Thermodynamic analysis of a multigeneration energy system based geothermal energy

Abstract

Turkey has shown great potential and development on electricity and heat energy production from geothermal sources. In this study, the detailed thermodynamic analysis of a multigeneration system based geothermal energy is presented. Also, a multigeneration system producing electricity, hydrogen, hot water, heating and cooling is proposed and mass, energy, entropy and exergy balance equations for every components of the system are derived. In addition, parametric analyses have been performed in order to see how and which variables affect the production rates of electricity and hydrogen. According to the analyses results, the largest exergy destruction rate occurs in Kalina cycle. Moreover, the most important variables affecting electricity and hydrogen production rates are found as geothermal source temperature and turbine inlet pressure of Kalina cycle.

Keywords

• Geothermal,Integrated system,Thermodynamic analysis,Energy,Exergy

Jeotermal enerji destekli çok fonksiyonlu enerji üretim sisteminin termodinamik analizi

Öz

Türkiye son yıllarda jeotermal enerjiden elektrik ve ısı enerjisi üretilmesi alanında oldukça hızlı gelişim göstermiştir. Bu çalışmada jeotermal enerji destekli çok fonksiyonlu bir enerji üretim sisteminin termodinamik analizi verilmiştir. Aynı zamanda, jeotermal enerji kullanılarak elektrik, hidrojen, sıcak su, ısıtma ve soğutma üreten bir tesis önerilmiş ve her bir bileşen için kütle, enerji, entropi ve ekserji denge denklemleri türetilmiştir. Parametrik çalışmalar yapılarak, sistemin en önemli çıktılarından olan elektrik ve hidrojenin üretimine etkileri incelenmiştir. Analiz sonuçlarına göre, en fazla ekserji yıkımı Kalina çevriminde gerçekleşmiştir. Ayrıca elektrik ve hidrojen üretimini en fazla etkileyen parametreler olarak da jeotermal kaynak sıcaklığı ve türbin giriş basıncı olduğu bulunmuştur.

Anahtar Kelimeler

• Jeotermal,Entegre sistem,Termodinamik analiz,Enerji,Ekserji

Kaynakça

1. Yuksel YE, Ozturk M, Dincer I. “Thermodynamic analysis and assessment of a novel integrated geothermal energy-based system for hydrogen production and storage”. International Journal of Hydrogen Energy, 43, 4233-4243, 2018.
2. Office of Energy Analysis. “US-EIA International Energy Outlook”. Washington DC, USA, 2013.
3. Ozturk M, Yuksel YE. “Energy structure of Turkey for sustainable development”. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 53, 1259-1272, 2016.
4. International Energy Agency. “Technical Report 2012 Key World Energy Statistics”. http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyWorld2014.pdf. (05.09.2015).
5. Külekçi ÖC. “Yenilenebilir enerji kaynakları arasında jeotermal enerjinin yeri ve Türkiye açısından önemi”. Ankara Üniversitesi Çevre Bilimleri Dergisi, 1(2), 83-91, 2009.
6. Kaymakçıoğlu F, Çirkin T. “Jeotermal Enerjinin Değerlendirilmesi ve Elektrik Üretimi”. III. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, Mersin, Türkiye 19-21 Ekim 2005.
7. Kose R. “Research on the generation of electricity from the geothermal resources in Simav region, Turkey”. Renewable Energy, 30(1), 67-79, 2005.
8. Arslan S, Mustafa D, Çetin K. “Türkiye’nin jeotermal enerji potansiyeli”. Jeotermal Enerji Semineri, Ankara, Türkiye, 21-28 Ekim 2001.

9. Yılmaz M. “Türkiye’nin enerji potansiyeli ve yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik enerjisi üretimi açısından önemi”. Ankara Üniversitesi Çevrebilimleri Dergisi, 4(2), 33-54, 2012.
10. Murphy, Hugh, and Hiroaki Niitsuma. "Strategies for compensating for higher costs of geothermal electricity with environmental benefits". Geothermics, 28(6), 693-711, 1999.
11. Bravi, Mirko, and Riccardo Basosi. "Environmental impact of electricity from selected geothermal power plants in Italy". Journal of Cleaner Production, 66, 301-308, 2014.
12. Kızılkan Ö, Akbaş Ç. "Güneş enerjisi destekli çok fonksiyonlu trijenerasyon sisteminin termodinamik analizi". Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 22(1), 71-77, 2016.
13. Dağdaş A. “Termik santrallarda jeotermal enerjiden yararlanmanın yakıt tasarrufuna ve santral performansına etkileri”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 12(2), 271-277, 2006.
14. Dincer I, Rosen MA. Exergy Energy, Environment and Sustainable Development, 1st ed. Oxford, UK, Elsevier, 2007.
15. Kanoglu M, Bolatturk A, Yilmaz C. “Thermodynamic analysis of models used in hydrogen production by geothermal energy”. International Journal of Hydrogen Energy, 35(16), 8783-8791, 2010.
16. Ganjehsarabi H, Gungor A, Dincer İ. “Exergetic performance analysis of Dora II geothermal power plant in Turkey”. Energy, 46(1), 101-108, 2012.
17. Al-Ali M, Dincer I. “Energetic and exergetic studies of a multigenerational solar-geothermal system”. Applied Thermal Engineering, 71(1), 16-23, 2014.
18. Yuksel YE, Ozturk M, Dincer İ. “Energetic and exergetic performance evaluations of a geothermal power plant based integrated system for hydrogen production”. International Journal of Hydrogen Energy, 43(1), 78-90, 2018.
19. Yuksel YE, Ozturk M, Dincer I. "Analysis and performance assessment of a combined geothermal power-based hydrogen production and liquefaction system" International Journal of Hydrogen Energy, 43(22), 10268-10280, 2018.
20. Bicer Y, Dincer I. "Development of a new solar and geothermal based combined system for hydrogen production". Solar Energy, 127, 269-284, 2016.
21. Yilmaz C. "Thermoeconomic modeling and optimization of a hydrogen production system using geothermal energy". Geothermics, 65, 32-43, 2017
22. Ramazankhani ME, Mostafaeipour A, Hosseininasab H, Fakhrzad MB. "Feasibility of geothermal power assisted hydrogen production in Iran". International Journal of Hydrogen Energy, 41(41), 18351-18369, 2016.
23. Kotas TJ. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis. London, Great Britain, Butterworth-Heinemann, 2013.
24. Moran MJ, Shapiro H, Boettner DD, Bailey MB. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. New York, USA, John Wiley and Sons, 2011.