Μοντελοποίηση και ενεργειακή ανάλυση υβριδικής μονάδας συνδυασμένου κύκλου με καύσιμο πράσινο υδρογόνο

Μιχαηλίδης, Γεώργιος; Michailidis, Georgios

dc.contributor.author	Μιχαηλίδης, Γεώργιος	el
dc.contributor.author	Michailidis, Georgios	en
dc.date.accessioned	2024-05-31T09:37:55Z
dc.date.available	2024-05-31T09:37:55Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59597
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.27293
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Αεριοστρόβιλος ανοιχτού κύκλου	el
dc.subject	Πράσινο υδρογόνο	el
dc.subject	Αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας	el
dc.subject	Cogeneration plant (CHP)	en
dc.subject	Hydrogen	en
dc.subject	Gas turbine open cycle	en
dc.subject	RES energy storage	en
dc.title	Μοντελοποίηση και ενεργειακή ανάλυση υβριδικής μονάδας συνδυασμένου κύκλου με καύσιμο πράσινο υδρογόνο	el
dc.title	Modeling and energy analysis of a hybrid combined Cycle Unit with Green Hydrogen Fuel	en
heal.type	bachelorThesis	el
heal.classification	Ενεργειακά	el
heal.language	el	el
heal.access	free	el
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-03-06
heal.abstract	Τις τελευταίες δεκαετίες η επιστημονική κοινότητα εκφράζει όλο και περισσότερες ανησυχίες για τις επιπτώσεις της χρήσης ορυκτών καυσίμων στο κλίμα και τον άνθρωπο. Η ανθρωπότητα βρίσκεται αντιμέτωπη με μη αναστρέψιμα φαινόμενα που απειλούν την παγκόσμια οικονομία και κοινωνία, όπως την κλιματική αλλαγή, την απώλεια βιοποικιλότητας, την αλλαγή του pH των ωκεανών. Η αντιμετώπιση της απειλής από την κλιματική αλλαγή οδηγεί στην υιοθέτηση πολιτικών μετασχηματισμού του ενεργειακού συστήματος με σκοπό τον δραστικό περιορισμό των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα από την καύση ορυκτών καυσίμων. Η Ευρωπαϊκή Ένωση πρωτοστατεί θέτοντας φιλόδοξους στόχους για τη μείωση των εκπομπών και έχοντας ως βασικό σκοπό τη μετάβαση σε μία οικονομία κλιματικής ουδετερότητας με μηδενικές εκπομπές άνθρακα μέχρι το 2050. Ο στόχος της επίτευξης της κλιματικής ουδετερότητας συνεπάγεται πολλές προκλήσεις και ερωτήματα σχετικά με τους τρόπους μετάβασης και τις πιθανές στρατηγικές για τη μείωση των εκπομπών. Παρά την αποφασιστικότητα πολλών διεθνών θεσμών να απανθρακοποιήσουν τα παγκόσμια ενεργειακά συστήματα, η διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας παρεμποδίζεται επί του παρόντος από την τυχαιότητα της διαθεσιμότητας της ενέργειας, γεγονός που καθιστά το ενεργειακό σύστημα ανασφαλές και μη ευέλικτο λόγω αναπόφευκτων αναντιστοιχιών μεταξύ προσφοράς και ζήτησης. Η επίτευξη φιλόδοξων περιβαλλοντικών στόχων προϋποθέτει την είσοδο νέων τεχνολογιών αλλά και την ενίσχυση των αλληλεπιδράσεων και των συνεργασιών διαφόρων τομέων ενέργειας (ηλεκτρισμού, θερμότητας, υδρογόνου και αερίου). Καθίσταται επομένως ζωτικής σημασίας η δυνατότητα αποθήκευσης της ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας (EES) που