Fuel and Combustion

Fuel and Combustion

Thermo-economic modeling and analysis of the combined cooling, heat and power systems (CCHP) based on a fuel cell and micro gas turbine

Document Type : Original Article

Authors
Sonia Hosseini 1
jamasb pirkandi 2
Zahra Poolaei Moziraji 3
1 Ph.D Student, Department of Mechanical Engineering, Damavand Branch, Islamic Azad University
2 Department of Aerospace Engineering, Maleke ashtar University
3 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, North Tehran Branch, Islamic Azad University
10.22034/jfnc.2024.478127.1407
Abstract
This article introduces and analyzes the thermodynamic and economic performance of two triple hybrid systems for generating electrical, thermal, and refrigeration energy. The primary drive consists of a micro gas turbine and a fuel cell and absorption chillers serve as the secondary drive. The research evaluates the two proposed hybrid systems and their auxiliary equipment from an economic perspective. Given the importance of the fuel cell, thermodynamic and electrochemical analyses were conducted to ensure high accuracy in the calculations. The study examines the impact of compressor pressure ratios, air-to-fuel ratios, and generator inlet temperatures on energy and exergy efficiencies, exergy destruction rates, system costs, and heating and cooling outputs. Results indicate that increasing the compressor pressure ratio enhances electrical efficiency and exergy while reducing both exergy destruction rates and electricity costs. Additionally, substituting a double-effect absorption chiller for a single-effect one decreases exergy destruction by 5.4% but raises electricity costs by 28%. The optimal condition occurs at a compressor pressure ratio of 6, yielding the highest exergy efficiencies of 0.58 and 0.59, and the lowest electricity costs of $0.195 and $0.26 per kilowatt-hour for the first and second systems, respectively.
 
