Jeotermal ve güneş enerjisinin elektrik ve hidrojen üretimi, Isıtma ve soğutma için kullanılmasının Yapay sinir ağları ile modellenmesi, Termoekonomik analizi ve optimizasyonu

Abstract

Bu tezin amacı, jeotermal ve güneş enerjisinin elektrik ve hidrojen üretimi ile birlikte ısıtma ve soğutma için kullanılması amacıyla uygun modellerin geliştirilmesidir. Geliştirilen modellerin termodinamik ve termoekonomik analizlerinin ardından Yapay Sinir Ağları (YSA) kullanılarak tasarımı ve Genetik Algoritma yöntemi ile optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma sonucunda, ihtiyaç duyulan farklı enerji formlarının üretilmesinde jeotermal ve güneş enerjisinin en uygun sistem ve sistem kombinasyonları ile uygun çalışma şartlarında kullanılması hedeflenmiştir. Farklı jeotermal kaynak sıcaklıklarında ve güneş ışınımlarında modellerin parametrik analizleri yapılmıştır. Güç, ısıtma ve soğutma üretimini maksimize etmek ve üretilen elektriğin, hidrojenin, ısıtmanın ve soğutmanın birim maliyetlerini de minimize etmek üzere optmizasyon yapılmıştır. Modeller EES, MATLAB ve Aspen Plus programlarında simüle edilmiş ve tüm analizler bu programlar kullanılarak yapılmıştır.

Modellerin analizlerinde jeotermal suyun sıcaklığı 130ºC ve kütlesel debisi 85 kg/s ile aylık ortalama güneş ışınım şiddeti 600 W/m2 olarak alınmıştır. Modellerin termodinamik ve termoekonomik analiz sonuçları üzerinden yapılan YSA ile optimizasyonu sonucunda Model 1‘in toplam net güç çıktısı, depolanan hidrojenden şebekeye destek olarak elektik üretimi ve hidrojen üretimi 4569 kW, 3180 kW ve 0.0185 kg/s hesaplanmıştır. Model 2’nin toplam net güç çıktısı 3061 kW ve soğutma kapasitesi 2761 kW hesaplanmıştır. Model 3’ün toplam net güç çıktısı, depolanan hidrojenin şebekeye destek olarak elektrik üretimi, ısıtma kapasitesi ve hidrojen üretimi 3285 kW, 2252 kW, 10,274 kW ve 0.0154 kg/s olarak hesaplanmıştır. YSA ile optimizasyon sonucunda, Model 1’de üretilen elektriğin ve hidrojenin birim maliyeti 0.077 $/kWh ve 1.921 $/kg hidrojen olarak hesaplanmıştır. Model 2’de üretilen elektriğin ve soğutmanın maliyeti 0.014 $/kWh ve 0.052 $/kWh’dır. Model 3’de üretilen elektriğin, hidrojenin ve ısıtmanın birim maliyeti sırasıyla 0.0778 $/kWh, 1.491 $/kg hidrojen ve 0.0050 $/kWh olarak hesaplanmıştır.

The aim of this thesis is to develop suitable models for the use of geothermal and solar energy for electricity and hydrogen production as well as for heating and cooling. After the thermodynamic and thermoeconomic analysis of the developed models, the models are designed using Artificial Neural Networks (ANN) and optimized with the Genetic Algorithm method. As a result of this study, it is aimed to use geothermal and solar energy with the most suitable system and system combinations under appropriate operating conditions in the production of different energy forms. Parametric analysis of the models at different geothermal source temperatures and solar radiation are performed. Optimization is performed to maximize the power, heating, and cooling production and minimize the unit costs of electricity, hydrogen, heating, and cooling. The models are simulated in EES, MATLAB, and Aspen Plus programs, and all analyses are performed using these programs.

In the analysis of the models, the temperature and mass flow rate of the geothermal water are 130ºC and 85 kg/s, and the monthly average solar radiation is 600 W/m2. The total net power output of Model 1, electricity production from stored hydrogen as a support to the grid, and hydrogen production rate is calculated to be 4569 kW, 3180 kW, and 0.0185 kg/s. Model 2 has a total net power output of 3061 kW and a cooling capacity of 2761 kW. The total net power output of Model 3, electricity production from stored hydrogen as a support to the grid, heating capacity, and hydrogen production rate is calculated to be 3285 kW, 2252 kW, 10,274 kW, and 0.0154 kg/s. As a result of ANN optimization, the unit costs of electricity and hydrogen production in Model 1 are calculated to be 0.077 $/kWh and 1.921 $/kg hydrogen. The unit costs of production electricity and cooling in Model 2 are 0.014 $/kWh and 0.052 $/kWh. The production costs of electricity, hydrogen, and heating in Model 3 are calculated to be 0.0778 $/kWh, 1.491 $/kg hydrogen, and 0.0050 $/kWh, respectively.