ANALYSIS OF ETHANOL-FUELLED SOLID OXIDE FUEL CELL SYSTEMS FOR COMBINED COOLING, HEAT AND POWER GENERATION

การวิเคราะห์ระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งที่ใช้เอทานอลเป็นเชื้อเพลิงเพื่อการผลิตพลังงานไฟฟ้า ความร้อน และความเย็นร่วม

Name: Phanicha Tippawan

LCSH: Ethanol as fuel

LCSH: Solid oxide fuel cells

Abstract: A solid oxide fuel cell (SOFC) fuelled by ethanol, an attractive green fuel that can be renewably produced from agricultural products, is regarded as a promising clean process to generate electricity with high efficiency. Therefore, this research concentrates on the analysis of ethanol-fuelled solid oxide fuel cell systems. Firstly, the thermodynamic analysis of three different ethanol reforming processes (i.e., steam reforming, partial oxidation and autothermal reforming) is investigated in term of product compositions and compared on the basis of energy and exergy analyses to find the most suitable process for solid oxide fuel cell applications. The simulation results show that although the steam reforming process provides the highest hydrogen yield, it is the highest energy requiring process. The exergy analysis shows that the lowest exergy destruction is found in the steam reforming. The integration of ethanol steam reformer operated at temperature of 980 K and steam-to-ethanol ratio of 1.8 and solid oxide fuel cell provides the best energetic and exergetic performances. Secondly, the improvement of the ethanol steam reforming is further investigated by considering the reforming reaction mechanism. To avoid a carbon formation, the steam reforming of ethanol should be carried out into two steps via a reaction intermediate which has a lower coking activity. Ethanol is firstly dehydrogenated to be acetaldehyde and then steam reform into hydrogen rich gas. However, this method faces a limitation of chemical equilibrium reactions which typically produce more dilute products such as CO2 and water. For this reason, the removal of CO2 and excess steam in the reforming environment and its effect on SOFC performance are studied. Thirdly, an economic analysis of improved reforming processes (two-step steam reforming and two-step steam reforming with CO2 capture) is presented and compared with a conventional steam reforming. The study illustrates the feasibility of the two-step steam reforming and CO2 capture integrated processes in the economic aspect. Finally, a heat recovery of the SOFC system is considered to improve the efficiency of the system energy usage. The ethanol-fuelled solid oxide fuel cell system integrated with an absorption chiller is proposed in this study for combined cooling, heat and power generation. The energy and exergy analyses of such system is performed to determine an energy demand and to describe how efficiently the energy usage. The exergoenvironmental analysis is also performed providing useful insights in terms of heat recovery and environmental aspects and the results indicate the benefit of this system.

