بهينه‌سازي چند هدفه و تحليل حساسيت آماري سيستم تركيبي پيل سوختي اكسيدجامد- توربين گاز با خوراك‌ گاز زيستي در تصفيه‌خانه‌هاي فاضلاب شهري

Multi objective optimization and statistic sensitivity analysis of solid oxide fuel cell-gas turbine hybrid system fed by biogas in urban wastewater treatment plants

امروزه استفاده از گـاز زيستي به‌ علت محتواي متان، تجديدپذير بودن و ارزان قيمت بودن آن رو به افزايش است. پيل سوختي اكسيد جامد يكي از بهترين فناوري‌هاي تبديل انرژي موجود جهت كار با گاز زيستي مي‌باشد كه از پتانسيل بالايي جهت اتصال با توربين گازي برخوردار است. در اين مقاله سيستم تركيبي پيل سوختي اكسيدجامد- توربين گاز با خوراك‌دهي توسط گاز زيستي، از جنبه‌هاي انرژي و اقتصادي مدلسازي شده است. جهت يافتن مقادير بهينه پارامترهاي طراحي سيستم تركيبي، دو تابع هدف بيشينه-سازي بازده انرژي الكتريكي و كمينه سازي هزينه سرمايه‌گذاري كل سيستم در نظر گرفته شده است. در ابتدا هر يك از اجزاي سيستم تركيبي به صورت جداگانه مدلسازي و اعتبارسنجي شده است. سپس با استفاده از بهينه‌سازي چند هدفه (NSGII)، مقادير بهينه پارامترهاي طراحي سيستم تركيبي محاسبه شده‌اند. نقطه بهينه نهايي با به-كارگيري روش بي‌بعدسازي اقليدسي و روش تصميم‌گيري لين‌مپ در نمودار بي‌تفاوتي بدست آمده است. در نقطه بهينه، بازده انرژي الكتريكي برابر 66 درصد و هزينه كل سرمايه‌گذاري برابر 175227.4 دلار مي‌باشد كه در اين نقطه، هزينه همتراز شده انرژي الكتريكي 6.3 سنت به ازاي هر كيلووات ساعت محاسبه شده است. در انتها نيز به-منظور تعيين اهميت پارامترهاي طراحي، با كمك روش تحليل حساسيت سوبل ميزان تاثير هر يك از آن‌ها بر توابع هدف بررسي شده است. نتايج تحليل حساسيت نشان مي-دهد كه نسبت تراكم كمپرسور داراي بيشترين تاثير بر بازده انرژي الكتريكي سيستم و همچنين بازده ايزنتروپيك توربين و جريان پيل سوختي نيز داراي بيشترين تاثير بر هزينه سرمايه‌گذاري كل سيستم مي‌باشند.

In today’s world, usage of biogas is increasing due to its methane content, renewability, and low price. Solid oxide fuel cell is one of the best energy conversion technologies, in order to use biogas and it has a high potential to integrate with the gas turbine. In this paper, solid oxide fuel cell-gas turbine hybrid system, which is fed by biogas is modeled with respect to energy and economic aspects. Maximization of electrical energy efficiency and minimization of total investment cost are objective functions, which are considered to find the optimal design variables of the hybrid system. First, each component of the hybrid system is modeled and validated individually. Then, in order to optimize the hybrid system, multi objective optimization via NSGAII is implemented and optimal values of design parameters of the hybrid system were calculated. Optimal point is obtained using Euclidian non-dimensionalization and LINMAP decision making method in Pareto front. So, optimal design values are 66 percent and 175227.4 $, which are electrical energy efficiency and total investment cost, respectively. In optimal point Levelized unit cost is 6.3 cents per kWh. Finally, in order to determine the effect of design parameters on the objective functions, sensitivity of each design parameters was analyzed using Sobol's sensitivity analysis method. Results show that compressor pressure ratio has the maximum effect on electrical energy efficiency. Furthermore, turbine isentropic efficiency and fuel cell current have the maximum effect on the total investment cost.