بخشی از مقاله
نقش سیستم هاي هیبریدي توربین گاز و پیل سوختی اکسید جامد در تامین انرژي
چکیده
با توجه به روند رو به رشد مصرف انرژي در جهان و آثار آن بر محیط زیست، استفاده از روشها و سیستمهاي تولید توان که علاوه بر بازدهی بالا آلودگی کمتري نیز داشته باشند، در اولویت قرار گرفته اند. پیل هاي سوختی دما بالا از قبیل پیل هاي سوختی اکسید جامد1 و کربنات مذاب2 به دلیل بازدهی بالا در تبدیل انرژي شیمیایی سوختهاي فسیلی به انرژي الکتریکی و انتشار ناچیز آلاینده ها، یکی از این موارد می باشند. قابلیت پیل هاي سوختی دما بالا در ترکیب با سیکل هاي تولید توان سبب شده است که سیستم هیبریدي حاصل به عنوان پیشنهادي براي سیستمهاي حرارتی جدید مد نظر باشد. سیستمهاي هیبریدي، سیستمهاي تولید توانی هستند که در آنها یک موتور گرمایی مانند توربین گاز با یک موتور غیر گرمایی مانند پیل سوختی به صورت مستقیم و غیرمستقیم ترکیب می شود. با توجه به بازدهی بالاي این نوع از سیستمهاي هیبریدي نسبت به توربین گاز یا پیل سوختی تنها و همچنین نظر به کاهش میزان آلایندگی، سیستم هاي مذکور تأثیر بسزایی در نحوه تولید توان و انرژي را در آینده نزدیک ایفا خواهند نمود. هدف از ارائه این مقاله معرفی انواع مختلف سیستمهاي هیبریدي توربین گاز و پیل سوختی اکسید جامد، مقایسه عملکرد آنها با هم و در نهایت انتخاب یک سیستم تولید توان مناسب می باشد.
کلمات کلیدي: سیستمهاي هیبریدي - توربین گاز - پیلسوختی اکسید جامد
-1 مقدمه
بحران انرژي در عصر حاضر یکی از چالشهاي پیش روي بشر میباشد. امروزه تقاضاي انرژي به طور پیوسته در حال افزایش بوده و در آینده نیز این روند ادامه پیدا خواهد کرد. براساس مفاد پیمانی که در دسامبر 1997 در کنفرانس کیوتو به تصویب رسید، صنایع مرتبط با انرژي در تمام کشورها نه تنها با مشکل پیدا کردن راهی براي تولید توان بیشتر با بازدهی بالا روبرو خواهند بود، بلکه باید توجه خاصی به محیط زیست و بهره برداري بهینه از منابع طبیعی مبذول دارند.
توربینهاي گازي از جمله سیستمهایی میباشند که از سالها پیش در تولید انرژي الکتریکی نقش موثري داشتهاند. عامل اصلی توسعه توربینهاي گازي با توان و کارایی بالا، دسترسی به گاز طبیعی با قیمت ارزان می باشد..[1] طبق پیش بینی هاي انجام شده توسط آژانس بین المللی انرژي3 عمده تولید برق در آینده بر پایه توربینهاي گازي خواهد بود. لذا دستیابی
به فناوري تولید با بازده بالا، آلودگی کمتر و همچنین هزینه تعمیر و نگهداري پایین از ملزومات ضروري تولید انرژي الکتریکی می باشد. به کارگیري توربین هاي گازي در سیکل هاي نوین یکی از راهکارهاي برآوردن این مهم می باشد.[2]