παράγουν τα συστήματα ΑΠΕ, σε περιόδους χαμηλής ζήτησης και υψηλής παραγωγής από ΑΠΕ ώστε αυτή να χρησιμοποιείται σε μεταγενέστερο χρόνο. Με αυτόν τον τρόπο δύναται να αντιμετωπιστεί ο απρόβλεπτος χαρακτήρας των ΑΠΕ και να αυξηθούν κατά πολύ τα ποσοστά διείσδυσης τους στο ενεργειακό σύστημα. Για τον σκοπό στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε η μοντελοποίηση και η ενεργειακή ανάλυση ενός υφιστάμενου σταθμού ηλεκτροπαραγωγής αεριοστροβίλου συνδυασμένου κύκλου της Ελληνικής Βιομηχανίας Αλουμινίου σε ένα υβριδικό ενεργειακό σύστημα με καύσιμο πράσινο υδρογόνο. Συγκεκριμένα, το πράσινο υδρογόνο που παράγεται από την πλεονάζουσα ενέργεια από ΑΠΕ χρησιμοποιείται ως καύσιμο για την παραγωγή ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας. Θα μελετηθεί συστήματα μεσαίας κλίμακας (medium- scale) έως και 331,58ΜWe ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας, όπου η συμπαραγωγή θα πραγματοποιείται μέσω αεριοστρόβιλου ανοιχτού κύκλου και ατμοστροβίλου σε συνδυασμό με λέβητα ανάκτησης θερμότητας και τον κύκλο Νερού-Ατμού. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το ζήτημα της ανάγκης αποθήκευσης ενέργειας στα σύγχρονα ενεργειακά συστήματα και μετάβασης προς ένα ενεργειακό σύστημα με χαμηλές εκπομπές άνθρακα και αρκετά στοιχεία που αφορούν τους μελλοντικούς στόχους της Ευρωπαϊκής Ένωσης για το ενεργειακό της δίκτυο. Στη συνέχεια γίνεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση των διάφορων τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας, ενώ αναλύεται πιο λεπτομερώς η τεχνολογία Power-to-H2. Τέλος παρουσιάζονται με βάση τη βιβλιογραφία τα κυριότερα έργα Power-to-H2-to-Power που έχουν υλοποιηθεί στην Ευρώπη από το 2000-2023. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται η σημασία του υδρογόνου ως ενεργειακού φορέα. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται τα βασικά χημικά και ενεργειακά χαρακτηριστικά του υδρογόνου και τα διάφορα «χρώματα» στα οποία κατηγοριοποιείται ανάλογα με τη μέθοδο παραγωγής του. Έπειτα γίνεται μια σύντομη περιγραφή της θερμοδυναμικής της ηλεκτρόλυσης και μετά παρουσιάζονται οι βασικότερες τεχνολογίες ηλεκτρόλυσης: η Αλκαλική Ηλεκτρόλυση (Alkaline Electrolysis), η Ηλεκτρόλυση Πολυμερούς Μεμβράνης (PEM Electrolysis) και η Ηλεκτρόλυση με χρήση Στερεών Οξειδίων (SOEC Electrolysis). Ακόμα, αναφέρεται η χρήση του υδρογόνου ως καύσιμο για παραγωγή ενέργειας σε διάφορες τεχνολογίες. Επιπλέον, εφόσον στο σύστημα που μελετάται υπάρχει συμβατική μονάδα συμπαραγωγής με αεριοστρόβιλο ανοιχτού κύκλου, αναφέρονται κάποια στοιχεία θεωρίας. Αναλύεται η λειτουργία του αεριοστροβίλου και του συνδυασμένου κύκλου, ορίζεται η συμπαραγωγή και αναλύονται τα συστήματα συμπαραγωγής με αεριοστρόβιλο ανοιχτού κύκλου καθώς και με συνδυασμένο κύκλο. Τέλος εξετάζεται με βάση την βιβλιογραφία η προοπτική καύσης 100% Η2 σε αεριοστροβίλους. Στο τρίτο κεφάλαιο της εργασίας