Jeotermal esaslı hidrojen üretim sistemlerinin ekserji ve eksergoekonomik analizi

Abstract

Bu çalışmada, (i) jeotermal sahadan direk hidrojen üretimi, (ii) elektroliz ile hidrojen üretimi, (iii) termokimyasal ve hibrit çevrimler ile hidrojen üretimi olmak üzere potansiyel jeotermal-hidrojen üretim metotları belirlenmiştir. Literatür taraması yapıldıktan sonra jeotermal ile ilişkilendirilebilecek altı adet düşük sıcaklıklı termokimyasal ve hibrit çevrimler belirlenmiştir.Yapılan bu çalışmada ayrıca elektroliz ile hidrojen üretim metotlarından yüksek sıcaklıklı buhar elektroliz sisteminin enerji ve ekserji analizi yapılarak sistemin performansı incelenmiş ve 230 oC'de jeotermal kaynak kullanılması halinde sistemin enerji ve ekserji verimi % 87 ve % 86 bulunmuştur. Klasik elektroliz sistemleri ile karşılaştırıldığında yüksek sıcaklıklı buhar elektroliz sisteminin enerji ve ekserji veriminin daha yüksek olduğu görülmüştür.Ayrıca yapılan çalışmada, belirlenen düşük sıcaklıklı termokimyasal ve hibrit çevrimlerin enerji ve ekserji analizi yapılmış ele alınan çevrimler arasında en yüksek enerji ve ekserji verimine sahip olan çevrimin bakır-klor çevrimi olduğu belirlenmiştir. Bu nedenle çalışmada bakır-klor çevrimi ayrıntılı olarak incelenmiş ve jeotermal güç santrali ile ilişkilendirilmesi durumunda sistemin enerji ve ekserji verimleri irdelenmiştir. İncelenen bakır-klor çevrimine eksergoekonomik analiz uygulanarak hidrojenin birim maliyeti ve kayıplar ile yatırım maliyeti arsındaki ilişki belirlenmiştir.

In this study, various potential methods are identified for geothermal-based hydrogen production, namely, (i) direct production of hydrogen from the geothermal steam, (ii) water electrolysis using the electricity generated by geothermal power plant, (iii) using heat available from geothermal resource only and/or electricity generated through geothermal power plant for thermochemical and hybrid processes. Six potential low-temperature thermochemical and hybrid cycles are identified due to their appraising as appropriate for geothermal sources.In addition, high-temperature steam electrolysis (HTSE) process coupled with a geothermal source is considered for a case study, and its thermodynamic analysis through energy and exergy is conducted for performance evaluation purposes. In this regard, both energy and exergy efficiencies of the geothermal-based hydrogen production process through HTSE are studied and found to be 87% and 86%, respectively. Energy and exergy efficiencies of HTSE are apparently higher than that of conventional electrolysis.Furthermore, thermodynamic analyses of low temperature thermochemical and hybrid cycles are presented to assess their performance through energy and exergy efficiencies for comparison purposes. The results show that the copper?chlorine (Cu-Cl) cycle is identified as a highly promising cycle for geothermal-hydrogen production. In this regard, an EXCEM analysis of a Cu-Cl thermochemical water splitting cycle driven by geothermal energy is conducted. The relations between thermodynamic losses and capital costs are then investigated and illustrated.