Energy, exergy, economic and environmental-based design, analysis and multi objective optimization of novel solar tower-based gas turbine cycle multi-generation systems with new performance criteria
Özgün güneş kuleli gaz türbini çevrimli çoklu-üretim sistemlerinin yeni performans kriterleri ile enerji, ekserji, ekonomik ve çevresel tasarımı, performans analizi ve çok amaçlı optimizasyonu
- Tez No: 733156
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET DURMAYAZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Makine Mühendisliği, Energy, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 182
Özet
Dünya çapındaki enerji talebi, nüfusun, sanayileşmenin, kentleşmenin ve hayat standartlarının hızla yükselmesi sebebiyle sürekli artmaktadır. Bu artan enerji talebini karşılayabilmek için petrol, kömür, doğalgaz vb. fosil yakıtlar yoğun bir şekilde kullanılmaktadır. Maalesef, bu yoğun fosil yakıt kullanımı zararlı emisyonların artmasına ve bunun bir sonucu olarak çevresel sorunlara sebep olmaktadır. Bu yüzden güneş (solar) enerjisi, rüzgar enerjisi, jeotermal enerji vb. yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı, fosil yakıtların kullanılması sebebiyle ortaya çıkan çevresel problemlere bir çözüm olarak ortaya atılmış ve geniş çapta desteklenmiştir. Diğer taraftan, enerji verimliliği de karbon emisyonu azaltımı konusunda bir diğer önemli yapısal temel, bir diğer önemli çözüm yöntemi olarak kabul görmüştür. İlk olarak, elektrik ve ısıtmayı aynı anda ve tek bir enerji kaynağını kullanarak üretebilme kabiliyetine sahip olan kojenerasyon sistemleri ortaya çıkmış, ve sadece elektrik üreten tekli üretim sistemlerine göre önemli bir enerji verimliliği artışı sağlanmıştır. Daha sonra elektrik, ısıtma ve soğutma ürünlerini aynı anda ve aynı enerji kaynağını kullanarak üretebilen trijenerasyon sistemleri geliştirilmiş, enerji verimliliği kojenerasyon sistemlerine göre daha da iyileştirilmiştir. Son dönemlerde en az dört farklı ürünü aynı anda ve aynı enerji kaynağını kullanarak üretebilen çoklu-üretim sistemleri geliştirilmiştir. Çoklu-üretim sistemlerinin muhtemel ürünleri arasında elektrik, ısıtma, soğutma, temiz su, hidrojen, evsel sıcak su, kurutma, çeşitli kimyasallar olabilmektedir. Bu sistemler yüksek enerji verimliliği, kompakt yapıları, ürün çeşitliliği, ekonomik faydaları ve yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanarak çalışabilmeleri gibi avantajları sayesinde önemli bir araştırma konusu haline gelmiştir. Özellikle bu sistemlerin enerji, ekserji, ekonomik ve çevresel analizleri, literatürde öne çıkan ve yeni araştırmalara ihtiyaç duyulan başlıca noktalarolmuştur. Çeşitli yenilenebilir enerji kaynakları arasında, güneş enerjisi özellikle kolay erişebilirliği, bolluğu ve temiz bir enerji kaynağı olması sebebiyle önemli araştırma alanlarından biri haline gelmiştir. Özel olarak, çoklu-üretim sistemlerinde güneş enerjisinin konsantre edilerek birincil enerji kaynağı olarak kullanılması, ısıl enerji çevrim sistemleri alanında önemli bir konuya dönüşmüştür. Çoklu-üretim sistemlerinde diğer farklı teknolojilerin kullanıldığı sistemler literatürde detaylıca araştırılmış, güneş kulesi temelli açık hava gaz türbinli güç çevrimi bazlı çoklu-üretim sistemlerinin (SGTC) incelenmesine ilişkin ise literatürde kapsamlı çalışma yapılmamıştır. Belirtilen bu sistemlerin termodinamik, ekonomik ve çevresel analizlerinin detaylı ve simultane bir şekilde yapılması, çok kriterli ve çok amaçlı optimizasyonunun gerçekleştirilmesi gibi kapsayıcı analizler literatürdeki önemli eksiklikler olarak ortaya çıkmaktadır. Bunlara ek olarak, belirtilen bu sistemlere hidrojen üretiminin eklenmesi ve detaylı analizinin yapılması, ve daha gelişmiş ve kompleks Brayton çevrimi konfigürasyonlarının uygulanması (örneğin ara soğutma, rejenerasyon, yeniden