Keywords
Micro gas turbine
fuel cell
absorption chiller
exergy
economic analysis

Subjects

ﺑﺎ ﺗﻮﺳﻌﻪ ﺟﻮاﻣﻊ و اﻓﺰاﻳﺶ روزاﻓﺰون ﻣﺼﺮف اﻧﺮژی و ﻛﻤﺒﻮد ﻣﻨﺎﺑﻊ اﻧﺮژیﻫﺎی ﻃﺒﻴﻌـﻲ، اﻧﺴـﺎن ﻣﺠﺒـﻮر ﺑـﻪ اﺳﺘﻔﺎده از ﻣﻨﺎﺑﻊ در دﺳﺘﺮس ﺑﺎ ﻛﺎرآﻣﺪﺗﺮﻳﻦ راه ﺑـﺮای ﺟﻠـﻮﮔﻴﺮی از اﺗـﻼف اﻧـﺮژی ﺷـﺪه اﺳـﺖ. ﺣﺎل آﻧ‌‌‌‌‌ﻜـﻪ راﻫﻜﺎرﻫﺎ ﺑﺎﻳﺪ ﺑﻪﮔﻮﻧﻪای ﻣﻄﺮح و اﺟﺮا ﺷﻮﻧﺪ ﻛﻪ ازﻧﻈﺮ اﻗﺘﺼﺎدی و زﻳﺴﺖﻣﺤﻴﻄﻲ ﻗﺎﺑﻞ ﺗﻮﺟﻴـﻪ ﺑﺎﺷـﻨﺪ. ﺑـ‌‌ﺮای ﻏﻠﺒﻪ ﺑﺮ اﻳﻦ ﻣﺸﻜﻼت راهﺣﻞﻫﺎی ﺟﺎﻳﮕﺰﻳﻦ ﺑﺮرﺳﻲ ﺷﺪه­اﻧﺪ، ﺑﻪﻧﺤﻮیﻛﻪ ﺗﻤﺮﻛﺰ روی ﻛﺎﻫﺶ ﻣﺼﺮف اﻧـﺮژی و ﺑﻬﺒﻮد ﻋﻤﻠﻜﺮد ﺑﺎﺷﺪ. ﻳﻜﻲ از ﮔﺮاﻳﺶﻫﺎﻳﻲ ﻛﻪ ﺑﺎ ﻣﺴﺌﻠﻪ اﻧﺮژی ﺳﺮوﻛﺎر دارﻧﺪ، ﭼﺮﺧﻪﻫﺎی ﺗﺮﻣﻮدﻳﻨﺎﻣﻴﻜﻲ ﺑﻜـﺎر رﻓﺘﻪ در ﻧﻴﺮوﮔﺎهﻫﺎ و ﺻﻨﺎﻳﻊ ﺗﻮﻟﻴﺪ ﺗﻮان و ﻣﺒﺎﺣﺚ ﮔﺮﻣﺎﻳﺶ و ﺳﺮﻣﺎﻳﺶ اﺳﺖ[۱]. در شکل (1) فرآیند یک سیستم تولید سه‌گانه به صورت شماتیک نشان داده شده است[۱]. ﺗﻮﻟﻴﺪ دو ﻳﺎ ﭼﻨﺪ ﺻﻮرت ﻣﻔﻴﺪ اﻧﺮژی از ﻳﻚ ﻳـﺎ دو ﻣﻨﺒـﻊ اﻧـﺮژی، ﺗﻮﻟﻴـﺪ ﻫﻤﺰﻣـﺎن ﻧﺎﻣﻴـﺪه ﻣـﻲﺷـﻮد. اﻛﺜـﺮ ﻛﺎرﺑﺮدﻫﺎی ﭼﺮﺧﻪﻫﺎی ﺗﻮﻟﻴﺪ ﻫﻤﺰﻣﺎن ﺑﻪ ﺷﻜﻠﻲ اﺳﺖ ﻛﻪ ﺳﻮﺧﺖ ﺑﻪ اﻧﺮژیﻫـﺎی ﮔﺮﻣﺎﻳﻲ (ﺗﻮﻟﻴـﺪ ﮔﺮﻣـﺎﻳﺶ و ﺳﺮﻣﺎﻳﺶ) و ﻣﻜﺎﻧﻴﻜﻲ (ﺗﻮﻟﻴﺪ ﺗﻮان) ﺗﺒﺪﻳﻞ ﻣﻲﺷﻮﻧﺪ. ﭼﺮﺧﻪﻫﺎی ﺗﻮﻟﻴﺪ ﻫﻤﺰﻣـﺎن ﺑـﻪ دﻟﻴـﻞ داﺷـﺘﻦ ﻣﺰاﻳـﺎ و ﻛﺎﺑﺮدﻫﺎی ﺑﺴﻴﺎر ﻓﺮاوان، ﻃﻲ ﭼﻨﺪ ﺳﺎل اﺧﻴﺮ ﻣﻮرد ﻣﻄﺎﻟﻌﻪ زﻳﺎدی ﻗﺮار ﮔﺮﻓﺘﻪاﻧﺪ. از اﻳﻦ ﭼﺮﺧﻪﻫﺎ در ﺻـﻨﺎﻳﻊ ﻏﺬاﻳﻲ، ﻫﺘﻞﻫﺎ، ﻣﺮاﻛﺰ ﺧﺮﻳﺪ، ﻓﺮودﮔﺎهﻫﺎ، ﺑﻴﻤﺎرﺳﺘﺎنﻫﺎ و ﺧﺎﻧﻪﻫﺎ اﺳﺘﻔﺎده ﻣﻲﺷﻮد[۱].

 

 

Figure 1- Production cycle of the triple system

شکل 1- چرخه تولید سیستم سه گانه

 

