تحلیل اگزرژی و اگزرژی-اقتصادی بهره برداری کامل از حرارت اتلافی با استفاده از سیستم ترکیبی sCO2 فرابحرانی-سیکل رنکین و تولید هیدروژن

خانمحمدی, شعیب; دبیری, محمد

doi:10.48311/mme.2026.119141.82972

تحلیل اگزرژی و اگزرژی-اقتصادی بهره برداری کامل از حرارت اتلافی با استفاده از سیستم ترکیبی sCO2 فرابحرانی-سیکل رنکین و تولید هیدروژن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

شعیب خانمحمدی

محمد دبیری

گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی کرمانشاه، کرمانشاه، ایران

10.48311/mme.2026.119141.82972

چکیده

این پژوهش یک پیکربندی یکپارچه و نوین را با هدف بهره‌برداری کامل و حداکثری از حرارت اتلافی و بهبود راندمان اگزرژی معرفی می‌کند. در سیستم پیشنهادی که قابلیت تولید همزمان توان الکتریکی و هیدروژن را داراست، از سیکل کربن‌دی‌اکسید فرابحرانی (sCO_2) در دماهای بالا به‌صورت ترکیب مستقیم با یک سیکل رنکین در دماهای پایین‌تر استفاده شده است. نوآوری اصلی این سامانه در ساختار پیشرفته مدیریت حرارت داخلی آن نهفته است؛ به‌گونه‌ای که فرآیند دفع حرارت در سیکل کربن‌دی‌اکسید فرابحرانی با فرآیند تبخیر در سیکل رنکین جایگزین می‌شود. این رویکرد امکان بازیافت مؤثر حرارت داخلی سیستم و تبدیل آن به توان اضافی را فراهم می‌سازد. بخشی از توان خالص تولیدی این سیستم ترمودینامیکی با راندمان بالا، به‌طور کامل به یک الکترولایزر غشای تبادل پروتون اختصاص داده می‌شود تا هیدروژن سبز تولید گردد. به‌منظور ارزیابی جامع عملکرد ترمودینامیکی و پتانسیل اقتصادی سیستم، تحلیل‌های دقیق اگزرژی و اگزرژی-اقتصادی انجام شده است. نتایج نشان می‌دهد که پیکربندی یکپارچه پیشنهادی، ضمن کاهش محسوس تخریب اگزرژی کل سیستم، افزایش قابل‌توجهی در توان خروجی ایجاد کرده و نرخ تولید هیدروژن را به سطوح بهینه می‌رساند. در مجموع، این سیستم تولید همزمان به‌عنوان راهکاری کارآمد و مؤثر برای تولید انرژی‌های پاک از منابع حرارتی کم‌عیار معرفی می‌شود.

کلیدواژه‌ها

سیکل دی اکسید کربن فرابحرانی (sCO_2)

الکترولایزر

تولید هیدروژن

تحلیل اگزرژی

بازیابی حرارت اتلافی

موضوعات

ترمودینامیک

عنوان مقاله English

Exergy and exergoeconomic analysis of complete waste heat utilization using a supercritical sCO2–Rankine combined cycle for hydrogen production

نویسندگان English

shoayb khanmohamai

Mohammad Dabiri

Department of Mechanical Engineering, Kermanshah University of Technology, Kermanshah, Iran

چکیده English

This study introduces a novel and integrated configuration aimed at the complete and maximum utilization of waste heat in order to enhance exergy efficiency. In the proposed system, which is capable of simultaneous power and hydrogen production, a high-temperature supercritical carbon dioxide (sCO2) cycle is directly integrated with a lower-temperature Rankine cycle. The primary innovation of this system lies in its advanced internal heat management structure, whereby the heat rejection process of the sCO2 cycle is replaced by the evaporation process in the Rankine cycle. This approach enables effective recovery of internal heat and its conversion into additional power output. A portion of the net power generated by this high-efficiency thermodynamic system is fully allocated to a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer for green hydrogen production. To comprehensively evaluate the thermodynamic performance and economic potential of the system, detailed exergy and exergoeconomic analyses are conducted. The results demonstrate that the proposed integrated configuration significantly reduces total exergy destruction while achieving a substantial increase in power output and elevating the hydrogen production rate to optimal levels. Overall, this cogeneration system is presented as an efficient and effective solution for clean energy production from low-grade thermal resources.

کلیدواژه‌ها English

Supercritical carbon dioxide cycle (sCO_2)

electrolyzer

hydrogen production

exergy analysis

waste heat recovery

[1] F. Zhang, B. Chen, G. Liao, and J. E, “Performance assessment and comparative study on novel carbon dioxide based power cycles for the cascade engine waste heat recovery,” Appl. Therm. Eng., vol. 214, Art. no. 118764, 2022, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2022.118764.

[2] F. Yilmaz, M. Ozturk, and R. Selbas, “Design and performance assessment of an OTEC driven combined plant for producing power, freshwater, and compressed hydrogen,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 58, pp. 688–697, 2024, doi: 10.1016/j.ijhydene.2024.01.220.

[3] I. Vaja and A. Gambarotta, “Internal combustion engine (ICE) bottoming with organic Rankine cycles (ORCs),” Energy, vol. 35, no. 2, pp. 1084–1093, 2010, doi: 10.1016/j.energy.2009.06.001.

[4] S. S. Wang, C. Wu, and J. Li, “Exergoeconomic analysis and optimization of single-pressure single-stage and multi-stage CO2 transcritical power cycles for engine waste heat recovery: A comparative study,” Energy, vol. 142, pp. 559–577, 2018, doi: 10.1016/j.energy.2017.10.055.

[5] G. Manente and F. M. Fortuna, “Supercritical CO2 power cycles for waste heat recovery: A systematic comparison between traditional and novel layouts with dual expansion,” Energy Convers. Manage., vol. 197, Art. no. 111777, 2019, doi: 10.1016/j.enconman.2019.111777.

[6] M. J. Moran, H. N. Shapiro, D. D. Boettner, and M. B. Bailey, Fundamentals of Engineering Thermodynamics. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2010.

[7] A. Bejan, G. Tsatsaronis, and M. J. Moran, Thermal Design and Optimization. New York, NY, USA: John Wiley & Sons, 1995.

[8] F. Zhang, G. Liao, J. E, J. Chen, and E. Leng, “Comparative study on the thermodynamic and economic performance of novel absorption power cycles driven by the waste heat from a supercritical CO2 cycle,” Energy Convers. Manage., vol. 228, Art. no. 113671, 2021, doi: 10.1016/j.enconman.2020.113671.

[9] X. Wang, Y. Yang, Y. Zheng, and Y. Dai, “Exergy and exergoeconomic analyses of a supercritical CO2 cycle for a cogeneration application,” Energy, vol. 119, pp. 971–982, 2017, doi: 10.1016/j.energy.2016.11.044.

[10] A. D. Akbari and S. M. Mahmoudi, “Thermoeconomic analysis and optimization of the combined supercritical CO2 (carbon dioxide) recompression Brayton/organic Rankine cycle,” Energy, vol. 78, pp. 501–512, 2014, doi: 10.1016/j.energy.2014.10.037.

[11] F. Zhang, Z. Chen, G. Liao, J. E, L. Ye, J. Chen, and E. Leng, “Proposal and performance assessment of a combined system based on a supercritical carbon dioxide power cycle integrated with a double-effect absorption power cycle,” Energy Convers. Manage., vol. 233, Art. no. 113923, 2021, doi: 10.1016/j.enconman.2021.113923.