ısıtma gibi) ise literatürde değinilmemiş alanlar arasında kalmıştır. Dahası, belirtilen çoklu-üretim sistemlerinin birbirleriyle karşılaştırmalarının yapılabilmesi için yeterli ve etkili kıyaslama kriterlerinin literatürde yeterince işlenmemiş bir konu olduğu da gözlemlenmiştir. Bu bulgulardan yola çıkarak, belirtilen alanlardaki araştırma eksikliklerinin giderilmesi ve literatüre önemli katkı sağlanması bu doktora çalışmasının temel motivasyonunu oluşturmaktadır. Bu doktora tezi üç (3) uluslararası hakemli dergi makalesi ve bir (1) uluslararası akademik konferans bildirisinden oluşmaktadır. Birinci makalede elektrik, ısıtma, soğutma, yenilenebilir enerji ile üretilen hidrojen ve evsel sıcak su üretimi sağlayan özgün bir çoklu-üretim sistemi geliştirilmiştir. Bu çalışmada, ara soğutmalı ve rejenerasyonlu bir SGTC sistemi (IR-SGTC), organik Rankine çevrimi ve Kalina çevrimi kullanılarak literatürde emsali olmayan bir güç üretim sistem yapısı oluşturulmuştur. Literatürde ilk defa ara soğutma atık ısısının bir güç çevrimi için enerji kaynağı olarak kullanıldığı bir IR-SGTC temelli çoklu-üretim sistemi ortaya konulmuştur. Literatürde sıklıkla karşılaşılan enerji ve ekserji analizlerine ek ve farklı olarak çok amaçlı optimizasyon, çevresel analiz ve yenilenebilir hidrojen üretimi de literatürde ilk defa bu tip sistemlerin analizlerine dahil edilmiştir. Yine aynı makale içerisinde, çoklu-üretim sistemlerinin ürünlerinin enerji değerleri içerisindeki ekserji içeriğinin (enerji kalitesinin) analiz edilebilmesi, kıyaslanabilmesi ve maksimize edilmesini sağlayan“ekserjetik kalite faktörü”(EQF) ismini verdiğimiz özgün bir termodinamik performans kriteri de türetilerek literatüre kazandırılmıştır. Buna ek olarak, güneş enerjisinin ekserji değerinin hesaplanmasında literatürde sıklıkla karşılaşılan bir hatanın bu doktora tezi kapsamında düzeltilmesi vasıtasıyla da literatüre önemli katkı sağlanmıştır. Belirtilen bu birinci makale Energy Conversion and Management dergisinde yayınlanmıştır. Bu doktora tezi kapsamındaki ikinci makalede ise literatürde ilk defa ara soğutmalı, rejenerasyonlu ve yeniden ısıtmalı bir SGTC sistemi (IRR-SGTC) kullanılarak özgün bir çoklu-üretim sistemi yapısı ortaya konulmuştur. Ayrıca, literatürde ilk defa birden çok ürün üretebilen bir IRR-SGTC sisteminin çok amaçlı optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Ek olarak, literatürde ilk defa bir IRR-SGTC sisteminin optimizasyon çalışması termodinamik, ekonomik ve çevresel performans kriterlerinin simultane olarak kullanılmasıyla gerçekleştirilmiştir. Önerilen özgün sistem elektrik, soğutma, çeşitli sıcaklık seviyelerinde ısıtma, yenilenebilir hidrojen, temiz içme suyu, kurutma prosesi için sıcak hava ve evsel sıcak su ürünlerini aynı anda üretebilecek şekilde tasarlanmıştır. Doktora tezi kapsamındaki bu ikinci makale ASME Journal of Energy Resources Technology dergisinde yayınlanmıştır. Doktora tezinin üçüncü makalesinde literatürde ilk defa bir ısıl enerji depolama sistemi (TES), IRR-SGTC temelli bir çoklu-üretim sistemine entegre edilerek incelenmiştir. Bu alt sistem, güneş enerjisi temelli çoklu-üretim sisteminin sürekli çalışabilmesi konusunda önemli iyileştirme sağlamıştır. Aynı zamanda literatürde ilk defa bir IRR-SGTC sisteminin eksoz kısmına Rankine çevrimi ile Kalina çevrimi seri halinde entegre edilmiş ve orijinal bir kombine güç çevrim sistemi oluşturulmuştur. Yenilenebilir hidrojen üretimi amacıyla sisteme bir elektrolizör de eklenmiş, literatürde ilk defa elektrolizör güç büyüklüğünün çoklu-üretim sisteminin toplam güç çıktısına oranı bir tasarım parametresi olarak bu çalışmada tanımlanmış,“elektrolizör güç fraksiyonu”ismi verilerek detaylıca incelenmiş ve literatüre kazandırılmıştır. Belirtilen çoklu-üretim sistemleri analizinde, çok