با توجه به رشد روز افزون استفاده از انرژيهاي تجدید ناپذیر، محدودیت این منابع و مشکلات زیست محیطی ناشی از بکارگیري آنها، سبب توجه جهانیان به تنوع استفاده از انواع انرژي و بهره گیري از منابع جدید انرژي با استفاده از روش هاي پایدار، ایمن و سازگار با محیط زیست شده است. در این میان با توجه به ویژگی هاي خاص هیدروژن پیشبینی می-
شود که بخش عمده اي از انرژي مورد نیاز نسل هاي آینده از این ماده تامین گردد، به گونه اي که برخی از صاحب نظران عصر آتی را متعلق به هیدروژن و فناوري مربوط به آن می دانند.[3] فناوري پیل سوختی که در آن هیدروژن طی یک سري واکنشهاي الکتروشیمیایی با اکسیژن تولید الکتریسیته و حرارت می کند، یکی از بهترین گزینههاي تولید انرژي الکتریکی در آینده محسوب می گردد.[3] از مزایاي این فناوري میتوان به تولید ناچیز آلاینده هاي زیست محیطی، راندمان بالا نسبت به فناوري هاي دیگر، امکان استفاده همزمان از انرژيالکتریکی و حرارتی تولید شده توسط پیل، دامنه گسترده تولید توان از نانو وات تا چندین مگاوات، کاربرد در صنایع مختلف نظیر حملونقل، نظامی، هوافضا و ...، تنوع سوخت مصرفی جهت تولید هیدروژن لازم براي راه اندازي پیل سوختی، نداشتن قطعه متحرك و کاهش نیاز به تعمیرات، آلودگی صوتی پایین و ... اشاره کرد. این فناوري سازگاري بسیار خوبی با مفاد پیمان کیوتو داشته و میتواند به عنوان یک جایگزین براي موتورهاي کم بازده با آلایندگی بالا، استفاده شود.
با توجه به موارد فوق امروزه ترکیب پیلهاي سوختی با سیکل توربین گاز مورد توجه بسیاري از پژوهشگران قرار گرفته است.[12-4] همانطور که در شکل (1) مشاهده میشود، سیستم هیبریدي حاصل داراي راندمان بالایی نسبت به پیل-
سوختی و سیکل توربینگاز تنها بوده و پژوهشگران زیادي به همراه شرکت هاي سازنده متعدد در پی تجاري کردن این سیستم و همچنین افزایش توان و بازده آن می باشند.[12-4]
شکل -1 مقایسه عملکرد سیستم هیبریدي با پیل سوختی و سیکل توربینگاز
در این مقاله ترکیب توربین گاز به عنوان یک سیستم تولید انرژي سنتی با پیل سوختی به عنوان یک سیستم جدید تولید انرژي مورد بررسی قرار گرفته است. هدف از ارائه این مقاله معرفی انواع سیستمهاي هیبریدي و مقایسه عملکرد آنها با یکدیگر و در نهایت انتخاب یک سیستم تولید توان مناسب میباشد.
-2 سیستمهاي هیبریدي
گرماي حاصله از واکنش هاي الکتروشیمیایی یک پیل سوختی دما بالا را می توان در یک موتور حرارتی مناسب، جهت افزایش عملکرد کلی آن بکار برد. سیستمهاي هیبریدي اشاره شده شامل پیل سوختی به عنوان جزء بالایی4 و موتور حرارتی به عنوان سیکل زیرین5 می باشنداساساً. چهار نوع سیکل زیرین در این نوع از سیستمهاي هیبریدي بکار برده میشوند که عبارتند از، سیکل توربینبخار، سیکل توربینگاز، سیکل موتور استرلینگ و سیکلهاي ترکیبی.
