نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

تامین هیدروژن و الکتریسیته موردنیاز یک واحد تولید الفین با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
دانشکده‌ی مهندسی شیمی، دانشکدگان فنی دانشگاه تهران، تهران، ایران
چکیده
در این پژوهش استفاده از انرژی‌های خورشیدی و بادی برای تولید هیدروژن سبز مورد بررسی قرار گرفت. هیدروژن تولیدی برای هیدروژناسیون دی‌اکسیدکربن و تولید الفین‌های سبک مصرف خواهد شد. دی‌اکسیدکربن موردنیاز از یک کارخانه سیمان واقع در جنوب شرقی کشور تامین می‌شود. واحد تولید الفین مدنظر به kg/h 1420 هیدروژن برای هیدروژناسیون دی‌اکسیدکربن و MW 32 الکتریسیته برای گرمایش، سرمایش و پشتیبانی دستگاه‌های برقی نیاز دارد. برای تأمین این نیازها یک ابرساختار جامع شامل صفحات خورشیدی، توربین‌های بادی، الکترولایزرها، باتری‌های لیتیومی و وانادیومی، مبدل‌های الکتریکی، مخازن ذخیره‌سازی هیدروژن، مولدهای برق و ... طراحی و توسط نرم‌افزار هومر شبیه‌سازی شد. نتایج بهینه‌سازی واحد نشان داد که بهترین ترکیب استفاده از انرژی‌های خورشیدی، بادی و مولدهای برق در تولید برق به ترتیب برابر 4/73، 26 و 6/0 درصد خواهد بود. همچنین برای ذخیره‌سازی این انرژی الکتریکی در سامانه‌ی بهینه، باتری‌های اکسایش-کاهش وانادیومی باصرفه‌تر از باتری‌های لیتیومی هستند. تحلیل اقتصادی مشخص نمود که هزینه‌ی خالص فعلی تولید هیدروژن و الکتریسیته‌ی مذکور 38/1 میلیارد دلار و قیمت ترازشده‌ی آن‌ها 56/3 دلار بر کیلوگرم و 12/0دلار بر کیلووات ساعت است. در پایان اثر تغییر قیمت دستگاه‌های مختلف سامانه بر اقتصاد و افق آینده‌ی آن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بیانگر آن است که قیمت پایه‌ی صفحات خورشیدی و الکترولایزرها بیشترین تأثیر را بر متغیرهای اقتصادی دارند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] CO2 Emissions in 2022, International Energy Agency (IEA), Paris, France, Report (License: CC BY 4.0) (2023).
[2] Su S.B., He C., Shu Y., Chen Q.L., Zhang B.J., Total Site Modeling and Optimization for Petrochemical Low-Carbon Retrofits using Multiple CO2 Emission Reduction Methods, Journal of Cleaner Production, 383: 135450 (2023).
[3] Centi G., Iaquaniello G., Perathoner S., Can We Afford to Waste Carbon Dioxide? Carbon Dioxide as a Valuable Source of Carbon for the Production of Light Olefins, ChemSusChem, 4(9): 1265-1273 (2011).
[4] Martin M., Optimal Year-Round Production of DME from CO2 and Water Using Renewable Energy, Journal of CO2 Utilization, 13: 105-113 (2016).
[5] آریان‌فر، لیلی؛ یاری، مرتضی؛ عبدی اقدم، ابراهیم، تحلیل فنی ـ اقتصادی چرخه‌ی تولید توان و گرما با منابع انرژی استان اردبیل، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (۳)۳۶: ۱۶۵ تا ۱۸۵ (۱396).
[6] موسوی، ولی اله؛ فرزانه گرد، محمود؛ احمدی، محمدحسین، تحلیل اگزرژی و اگزرژی ـ اقتصادی سیکل رانکین آلی با محرک انرژی خورشیدی با استفاده از مواد تغییر فاز در مخزن ذخیره سازی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (۳)۳۹: ۲۴۷ تا ۲۵۷ (۱۳۹۹).
[7] Chauvy R., Dubois L., Lybaert P., Thomas D., De Weireld G., Production of Synthetic Natural Gas from Industrial Carbon Dioxide, Applied Energy, 260: 114249 (2020).
[9] لطفی، پوریا؛ ملکی، اکبر؛ شهرکی شهد آبادی، رضا؛ احمدی، محمدحسین، پتانسیل‌سنجی مزرعه‌های خورشیدی با روش‌های تصمیم‌گیری چند معیاره در ایران، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (۳)۴۰: ۲۵۱ تا ۲۷۱ (۱۴۰۰).
