مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بهینه‌سازی چندهدفه چرخه ترموشیمیایی وانادیوم کلرید یکپارچه با نیروگاه خورشیدی برای تولید هیدروژن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
مرتضی ترقی
احسان یزدی
مهدی مقیمی
گروه تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران.
10.48311/mme.2025.96890.0
چکیده
گرمایش جهانی و تغییرات اقلیمی که عمدتاً ناشی از انتشار گازهای گلخانه‌ای هستند، چالش‌های جهانی قابل‌توجهی را به‌وجود آورده‌اند. مقابله با این مسائل نیازمند کاهش چشمگیر در میزان انتشار این گازها است. این مطالعه به ارزیابی فنی و اقتصادی تولید هیدروژن از انرژی خورشیدی می‌پردازد که در آن از الکترولایزر غشای تبادل پروتون (PEM) و چرخه ترموشیمیایی وانادیوم کلرید (V-Cl) استفاده شده است. واحد برج خورشیدی انرژی لازم را برای راه‌اندازی چرخه رانکین آلی آبشاری (CORC) به‌منظور تولید برق و نیز یک واحد ترموشیمیایی برای تولید هیدروژن فراهم می‌کند، که امکان هم‌زمانی تولید برق و هیدروژن را فراهم می‌سازد. تمام برق تولیدشده توسط CORC به الکترولایزر PEM برای تولید هیدروژن اختصاص می‌یابد و در نتیجه، سیستم دارای قابلیت دوگانه تولید هیدروژن است. ارزیابی‌های امکان‌سنجی بر اساس اصول ترمودینامیکی و تحلیل‌های اگزرژی‌محور انجام می‌شوند، در حالی که ارزیابی‌های اقتصادی عملکرد سیستم را اندازه‌گیری می‌کنند. همچنین، از بهینه‌سازی چندهدفه برای تعیین شرایط عملیاتی بهینه سیستم استفاده شده است. در نقطه بهینه، سیستم به نرخ تولید هیدروژن 125.029 کیلوگرم در ساعت، بازده انرژی 39.66 درصد، و نرخ هزینه کلی چرخه برابر با 120.937 دلار در ساعت دست می‌یابد.

 
کلیدواژه‌ها
تولید هیدروژن
سیکل وانادیوم کلراید
سیکل آلی رانکین آبشاری
اقتصادی
الکترولیز غشای تبادل پروتون

موضوعات

عنوان مقاله English

Multi-Objective Optimization of a Vanadium Chloride Thermochemical Cycle Integrated with Solar Power Plant for Hydrogen Production

نویسندگان English

Morteza Morteza
Ehsan Yazdi
Mahdi Moghimi
Department of Energy Conversion, School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
چکیده English

Global warming and climate change, primarily driven by greenhouse gas emissions, present significant global challenges. Addressing these issues requires substantial reductions in greenhouse gas emissions. This study provides a technical and economic evaluation of hydrogen production from solar energy, utilizing a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer and the vanadium chloride (V-Cl) thermochemical cycle. The solar power tower unit supplies the necessary energy to drive a cascaded Organic Rankine Cycle (CORC) for power generation, as well as a thermochemical hydrogen production unit, enabling the cogeneration of electricity and hydrogen. All power generated by the CORC is directed to the PEM electrolyzer for hydrogen production, resulting in dual hydrogen production capabilities within the system. Feasibility assessments are conducted using thermodynamic principles and exergy-based analyses, while economic evaluations gauge the system’s performance. Moreover, multi-objective optimization is employed to determine the optimal operational conditions of the system. At the optimal point, the system achieves a hydrogen production rate of 125.029 kg/h, an energy efficiency of 39.66%, and an overall cycle cost rate of 120.937 $/h.