amaçlı optimizasyon literatürde ilk defa yenilenebilir enerji ile üretilen hidrojenin ana ürün olarak seçilmesiyle gerçekleştirilmiş, termodinamik ve ekonomik analiz simultane olarak yapılmıştır. Geliştirilen sistem yenilenebilir enerji ile üretilen hidrojeni, elektriği, soğutmayı ve evsel sıcak suyu aynı anda üretebilecek şekilde tasarlanmıştır. Doktora tezi kapsamındaki bu üçüncü makale International Journal of Hydrogen Energy dergisinde yayınlanmıştır. Doktora tezi kapsamındaki dördüncü çalışmada literatürde ilk defa iki (2) organik Rankine çevrimi sistemi biri ara soğutma atık ısısından diğeri ise eksoz atık ısısından faydalanacak şekilde bir IR-SGTC temelli çoklu-üretim sistemine entegre edilmiştir. Aynı zamanda bu çalışma Türkiye'nin Akdeniz Bölgesi'nin ve şehirlerinin çeşitli iklim koşullarını ve Akdeniz Bölgesi için en kritik enerji ile ilişkili ürünlerinin (elektrik, soğutma ve temiz içme suyu gibi) irdelendiği literatürdeki güneş enerjisi temelli ilk çoklu-üretim sistemi çalışması olmuştur. Bu çalışmaya çok amaçlı optimizasyon, enerji, ekserji ve çevresel etki analizi de dahil edilmiştir. Geliştirilen sistem elektrik, temiz içme suyu, yenilenebilir hidrojen, soğutma, evsel sıcak su ve endüstriyel proses ısıtması ürünlerini aynı anda üretebilecek şekilde tasarlanmıştır. Doktora tezi kapsamındaki bu dördüncü çalışma 11th International 100% Renewable Energy Conference (IRENEC 2021) konferansında bildiri olarak sunulmuş ve bildiri kitapçığında basılmıştır. Özetlenecek olursa, bu doktora tezi kapsamında IR- ve IRR-SGTC temelli özgün ve literatürde benzeri olmayan çoklu-üretim sistemleri geliştirilmiş ve literatüre kazandırılmıştır. Ayrıca bu sistemlerin alternatif sistemlere kıyasla enerji ve ekserji verimliliklerinin daha yüksek olduğu, ekonomik olarak daha avantajlı olduğu ve enerji dönüşüm sistemlerinin çevresel etkilerinin azaltılması kapsamında önemli miktarda emisyon azaltımı katkısı sağladığı ortaya konmuştur. Dahası bu geliştirilen sistemlerin çok amaçlı optimizasyonları gerçekleştirilmiş, enerji, ekserji, ekonomik ve çevresel performans kriterleri simultane bir şekilde optimizasyona dahil edilerek çok boyutlu bir mühendislik en iyilemesi gerçekleştirilmiştir. Bu doktora çalışması kapsamında ek olarak yeni bir termodnamik performans kriteri geliştirilmiş, ayrıca literatürde sıklıkla karşılaşılan bir ekserji değeri hesaplama hatası da doğrusunun gösterilmesi ile düzeltilerek literatüre kazandırılmıştır. Ayrıca literatürde ilk defa, araştırılan çoklu-üretim sistemlerinde yenilenebilir enerji ile üretilen hidrojen ana ürün olacak şekilde sistem tasarımı yapılmış, elektrolizör güç fraksiyonu ilk defa bir tasarım parametresi olarak ortaya konulmuş ve incelenmiş, ve ara soğutma atık ısısı ilk defa bir güç çevrimine enerji kaynağı olarak kullanılmıştır. Ayrıca, Türkiye'nin Akdeniz Bölgesi ve şehirlerinin iklim koşulları dikkate alınarak sistem tasarımı yapılmış, sistemlerin optimum performansları farklı şehirler için kıyaslanmıştır. Bu doktora çalışması kapsamında literatürdeki diğer bütün SGTC temelli sistemlerden daha geniş kapsamlı ürün kabiliyetine sahip çoklu-üretim sistemi tasarımları yapılmış, geliştirilen sistemlerin ürün kabiliyetleri elektrik, yenilebilir enerji ile üretilen hidrojen, soğutma, çeşitli amaçlar için farklı sıcaklık seviyelerinde ısıtma, evsel sıcak su, kurutma prosesi için sıcak hava ve temiz içme suyunu kapsamıştır.
Özet (Çeviri)
