Innovative utilization of waste heat in enhancing hydrogen liquefaction efficiency using heat recovery: comparative analysis of ABR, DAR, and ORC/Kalina cycles

Banijamali, Seyed Masoud (2024). Innovative utilization of waste heat in enhancing hydrogen liquefaction efficiency using heat recovery: comparative analysis of ABR, DAR, and ORC/Kalina cycles. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Various methods have been proposed and developed to reduce the energy required for hydrogen liquefaction and improve its thermodynamic and exergy efficiency. One effective strategy involves utilizing waste heat from power plants. This thesis investigates three novel scenarios for using 2000 kilowatts of excess heat in a hydrogen liquefaction cycle. The first scenario integrates an Ammonia-Water Absorption Refrigeration (ABR) Cycle to absorb waste heat and provide part of the required precooling. The second scenario directs waste heat to a Diffusion-Absorption Refrigeration (DAR) Cycle to aid hydrogen precooling. The third scenario employs a combination of Organic Rankine Cycle (ORC) and Kalina Cycle to convert waste heat into electrical power, supplementing the energy needed for liquefaction. Energy simulations revealed that the ORC/Kalina-based scenario achieved the lowest specific power consumption at 4.306 kWh/kg LH₂, slightly outperforming the DAR-based and ABR-based scenarios. All scenarios showed improved coefficients of performance, approximately 2% higher than the baseline and significantly better than reference values. Pinch analysis demonstrated high performance across all scenarios, with minimal temperature differences between hot and cold curves, indicating efficient energy utilization. Exergy analysis identified heat exchangers as the primary contributors to exergy destruction, accounting for nearly half of the total in each scenario. The ABR-based cycle exhibited the highest total exergy efficiency at 52.47%. The ORC/Kalina-based scenario showed the highest exergy efficiency for the H₂ pre-cooling process at 70.84% and the lowest overall exergy destruction. These findings underscore the potential of integrating waste heat recovery systems to enhance hydrogen liquefaction efficiency.

Titre traduit

Utilisation innovante de la chaleur résiduelle pour améliorer l'efficacité de la liquéfaction de l'hydrogène à l'aide de la récupération de chaleur : analyse comparative des cycles ABR, DAR et ORC/Kalina

Résumé traduit

Diverses méthodes ont été proposées et développées pour réduire l'énergie nécessaire à la liquéfaction de l'hydrogène et améliorer son efficacité thermodynamique et exergétique. Une stratégie efficace consiste à utiliser la chaleur résiduelle des centrales électriques. Cette thèse examine trois scénarios novateurs pour utiliser 2 MW de chaleur excédentaire dans un cycle de liquéfaction de l'hydrogène. Le premier scénario intègre un cycle de réfrigération par absorption à eau-ammoniac (ABR) pour absorber la chaleur résiduelle et fournir une partie du prérefroidissement nécessaire. Le deuxième scénario dirige la chaleur résiduelle vers un cycle de réfrigération par diffusion-absorption (DAR) pour aider au prérefroidissement de l'hydrogène. Le troisième scénario utilise une combinaison de cycle de Rankine organique (ORC) et de cycle Kalina pour convertir la chaleur résiduelle en énergie électrique, complétant ainsi l'énergie nécessaire à la liquéfaction. Les simulations énergétiques ont révélé que le scénario basé sur l'ORC/Kalina atteignait la plus faible consommation d'énergie spécifique à 4.306 kWh/kg LH₂, surpassant légèrement les scénarios basés sur DAR et ABR. Tous les scénarios ont montré des coefficients de performance améliorés, environ 2% plus élevés que la base de référence et significativement meilleurs que les valeurs de référence. L'analyse du pincement a démontré une haute performance dans tous les scénarios, avec des différences de températures minimales entre les courbes chaudes et froides, indiquant une utilisation efficace de l'énergie. L'analyse exergétique a identifié les échangeurs de chaleur comme les principaux contributeurs à la destruction d'exergie, représentant près de la moitié du total dans chaque scénario. Le cycle basé sur ABR a présenté la plus haute efficacité exergétique totale à 52.47%, tandis que le scénario basé sur ORC/Kalina a montré la plus haute efficacité exergétique pour le processus de prérefroidissement de l'H₂ à 70.84% et la plus faible destruction exergétique globale. Ces résultats soulignent le potentiel d'intégration des systèmes de récupération de chaleur résiduelle pour améliorer l'efficacité de la liquéfaction de l'hydrogène.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in renewable energy and energy efficiency". Comprend des références bibliographiques (pages 87-94).
Mots-clés libres:	liquéfaction de l'hydrogène, cycle de réfrigération par absorption eau-ammoniac, cycle de Rankine organique, cycle de puissance Kalina, cycle de réfrigération par diffusionabsorption
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ilinca, Adrian
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	16 avr. 2025 16:53
Dernière modification:	16 avr. 2025 16:53
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3567

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