تحليل سيستم توليد هيدروژن سبز بر اساس الكترولايزر غشا پليمري و انتقال آن به خط لوله گاز شهري

كارشناسي ارشد

هيدروژن مي‌تواند يكي از حائز اهميت‌ترين انرژي‌هاي قابل استفاده در مصارف خانگي، وسايل حمل و نقل و همچنين در صنعت باشد. همچنين يكي ديگر از كاربرد‌هاي هيدروژن تزريق به خط لوله گاز شهري به منظور كربن‌زدايي است. در اين پژوهش براي تزريق هيدروژن به مقدار 5/9 درصد از جرم مولي گاز طبيعي، به خط لوله گاز شهري نيازمند 69/20 مول بر ثانيه هيدروژن مي‌باشد. الكترولايزر غشا پليمري به دليل داشتن بازده بالا نسبت به ساير الكترولايزر‌ها مورد استفاده قرار گرفته است. براساس مدل‌سازي رياضي الكترولايزر براي توليد هيدروژن مورد نظر، نيازمند 3230 سلول با مساحت 2500 سانتي‌مترمربع در چگالي جريان 5/0 آمپر بر سانتي‌متر مربع است. فشار هيدروژن توليدي براي تزريق به خط لوله گاز شهري برابر با 23/17 بار مي‌باشد. براي رساندن هيدروژن توليدي به فشار مورد نياز، از كمپرسور الكتروشيميايي استفاده مي‌شود. براي افزايش فشار نيازمند 1600 سل با مساحت 2500 سانتي‌مترمربع براي كمپرسور الكتروشيميايي در چگالي جريان 1 آمپر بر سانتي‌متر مربع است. توان مصرفي الكترولايزر و كمپرسور الكتروشيميايي براي تزريق 5/9 درصد هيدروژن در 3 ژوئن (حداكثر تابش خورشيدي شهر اصفهان) با احتساب تلفات برابر با 64/6 مگاوات است كه توسط سامانه فتوولتائيك يا 12991 پنل STP550S-C72/Vmh توليد مي‌شود. در مرحله بعد به بررسي توليد هيدروژن در متوسط و حداقل تابش خورشيدي در 12 نوامبر و 3 ژانويه پرداخته شد كه امكان تزريق 6 و 5/3 درصد هيدروژن را فراهم مي‌سازد. فشار كاري بر عملكرد الكترولايزر و كمپرسور بسيار موثر است. با در نظر گرفتن فشار الكترود كاتد الكترولايزر برابر با 23/17 بار كه برابر با فشار مورد نياز خط لوله گاز شهري است؛ عملاً كمپرسور حذف مي‌شود. نتايج نشان مي‌دهد كه افزايش فشار منجر به افزايش توان مصرفي الكترولايزر و كاهش بازده انرژي و اگزرژي آن مي‌باشد. افزايش فشار در سمت ورودي كمپرسور الكتروشيميايي (الكترود آند) منجر به كاهش توان مصرفي مي‌شود. جايگزيني كمپرسور الكتروشيميايي با مكانيكي و مقايسه اين دو باهم نيز در ادامه بحث تأثير فشار مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان مي‌دهد در يك فشار مشخص، توان مصرفي كمپرسور مكانيكي بسيار بالاتر از توان مصرفي كمپرسور الكتروشيميايي مي‌باشد. در ادامه تأثير دما، ضخامت غشا و محتواي آب غشا نيز بر عملكرد سيستم بررسي شد. نتايج نشان مي‌دهد كه افزايش دما منجر به كاهش ولتاژ كلي الكترولايزر و كمپرسور شده و در نتيجه توان مصرفي كاهش و راندمان انرژي و اگزرژي بالا مي‌رود. افزايش ضخامت غشا سبب افزايش افت ولتاژ اهميك در الكترولايزر و كمپرسور شده و در نتيجه راندمان انرژي و اگزرژي كاهش مي‌يابد. از آن طرف افزايش محتواي آب، منجر به كاهش افت ولتاژ اهميك و پايين آمدن توان مصرفي مي‌شود.

229726

دانشگاه اصفهان

مهندسي مكانيك - تبديل انرژي

ابراهيم افشاري , مهدي مشرف دهكردي