Global demand for energy has been rising steadily with increasing population, industrialization, urbanization and life standards. In order to meet this demand, fossil fuels such as oil, coal, natural gas etc. have been utilized intensively. However, this intense use resulted in environmental issues caused by harmful emissions of fossil fuels. Therefore, utilization of renewable energy such as solar, wind, geothermal etc. have been proposed as a solution to cope with these problems caused by fossil fuels. Additionally, energy efficiency has also been considered as another pillar for decarbonization. Firstly, cogeneration systems which produce power and heating simultaneously from the same energy source evolved with a significant increase in total energy efficiency of the plant compared to only power generation. Later, tri-generation systems are evolved to further improve the efficiencies and to provide cooling in addition to heating and power. Recently, multi-generation (MG) systems which provide at least four utilities such as power, heating, cooling, fresh water, hydrogen, domestic hot water (DHW), drying, various chemicals etc. have become focus point for research due to higher efficiencies, compactness, product versatility, economic feasibility and ability to work with renewables. Among various renewable energy sources, solar energy has received increased attention, and several attempts to use concentrated solar energy as a primary energy source for MG systems have been observed. Despite several detailed analysis of other technologies-based MG systems, solar tower-based open air gas turbine cycle (SGTC)-driven MG systems lacked sound research, comprehensive analysis considering thermodynamic, economic and environmental performances simultaneously and multi-criteria multiobjective optimization. Furthermore, investigations of complicated Brayton cycle (BC) structures such as intercooling, regeneration, and reheat systems, as well as inclusion and extensive study of hydrogen production in such systems, were lacking. Moreover, proper evaluation criteria for comparison of such systems to each other were not considered thoroughly in literature. Therefore, fulfilling lack of research in these areas constitutes the motivation behind this PhD study. The present PhD thesis is composed of three (3) peer-reviewed international journal papers and one (1) international conference proceeding paper. In the first part, a novel MG system is developed for production of power, heating, cooling, green hydrogen and DHW. A unique power system structure is developed by using intercooling-regenerative (IR)-SGTC, organic Rankine cycle (ORC) and Kalina cycle (KC). By this thesis, intercooling waste heat is used for power generation in an IR-SGTC based MG system for the first time in the literature. MO optimization, environmental analysis and hydrogen production were introduced into such system analysis for the first time in addition to energy and exergy analyses. A novel thermodynamic performance criterion is coined as“exergetic quality factor”(EQF) to compare, analyze and maximize exergy content (quality) within energy quantity of MG products. Additionally, a significant contribution to literature is done by correcting a common misuse in exergy value calculation of solar energy in majority of other works in literature. This study is published in Energy Conversion and Management. In the second part, a unique MG structure is proposed with an intercooling-regenerative-reheat (IRR)-SGTC system for the first time in literature. Moreover, first time in literature, a MO optimization is performed for a multi-product IRR-SGTC system. Furthermore, an optimization by using thermodynamic, economic and environmental criteria simultaneously on IRR-SGTC system is performed first time in literature. The proposed system is designed to produce electricity, cooling, various temperature level heating purposes, green hydrogen, fresh water, hot air for drying and DHW. The study is published in ASME Journal of Energy Resources Technology. In the third part, a thermal energy storage (TES) is coupled to a MG system based on IRR-SGTC for