Renewable and Sustainable Energy Re

Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (2008) 593–661




www.elsevier.com/locate/rser




A key review on exergetic analysis and assessment of renewable energy resources for a sustainable future
Arif Hepbasli✕
Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Ege University, TR-35100 Bornova, Izmir, Turkey
Received 2 August 2006; accepted 13 October 2006


Abstract

Energy resources and their utilization intimately relate to sustainable development. In attaining sustainable development, increasing the energy efficiencies of processes utilizing sustainable energy resources plays an important role. The utilization of renewable energy offers a wide range of exceptional benefits. There is also a link between exergy and sustainable development. A sustainable energy system may be regarded as a cost-efficient, reliable, and environmentally friendly energy system that effectively utilizes local resources and networks. Exergy analysis has been widely used in the design, simulation and performance evaluation of energy systems.
The present study comprehensively reviews exergetic analysis and performance evaluation of a wide range of renewable energy resources (RERs) for the first time to the best of the author’s knowledge. In this regard, general relations (i.e., energy, exergy, entropy and exergy balance equations along with exergy efficiency, exergetic improvement potential rate and some thermo- dynamic parameters, such as fuel depletion ratio, relative irreversibility, productivity lack and exergetic factor) used in the analysis are presented first. Next, exergetically analyzed and evaluated RERs include (a) solar energy systems; (a1) solar collector applications such as solar water heating systems, solar space heating and cooling, solar refrigeration, solar cookers, industrial process heat, solar desalination systems and solar thermal power plants), (a2) photovoltaics (PVs) and (a3) hybrid (PV/thermal) solar collectors, (b) wind energy systems, (c) geothermal energy systems, (c1) direct utilization (district heating, geothermal or ground-source heat pumps, greenhouses and drying) and (c2) indirect utilization (geothermal power plants), (d) biomass, (e) other renewable energy systems, and (f) country based RERs. Studies conducted on these RERs are then compared with the previously ones in tabulated forms, while the Grassmann (or exergy flow) diagrams, which are a very

Abbreviations: GDHS, geothermal district heating system; GSHP, ground source heat pump; RE, renewable energy; RER, renewable energy resource; SPC, solar parabolic cooker
✕Tel.: [phone]x5124; fax: [phone].
E-mail addresses: [e-mail], [e-mail].

1364-0321/$ - see front matter r 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved. doi:10.1016/j.rser.2006.10.001

594 A. Hepbasli / Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (2008) 593–661

useful representation of exergy flows and losses, for some RERs are given. Finally, the conclusions are presented. It is expected that this comprehensive study will be very beneficial to everyone involved or interested in the exergetic design, simulation, analysis and performance assessment of RERs.
r 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Keywords: Analysis; Biomass; Drying; Efficiency; Exergy; Geothermal; Geothermal power plants; Heat pumps; Hybrid systems; Photovoltaic; Renewable energy; Solar; Sustainability; Wind


Contents
1. Introduction 594
2. Energy and exergy modeling 599
3. General relations 600
Mass, energy, entropy and exergy balances 601
Energy and exergy efficiencies 602
Exergetic improvement potential 603
Some thermodynamic parameters 603
4. Exergetic analysis and evaluation of renewable energy resources 604
Solar energy systems 604
Solar collector applications 605
Photovoltaics 626
Hybrid (PV/thermal) solar collectors 626
Wind energy systems 627
Geothermal energy systems 629
Classification of geothermal resources by exergy 630
Direct utilization 631
Indirect utilization (geothermal power plants) 643
Biomass 648
Other renewable energy systems 650
Ocean surface waves 651
Precipitation 651
Ocean thermal gradient 651
Tides 651
Country based renewable energy sources 652
5. Conclusions 655
Acknowledgement 656
References 656



1. Introduction

Achieving solution to environmental problems that we face today requires long-term potential actions for sustainable development. In this regard, renewable energy resources (RERs) appear to be the one of the most efficient and effective solutions [1].
RERs (i.e., solar, hydroelectric, biomass, wind, ocean and geothermal energy) are inexhaustible and offer many environmental benefits compared to conventional energy sources. Each type of renewable energy (RE) also has its own special advantages that make it uniquely suited to certain applications. Almost none of them release gaseous or liquid

