Çoklu enerji üretimi için bir güneş-biyokütle hibrid güç santralinin termodinamik ve eksergo-ekonomik analizi

Orta Afrika'nın batı bölgesinde yer alan Kamerun, biyokütle kaynakları ve güneş enerjisi potansiyeli bakımından iyi bir coğrafi konumdadır. Ancak, Kamerun'un halen ticari enerjiye erişimi olmayan bazı bölgeleri, özellikle ülkenin kuzey kesiminde, bulunmaktadır. Biyokütle ve güneş enerjisi kaynaklarını birlikte kullanmak, kesintisiz enerji temini sağlamak için en uygun seçeneklerden biri olarak değerlendirilebilir. Kamerun'un kuzey kesimi için bu kaynakların potansiyeli enerji üretimi bakımından yeterli durumdadır. Ayrıca, enerji kaynaklarının hibrid kullanımı güç sistemlerinin dönüşüm verim arttıran umut verici bir alternatif, enerji talebinin düşük maliyetle karşılanmasını sağlayabilen cazip bir özelliktir. Bu çalışmada, üç farklı Yoğunlaştırmalı Güneş Enerjisi (CSP) teknolojisinin, Biyokütle yakma (BF) teknolojisiyle birleşimi olan güneş biyokütle hibrid enerji sistemleri incelenmiştir. Güneş enerjisinin dönüşümünde, Parabolik Oluklu Kollektör (PTC), Doğrusal Fresnel Yansıtıcı (LFR) ve Güneş Kulesi (ST), CSP teknolojileri olarak seçilmiştir. 5 MWe kurulu güce sahip her bir hibrid sistem için dört alt sistem, güneş ve biyokütle sahası, güç bloğu, ısı geri kazanımlı buhar üretimi (HRSG) ve absorbsiyonlu soğutma ve kurutma sistemlerini içeren çoklu üretim enerji sistemi tasarlanmış ve analiz edilmiştir. Her sistem ve bileşenleri için enerji, ekserji, ve eksergoekonomik yönlerden kapsamlı ekonomik ve termodinamik analizler, maliyetin en aza indirilmesi ve performansın arttırılması amacıyla yapılmıştır. PTC, ST ve LFR'ye dayalı hibrid enerji sistemlerinin ihtiyaç duyduğu ilk yatırım maliyetleri sırasıyla 38.47 Milyon ABD Doları, 51.47 Milyon ABD Doları ve 25.23 milyon ABD Doları olarak elde edilmiştir. Hibrid enerji sistemlerinin tekno-ekonomik değerlendirmelerinden, LFR-BF için 76.4 ile 143.4 USD/MWh arasında değişen seviyelendirilmiş elektrik maliyeti değerlerinin en düşük olduğu bulunmuştur. Geri ödeme süresine göre, LFR-BF, 8.4 yıl ile en kısa bir yatırım dönüş süresine sahiptir, ardından 10.62 yıl ile PTC-BF gelmektedir; ST-BF ise 14.71 yıl ile en yüksek geri ödeme süresine sahip olmaktadır. Ayrıca, PTC-BF, ST-BF ve LFR-BF için sırasıyla %13.79, %12.64 ve %16.49 olan iç karlılık oranlarına göre LFR-BF bu üç hibrid enerji sistemi arasında en karlı yatırım gibi görünmektedir. Üç hibrid enerji sistemin ileri ekserji analizinden, tek başına güneş sahasındaki ekserji yıkımının (PTC-BF için %86.3, ST-BF için %92.2 ve LFR-BF için %85.4) tüm ekserji yıkımlarının büyük kısmından sorumlu olduğu görülmektedir. PTC-BF için, eksergoekenomik analizden rejeneratör 1, güç bloğuna bağlı ara ısı değiştiricisi ve buhar türbinlerinin kaçınılabilir-iç ekserji yıkımları ile ilgili toplam maliyet değerlerinin sırasıyla 7.33 USD/saat, 4.17 USD/saat ve 4.49 USD/saat olduğu belirlenmiştir. ST-BF için kaçınılabilir-iç ekserji yıkımları ile ilgili toplam maliyet değerlerinin rejeneratör 1, güç bloğuna bağlı volümetrik alıcı ve buhar türbinleri için sırasıyla 3.87 USD/saat, 84.75 USD/saat and 3.94 USD/saat olarak bulunmuştur. LFR-BF için kaçınılabilir-iç ekserji yıkımları ile ilgili toplam maliyet değerlerinin rejeneratör 1, güç bloğuna bağlı ara ısı değiştiricisi ve buhar türbinleri için sırasıyla 4.11 USD/saat, 1.76 USD/saat and 2.84 USD/saat olarak hesaplanmıştır. PTC-BF, ST-BF ve LFR-BF için önlenebilir iç ekserji yıkımları ile ilgili toplam maliyetler, sistem optimizasyonu için gerekli toplam maliyetlerin sırasıyla %21.7'si, % 26'sı ve % 24.5'i civarındadır. Bu çalışmada, üç hibrid enerji sistemini iyileştirmek için gereken aylık harcamalar da incelenmiştir. PTC-BF sisteminde güneş sahası için 41553.30 USD, güç bloğu için 1715.28 USD ve HRSG için 2997.41 USD; ST-BF sisteminde güneş sahası için 24695.10 USD, güç bloğu için 1362.57 USD ve HRSG için 1230.32 USD; LFR-BF sisteminde güneş sahası için 18987.90 USD, güç bloğu için 926.60 USD ve HRSG için 1218.34 USD olarak bulunmuştur. İleri ekserji ve eksergoekonomik analiz sonuçları, hibrid enerji sistemlerinin genel verimliliğini arttırmak için kaçınılabilir iç ekserjiyi geri kazanmanın gerekli olduğunu ortaya koymaktadır. Çalışmanın ana bulgularına göre, LFR'ye dayanan hibrid enerji sisteminin en iyi tekno-ekonomik sonuçları sunduğu ve bunu PTC'ye dayalı sistemin izlediği söylenebilmektedir.