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

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.