Thermoeconomic design and optimization of geothermal energy use in hydrogen production and liquefaction

Abstract

Tez kapsamında, jeotermal enerji ile hidrojen üretimi ve sıvılaştırması için geliştirdiğimiz altı modelin kapsamlı bir şekilde termoekonomik analizi ve optimizasyonu yapılmıştır. Jeotermal enerjinin hidrojen üretiminde kullanımının optimum çalışma şartlarında uygun kombinasyonlarının araştırılması amaçlanmıştır. Hidrojen birim maliyetini en aza indiren optimum çalışma koşulları elde edilmiştir. 200°C sıcaklıkta ve 100 kg/s debide sıvı bir jeotermal kaynak dikkate alınmıştır. Hidrojenin üretimi ile ilgili modellerde en düşük ekserjetik maliyet 1.088 US$/kg H2 ile Model 2'de gerçekleşmektedir. Bu modelde elektroliz suyunun ön ısıtması ile gerekli olan iş miktarının düşürülmesinin termoekonomik avantajı ortaya çıkmaktadır. Hidrojenin sıvılaştırılması ile ilgili modellerde en düşük ekserjetik maliyet 1.114 US$/kg H2 ile Model 4'te gerçekleşmektedir. Bu modelde jeotermal enerji absorpsiyonlu soğutmada kullanılarak hidrojen soğutulmuş ve jeotermal enerjiden üretilen elektrik de sıvılaştırma çevriminde kullanılmıştır. Model 6'da sıvılaştırma eklenmesi termodinamik olarak avantaj sağlamakta ama buna karşılık ekserjetik maliyet 1.993 US$/kg'a çıkmaktadır. Jeotermal enerjinin hem üretim hem de sıvılaştırmada kullanıldığı Model 6'da gerçekleşen 1.993 US$/kg H2'lik ekserjetik maliyet Model 2'deki (1.088 US$/kg H2) ve Model 4'deki (1.114 US$/kg H2) maliyetlerin toplamı olan 2.202 US$/kg H2 değerinden %9.5 daha düşüktür. Böylece hidrojenin hem üretilip hem sıvılaştırıldığı Model 6'nın hidrojenin sadece üretildiği ve sadece sıvılaştırıldığı en ekonomik modellere göre daha avantajlı olduğu ortaya çıkmaktadır. Tüm modeller için yapılan parametrik çalışmalarda jeotermal kaynak sıcaklığı arttıkça birim maliyetin düştüğü görülmektedir.

Six models are developed for the use of geothermal energy in hydrogen production and liquefaction and thermoeconomic analysis and optimization of these models are performed. The aim is to use geothermal energy in hydrogen production by appropriate combination of systems at optimum operating conditions. Optimum operating conditions that minimize the unit hydrogen cost are obtained. A liquid geothermal resource at 200°C with a flow rate of 100 kg/s is considered. Among the models involving hydrogen production, the minimum exergetic cost of hydrogen production is obtained in Model 2 with a value of 1.088 US$/kg H2. In Model 2, the power generated from a combined flash-binary geothermal power plant is supplied to an electrolysis unit for hydrogen production, and geothermal water at the exit of the power plant is used to preheat electrolysis water. In the models involving hydrogen liquefaction, the minimum exergetic cost occurs in Model 4 with a value of 1.114 US$/kg H2. In this model, geothermal heat is used for absorption cooling of hydrogen gas and geothermal electricity is used to supply power to a liquefaction unit. In Model 6, in which geothermal energy is used for both hydrogen production and liquefaction, the exergetic cost is calculated as 1.993 US$/kg H2, which is 9.5% less than the sum of the values in Model 2 and Model 4. Parametric studies indicate that unit cost of hydrogen decreases by an increase in geothermal resource temperature.