کلیدواژه‌ها English

Hydrogen production
Proton exchange membrane electrolyzer
Vanadium chloride cycle
Cascaded organic rankine cycle
Economic
[1]           S. R. . Mirmotahari, F. Ghafoorian, M. Mehrpooya, S. Hosseini Rad, M. Taraghi, and M. Moghimi, “A comprehensive investigation on Darrieus vertical axis wind turbine performance and self-starting capability improvement by implementing a novel semi-directional airfoil guide vane and rotor solidity,” Physics of Fluids, vol. 36, no. 6, p. 065151, Jun. 2024, doi: 10.1063/5.0208848.
[2]           A. Rahman, O. Farrok, and M. M. Haque, “Environmental impact of renewable energy source based electrical power plants: Solar, wind, hydroelectric, biomass, geothermal, tidal, ocean, and osmotic,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 161, p. 112279, Jun. 2022, doi: 10.1016/j.rser.2022.112279.
[3]           A. Ranjbar Hasan Barogh and M. Moghimi, “Deep neural network optimization of a continuous solar-geothermal-driven plant with integrated thermal and mechanical energy storage: Incorporating bypass mechanism,” Energy, vol. 303, p. 131885, Sep. 2024, doi: 10.1016/j.energy.2024.131885.
[4]           L. Zhang et al., “A comprehensive review of the promising clean energy carrier: Hydrogen production, transportation, storage, and utilization (HPTSU) technologies,” Fuel, vol. 355, p. 129455, Jan. 2024, doi: 10.1016/j.fuel.2023.129455.
[5]           J. Cumpston, R. Herding, F. Lechtenberg, C. Offermanns, A. Thebelt, and K. Roh, “Design of 24/7 continuous hydrogen production system employing the solar-powered thermochemical S–I cycle,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, no. 46, pp. 24383–24396, Sep. 2020, doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.05.185.
[6]           M. T. Balta, I. Dincer, and A. Hepbasli, “Comparative assessment of various chlorine family thermochemical cycles for hydrogen production,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 41, no. 19, pp. 7802–7813, May 2016, doi: 10.1016/j.ijhydene.2015.12.222.
[7]           Z. Mohammadi, P. Ahmadi, and M. Ashjaee, “An innovative transient simulation of a solar energy system with a thermochemical hydrogen production cycle for zero-energy buildings,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 76, pp. 62–74, Jul. 2024, doi: 10.1016/j.ijhydene.2024.01.304.
[8]           F. Rashidi and H. Rashidi, “Exergy Analysis and Multiobjective Optimization of Microturbine Based Multigeneration Energy System,” Modares Mechanical Engineering, vol. 19, no. 2, pp. 347–362, Feb. 2019, https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.10275940.1397.19.2.24.6.
[9]           S. Ghavami Gargari, H. Ghaebi, and M. Rahimi, “Energy and Exergy Analysis and Optimization of a Multigeneration System by Coupling of GT-MHR Reactor, Absorption Refrigeration, Steam Reforming, and HDH Desalination Cycles,” Modares Mechanical Engineering, vol. 19, no. 3, pp. 631–642, Mar. 2019,
                 https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.10275940.1397.19.3.19.3.
[10]         A. Shakeri, P. Asadbagi, and A. Babamiri Naamrudi, “Techno-economic, techno-environmental assessments, and deep learning optimization of an integrated system for CO2 capturing from a gas turbine: Tehran case study,” Energy, vol. 306, p. 132438, Oct. 2024, doi: 10.1016/j.energy.2024.132438.
[11]         A. Kaabinejadian, M. Moghimi, and I. Fakhari, “Design, modeling, and thermo-economic optimization of an innovative continuous solar-powered hybrid desalination plant integrated with latent heat thermal energy storage,” Applied Thermal Engineering, vol. 219, p. 119576, Jan. 2023, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2022.119576.
[12]         E. Dashtizadeh, M. Mehrpour Darestani, S. Rostami, M. Ashjaee, and E. Houshfar, “Comparative optimization study and 4E analysis of hybrid hydrogen production systems based on PEM, and VCl methods utilizing steel industry waste heat,” Energy Conversion and Management, vol. 303, p. 118141, Mar. 2024, doi: 10.1016/j.enconman.2024.118141.
[13]         J. R. Mehrenjani, A. Shirzad, A. Adouli, and A. Gharehghani, “Data-driven optimization of two novel geothermal-powered systems integrating LNG regasification with thermoelectric generation for eco-friendly seawater desalination and data center cooling,” Energy, vol. 313, p. 133846, Dec. 2024, doi: 10.1016/j.energy.2024.133846.
[14]         P. Asadbagi, A. M. Nasrabadi, and C. M. Hall, “Full analysis and deep learning optimization of a sustainable and eco-friendly power plant to generate green hydrogen and electricity; A zero-carbon approach,” Process Safety and Environmental Protection, vol. 190, pp. 277–297, Oct. 2024, doi: 10.1016/j.psep.2024.07.029.
[15]         F. Esmaeilion and M. Soltani, “Technical and economic assessments of a novel multigeneration system based on desalination and liquid air energy storage,” Desalination, vol. 580, p. 117497, Jul. 2024, doi: 10.1016/j.desal.2024.117497.
 
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 26، شماره 4
فروردین 1405
صفحه 253-259