Σχεδιασμός βέλτιστης λειτουργίας ενεργειακών συστημάτων με χρήση ανανεώσιμων και εναλλακτικών πηγών

Abstract

The exaggeration of fossil fuel reserves in conjunction with the simultaneous increase in greenhouse gas emissions has recently aspired scientific community towards the study of environmental and energy related issues. The main idea of the thesis is to systematically develop optimal operation methods applied in innovative integrated systems that will suitably exploit renewable and alternative energy sources. The proposed RES-integrated system exploits solar and wind energy with the use of photovoltaic systems and wind turbines, respectively. The produced power is used to meet the electrical needs of a fixed load and a lead-acid accumulator is implemented to absorb excess energy peaks that further provides to the system in periods of low power production. In order to boost the autonomous system operation, a water electrolyzer and a fuel cell are also incorporated. In cases of a subsystem operation failure (e.g. hydrogen deficit), a diesel engine is responsible to meet the energy needs as a back-up unit. The integrated system based on methanol, involves the power production by a fuel cell towards meeting the energy criteria of a variable load. The necessary hydrogen is produced by methanol steam reforming in a plug flow reactor. Due to the inevitable CO production, a preferential oxidation reactor is employed as a prerequisite for ensuring CO concentration levels below 50ppm. The utilities subsystems comprise two heat exchangers and a burner that provides heat by using the effluent of the fuel cell anode and an additional methanol supply as a main fuel. [...]

Η ραγδαία μείωση των αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων και η ταυτόχρονη αύξηση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου, ενέπνευσαν την ερευνητική κοινότητα στην μελέτη των αλληλένδετων ενεργειακών και περιβαλλοντικών προβλημάτων. Βασικό μέλημα της διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη και η μελέτη της βέλτιστης λειτουργίας, δύο καινοτόμων ολοκληρωμένων συστημάτων που βασίζονται στην αξιοποίηση ανανεώσιμων (Α.Π.Ε.) και εναλλακτικών πηγών ενέργειας. Η ολοκληρωμένη μονάδα αξιοποίησης ηλιακής και αιολικής ενέργειας, απαρτίζεται από φωτοβολταϊκά συστήματα και ανεμογεννήτριες που αποδίδουν ισχύ προς κάλυψη των ενεργειακών αναγκών ενός σταθερού φορτίου. Συσσωρευτής μολύβδου-οξέος χρησιμοποιείται για την απορρόφηση της περίσσειας ισχύος και την απόδοση της σε περιόδους ελλειμματικής παραγωγής. Η ενίσχυση της αυτονομίας του συστήματος, εξασφαλίζεται με την ενσωμάτωση μίας μονάδας ηλεκτρόλυσης και μίας κυψέλης καυσίμου. Σε περιπτώσεις προβληματικής λειτουργίας (π.χ. ελλείμματος υδρογόνου), αξιοποιείται μία ντηζελογεννήτρια που λαμβάνει τον χαρακτήρα υποσυστήματος εκτάκτου ανάγκης. Η ολοκληρωμένη μονάδα αξιοποίησης μεθανόλης περιλαμβάνει την απόδοση ισχύος από κυψέλη καυσίμου προς κάλυψη των ενεργειακών αναγκών ενός μεταβαλλόμενου φορτίου. Το απαιτούμενο υδρογόνο παράγεται από την καταλυτική επεξεργασία μεθανόλης σε αντιδραστήρα αυτόθερμης αναμόρφωσης. Λόγω όμως, της ανάγκης παραγωγής υδρογόνου υψηλής καθαρότητας, υλοποιείται και αντιδραστήρας επιλεκτικής οξείδωσης που επιφορτίζεται με το ρόλο της μείωσης του CO σε επίπεδα χαμηλότερα των 50ppm. Συμπληρωματικά υποσυστήματα της ολοκληρωμένης μονάδας αποτελούν δύο εναλλάκτες θερμότητας, καθώς και ένας φούρνος που αποδίδει θερμότητα με βάση το ρεύμα των απαερίων της κυψέλης καυσίμου, καθώς και της επιπλέον παροχής μεθανόλης. [...]