A. Hepbasli / Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (2008) 593–661 595


Nomenclature

a amplitude, share of renewables in the total of each component
A area (m2)
C specific heat (kJ/kg K)
COP coefficient of performance (dimensionless)
E_ energy rate (kW)
ex specific exergy (kJ/kg)
E_ x exergy rate (kW)
f exergetic factor, the sunlight dilution factor (dimensionless)
F_ exergy rate of fuel (kW)
g gravitational constant (m/s2)
h specific enthalpy (kJ/kg) HV heating value (kJ/kg)
HHV higher heating (gross calorific) value (kJ/kg)
I global irradiance (W/m2)

I_
IP_

rate of irreversibility, rate of exergy consumption (kW) rate of improvement potential (kW)

L enthalpy of phase change (kJ/kg)
LHV lower heating (net calorific) value (kJ/kg)
m_ mass flow rate (kg/s)
n number, index number (dimensionless)
P pressure (kPa)
P_ exergy rate of the product (kW)
Q_ heat transfer rate (kW)
r renewable use by the residential–commercial sector in energy terms (kJ)
R ideal gas constant (kJ/kgK)
s specific entropy (kJ/kgK)
S_ entropy rate (kW/K)
SExI specific exergy index (dimensionless)
t period between local maxima and minima of the tidal record, time (s)
T temperature (1C or K)
U heat transfer coefficient (kW/m2 K)
V speed (m/s)
W work (kJ)
W_ rate of work (or power) (kW)
y mol fraction (dimensionless)
z vertical distance from the water level of the reservoir to the reference height or average sea level (m)
Z mass fraction (dimensionless)

Greek letters

s Stefan–Boltzmann constant (W/m2 K4)
k dilution factor (dimensionless)
Z energy (first law) efficiency (dimensionless)

596 A. Hepbasli / Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (2008) 593–661

C flow (specific) exergy (kJ/kg), maximum efficiency ratio (or exergy-to-energy ratio for radiation (dimensionless)
D interval
r density (kg/m3)
b proportionality constant (or quality factor or exergy coefficient)
d fuel depletion rate (dimensionless)
e exergy (second law) efficiency (dimensionless)
x productivity lack (dimensionless)
w relative irreversibility (dimensionless)
o specific humidity ratio (kgwater/kgair)

Indices

a air, actual absor absorber adsor adsorbent am ambient
at atmospheric
ava available
ave average
be beam
C Carnot
c cooking
ce collector-evaporator
CH chemical
col collector
com compressor cond condenser conver conversion cook cooker
cool cooling
d natural direct discharge, diffuse da drying air
dest destroyed, destruction diff diffusive
e electrical, evaporator
eff effective
eng engine evap evaporator ex exergetic
exrc exergetic residential commercial f fuel
fc fan-coil
fg vaporization
g generator
GDHS geothermal district heating system gen generation, generated

A. Hepbasli / Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (2008) 593–661 597

gh ground heat exchanger h heating, heat
HE heat exchanger HHV higher heating value HP heat pump
HV heating value
i successive number of elements ic incompressible
in input
io inverter output
k location
KN kinetic
LHV lower heating value max maximum
mech mechanical mix mixture
o overall
oe overall electricity
of overall fuel
or overall residential
out output
p constant pressure, pump
par parabolic
per perfect
PH physical
pot potential
pp power plant
pre precipitation
PT potential
PV photovoltaic
Q heat
r reinjected thermal water, refrigerant R rational
Ran Rankine
rc residential-commercial
rec receiver
res reservoir
ro residential overall
s solar
scol solar collector
sh space heating srad solar radiation sys system
T total, thermal TEG thermal gradient trans transformation u useful

598 A. Hepbasli / Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (2008) 593–661


pollutants during operation. In their technological development, the renewable ranges from technologies that are well established and mature to those that need further research and development [1,2].
Even though conventional sources, such as oil, natural gas and coal meet most of the energy demand at the moment, the role of RERs and their current advances have to take more relevance in order to contribute to energy supply and support the energy conservation (or efficiency) strategy by establishing energy management systems [3]. The use of RE offers a range of exceptional benefits, including: a decrease in external energy dependence; a boost to local and regional component manufacturing industries; promotion of regional engineering and consultancy services specializing in the utilization of RE; increased R&D, decrease in impact of electricity production and transformation; increase in the level of services for the rural population; creation of employment, etc. [4].
Dincer [5] reported the linkages between energy and exergy, exergy and the environment, energy and sustainable development, and energy policy making and exergy in detail. He provided the following key points to highlight the importance of the exergy and its essential utilization in numerous ways: (a) it is a primary tool in best addressing the impact of energy resource utilization on the environment. (b) It is an eff

Kết quả (Việt) 1:

