Domestic Cogeneration Systems

Abstract

Energy is of great importance for today's society and economy. Our economic, social and physical well-being all depend on adequate and uninterrupted energy production. Cogeneration systems used for energy production can be defined as the combined production of electricity and heat energy from a single fuel source. While conventional systems can only produce electricity with 30-35% efficiency, the efficiency of cogeneration systems can exceed 80% by using waste heat to meet thermal demands. Because of these advantages, in developed countries, energy production in buildings with micro cogeneration systems has incentives. Policies are adopted to ensure the security of supply by making the building sector not consuming energy but being energy producers. In this study, a comprehensive literature review including the definition, types and selection criteria for different types of applications of domestic cogeneration systems is presented. As a result of the researches, it was concluded that technical (application capacity, heat-power ratio etc.), economic (investment cost, operating cost, payback period etc.) and environmental (decarbonisation etc.) parameters should be considered together in the selection of the appropriate domestic cogeneration system.

Keywords

• Distributed power plants
• Cogeneration
• Micro cogeneration
• Fuel cells
• Zero energy buildings

Evsel Kojenerasyon Sistemleri

Öz

Enerji, günümüz toplumunun ve ekonomisinin can damarıdır. Ekonomik, sosyal ve fiziksel refahımızın tümü, yeterli ve kesintisiz enerji üretimine bağlıdır. Enerji üretimi için kullanılan kojenerasyon sistemleri, elektrik ve ısı enerjisinin tek bir yakıt kaynağından kombine bir şekilde üretilmesi olarak tanımlanabilir. Konvansiyonel sistemlerde sadece elektrik üretimi % 30-35 verim ile gerçekleşebilirken, atık ısının ısınma ve sıcak su ihtiyaçlarının karşılanması için kullanılmasıyla kojenerasyon sistemlerinin verimi % 80’in üzerine çıkabilmektedir. Bu avantajlardan dolayı, gelişmiş ülkelerde, mikro kojenerasyon sistemleriyle binalarda enerji üretimi teşvik edilmektedir. Böylece bina sektörünü enerji tüketen değil enerji üreten duruma getirerek, arz güvenliğini de garanti altına alan politikalar benimsenmektedir. Bu çalışmada, evsel kojenerasyon sistemlerinin tanımı, çeşitleri ve farklı tür uygulamalar için seçim kriterlerini içeren detaylı bir literatür araştırması sunulmuştur. Yapılan araştırmalar neticesinde, uygun evsel kojenerasyon sisteminin seçiminde teknik (uygulama kapasitesi, ısı-güç oranı vb.), ekonomik (yatırım maliyeti, işletme maliyeti, geri ödeme süresi vb.) ve çevresel (karbonsuzlaştırma vb.) parametrelerin bir arada değerlendirilmesi gerektiği sonucuna varılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Dağınık güç sistemleri
• Kojenerasyon
• Mikro kojenerasyon
• Yakıt hücreleri
• Sıfır enerjili binalar

References

1. Abuşoğlu, A., Demir, S., Kanoğlu, M. (2013) Biyogaz Beslemeli Gaz Motorlu Bir Kojenerasyon Sisteminin Termoekonomik Analizi, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 33, 09-21.
2. Akar, E., Genç, F., Sağlam, G., Baranak, M., Korkmaz, Ö.C., Obut, S., Akgün, F. (2009) Evsel Mikro Kojenerasyon Uygulamaları ile Enerji Verimliliğinin Arttırılması, Tesisat Mühendisliği Dergisi, 112, 62.
3. Arsalis, A. (2019) A comprehensive review of fuel cell-based micro-combined-heat-and-power systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews 105, 391–414.
4. Belth, R. (2011) Small and micro combined heat and power (CHP) systems: Advanced design, performance, materials and applications, Woodhead Publishing, 3.
5. Boyce, M.P. (2010) Handbook For Cogeneration and Combined Cycle Power Plants Second Edition, ASME Press, 31.
6. Ciampi, G., Rosato, A., Scorpio, M., Sibilio, S. (2016) Energy Performance of A Residential Building-Integrated Micro-Cojeneration System Upon Varying Thermal Load And Control Logic, International Journal of Low-Carbon Technologies, 11, 75–88.
7. Çalapkulu, S.R. (2020) Kojenerasyon Sistemleri ve Trijenerasyon Sistemleri, Mühendis ve Makine, 53-62.
8. Çengel, Y.A. ve Boles, M.A. (2013) Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik, McGraw-Hill, 551-587.

