Energy, exergy and enviromental assessment of a novel multi-generation system fed by biomass and geothermal energy sources

Abstract

Energy is the one of the critical tools that ensure the development of the countries. Since almost no country is completely energy independent, it is very important for countries to use the available energy efficiently and to produce their own energy from renewable energy sources. Multi-generation systems combine various cycles and processes to produce number of outputs and valuable market products using one or multiple energy sources as input. By creating a multi-generation system powered by renewable sources can increase system efficiency and provide some additional outputs such as hydrogen, heating, cooling, and domestic hot water. In this thesis, a novel multi-generation system consisting of a biomass gasification cycle, a double-flash geothermal cycle, an Organic Rankine Cycle and a PEM electrolyzer subsystems, is proposed to increase the efficiency and energy production from biomass and geothermal energy sources instead of using a single source for a single output. The proposed system is analyzed in terms of energy, exergy, and environmental impact point of view. By performing parametric studies for biomass flow rate, turbine inlet temperature, and single-objective optimization, effects on thermodynamic behavior and environmental impact are investigated for subsystems and overall system. The best operating conditions are determined. The findings indicate that energy efficiency of the proposed multi-generation system is 75% higher than a double-flash geothermal power plant. Based on the parametric study, biomass mass flow rate is encountered as the most significant parameter, which caused an 11.7% increase in energy efficiency, and 225% increase in environmental impact cost.

Enerji, ülkelerin kalkınmasını sağlayan kritik araçlardan biridir. Hemen hemen hiçbir ülke enerjiden tamamen bağımsız olmadığı için ülkelerin mevcut enerjiyi verimli kullanmaları ve yenilenebilir enerji kaynaklarından kendi enerjilerini üretmeleri çok önemlidir. Çoklu üretim sistemleri, girdi olarak bir veya daha fazla enerji kaynağı kullanarak çok sayıda çıktı ve değerli pazar ürünleri üretmek için çeşitli döngüleri ve süreçleri bir araya getirir. Girdi olarak yenilenebilir enerji kaynakları kullanılan bir çoklu üretim sistemi ile sistem verimliliği artırılabilir,ve hidrojen, ısıtma, soğutma ve kullanım sıcak suyu gibi bazı ek çıktılar sağlanabilir. Bu tezde, bir biyokütle gazlaştırma çevrimi, bir çift buharlaştırmalı jeotermal çevrim, bir Organik Rankine Çevrimi ve bir PEM elektrolizörü alt sistemlerinden oluşan yeni bir çoklu üretim sistemi tasarlanmıştır. Enerji kaynağı olarak biyokütle ve jeotermal enerji kaynaklarının kullanıldığı bu sistem ile tek enerji kaynaklı ve tek çıktılı bir sisteme göre enerji üretimi ve verimliliği artırmak amaçlanmaktadır. Önerilen sistem; enerji, ekserji ve çevresel etki açısından analiz edilmiştir. Biyokütle debisi ve türbin giriş sıcaklığı için parametrik bir çalışmanın yanısıra tek amaçlı optimizasyon çalışması yapılarak, alt sistemler ve sistem genelinde termodinamik davranış ve çevresel etki üzerindeki etkiler araştırılmış, en iyi çalışma koşulları belirlenmiştir. Bulgular, önerilen çoklu üretim sisteminin enerji verimliliğinin, çift buharlaştırmalı bir jeotermal enerji santralinden %75 daha yüksek olduğunu göstermektedir. Parametrik çalışmaya göre, enerji verimliliğinde %11,7'lik artışa ve çevresel etki maliyetinde %225'lik bir artışa neden olan biyokütle debisi en etkili parametredir