Comprehensive Energy and Exergy Analysis of a Zero-emission Combined Heat, Hydrogen, and Power System based on Chemical Looping Combustion

Document Type : Original Article

Authors

1 Department of Mechanical Engineering, University of Mohaghegh ardabili, Ardabil, Iran

2 Department of Mechanical Engineering, University of Tabriz,Tabriz, Iran.

3 Department of Engineering Sciences, Faculty of Advanced Technologies, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran.

10.22098/sr.2026.20179.1049

Abstract

Introduction: The main objective of this study is to introduce and evaluate innovative and integrated systems capable of simultaneously producing electricity, hydrogen and heat. This system is based on the chemical combustion process combined with an improved methane steam reforming process. The significant advancement of this approach is its potential to achieve minimal carbon dioxide emissions to the environment, which practically pushes the process towards zero carbon. In order to achieve the mentioned objectives, the proposed system was subjected to detailed and comprehensive assessments from an energy and exergy perspective, then the key thermodynamic parameters that affect the system performance were carefully analyzed and evaluated. In addition, detailed exergy flow maps were prepared and exergy destruction and exergy loss in each of the system components were accurately quantified to provide a deep understanding of the thermodynamic efficiency of the systems.
Materials and Methods: In this research, simulations and numerical analyses were performed using EES and ASPEN PLUS software.
Results and discussion: The cycle designed in this study was carried out by integrating the chemical combustion cycle with an improved methane steam reforming process to capture heat from the subsystem and produce more hydrogen, without emitting carbon dioxide. This represents the study's key innovation compared to previous research.
Conclusion: The proposed system delivers 58.07 kg/h of hydrogen. Exergy analysis highlights the CLC subsystem as the dominant source of irreversibility, with the air reactor alone accounting for 27.9% (340 kW) of total exergy destruction. A total exergy efficiency of 63.5% and a total thermal efficiency of 83.8% were achieved. Notably, the utilization of an iron-based oxygen carrier enabled a CO₂ capture efficiency of 99.63% at a CaO-to-fuel molar ratio (γ = 1), underscoring the high carbon mitigation capability of the proposed configuration.

Keywords

Article Title [Persian]

آنالیز جامع انرژی و اگزرژی سیستم تولید همزمان توان، هیدروژن و گرمایش بدون انتشار کربن دی اکسید برپایه حلقه شیمیایی احتراق

Authors [Persian]

  • نسرین عزتی مغانلو 1
  • علی اکبر درآبادی زارع 2
  • هادی غائبی 1
  • محمد عباداللهی 3
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران
2 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
3 گروه مهندسی نوین، دانشکده فناوری های نوین، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران
Abstract [Persian]