Abstract: การใช้เอทานอลเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง ได้จัดว่าเป็นวิธีการที่ช่วยให้ได้กระบวนการผลิตไฟฟ้าที่สะอาดและมีประสิทธิภาพสูงยิ่งขึ้น งานวิจัยนี้จึงนำเสนอการวิเคราะห์ระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งที่ใช้เอทานอลเป็นเชื้อเพลิง ในส่วนแรกคือ การศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการรีฟอร์มมิงเอทานอลโดยประยุกต์ใช้หลักการทางเทอร์โมไดนามิกส์ กระบวนการรีฟอร์มมิงที่พิจารณามี 3 กระบวนการ ได้แก่ การรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ (steam reforming) การออกซิเดชันบางส่วนด้วยอากาศ (partial oxidation) และการรีฟอร์มมิงแบบออโตเทอร์มัล (autothermal reforming) โดยพิจารณาถึงองค์ประกอบของก๊าซผลิตภัณฑ์ที่ได้และเปรียบเทียบกระบวนการดังกล่าวด้วยการวิเคราะห์พลังงานและเอ็กเซอร์ยี เพื่อหากระบวนการที่เหมาะสมสำหรับการผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากเอทานอลสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง ผลที่ได้พบว่ากระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำสามารถผลิตไฮโดรเจนได้มากที่สุด ถึงแม้ว่ากระบวนการนี้จะต้องการพลังงานความร้อนจากภายนอกมาก แต่จากการวิเคราะห์ด้วยเอ็กเซอร์ยีกลับพบว่าเป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานได้อย่างคุ้มค่ามากกว่ากระบวนการอื่น สภาวะที่เหมาะสมของกระบวนการนี้คือดำเนินการที่อุณหภูมิ 980 K อัตราส่วนเชิงโมลของไอน้ำต่อเอทานอลคือ 1.8 ในลำดับต่อมาได้ศึกษากลไกการเกิดปฏิกิริยารีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำของเอทานอล และค้นพบว่ากระบวนการนี้สามารถหลีกเลี่ยงการเกิดคาร์บอนได้ โดยให้เกิดปฏิกิริยาแบบสองขั้นตอนผ่านตัวกลาง ซึ่งมีความว่องไวต่อการเกิดคาร์บอนต่ำ โดยเริ่มแรกให้เอทานอลเกิดปฏิกิริยาดีไฮโดรจีเนชันเกิดเป็นอะซีทัลดีไฮด์เสียก่อน แล้วจึงให้ทำปฏิกิริยากับน้ำในขั้นตอนที่สองได้เป็นก๊าซที่มีไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบหลัก แต่อย่างไรก็ตามวิธีการดังกล่าวต้องเผชิญกับข้อจำกัดของปฏิกิริยาสมดุลเคมี ซึ่งเต็มไปด้วยผลิตภัณฑ์ที่ไปเจือจางก๊าซไฮโดรเจน อาทิ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำ ด้วยเหตุนี้ในลำดับต่อมาจึงศึกษาผลกระทบของการกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำที่มีต่อสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งขึ้น ผลการศึกษาพบว่าเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งมีสมรรถนะดีขึ้นจริง ต่อมาได้นำการวิเคราะห์ทางเศรษฐศาสตร์ได้ถูกนำเสนอเพื่อเปรียบเทียบกระบวนรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำของเอทานอลแบบสองขั้นตอนที่ทำงานร่วมกับการใช้ตัวดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ กับกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำของเอทานอลแบบดั้งเดิม การศึกษานี้ช่วยให้เห็นถึงความเป็นไปได้ทางเศรษฐศาสตร์ของการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำแบบสองขั้นตอนที่ทำงานร่วมกับการใช้ตัวดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์มากขึ้น ในลำดับสุดท้าย เพื่อนำความร้อนจากเซลล์เชื้อเพลิงกลับมาใช้ใหม่และปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานในระบบให้ดียิ่งขึ้น การทำงานร่วมกันของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งและเครื่องทำความเย็นแบบดูดซับ เพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้า ความร้อน และความเย็นร่วม จึงถูกศึกษาขึ้นในงานนี้ การวิเคราะห์พลังงานและเอ็กเซอร์ยียังเป็นเครื่องมือวิเคราะห์ที่สำคัญในการหาปริมาณพลังงานที่ต้องการและยังสามารถอธิบายความคุ้มค่าของพลังงานที่ถูกป้อนเข้าไปได้ นอกจากนี้การวิเคราะห์เอ็กเซอร์ยีร่วมกับสิ่งแวดล้อม ยังชี้ให้เห็นศักยภาพในการลดการปลดปล่อยมลพิษของระบบดังกล่าวอีกด้วย

Chulalongkorn University. Office of Academic Resources

Address: BANGKOK

Email: cuir@car.chula.ac.th

Name: Amornchai Arpornwichanop

Role: advisor

Created: 2014

Modified: 2015-11-05

Issued: 2015-11-05

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

URL: http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/45395

eng

DegreeName: Doctor of Engineering

Level: Doctoral Degree

Descipline: Chemical Engineering

Grantor: Chulalongkorn University

©copyrights Chulalongkorn University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	5371811021.pdf	4.78 MB	17	2022-12-14 17:06:57

ใช้เวลา

0.037605 วินาที