[10] Nazerifard R., Khani L., Mohammadpourfard M., Mohammadi-Ivatloo B., Akkurt G.G., Design and Thermodynamic Analysis of a Novel Methanol, Hydrogen, and Power Trigeneration System Based on Renewable Energy and Flue Gas Carbon Dioxide, Energy Conversion and Management, 233: 113922 (2021).
[11] Siddiqui O., Dincer I., Optimization of a New Renewable Energy System for Producing Electricity, Hydrogen and Ammonia, Sustainable Energy Technologies and Assessments, 44: 101023 (2021).
[12] Sherwin E.D., Electrofuel Synthesis from Variable Renewable Electricity: An Optimization-Based Techno-Economic Analysis, Environmental Science and Technology, 55(11): 7583-7594 (2021).
[13] HOMER Pro Software, HOMER Energy, National Renewable Energy Laboratory (NREL).
[14] Rezaei M., Khalilpour K.R., Jahangiri M., Multi-Criteria Location Identification for Wind/Solar Based Hydrogen Generation: The Case of Capital Cities of a Developing Country, International Journal of Hydrogen Energy, 45(58): 33151-33168 (2020).
[15] Strunge T., Naims H., Ostovari H., Olfe-Kräutlein B., Priorities for Supporting Emission Reduction Technologies in the Cement Sector – A Multi-Criteria Decision Analysis of CO2 Mineralisation, Journal of Cleaner Production, 340: 130712 (2022).
[17] Rezk H., Alghassab M., Ziedan H.A., An Optimal Sizing of Stand-Alone Hybrid PV-Fuel Cell-Battery to Desalinate Seawater at Saudi NEOM City, Processes, 8(4): 382 (2020).
[19] Salameh T., Sayed E.T., Abdelkareem M.A., Olabi A.G., Rezk H., Optimal Selection and Management of Hybrid Renewable Energy System: Neom City as a Case Study, Energy Conservation and Management, 244: 114434 (2021).
[20] Elsaraf H., Jamil M., Pandey B., Techno-Economic Design of a Combined Heat and Power Microgrid for a Remote Community in Newfoundland Canada, IEEE Access, 9: 91548-91563 (2021).
[21] Bhagat K., Ye S., Dai C., Lian J., Bhayo M.Z., A Techno‑Economic Investigation of Wind Power Potential in Coastal Belt of Sindh: Preventing Energy Crisis in Pakistan, Journal of Electrical Engineering & Technology, 16: 2893-2907 (2021).
[22] Siemens SWT-3.15-142, The Wind Power (Wind Energy Market Intelligence) (2018).
[23] Vaziri Rad M.A., Ghasempour R., Rahdan P., Mousavi S., Arastounia M., Techno-Economic Analysis of a Hybrid Power System Based on the Cost-Effective Hydrogen Production Method for Rural Electrification, a Case Study in Iran, Energy, 190: 116421 (2020).
[24] Xia T., Rezaei M., Dampage U., Alharbi S.A., Nasif O., Borowski P.F., Mohamed M.A., Techno-Economic Assessment of a Grid-Independent Hybrid Power Plant for Co-Supplying a Remote Micro-Community with Electricity and Hydrogen, Processes, 9(8): 1375 (2021).
[25] Gokcek M., Kale C., Techno-Economical Evaluation of a Hydrogen Refuelling Station Powered by Wind-PV Hybrid Power System: A Case Study for Izmir-Cesme, International Journal of Hydrogen Energy, 43(23): 10615-10625 (2018).
[26] Dincer I., "Comprehensive Energy Systems", Elsevier Inc., 4: 985-1025, (2018).
[27] Maestre V.M., Ortiz A., Ortiz I., Challenges and Prospects of Renewable Hydrogen-Based Strategies for Full Decarbonization of Stationary Power Applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 152: 111628 (2021).
[28] Carmo M., Fritz D.L., Mergel J., Stolten D., A Comprehensive Review on PEM Water Electrolysis, International Journal of Hydrogen Energy, 38(12): 4901-4934 (2013).
[29] Chaichan W., Waewsak J., Nikhom R., Kongruang C., Chiwamongkhonkarn S., Gagnon Y., Optimization of Stand-Alone and Grid-Connected Hybrid Solar/Wind/Fuel Cell Power Generation for Green Islands: Application to Koh Samui, Southern Thailand, Energy Reports, 8(9): 480-493 (2022).
[30] Ayodele T.R., Mosetlhe T.C., Yusuff A.A., Ntombela M., Optimal Design of Wind-Powered Hydrogen Refuelling Station for Some Selected Cities of South Africa, International Journal of Hydrogen Energy, 46(49): 24919-24930 (2021).