استفاده از منابع انرژی در سیستم­های تولید همزمان بسیار اهمیت دارد. این منابع باید به گونه­ای انتخاب شوند که اثرات زیست محیطی کمتری داشته باشند. همچنین تولید سرمایش در سیستم­های تولید همزمان دغدغه اصلی محققان بوده و بنابراین باید توجه ویژه به این موضوع داشت. از انواع محرک­های اولیه که به عنوان تأمین کننده اصلی سیکل می­توان در نظر گرفت، می­توان به توربین گاز، توربین بخار، پیل سوختی، میکرو توربین و موتورهای احتراق درونی اشاره کرد. سامانه های پیل سوختی که به عنوان نسل چهارم نیروگاه‌ها نیز شناخته شده‌اند، فرایند تولید الکتریسیته کاملاً متفاوتی با سایر روش‌ها و فناوری­ها دارند. پیل­های سوختی همانند باتری‌ها از طریق یک فرایند الکتروشیمیایی، الکتریسته جریان مستقیم تولید می‌کنند. پیل­های سوختی یکی از فناوری­های تولید برق با بازدهی مناسب، تمیز و بدون سر و صدا است. از آنجایی که سوخت مورد استفاده توسط پیل سوختی در یک فعل و انفعال الکتروشیمیایی مصرف شده و سوزانده نمی­شود، لذا استفاده از سوخت، موجب آلایندگی هوا نمی­شود[۱]. مسأله تولید برودت در سیستم­های تولید همزمان نیز موضوع مهمی بوده و در بیشتر سیستم­های هیبریدی از چیلرهای جذبی تک اثره استفاده می­شود. چیلرهای جذبی تک اثره عموماً دارای ضریب عملکرد پایینی بوده و در سال­های اخیر کمتر مورد استفاده قرار گرفته­اند. در مقابل چیلرهای جذبی دو اثره دارای دو ژنراتور دما بالا و پایین بوده و ضریب عملکرد بالاتری دارند. این چیلرها در کنار راندمان بالا مصرف آب کمتری نیز دارند.