αναλύεται λεπτομερώς η διαδικασία μοντελοποίησης της μονάδας συμπαραγωγής με αεριοστρόβιλο (CCGT). Το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε είναι το Aspen PlusTM V11 της εταιρίας AspenTech. Η προσομοίωση πραγματοποιήθηκε σε μόνιμες συνθήκες και ως θερμοδυναμικό μοντέλο χρησιμοποιήθηκε η καταστατική εξίσωση Peng-Robinson με τροποποιήσεις Boston Mathias (PR-BM) για το κομμάτι του αεριοστροβίλου, ενώ για τον κύκλο νερού-ατμού χρησιμοποιήθηκε το θερμοδυναμικό μοντέλο SΤΕΑΜNBS που βασίζεται σε πίνακες νερού-ατμού. Στο παρόν κεφάλαιο αναλύεται το Βασικό Σενάριο στο οποίο πραγματοποιείται καύση 100% φυσικού αερίου. Το μοντέλο χωρίζεται σε πέντε τμήματα για την καλύτερη εποπτεία : το τμήμα αεριοστροβίλου, το τμήμα του λέβητα ανάκτησης θερμότητας, το τμήμα του ατμοστροβίλου, το τμήμα των συμπυκνωτών και το τμήμα των αντλιών. Τέλος, ορίζονται οι βασικές σχέσεις υπολογισμού των μεγεθών της συμπαραγωγής που θα χρησιμοποιηθούν. Στο τέταρτο κεφάλαιο της εργασίας υπολογίζονται τα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά της συμπαραγωγής για το Βασικό Σενάριο και το Σενάριο 1 ενώ για το Βασικό Σενάριο πραγματοποιείται μια ανάλυση ευαισθησίας σε επιδράσεις των διαφόρων λειτουργικών καταστάσεων της συμπαραγωγής και στη συνολική αποδοτικότητα της μονάδας. Επιπλέον, στο ίδιο κεφάλαιο πραγματοποιείται ανάλυση ευαισθησίας ως προς την θερμική υποκατάσταση του καυσίμου της μονάδας με υδρογόνο σε ποσοστό 10-100% για τα σενάρια τα οποία έχουμε 100% ηλεκτροπαραγωγή και αποκλειστική παραγωγή θερμότητας (Σενάριο 2 και 3). Εξετάζεται η μεταβολή του βαθμού απόδοσης του αεριοστροβίλου καθώς και του ηλεκτρικού, θερμικού και συνολικού βαθμού απόδοσης συμπαραγωγής της μονάδας για κάθε σενάριο. Τέλος παρουσιάζονται και οι εκπομπές CO2 και NOx όπως υπολογίζονται με αύξηση του ποσοστού θερμικής υποκατάστασης υδρογόνου. Επίσης στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια οικονομική ανάλυση μιας υποθετικής μονάδας Power-to-H2- to-Power για το Σενάριο 2. Συγκεκριμένα υπολογίζονται ως συνάρτηση του ποσοστού θερμικής υποκατάστασης υδρογόνου, του συντελεστή εκμετάλλευσης της μονάδας ηλεκτρόλυσης και για το 100% φορτίο του GT, το σταθμισμένο κόστος παραγωγής υδρογόνου (Levelized Cost of Hydrogen Production), το σταθμισμένο κόστος ηλεκτρικής ενέργειας (Levelized Cost of Electricity) για έτη αναφοράς 2023 και 2030 με σκοπό να ελεγχθεί η εμπορική βιωσιμότητα μιας τέτοιας μονάδας. Τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο της εργασίας παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διπλωματικής εργασίας και προτείνονται θέματα για μελλοντική έρευνα.	el
heal.advisorName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Κακαρά, Εμμανουήλ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Θερμικών Διεργασιών	el
heal.academicPublisherID	ntua	el
heal.numberOfPages	117 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false