[32] Abdul-Wahab S.A., Charabi Y., Al-Mahruqi A.M., Osman I., Design and Evaluation of a Hybrid Energy System for Masirah Island in Oman, International Journal of Sustainable Engineering, 13(4): 288-297 (2020).
[33] Kasaeian A., Rahdan P., Vaziri Rad M.A., Yan W.M., Optimal Design and Technical Analysis of a Grid-Connected Hybrid Photovoltaic/Diesel/Biogas Under Different Economic Conditions: A Case Study, Energy Conversion and Management, 198: 111810 (2019).
[34] Podder A.K., Supti S.A., Islam S., Malvoni M., Jayakumar A., Deb S., Kumar N.M., Feasibility Assessment of Hybrid Solar Photovoltaic-Biogas Generator Based Charging Station: A Case of Easy Bike and Auto Rickshaw Scenario in a Developing Nation, Sustainability, 14(1): 166 (2022).
[35] Umer Khan M., Hassan M., Nawaz M.H., Ali M., Wazir R., Techno-Economic Analysis of PV/Wind/Biomass/Biogas Hybrid System for Remote Area Electrification of Southern Punjab (Multan), Pakistan using HOMER Pro, 4rth International Conference on Power Generation Systems and Renewable Energy Technologies (PGSRET), Islamabad, Pakistan, 10-12 September (2018).
[36] Huang Z., Mu A., Research and Analysis of Performance Improvement of Vanadium Redox Flow Battery in Microgrid: A Technology Review, International Journal of Energy Research, 45(10): 14170-14193 (2021).
[38] Mviri F.S.M., Battery Storage Systems In Electric Power Grid: A Review, Journal of Physics: Conference seires, 2276: 012016 (2022).
[40] Kebede A.A., Coosemans T., Messagie M., Jemal T., Behabtu H.A., Mierlo J.V., Berecibar M., Techno-Economic Analysis of Lithium-Ion and Lead-Acid Batteries in Stationary Energy Storage Application, Journal of Energy Storage, 40: 102748 (2021).
[42] Gillessen B., Heinrichs H.U., Stenzel P., Linssen J., Hybridization Strategies of Power-to-Gas Systems and Battery Storage using Renewable Energy, International Journal of Hydrogen Energy, 42(19): 13554-13567 (2017).
[44] Rezaei M., Dampage U., Das B.K., Nasif O., Borowski P.F., Mohamed M.A., Investigating the Impact of Economic Uncertainty on Optimal Sizing of Grid-Independent Hybrid Renewable Energy Systems, Processes, 9(8): 1468 (2021).
[45] Guaranteed Electricity Purchase Tariff, Satba: Renewable Energy and Energy Efficiency Organization of Iran, Iran’s Ministry of Energy, Progress Report 1400/15224/20/100 (2021).
[46] United States Bank Lending Rate, CEIC data, Progress Report 05/31/2022 (2022).
[47] US Inflation Rate, Ycharts, Progress Report 05/31/2022 (2022).
[48] Rezk H., Kanagaraj N., Al-Dhaifallah M., Design and Sensitivity Analysis of Hybrid Photovoltaic-Fuel-Cell-Battery System to Supply a Small Community at Saudi NEOM City, Sustainability, 12(8): 3341 (2020).
[49] Almutairi K., Hosseini Dehshiri S.S., Hosseini Dehshiri S.J., Mostafaeipour A., Issakhov A., Techato K., A Thorough Investigation for Development of Hydrogen Projects from Wind Energy: A Case Study, International Journal of Hydrogen Energy, 46(36): 18795-18815 (2021).
[50] Almutairi K., Hosseini Dehshiri S.S., Hosseini Dehshiri S.J., Mostafaeipour A., Jahangiri M., Techato K., Technical, Economic, Carbon Footprint Assessment, and Prioritizing Stations for Hydrogen Production using wind Energy: A Case Study, Energy Strategy Reviews, 36: 100684 (2021).
[51] Esmaeilion, F., Soltani M., Nathwani J., Al-Haq A., Design, Analysis, and Optimization of a Novel Poly-Generation System Powered by Solar and Wind Energy, Desalination, 543:116119 (2022).
[52] Nasser M., Megahed T.F., Ookawara S., Hassan H., Performance Evaluation of PV Panels/Wind Turbines Hybrid System for Green Hydrogen Generation and Storage: Energy, Exergy, Economic, and Enviroeconomic, Energy Conversion and Management, 267:115870 (2022).