بررسی تحقیقات گذشته نشان می­دهد که مطالعه بر روی سیستم­های هیبریدی از سال 1970 میلادی شروع شده است. بررسی­های انجام شده نشان می­دهد که در زمینه سیستم­های هیبریدی سه گانه پیل­سوختی، توربین­گاز و چیلر جذبی تحقیقات زیادی انجام نشده است. مهرپویا و همکاران [2] در تحقیقی به بررسی انرژی، اگزرژی و آنالیز حساسیت سیستم تولید چندگانه با استفاده از پیل سوختی کربناب مذاب، موتور استرلینگ و چیلر جذبی پرداختند. چن و همکاران [3] در پژوهشی به مطالعه و بهینه‌سازی یک سیستم تولید چندگانه خانگی متشکل از پیل­سوختی کربنات مذاب و چیلر جذبی جهت تولید حرارت، سرمایش و توان پرداختند. میرزائی و همکاران [4] در تحقیقی، به تحلیل ترمودینامیکی یک سیستم سه گانه تولید حرارت، برق و برودت پرداختند. این سیستم تولید همزمان شامل توربین­گاز، چیلر جذبی، بویلر و چند مبدل حرارتی است. ادهمی و همکاران [۵] در تحقیقی یک سیستم تولید همزمان بر پایه میکروتوربین گاز و چیلرجذبی را از دیدگاه ترمودینامیکی مورد تحلیل و بررسی قرار دادند. یانگ و همکاران [۶] در تحقیقی به معرفی و تحلیل ترمودینامیکی یک سیستم تولید همزمان برق، حرارت و برودت بر اساس پیل­سوختی اکسید جامد، توربین گاز و هیدروژن مایع پرداختند. هو و همکاران [7] در تحقیقی یک سیستم یکپارچه تولید همزمان سه گانه برق، حرارت و برودت را از دیدگاه ترمودینامیکی و اقتصادی مورد تحلیل و بررسی قرار دادند. این سیستم شامل توربین گاز، توربین بخار و رفرمینگ متانول است. لیو و همکاران [8] عملکرد یک سیستم تولید همزمان برق، حرارت و برودت بر پایه پیل­سوختی اکسید جامد، سیکل برایتون، سیکل رانکین را از لحاظ ترمودینامیکی و اگزرژی مورد تحلیل و بررسی قرار دادند. معرفتی و همکاران [9] در تحقیقی یک سیستم تولید همزمان سه گانه بر پایه پیل­سوختی اکسید جامد، سلول­های خورشیدی، موتور استرلینگ و توربین بخار را مورد تحلیل و بررسی قرار دادند. مقدم و همکاران [1۰] عملکرد یک سیستم تولید همزمان برق، حرارت و برودت جدید را که شامل توربین­گاز، سیکل کالینا و چیلر جذبی بود از لحاظ ترمودینامیکی و اگزرژی مورد تحلیل و بررسی قرار دادند. پیرکندی و همکاران [1۱] در تحقیقی به تحلیل انرژی و اگزرژی یک سیستم جدید متشکل از پیل سوختی اکسید جامد، توربین­گاز و توربین بخار جهت تولید همزمان برق، حرارت و برودت پرداختند. داسیلوار و ماتلی [۱۲] در یک بررسی اگزرژواکونومیک به تعیین هزینه تولید توان در یک سیستم ترکیبی پیل سوختی کربناب مذاب و توربین بخار پرداختند. حسینی و همکاران [۱3] در یک بررسی به معرفی، ارزیابی و بررسی عملکرد اقتصادی یک سیستم ترکیبی جدید شامل پیل سوختی کربنات مذاب، سیستم سنتز متانول و سیکل تولید توان پرداختند. زنگ و همکارانش ]۱4[ به بررسی و مطالعه ترمودینامیکی یک سیستم سه گانه تولید حرارت، توان و سرمایش با استفاده از پیل سوختی اکسید جامد، سیکل رانکین و چیلر جذبی دو اثره پرداختند. زهانگ و همکارانش ]۱5[ به بررسی ترمواکونومیکی یک سیستم ترکیبی تولید حرارت، توان و سرمایش با استفاده از پیل­سوختی اکسید جامد و سیکل سوپرکریتیکال CO2 پرداختند. بهزادی و همکارانش ]۱6[ به بررسی و تحلیل ترمودینامیکی یک سیستم ترکیبی متشکل از پیل سوختی­اکسید جامد، توربین گاز و چیلر جذبی دو اثره پرداختند. ژنگ و همکاران]۱7[ تحلیل ترمودینامیکی، اگزرژی و اکونومیکی یک سیستم جدید ترکیب الکترولایزر و پیل سوختی اکسید جامد جهت تولید توان، حرارت و برودت و ذخیره حرارت بر پایه انرژی خورشیدی را مورد تحلیل و بررسی قرار دادند. یانگ و همکاران]۱8[ تحلیل ترمودینامیکی و اگزرژی یک سیستم جدید ترکیبی الکترولایزر غشاء پلیمری با پیل سوختی اکسید جامد براساس سوخت بایومس را جهت تولید توان، حرارت و برودت انجام دادند. قربانی و همکاران]۱9[ مطالعه پارامتری و بهینه‌سازی یک سیستم سه گانه تولید برودت، گرمایش و توان بر پایه انرژی زمین گرمایی را انجام دادند. ژیا و پایول]۲۰[ یک سیستم ترکیبی موتور استرلینگ، موتور احتراق داخلی و چیلر جذبی را جهت تولید حرات، برودت و توان را از نظر اقتصادی و ترمودینامیکی مورد تحلیل و ارزیابی قرار دادند. هووانگ و همکاران]۲۱[ تحلیل ترمودینامیکی، اقتصادی و محیط زیستی و بهینه­سازی یک سیستم ترکیبی تولید توان، حرارت و برودت بر پایه پیل سوختی اکسید جامد و توربین گاز را انجام دادند. وانگ و همکاران]۲۲[ تحلیل و بررسی یک سیستم جدید تولید سه‌گانه تبرید، گرمایش و توان مبتنی بر احتراق زیست‌توده، چرخه سوپرکریتیکال CO2، چیلر جذبی تک اثره و نمک‌زدایی را انجام دادند. در جدول 1 خلاصه تحقیقات انجام شده ارائه شده است.

