مع أقل تكلفة. أظهرت النتائج أن النظام المؤلف من دمج مصفوفة 2 كيلو واط من خلايا الطاقة الشمسية، 3 توربينات الرياح ,محول كهربائي سعة 2 كيلو واط و 7 بطاريات تخزين, يمثل النظام المثالي والذي يؤدي إلى الحد الأدنى لتكلفة الطاقة (COE = 0.609 $ / كيلوواط ساعة) في منطقة ينبع. أظهرت التنائج أنه من الممكن استبدال بنك البطاريات بنظام التخزين الكهربائي المؤلف من: وحدة التحليل الكهربائي، خلايا الوقود (FC) وخزان الهيدروجين. لكن التكلفة تزداد بسبب التكلفة الأولية المرتفعة لمكونات النظام. إن دمج خلايا الطاقة الشمسية (PV) / توربينات الرياح / خلايا الوقود (FC) في منطقة أبها يعطي الحد الأدنى تكلفة (COE = 1.208 $ / كيلوواط ساعة(. في عملية التحليل الكهربائي، يكون معدل إنتاج الهيدروجين منخفضاَ إذا تم استخدام مياه نقية. لزيادة معدل الإنتاج، من الممكن إستخدام مياه الصرف الصناعي التي تحتوي على كمية كبيرة من الهيدروكربونات. فكرة مبتكرة تكمن في إضافة نسبة تركيز منخفضة من أنابيب الكربون النانوية (CNT) إلى الماء تؤدي إلى زيادة الموصلية الكهربائية والحرارية للخليط بسبب أن الموصلية الكهربائية والحرارية لأنابيب الكربون النانوية (CNT) أعلى بكثير من مثيلاتها للماء النقي. لإيجاد الخصائص الحرارية والكهربائية الفعالة للمائع النانوي (Nanofluid)، تم إستخدام برنامج (COMSOL Multiphysics). عن طريق نتائج المحاكاة, تم تطوير نموذج عددي للتنبؤ بالخصائص الفعالة للمائع النانوي (Nanofluid) والتي تتفق جيداَ مع نظيراتها التي تم الحصول عليها من التجارب المعملية. تم إيجاد معادلات جبرية لصياغة البيانات التي تم الحصول عليها من نتائج المحاكاة للخصائص الفعالة للمائع النانوي مع تغير درجة الحرارة. من خلال التجارب المعملية, تم إثبات أن معدل إنتاج الهيدروجين يزداد من خلال إستخدام مياة الصرف الصناعي أو المائع النانوي المصنع من خليط الماء و أنابيب الكربون النانوية (CNT) في عملية التحليل الكهربائي.
English Abstract
Renewable energy resources have a great potential to cover large share of the world energy demand. However, an efficient energy storage system is essential which contribute significantly to overall cost. A direct solar energy conversion to chemical fuel would be one of the solutions for this problem. A hydrogen production system, which utilizes renewable energy resources, is promising for cost effective energy storage as compared to the other energy storage systems. One possible way is to produce hydrogen from waste water or nanofluid composing of water-Carbon Nanotubes (CNT) mixture via electrolysis process while incorporating the electrical energy generated by the renewable energy resources. Performance assessment of such multi-generation system is challenging because of the number of variables that have to be taken into account. Relaying on only one performance index such as energy efficiency, exergy efficiency or the cost of energy, may lead to erroneous decision for the selection of the size of the system components. An innovative idea is to establish a new performance assessment tool, which is called Overall Performance Index (OPI). OPI can combine multiple number of performance indicators with capability of assigning each one of them a weight depending on its impact on the system performance. The optimum number and size of such system components can then be decided for system configuration maximizing OPI. In this regard, an example of exergo-economic analysis of a combined cycle power generation system is introduced for efficiency and performance improvements incorporating GT PRO/PEACE Software Packages. This study is extended to include investigations of power generation and hydrogen production potentials via solar and wind renewable energy resources at different locations in the Kingdom of Saudi Arabia, namely; Dhahran, Riyadh, Jeddah, Abha and Yanbu. These locations represent the climatic conditions variety in the Kingdom with different solar radiation and wind speed potentials. At each location, different renewable off-grid power generation systems are considered to cover a load demand of a typical house. These system incorporate; photovoltaic (PV) array, wind turbines, converter, batteries, electrolyzer, fuel cell (FC) and hydrogen tank. Consequently, six systems are considered in hourly base simulations, namely; PV/battery bank, wind/battery bank, PV/wind/battery bank, PV/FC, wind/FC and PV/wind/FC. Simulation and optimization studies are carried out to identify the most cost effective configuration of each system considered. The results show that integration of 2 kW PV array, 3 wind turbines, 2 kW converter and 7 batteries storage bank is the best configuration that gives the minimum levelized cost of energy (COE) of 0.609 $/kWh in Yanbu area. Replacing the battery bank by a combination of electrolyzer, fuel cell and hydrogen tank, storage system is possible; however, the cost increases due to the initial investment cost of the system components. Integrating PV/wind/FC in Abha area gives the minimum levelized cost of energy (COE) of 1.208 $/kWh. In the electrolysis process, hydrogen production rate remains low if pure water is used. To increase the production rate, the industrial waste water which has high content of hydrocarbon is introduced. The innovative idea of introducing low concentration ratio of Carbon Nanotubes (CNT) into the water is realized. This enables to increase the electrical and thermal conductivities, since the electrical and thermal conductivities of CNT are much higher than that of the water. To predict the effective thermal and electrical properties of the Nanofluid, COMSOL Multiphysics Software Package is incorporated. Algebraic equations are introduced to formulate the data obtained from the simulations for temperature dependent effective properties. It is demonstrated that the hydrogen production rate is enhanced via incorporating either industrial waste water or CNT-water nanofluid in the electrolysis process.
| Item Type: | Thesis (PhD) |
|---|---|
| Subjects: | Engineering Mechanical |
| Department: | College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering |
| Committee Advisor: | Sahin, Ahmet Ziyaettin |
| Committee Co-Advisor: | Yilbas, Bekir S. |
| Committee Members: | Shuja, Shahzada Z. and Khaliq, Abdul and Khaled, Mazen M. |
| Depositing User: | ABDULLAH MOHAMMED AL-SHARAFI (g200703010) |
| Date Deposited: | 28 Aug 2016 11:42 |
| Last Modified: | 01 Nov 2019 16:32 |
| URI: | http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139890 |