جهان امروز با چالش‌های زیست‌محیطی فزاینده‌ای روبرو است که ریشه در وابستگی گسترده به سوخت‌های فسیلی به عنوان منبع اصلی انرژی دارد. انتشار بی‌رویه گازهای گلخانه‌ای، به ویژه دی‌اکسید کربن (CO2)، عامل اصلی گرمایش جهانی و تغییرات اقلیمی محسوب می‌شود؛ به‌طوری‌که تخمین زده می‌شود حدود ۶۰ درصد از گرمای به دام افتاده در جو ناشی از CO2 باشد. در این میان، بخش تولید برق به تنهایی بیشترین سهم را در انتشار CO2 مرتبط با انرژی داراست. از این رو، ضرورت توسعه سیستم‌های انرژی کارآمد که قادر به تأمین همزمان برق و سایر نیازهای انرژی با حداقل انتشار CO2 باشند، بیش از هر زمان دیگری احساس می‌شود.
در جستجوی راه‌حل‌های پایدار، هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی پاک و مطلوب، توجهات بسیاری را به خود جلب کرده است. هیدروژن به دلیل چگالی انرژی بالا و انتشار تنها بخار آب در فرآیند مصرف (در صورت استفاده با اکسیژن خالص)، پتانسیل بالایی برای کاهش اثرات زیست‌محیطی دارد. با وجود این مزایا، بخش عمده‌ای از هیدروژن تولیدی جهان (حدود ۹۶ درصد) همچنان از طریق سوخت‌های فسیلی، به‌ویژه روش اصلاح بخار متان (SMR )، تأمین می‌شود. فرآیند SMR، که بالغ‌ترین فناوری تولید هیدروژن محسوب می‌شود، ماهیتی گرماگیر دارد و نیازمند مصرف مقادیر قابل توجهی متان است که این امر منجر به ردپای کربن بالا و انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌شود.
برای غلبه بر این محدودیت‌ها، رویکردهای نوآورانه در زمینه تولید هیدروژن پاک و کاهش انتشار کربن ضروری است. در این راستا، ادغام حرارتی فرآیند SMR با تکنیک احتراق حلقه‌ای شیمیایی (CLC ) به عنوان یک راهکار امیدوارکننده برای اکسیداسیون بهینه متان مطرح می‌شود. حلقه‌ی شیمیایی احتراق، با بهره‌گیری از دو راکتور مجزا و استفاده از حامل‌های اکسیژن فلزی، امکان جداسازی واکنش سوخت و هوا را فراهم می‌آورد و از این طریق، ضمن کاهش تولید اکسیدهای نیتروژن، فرآیند جذب CO2 را نیز تسهیل می‌کند. این تکنولوژی قابلیت تأمین حرارت لازم برای فرآیند SMR را دارد و می‌تواند گامی مؤثر در جهت تولید هیدروژن پاک و پایدار باشد
مقدمه و هدف: هدف اصلی این مطالعه، معرفی و ارزیابی سیستم‌های نوآورانه و یکپارچه با قابلیت تولید همزمان برق، هیدروژن و حرارت است. این سیستم‌ بر پایه فرآیند شیمیایی احتراق همراه با فرآیند اصلاح بخار متان بهبود یافته بنا شده‌ است. پیشرفت قابل توجه این رویکرد، پتانسیل آن در دستیابی به انتشار حداقلی دی اکسید کربن به محیط زیست است که عملاً فرآیند را به سمت کربن صفر سوق می‌دهد. در راستای تحقق اهداف اشاره شده، سیستم‌ پیشنهادی تحت ارزیابی‌های دقیق و همه‌جانبه از منظر انرژی و اگزرژی قرار گرفت سپس پارامترهای کلیدی ترمودینامیکی که بر عملکرد سیستم تأثیرگذار هستند، به دقت تحلیل و ارزیابی شد. علاوه بر این، نقشه‌های جریان اگزرژی به تفصیل تهیه شده و تخریب اگزرژی و اتلاف اگزرژی در هر یک از اجزای سیستم به دقت کمّی‌سازی شد تا درک عمیقی از کارایی ترمودینامیکی سیستم‌ها حاصل گردد.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش، اجرای شبیه سازها و تحلیل های عددی با نرم افزار EESو ASPEN PLUS انجام گردیده است.
یافته‌ها: سیکل طراحی شده در این پژوهش با ادغام چرخه حلقه شیمیایی احتراق با فرایند اصلاح بخار متان بهبودیافته جهت دریافت گرمای زیر سیستم و تولید هیدروژن بیشتر، بدون انتشار کربن دی اکسید، انجام گردید.
نتیجه‌گیری: سیستم پیشنهادی 07/58کیلوگرم بر ساعت هیدروژن تولید می‌کند. تجزیه و تحلیل اگزرژی، زیرسیستم CLC را به عنوان منبع اصلی برگشت‌ناپذیری برجسته می‌کند، به طوری که راکتور هوا به تنهایی 9/27٪ (۳۴۰ کیلووات) از کل تخریب اگزرژی را به خود اختصاص می‌دهد. نکته قابل توجه این است که استفاده از یک حامل اکسیژن مبتنی بر آهن، راندمان جذب CO₂ معادل 63/99٪ را در نسبت مولی CaO به سوخت (γ=1 ) فراهم می‌کند که نشان‌دهنده قابلیت بالای کاهش کربن در پیکربندی پیشنهادی است.

Keywords [Persian]

  • فرایند اصلاح بخار متان بهبود یافته
  • فرایند حلقه‌ی شیمیایی احتراق
  • تولید هیدروژن

Files

History

  • Receive Date: 18 June 2026
  • Revise Date: 17 July 2026
  • Accept Date: 26 July 2026
  • First Publish Date: 15 August 2026
  • Publish Date: 15 August 2026

Share

How to cite

Statistics