the first time. Furthermore, a unique set of power cycles are formed by addition of RC and KC in series to the exhaust of IRR-SGTC. Effect of electrolyzer (EL) power size fraction to the total MG power size is investigated for the first time. Furthermore, first time in literature hydrogen is considered as the main product in MO optimization, and thermodynamic and economic analyses are performed. The proposed products are green hydrogen, power, cooling and DHW. The study is published in International Journal of Hydrogen Energy. In the fourth part, integration of two (2) ORCs into intercooling and exhaust waste heat streams of a MG system driven by an IR-SGTC is performed for the first time. Also, it is the first solar-based MG study in literature that investigates various climatic conditions and critical utilities of the Mediterranean region cities of Turkey. MO optimization and energy, exergy and environmental analyses are conducted. Proposed MG products are power, fresh water, green hydrogen, cooling, DHW and industrial process heating. The study is disseminated in the 11th International 100% Renewable Energy Conference (IRENEC 2021) and published in the proceedings book. In summary, within the scope of this PhD thesis, various novel MG systems based on IR- and IRR-SGTC are proposed with increased energy and exergy efficiencies, improved economical feasibilities and significant emission reductions. Furthermore, rigorous MO optimizations are performed by using these performance criteria simultaneously. A novel thermodynamic performance criterion is coined and a common misuse in literature is corrected in the present PhD study. Hydrogen production is introduced as the main product, fraction of EL power is introduced as a design parameter and investigated thoroughly and intercooling waste heat is recovered to produce power for the first time. Climatic conditions of Mediterranean region cities of Turkey are compared for the optimum performance of such systems. The present PhD study proposes a broader range of utilities as MG products of SGTC-based systems than any previous study in the literature, including power, green hydrogen, cooling, varied temperatures and purposes heating, DHW, hot air for drying, and fresh water.
Benzer Tezler
- Gemilerde organik rankine çevrimine dayalı atık ısı geri kazanım sistemlerinin ileri termal analizleri ve termo-ekonomik optimizasyonu
Advanced thermal analyses and thermo-economic optimization of waste heat recovery systems based on organic rankine cycle onboard ships
MEHMET AKMAN
Doktora
Türkçe
2021
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ERGİN
- Evaluation of wastewater treatment technologies using renewable energy for dispersed settlements: Storm valley Ardesen– Camlihemsin pilot region application
Dağınık yerleşimler için yenilenebilir enerji kullanan atıksu arıtma teknolojilerinin değerlendirilmesi: Fırtına vadisi Ardesen–Camlıhemsin pilot bölge uygulaması
ORÇUN LEBLEBİCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ORHAN İNCE
- Sürdürülebilir toplu konut yerleşmesi tasarımı için Pareto genetik algoritmaya dayalı bir model önerisi: SSPM
A model for sustainable site layout design with pareto genetic algorithm: SSPM
YAZGI AKSOY
- Performans tabanlı tasarıma bütünleşik yaklaşım
Integrated design approach to performance based design
BENAN ŞAHİN KARAGÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YÜKSEL DEMİR
- Selection of the best HVAC system for industrialbuildings by using multi-criteria decisionmaking tools
Çok kriterli karar verme araçları kullanılarak endüstriyel binalar için en iyi HVAC sisteminin seçilmesi
KHALİD ALALOSİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiAtılım ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UĞUR BAÇ
DR. ÖĞR. ÜYESİ CİHAN TURHAN