توربینهاي گازي در اوایل سالهاي 1900 میلادي با توجه به پیشرفتهاي مهندسی پایهگذاري شده و در اواخر سالهاي
1930 میلادي نیز استفاده از آنها به منظور تولید توان آغاز گردید.[1] فشردگی توربینهايگازي، وزن کم، قابلیت استفاده از سوختهاي مختلف، هزینه نگهداري و آلایندگی کمتر سبب مقبولیت زیاد این سیستمهاي تولید انرژي شده است. با توجه به موارد اشاره شده امروزه سیکل توربین گاز به عنوان رایجترین سیکل زیرین در سیستمهاي هیبریدي مورد استفاده قرار گرفته است. ایده اولیه استفاده از سیستم هیبریدي توربین گاز و پیل سوختی در اواسط سال 1970 مطرح شد و تا کنون بیش از دهها ایده در این زمینه ثبت گردیده است.[12-4] در این سیستم هیبریدي پیشنهادي یک پیلسوختی دما بالا جایگزین محفظه احتراق در سیکل توربینگازي گردید (شکل .((2)
شکل -2 شماتیک ترکیب یک سیکل توربین گازي و پیل سوختی[4]
با توجه به دماي کارکرد بالاي سیکل توربین گاز، لزوم استفاده از پیلهاي سوختی دما بالا در ترکیب با این سیکل تولید توان وجود دارد. پیلهاي سوختی اکسید جامد (SOFC) و کربنات مذاب (MCFC) از جمله پیلهاي سوختی میباشند که داراي دماي کارکرد بالایی هستند.[3] در این میان پیل سوختی اکسید جامد به دلیل راندمان و دماي کارکرد بالاتر، قابلیت بیشتري براي استفاده در سیستمهاي تولید توان یا تولید همزمان توان و گرما(CHP) 6 را داراست. پیل سوختی اکسید جامد همواره مقادیر قابل توجهی گرما و انرژي با کیفیت بالا تولید میکند. نحوه استفاده از این گرما به موثرترین روش،اخیراً توجهات زیادي را به خود جلب کرده است. از آنجا که یک توربین گاز در اثر انبساط گازهاي گرم شده کار تولید میکند، لذا از گزینه هایی می باشد که براي ترکیب با این نوع پیلها در نظر گرفته می شود. امروزه شرکت هاي زیادي در زمینه تجاري کردن سیستمهاي هیبریدي توربین گاز و پیل سوختی اکسید جامد در حال تحقیق و پژوهش می باشند.[5] شکل (3) نمایی از یک سیستم هیبریدي توربین گاز و پیل سوختی اکسید جامد ساخت شرکت زیمنس وستینگهاوس را نشان می دهد.[5]
شکل-3 اولین سیستم هیبریدي ساخته شده توسط شرکت زیمنس وستینگهاوس[5]
بطور کلی سیکل توربینگاز را میتوان به دو روش مستقیم و یا غیرمستقیم با یک پیل سوختی دما بالا ترکیب نمود. در ادامه هر دو سیستم هیبریدي مستقیم و غیرمستقیم بطور کامل شرح داده خواهند شد.
-3 سیستمهاي هیبریدي مستقیم7
زمانی که سیال عامل عبوري از سیکل توربینگاز و پیلسوختی یکسان میباشد، سیستم مورد نظر یک سیستم هیبریدي با تماس حرارتی مستقیم نامیده می شود. این نوع سیستمهاي هیبریدي به چهار روش کلی زیر ایجاد می شوند:
جایگزینی محفظه احتراق سیکل توربینگاز با یک پیلسوختی دما بالا، جایگزینی محفظه احتراق سیکل توربینگاز با یک پیلسوختی و یک مبدل حرارتی، قرار گرفتن یک پیلسوختی دما بالا در پاییندست یا بالادست محفظه احتراق سیکل توربینگاز، قرار گرفتن یک پیلسوختی دما بالا در پایین دست توربین گاز.
پیلسوختی بکار رفته در این نوع از سیستمهاي هیبریدي، اغلب تحت فشار معینی قرار میگیرد. تحت فشار قرار گرفتن پیل توان خروجی از آن را افزایش میدهد، اما به تناسب چالشهاي بیشتري در طراحی و کنترل سیستم هیبریدي ایجاد می کند. به دلیل فشار بالاي ایجاد شده در پیلسوختی، بدنه آن در این روش نیاز به درزگیريهاي قابل اعتمادي دارد. در این سیستم سوخت و اکساینده اي که در پیل واکنش ندادهاند، در دماي بالایی از پیل خارج شده و در یک پس سوز یا محفظه احتراق ثانویه سوخته و انرژي گرمایی لازم براي توربینگاز را فراهم میآورند. برتري قابل توجه این سیستم آلودگی بسیار کم آن نسبت به توان تولیدي و بازده بالاي آن می باشد. در این نوع از سیستمهاي هیبریدي اغلب توان خروجی از توربین گاز حدود یک سوم توان کل سیستم هیبریدي می باشد. سیستمهاي هیبریدي با تماس حرارتی مستقیم از نظر کاربرد به پنج دسته تقسیم می شوند:[12]
- ترکیب مستقیم پیل سوختی اکسید جامد تحت فشار با سیکل توربینگاز ساده،
- ترکیب مستقیم پیل سوختی اکسید جامد تحت فشار با سیکل توربینگاز و سیکل چنگ،
- ترکیب مستقیم پیل سوختی اکسید جامد تحت فشار با سیکل توربینگاز به همراه بازگرمایش هوا،
- ترکیب مستقیم پیلسوختی اکسید جامد اتمسفري با سیکل توربینگاز،
در ادامه هر چهار روش معرفی شده در بالا به طور جداگانه مورد بررسی قرار می گیرند.