Năng lượng tái tạo và bền vững giá 12 (2008) 593-661 www.Elsevier.com/Locate/rser Một xem xét quan trọng vào exergetic phân tích và đánh giá năng lượng tái tạo nguồn lực cho một tương lai bền vữngArif Hepbasli✕Vùng của cơ khí, khoa học kỹ thuật, đại học Ege, TR-35100 Bornova, Izmir, Thổ Nhĩ KỳNhận được 2 tháng 8 năm 2006; chấp nhận 13 tháng 10 năm 2006Tóm tắtTài nguyên năng lượng và sử dụng của mật thiết liên quan đến phát triển bền vững. Trong việc đạt được phát triển bền vững, tăng efficiencies năng lượng của các quá trình sử dụng năng lượng bền vững tài nguyên đóng một vai trò quan trọng. Việc sử dụng của năng lượng tái tạo cung cấp một loạt các lợi đặc biệt. Đó cũng là một mối liên hệ giữa exergy và phát triển bền vững. Một hệ thống năng lượng bền vững có thể được coi là một chi phí-efficient, đáng tin cậy, và hệ thống thân thiện với môi trường năng lượng hiệu quả sử dụng nguồn lực địa phương và mạng. Exergy phân tích đã được sử dụng rộng rãi trong việc đánh giá thiết kế, mô phỏng và hiệu suất của hệ thống năng lượng.Nghiên cứu hiện nay toàn diện giá exergetic phân tích và hiệu suất đánh giá của một loạt các nguồn năng lượng tái tạo (RERs) trong thời gian vòng tốt nhất của kiến thức của tác giả. Về vấn đề này, chung quan hệ (ví dụ, năng lượng, exergy, dữ liệu ngẫu nhiên và exergy cân bằng phương trình cùng với exergy efficiency, exergetic cải thiện tỷ lệ tiềm năng và một số thông số nhiệt động, chẳng hạn như nhiên liệu sự suy giảm tỷ lệ tương đối irreversibility, năng suất yếu tố thiếu và exergetic) được sử dụng trong phân tích được trình bày chính. Tiếp theo, exergetically phân tích và đánh giá RERs bao gồm (a) hệ thống năng lượng mặt trời; (a1) thu năng lượng mặt trời ứng dụng chẳng hạn như năng lượng mặt trời sưởi ấm hệ thống, không gian năng lượng mặt trời Hệ thống sưởi và làm mát, năng lượng mặt trời lạnh, bếp năng lượng mặt trời, quá trình công nghiệp nhiệt, Hệ thống khử muối năng lượng mặt trời và năng lượng mặt trời nhà máy nhiệt điện), quang điện (a2) (PVs) và thu gom năng lượng mặt trời lai (PV/nhiệt) (a3), (b) hệ thống năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt (c) hệ thống, sử dụng trực tiếp (c1) (huyện hệ thống sưởi, địa nhiệt hoặc mặt đất-nguồn máy bơm nhiệt, nhà kính và sấy khô) và sử dụng gián tiếp (c2) (nhà máy điện địa nhiệt) , (d) nhiên liệu sinh học, (e) các hệ thống năng lượng tái tạo, và (f) quốc gia dựa trên RERs. Nghiên cứu tiến hành trên các RERs sau đó được so sánh với các trước đó trong khi những người trong các hình thức tabulated, Grassmann (hay exergy flow) sơ đồ, đó là một rấtChữ viết tắt: GDHS, huyện địa nhiệt hệ; GSHP, máy bơm nhiệt nguồn mặt đất; RE, năng lượng tái tạo; RER, tài nguyên năng lượng tái tạo; SPC, năng lượng mặt trời parabol nồi✕Tel.: + 90 232 343 4000 x 5124; Fax: + 90 232 388 8562.