Jeotermal enerji kaynaklı birleşik ısı-güç sistemlerinin termodinamik analizi

Abstract

Bu çalışmada, jeotermal enerji kaynaklı onüç farklı kombinasyonda bütünleşik çoklu kullanım sistemlerinin termodinamik modellenmesi ve analizi gerçekleştirilmiştir. Uygulamalar ana hatlarıyla dört farklı ana grup altında incelenmiştir. Bu gruplar sırasıyla; (i) ısıtma dönemi için uygulamalar, (ii) soğutma dönemi için uygulamalar, (iii) elektrik üretimi birleşik sistemler ve (iv) elektrik üretimi hariç sistemlerdir. Çalışma sırasında her bir enerji sistemi için detaylı iş akış grafikleri ve tablolar oluşturulmuştur. Tüm sistem ve elemanları için enerji ve ekserji verimleri tespit edilerek detaylı bir biçimde verilmiştir. Ayrıca dış referans çevre sıcaklık dağılımına bağlı olarak ekserji verim değerindeki yüzdesel değişim ve ortalama ekserji verimleri tespit edilmiştir. Bu tarz bir yaklaşıma literatürde henüz raslanmamıştır. Bu çalışmada literatüre katkı sağlaması düşünülen üç yeni ekserjetik parametre de verilmektedir. Bunlar sırasıyla: Toplam Ekserji Yıkım Oranı, Sistem Elemanları Ekserji Yıkım Oranı ve Boyutsuz Ekserji Yıkım Oranı'dır. Bu üç parametre için detaylı grafikler her bir sistem için ayrıntılı verilmektedir. Bu çalışmada her bir sistem elemanı ve toplamda oluşan iyileştirilebilirlik potansiyelleri hesaplanarak verilmiştir. Jeotermal enerji sistemleri için literatüre yakın bir dönemde tanıtılan enerjetik yenilenebilirlik oranı, ekserjetik yenilenebilirlik oranı, sistem enerjetik reenjeksiyon oranı ve sistem ekserjetik reenjeksiyon oranı olarak adlandırılan parametrelerin de detaylı incelemesi yapılmıştır. Böylece sistemler arasında daha sağlıklı bir karşılaştırma yapılabilme olanağı ortaya çıkmış bulunmaktadır. Tüm bu modelleme ve analizler sonucunda literatürde ilk kez bu kadar kapsamlı bir analiz oluşturulmuştur. Bu konuda çalışma yapacak araştırmacılara ve uygulamacılara yön gösterici bir çalışma olmuştur. Elde edilen sonuçların ana hatları kısaca şu şekilde verilebilir: (i) Elektrik üretimi ile bütünleşik sistemler, elektrik üretimiyle entegre edilmemiş sistemlerle karşılaştırıldığında ekserji verim değerlerinde kayda değer bir azalmanın olduğu görülmektedir. Elektrik üretimiyle birleşik sistemlerin aksine ekserji verimleri hiçbir surette enerji verimlerinin üzerine çıkamamaktadır. Elektrik üretimi birleşik sistem ekserjetik verimlerinin yukarı çekilmesinde oldukça pozitif bir katkı sağlamaktadır. (ii) Tüm sistemler için ekserji verimleri % 10 ile % 60 arasında değişim göstermektedir. Enerji verim değerleriyse % 7 ile % 80 arasında değişmektedir.

In this study, thermodynamic modelling and analysis of geothermal energy based multi-generation systems which are embedded in thirteen different combinations are performed. Systems are mainly examined under four distinct main groups. These groups are (i) applications for heating period, (ii) applications for cooling period, (iii) systems with embedded electricity generation and (vi) systems excluding electricity generation. During this study, detailed work flow charts and tables are prepared for each energy system. Energetic and exergetic efficiencies are detected for the whole system and its components and presented in detail. Furthermore, percentage change in exergetic efficiency value and average exergetic efficiencies are detected depending on outdoor reference ambient temperature distribution. Such a new approach is yet to be present in the literature. In this study three different exergetic parameters, which are expected to contribute to the literature, are also given. These are Total Exergy Destruction Ratio, Component Exergy Destruction Ratio, and Dimensionless Exergy Destruction. For each system detailed graphs for all these three parameters are given. Improvement potentials for every system component and the overall potential are calculated and presented in the study. Moreover, parameters introduced previously to the literature for geothermal energy systems are studied in detail. These four parameters are energetic renewability rate, exergetic renewability rate, system energetic re-injection rate and system exergetic re-injection rate. By this way, it is made possible to make a more reliable comparison between the systems. As a result of all the modeling and analyses such a comprehensive analysis is prepared for the first time in the literature. In this way a study which will serve as a beacon for the researchers working on this subject is produced. In general terms the obtained results can be given as follows; (i) When systems with embedded electricity generation are compared with systems integrated with electricity generation a substantial decrease in exergetic efficiency values is observed. Contrary to systems combined with electricity generation exergetic efficiencies cannot surpass energy efficiencies in any way. System combined with electricity generation has a significant positive effect in increasing exergetic efficiencies. (ii) For all systems, exergy efficiencies vary between 10 % and 60 %. Energy efficiency values on the other hand vary between 7 % and 80 %.