9. Demi̇r, H, Çıracı, G, Kaya, R, Ünver, Ü. (2020) Aydınlatmada Enerji Verimliliği: Yalova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Durum Değerlendirmesi. Uludağ University Journal of The Faculty of Engineering, 25 (3), 1637-1652.
10. Dorer, V., Weber, R., Weber, A. (2005) Performance assessment of fuel cell micro-cojeneration systems for residential buildings, Elsevier, 1133-1135.
11. Ener Ruşen, S., Topçu, M.A., Karanfil Celep, G., Çeltek, S.A., Ruşen, A. (2018) Üniversite Kampüs Binaları için Enerji Etüdü: Örnek Çalışma, Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 33, 83-92.
12. Erbıyık, H., Çatal, T., Durukan, S., Topaloğlu, D.G., Ünver, Ü. (2021) Assessment of Yalova University Campus According to LEED V.4 Certification System. Environmental Research and Technology, 1, 1-17.
13. Ferguson, A., Kelly, N., Weber, A., Griffith, B. (2009) Modelling residential-scale combustion-based cojeneration in building simulation, Journal of Building Performance Simulation, 2, 1-14.
14. Filoğlu, E. (2011) Türkiye’de Mikro Kojenerasyon, Türkiye Kojenerasyon ve Temiz Enerji Teknolojileri Derneği, 88, 1-6.
15. Flin, D. (2009) Cogeneration: A user's guide, The Institution of Engineering and Technology.
16. Forsthoffer, W.E. (2011) Forsthoffer’s Best Practice Handbook for Rotating Machinery, Butterworth-Heinemann, Elsevier.
17. Frangopoulos, C.A. (2017) Cogeneration: Technologies, optimization and implementation, The Institution of Engineering and Technology, 1.
18. Fuchs, E.F. ve Masoum, M.A.S. (2011) Power Conversion of Renewable Energy Systems, Springer.
19. Gandiglio, M., Ferrero, D., Lanzini, A., Santarelli, M. (2020) Fuel cell cogeneration for building sector: European status, REHVA Journal, 21-25.
20. Goswami, D.Y. ve Kreith, F. (2016) Energy Efficiency and Renewable Energy Handbook, Second Edition, CRC Press, 892-893.
21. Horlock, J.H. (2003) Advanced Gas Turbine Cycles, Elsevier Pergamon.
22. International Energy Agency (IEA), (April 2009) Co-Generation and District Energy.
23. Karanfil, G. (2020) Proton Değişim Membran Yakıt Hücreleri: Termodinamiği, Bileşenleri ve Uygulama Alanları, Mühendis ve Makine, 61, 57-76.
24. Karanfil, G., Ener Ruşen, S., Poyraz, Ş.N., Can, M. (2020) Atık Isı Geri Kazanım Sistemleri ve Isıl Verim Parametrelerinin Deneysel İncelenmesi, Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 19, 127-137.
25. Kaya, D., Öztürk, H.H., Kayfeci, M. (2017) Hidrojen ve Yakıt Pili Teknolojisi, Umuttepe Yayınları.
26. Khartchenko, N.V. ve Khartchenko, V.M. (2014) Advanced Energy Systems, CRC Press, 206-231.
27. Kolanowski, B.F. (2011) Small-scale Cojeneration Handbook Fourth Edition, The Fairmont Press, 11-44.
28. Loreti, G., Facci, A.L., Peters, T., Ubertini, S. (2019) Numerical modeling of an automotive derivative polymer electrolyte membrane fuel cell cogeneration system with selective membranes, International Journal of Hydrogen Energy, 44, 4508-4523.
29. McLean-Conner, P. (2009) Energy Efficiency: Principles and Practices, PennWell Corporation.