-1-3 ترکیب مستقیم پیل سوختی اکسید جامد تحت فشار با سیکل توربین گاز ساده8
شکل (4) یک سیستم هیبریدي شامل ترکیب یک پیلسوختی اکسید جامد تحت فشار با سیکل توربینگاز ساده را نشان می دهد. در این سیستم هواي خروجی کمپرسور وارد یک بازیاب گرمایی می گردد که جریان گرم آن از خروجی توربین تامین می شود. این هوا پس از گرم شدن وارد یک پیل سوختی اکسید جامد می گردد. از طرف دیگر سوخت نیز با فشار بالا وارد پیلسوختی شده و در نتیجه طی یک سري واکنش الکتروشیمیایی بین هوا و سوخت توان معینی تولید میگردد.
از آنجائیکه واکنش الکتروشیمیایی انجام گرفته در پیلسوختی اکسید جامد گرمازا می باشد، لذا دماي هوا و سوخت در داخل پیلسوختی زیاد میگردد. در ادامه گازهاي داغ خروجی از پیل سوختی وارد محفظه احتراق شده و یا در گونه اي دیگرمستقیماً وارد توربین می گردند. فشار کاري سیکل در این حالت می تواند بین 3 الی 10 اتمسفر باشد.
در این نوع از سیستمهاي هیبریدياکثراً سوخت بکاررفته از نوع گاز طبیعی بوده و هیچگونه سوخت اضافی در محفظه احتراق مصرف نمی شود. جهت افزایش راندمان این سیستمها، فرایند تراکم هوا می تواند در دو مرحله انجام شده و در بین هر دو مرحله عمل خنک کاري صورت گیرد. در این حالت هوا با دماي کمتري وارد مبدل حرارتی و سپس پیلسوختی خواهد شد. به دلیل کاهش دما در ورودي پیل سوختی این روش فقط در نسبت فشارهاي بالا توصیه می شود و براي افزایش دما استفاده از یک مبدل حرارتی دیگر بین پیل و مبدل اولیه نیز توصیه می گردد.
شکل-4 شماتیک ترکیب مستقیم پیل سوختی اکسید جامد تحت فشار با سیکل توربین گاز ساده. (a شماتیک سیستم هیبریدي
( b . دیاگرام [12] T-S
-2-3 ترکیب مستقیم پیل سوختی اکسید جامد تحت فشار با سیکل توربینگاز و سیکل چنگ9
سیکل چنگ براي اولین بار توسط پرفسور چنگ در سال 1976 ارائه گردید.[12] تحقیقات انجام شده در این زمینه نشان می دهد که استفاده از این سیکل در یک سیستم هیبریدي راندمان آن را بهبود می بخشد. در این سیستم هیبریدي همانطور که در شکل (5) نیز مشاهده می شود، براي تولید بخار یک بازیاب یا مبدلحرارتی دیگر10 به سیستم هیبریدي اضافه می گردد. آب پس از ورود به این مبدل حرارتی در اثر انرژي حرارتی گازهاي خروجی از توربین گاز تبدیل به بخار گردیده و در ادامه بخار تولید شده به گازهاي خروجی از محفظه احتراق تزریق می گردد. استفاده از این بازیاب راندمان