 

[1] T. Kerr, "Combined heat and power: evaluating the benefits of greater global investment., International Energy Agency, vol. 1(22), pp. 2015, March 2008.
[2] M. Mehrpooya, S. Sayyad, and M.J. Zonouz, "Energy, exergy and sensitivity analyses of a hybrid combined cooling, heating and power (CCHP) plant with molten carbonate fuel cell (MCFC) and Stirling engine", Journal of cleaner production, vol. 148, pp. 283-294, April 2017.
[3] X. Chen, H. Zhou, W. Li, Zh. Yu, G. Gong c, Y. Yan, L. Luo, Z.h. Wan, and Y. Ding, "Multi-criteria assessment and optimization study on 5 kW PEMFC based residential CCHP system", Energy Conversion and Management, vol. 160, pp. 384-395, March 2018.
[4] M. Mirzaee, R. Zare, M. Sadeghzadeh, H. Maddah, M.H. Ahmadi, E. Acıkkalp, L. Chen, "Thermodynamic analyses of different scenarios in a CCHP system with micro turbine–Absorption chiller, and heat exchanger", Energy Conversion and Management, vol. 198, pp. 111919, October 2019.
[5] H. Adhami, Sh. Khalilarya, S. Jafarmadar, and M. Ebrahimi, " Thermodynamic feasibility study of a suggested portable personal micro trigeneration system based on micro-gas turbine and micro-absorption chiller", Applied Thermal Engineering, vol. 144, pp. 45-58, November 2018.
[6] X. Yang, , H. Zhao, and Q. Hou, "Proposal and thermodynamic performance study of a novel LNG-fueled SOFC-HAT-CCHP system with near-zero CO2 emissions", International Journal of Hydrogen Energy, vol 45(38), pp. 19691-19706, July 2020.
[7] Q. Hou, H. Zhao, and X. Yang, "Thermodynamic performance study of the integrated MR-SOFC-CCHP system", Energy, vol. 150, pp. 434-450, May 2018.
[8] Y. Liu, J. Han, and H. You, "Performance analysis of a CCHP system based on SOFC/GT/CO2 cycle and ORC with LNG cold energy utilization", International Journal of Hydrogen Energy, vol. 44 (56), pp. 29700-29710, November 2019.
[9] M. Marefati, M. Mehrpooya, and S.A. Mousavi, "Introducing an integrated SOFC, linear Fresnel solar field, Stirling engine and steam turbine combined cooling, heating and power process", International Journal of Hydrogen Energy, vol 44(57), pp. 30256-30279, November 2019.
[10] A. Ebrahimi Moghadam, A. Jabari, Moghadam, M. Farzaneh Gord. and A. Arabkoohsar, "Performance investigation of a novel hybrid system for simultaneous production of cooling, heating, and electricity", Sustainable Energy Technologies and Assessments, vol. 43, pp. 100931, February 2021.
[11] J. Pirkandi, H. Penhani, and A. Maroufi, Thermodynamic analysis of the performance of a hybrid system consisting of steam turbine, gas turbine and solid oxide fuel cell (SOFC-GT-ST), Energy Conversion and Management, vol. 213, pp.112816, June 2020.
[12] F. Sartori da Silva, and J.A. Matelli," Exergoeconomic analysis and determination of power cost in MCFC – steam turbine combined cycle", International Journal of Hydrogen Energy, vol. 44(33), pp. 18293-18307, July 2019.
[13] S.S. Hosseini, M. Mehrpooya, A. Sulaiman Alsagri, and A.A. Alrobaian, Introducing, evaluation and exergetic performance assessment of a novel hybrid system composed of MCFC, methanol synthesis process, and a combined power cycle, Energy Conversion and Management, vol. 197, pp. 111878, October 2019.
[14] R. Zeng, B. Guo, X. Zhang, H. Li, and G. Zhang, "Study on thermodynamic performance of SOFC-CCHP system integrating ORC and double-effect ARC", Energy Conversion and Management, vol. 242, pp. 114326, August 2021.
[15] L. Zhong, E. Yao, H. Zou, and G. Xi, "Thermo-economic-environmental analysis of an innovative combined cooling and power system integrating Solid Oxide Fuel Cell Supercritical CO2 cycle, and ejector refrigeration cycle", Sustainable Energy Technologies and Assessments, vol. 47, pp. 101517, October 2021.
