Modeling and thermo-economic analysis of a photovoltaic-battery-grid hybrid energy system: A case study in Yenikale geothermal heat center

Abstract

Water is vital for agriculture accounting 50-70% of the total global use of fresh water for irrigation. Geothermal water as a renewable energy source is used to generate electricity, heat and cool. The remaining water can be desalinated to be used for agricultural irrigation. Energy demand of desalination systems is high and mostly rely on fossil fuels increasing cost and greenhouse gas emissions. Thus, renewable energy use in desalination process is increasing. Based on a research project, a pilot desalination system is installed in Yenikale Heat Center of Balcova-Narlidere Geothermal District Heating System to desalinate geothermal water and use for agricultural irrigation. The desalination system is powered by a solar PV system which meets energy need entirely in summer but only 30-50% in winter. The remaining energy need is supplied from the grid. The aim of this study is to maximize the utilization of solar energy for the desalination process while minimizing reliance on the grid. To achieve this objective, three different scenarios are analyzed based on three different solar radiation values of 2021 integrating a battery system. For each scenario; first, battery capacities and the number of PV panels are determined. Then, energy, exergy and exergo-economic analysis are conducted. The parameters calculated in economic analysis are net present value, payback period and cost of energy production. One of the main results obtained is the unit energy cost for solar driven desalination system 0.28 $/kWh which is in a good agreement with the literature (0.214-0.23 $/kWh).

Su, sulama için toplam küresel tatlı su kullanımının % 50-70'ini oluşturan tarım için hayati öneme sahiptir. Yenilenebilir enerji kaynağı olarak jeotermal su, elektrik üretimi, ısı ve soğutma için kullanılır. Kalan su, tarımsal sulama için kullanılmak üzere arıtılabilir. Arıtma sistemlerinin enerji tüketimi yüksektir ve çoğunlukla fosil yakıtların maliyeti ve sera gazı emisyonlarını artırmasına dayanır. Böylece arıtma sürecinde yenilenebilir enerji kullanımı artmaktadır. Balçova-Narlıdere Jeotermal bölge ısıtma Sisteminin Yenikale ısı Merkezinde jeotermal suyu arıtmak ve tarımsal sulamada kullanmak üzere bir araştırma projesi kapsamında pilot arıtma sistemi kurulmuştur. Arıtma sistemi, yaz aylarında enerji ihtiyacını tamamıyla karşılayan, ancak kışın yalnızca %30-50'sini karşılayan PV sistemi ile çalışır. Kalan enerji ihtiyacı şebekeden karşılanır. Bu çalışmanın amacı, şebekeye olan bağımlılığı en aza indirirken, arıtma işlemi için güneş enerjisinin kullanımını en üst düzeye çıkarmaktır. Bu amaca ulaşmak için 2021 yılında Narlıdere'de bir akü sistemi entegre edilerek üç farklı güneş radyasyonu değerine göre üç farklı senaryo analiz edilmiştir. Her senaryo için; öncelikle akü kapasiteleri ve PV panel sayısı belirlenir. Daha sonra enerji, ekserji ve eksergo-ekonomik analizler yapılır. Ekonomik analizde hesaplanan parametreler net bugünkü değer, geri ödeme süresi ve enerji üretim maliyetidir. Elde edilen ana sonuçlardan biri, literatürle iyi bir uyum içinde olan (0,21-0,23 $/kWh) 0,28 $/kWh olan güneş enerjili arıtma sistemi için birim enerji maliyetidir.