Thermodynamic and thermoeconomic analysis and optimization of biogas usage in electricity and hydrogen productions from wastewater treatment systems

Abstract

Bu çalışmada, atık su arıtma sistemlerinde üretilen biyogazın elektrik ve hidrojen üretiminde kullanımının termodinamik ve termoekonomik analiz ve optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Termodinamik ve termoekonomik analizler için geliştirilen prosedür ve formüller Gaziantep'te bulunan gerçek bir kentsel atık su arıtma tesisine ve biyogaz motor tahrikli gerçek bir kojenerasyon sistemine [GASKI] uygulanmıştır. Mevcut atık su arıtma tesisi günde 222.000 m3 atık suyu arıtmaktadır ve tesisteki çamur şartlandırma işlemi sonucu günde ortalama 10.000?18.000 m3 biyogaz üretilmektedir. Kojenerasyon sisteminde bulunan biyogaz motoru yıllık 8760 GWh elektrik üretmektedir ve bunun için toplam yıllık biyogaz tüketimi 3.400.000 m3' tür. GASKI atık su arıtma sistemi ve biyogaz motor tahrikli kojenerasyon sisteminin toplam ekserji verimi ise %46.2 olarak bulunmuştur. Yapılan termoekonomik analiz neticesinde, arıtılmış atık suyun ve üretilen elektriğin birim ekserji maliyetleri sırasıyla 3.804 ¢/m3 ve 25 $/GJ olarak hesaplanmıştır. Bu tezde, kentsel atık su arıtma sistemleri için yedi ayrı hidrojen üretim modeli geliştirilmiştir ve bu modellerin termodinamik ve ekonomik analizleri tez çalışmasında verilen gerçek işletme ve maliyet değerleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir.Anahtar kelimeler: Atık su arıtma sistemi, Kojenerasyon, Termodinamik, Termoekonomik, Optimizasyon, Hidrojen üretimi.

In this thesis, we perform thermodynamic and thermoeconomic analysis and optimization of biogas usage in electricity and hydrogen productions from wastewater treatment systems. The procedure and formulations of the analyses are provided and applied to an actual municipal wastewater treatment plant and a biogas engine powered cogeneration system located in Gaziantep, Turkey [GASKI] using actual operational and cost data. The plant treats nearly 222,000 m3/day of domestic wastewater and as a result of the sludge stabilization in the plant, daily biogas generation is 10,000-18,000 m3. The annual electricity production of the cogeneration is 8760 GWh and the total annual biogas consumption is 3,400,000 m3. The overall exergetic efficiency of GASKI WWTP including BEPC system is found to be 46.2%. The specific unit exergetic costs for the treated wastewater and electricity produced are obtained to be 3.804 ¢/m3 and 25 $/GJ, respectively. Seven hydrogen production models for the present municipal wastewater treatment plant are developed and thermodynamic and economic analyses of these models are performed using the actual data obtained from GASKI WWTP and BEPC.Key words: Wastewater treatment, Cogeneration, Thermodynamic, Thermoeconomic, Optimization, Hydrogen production.