[16] A. Behzadi, A. Habibollahzade, V. Zare, and M. Ashjaee,"Multi-objective optimization of a hybrid biomass-based SOFC/GT/double effect absorption chiller/RO desalination system with CO2 recycle", Energy Conversion and Management, vol. 181, pp. 302-318, February 2019.
[17] N. Zheng, H. Zhang , L. Duan, Q. Wang, "Comprehensive sustainability assessment of a novel solar-driven PEMEC-SOFC-based combined cooling, heating, power, and storage (CCHPS) system based on life cycle method", Energy, vol. 265, pp. 126343, February 2023.
[18] Sh. Yang , S. Peng, Zh. Xiao, Zh. Liu , Ch. Deng, W. Du, and N. Xie,"Energetic and exergetic analysis of a biomass-fueled CCHP system integrated with proton exchange membrane fuel cell", International Journal of Hydrogen Energy, vol. 48(36), pp. 13603-13616, April 2023.
[19] S. Ghorbani, M. D. Dashtebayaz, D. Dadpour, and M. Delpisheh, "Parametric study and optimization of a novel geothermal-driven combined cooling, heating, and power (CCHP) system", Energy, vol. 263, Part F, pp. 126143, January 2023.
[20] J. Jia , M.C. Paul ,"Thermodynamic and economic evaluation of a CCHP system with biomass gasifier, Stirling engine, internal combustion engine and absorption chiller", Energy Conversion and Management, vol. 299, pp. 117803, January 2024.
[21] Z. Huang, H. You, D. Chen, B. Hu, C. Liu, Y. Xiao ,A. Prokazov, A. Lysyakov, "Thermodynamic, economic, and environmental analyses and multi-objective optimization of a CCHP system based on solid oxide fuel cell and gas turbine hybrid power cycle", Fuel, vol. 368, pp. 131649, July 2024.
[22] L. Wang, G. Bo, R. Gao, M. Ayadi, W. Chammam, J.B. Ooi, and M. Qin, "Thermoeconomic assessment of an innovative combined cooling, heating, and power system based on biomass combustion, TCO2 cycle, absorption chiller, and desalination”, Process Safety and Environmental Protection, vol. 184, pp. 151-169, April 2024.
[23] J Pirkandi, A Maroufi, S Khodaparast, "Parametric simulation and performance analysis of a solar gas turbine power plant from thermodynamic and exergy perspectives", Journal of mechanical Science and Technology, vol. 32, pp. 2365-2375, May 2018.
[24] J Pirkandi, M Ghasemi, and MH Hamedi, "Thermodynamic Performance Analysis of a Solid Oxide Fuel Cell and Micro Gas Turbine Hybrid Cycle in a CHP System", Fuel and Combustion, vol. 4(2), pp. 67-89, February 2012. (in Persian)
[25] R. Gomri, "Second law comparison of single effect and double effect vapour absorption refrigeration systems", Energy Conversion and Management, vol 50(5), pp.1279-1287, May 2009.
[26] J Pirkandi, M Ommian, "Thermo-Economic Operation Analysis of SOFC–GT Combined Hybrid System for Application in Power Generation Systems", Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage, vol. 16(1), pp. 011001, Feb 2019.
[27] Y.E. Yuksel, M. Ozturk, I. Dincer, "Energy and exergy analyses of an integrated system using waste material gasification for hydrogen production and liquefaction", Energy Conversion and Management, vol. 185, pp. 718-729, April 2019.
[28] S. Anvari, Sh. Khalilarya, and V.Zare, "Exergoeconomic and environmental analysis of a novel con fi guration of solar-biomass hybrid power generation system", Energy, vol. 165, Part B, pp. 776-789, December 2018.
[29] S. Chan, H. Ho, and Y. Tian, "Modelling of simple hybrid solid oxide fuel cell and gas turbine power plant", Journal of power sources, vol. 109(1), pp. 111-120, June 2002.
[30] A.V. Akkaya, "Electrochemical model for performance analysis of a tubular SOFC", International Journal of Energy Research, vol. 31(1), pp. 79-98, January 2007.