30. Milcarek, R.J., Ahn, J., Zhang, J. (2017) Review and analysis of fuel cell-based, microcogeneration for residential applications: Current state and future opportunities, Science and Technology for the Built Environment, 23, 1224-1243.
31. Moran, M.J., Shapiro, H.N., Boettner, D.D., Bailey, M.B. (2014) Fundamentals of Engineering Thermodynamics, John WILEY and Sons, 442-480.
32. Onovwiona, H.I ve Ugursal, V.I. (2006) Residential cogeneration systems: Review of the current technology, Renewable and Sustainable Energy Reviews 10, 389-431.
33. Öztop, H.F. ve Çıtlak, A. (2004) Yakıt Pilli Kojenerasyon Sistemlerinin Evsel ve Ticari Binalarda Uygulamaları, Tesisat Mühendisliği Dergisi, 82, 42-44.
34. Pravadalıoğlu, S., Yerinde Enerji Üretimi- Kojenerasyon Sistemleri, II. Elektrik Tesisat Ulusal Kongresi, 24-27 Kasım 2011, İzmir.
35. Pulkrabek, W.W. (1997) Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine, Pearson Education, Prentice Hall.
36. Ramadhani, F., Hussain, M.A., Mokhlis, H. (2019) A Comprehensive Review and Technical Guideline for Optimal Design and Operations of Fuel Cell-Based Cogeneration Systems, Processes, 7, 950.
37. Sun, L., Jin, Y., Shen, J., You, F. (2021) Sustainable Residential Micro-Cogeneration System Based on a Fuel Cell Using Dynamic Programming-Based Economic Day-Ahead Scheduling, ACS Sustainable Chemical Engineering, Doi:10.1021/acssuschemeng.0c08725
38. Sungur, B., Özdoğan, M., Topaloğlu, B., Namlı, L. (2017) Küresel Enerji Tüketimi Bağlamında Mikro Kojenerasyon Sistemlerinin Teknik ve Ekonomik Değerlendirilmesi’ Mühendis ve Makine, 58, 14-15.
39. Tanaka, N. (2009) Cogeneration and District Energy: Sustainable Energy Technologies for Today and Tomorrow, International Energy Agency (IEA), 15.
40. Thulukkanam, K. (2013) Heat Exchanger Design Handbook Second Edition, CRC Press.
41. United States Environmental Protection Agency (US EPA), (2008) EPA’s Report on Environment.
42. Ünver, Ü. ve Kılıç, M. (2005) Bir Kombine Çevrim Güç Santralinin Termodinamik Analizi, Mühendis ve Makine, 46, 47-56.
43. Ünver, Ü., Kılıç, M. (2007) Second Law Based Thermoeconomic Analysis of Combined Cycle Power Plants Considering The Effects of Environmental Temperature and Load Variations, International Journal of Energy Research, 31, 148-157.
44. Ünver, Ü., Kılıç, M. (2017) Influence of Environmental Temperature on Exergetic Parameters of A Combined Cycle Power Plant. International Journal of Exergy, 22, 73-88.
45. Ünver Ü., Kelesoglu, A., Kilic, M. (2018) A Novel Method for Prediction of Gas Turbine Power Production: Degree-Day Method, Thermal Science, 22, 809-817.
46. Ünver, Ü., Adıgüzel, E., Adıgüzel, E., Çi̇vi̇, S., Roshanaei̇, K. (2020) Türkiye’deki İklim Bölgelerine Göre Binalarda Isı Yalıtım Uygulamaları, İleri Mühendislik Çalışmaları ve Teknolojileri Dergisi, 1, 171-187.
47. Wang, S.K. (2001) Handbook of Air Conditioning and Refrigeration, McGraw-Hill.
48. Whitman, W.C., Johnson, W.M., Tomczyk, J.A., Silberstein, E. (2013) Refrigeration & Air Conditioning Technology: 25th Anniversary, Delmar, Cengage Learning.
49. Yavuzdeğer, A. ve Ekinci, F. (2019) Performance Analysis of Grid-Connected Micro-Cojeneration System Based on The Internal Combustion Engine, European Mechanical Science, 3, 164-169.