Địa chỉ e-mail: [e-mail], [e-mail].1364-0321 / $ – xem trước vấn đề r 2006 Elsevier Ltd. Tất cả các quyền. Doi:10.1016/j.rser.2006.10.001 594 A. Hepbasli / tái tạo và bền vững năng lượng giá 12 (2008) 593-661hữu ích đại diện của exergy flows và thiệt hại, cho một số RERs được đưa ra. Cuối cùng, kết luận được trình bày. Chúng tôi hy vọng rằng nghiên cứu toàn diện này sẽ là rất beneficial để tất cả mọi người tham gia hoặc quan tâm đến việc đánh giá thiết kế, mô phỏng, phân tích và hiệu suất exergetic của RERs.r 2006 Elsevier Ltd. Tất cả các quyền.Từ khóa: Phân tích; Nhiên liệu sinh học; Sấy khô; Efficiency; Exergy; Địa nhiệt; Nhà máy điện địa nhiệt; Máy bơm nhiệt; Hệ thống lai; Quang điện; Năng lượng tái tạo; Năng lượng mặt trời; Phát triển bền vững; GióNội dung1. giới thiệu 5942. năng lượng và exergy mô hình hóa 5993. Tổng quan hệ 600 Khối lượng, năng lượng, dữ liệu ngẫu nhiên và exergy số dư 601 Năng lượng và exergy efficiencies 602 Exergetic cải thiện tiềm năng 603 Một số thông số nhiệt 6034. Exergetic phân tích và đánh giá năng lượng tái tạo nguồn lực 604 Hệ thống năng lượng mặt trời năng lượng 604 Bộ thu năng lượng mặt trời ứng dụng 605 Quang điện 626 Thu gom năng lượng mặt trời lai (PV/nhiệt) 626 Hệ thống năng lượng gió 627 Năng lượng địa nhiệt hệ thống 629 Classification các tài nguyên địa nhiệt bởi exergy 630 Trực tiếp sử dụng 631 Sử dụng gián tiếp (nhà máy điện địa nhiệt) 643 Nhiên liệu sinh học 648 Các hệ thống năng lượng tái tạo khác 650 Sóng bề mặt biển 651 Mưa 651 Đại Dương nhiệt gradient 651 Thủy triều 651 Quốc gia dựa trên năng lượng tái tạo nguồn 6525. kết luận 655Ghi nhận 656Tài liệu tham khảo 6561. giới thiệuĐạt được các giải pháp cho các vấn đề môi trường chúng ta phải đối mặt hôm nay đòi hỏi lâu dài hành động tiềm năng cho phát triển bền vững. Về vấn đề này, nguồn năng lượng tái tạo (RERs) dường như là một trong những efficient và hiệu quả giải pháp [1].RERs (tức là, năng lượng mặt trời, thủy điện, nhiên liệu sinh học, gió, đại dương và năng lượng địa nhiệt) là vô tận và cung cấp nhiều lợi môi trường so với các nguồn năng lượng thông thường. Mỗi loại năng lượng tái tạo (RE) cũng có lợi thế đặc biệt của riêng của nó mà làm cho nó duy nhất phù hợp với các ứng dụng nhất định. Hầu như không ai trong số họ phát hành khí hoặc chất lỏng A. Hepbasli / tái tạo và bền vững năng lượng giá 12 (2008) 593-661 595Danh phápmột biên độ, chia sẻ của năng lượng tái tạo trong tổng số của mỗi thành phầnMột diện tích (m2)C specific nhiệt (kJ/kg K)COP coefficient của hiệu suất (Newton)E_ năng lượng tỷ lệ (kW)ex specific exergy (kJ/kg)E_ x exergy tỷ lệ (kW)f exergetic yếu tố, các yếu tố pha loãng ánh sáng mặt trời (Newton)F_ exergy tỷ lệ nhiên liệu (kW)hằng số hấp dẫn g (m/s2)h specific enthalpy (kJ/kg) HV hệ thống sưởi giá trị (kJ/kg)HHV cao hệ thống sưởi (tổng calorific) giá trị (kJ/kg)Tôi toàn cầu irradiance (W/m2) I_IP_ lệ irreversibility, tốc độ exergy tiêu thụ (kW) tốc độ cải thiện tiềm năng (kW) L enthalpy of phase change (kJ/kg)LHV lower heating (net calorific) value (kJ/kg)m_ mass flow rate (kg/s)n number, index number (dimensionless)P pressure (kPa)P_ exergy rate of the product (kW)Q_ heat transfer rate (kW)r renewable use by the residential–commercial sector in energy terms (kJ)R ideal gas constant (kJ/kgK)s specific entropy (kJ/kgK)S_ entropy rate (kW/K)SExI specific exergy index (dimensionless)t period between local maxima and minima of the tidal record, time (s)T temperature (1C or K)U heat transfer coefficient (kW/m2 K)V speed (m/s)W work (kJ)W_ rate of work (or power) (kW)y mol fraction (dimensionless)z vertical distance from the water level of the reservoir to the reference height or average sea level (m)Z mass fraction (dimensionless)Greek letterss Stefan–Boltzmann constant (W/m2 K4)k dilution factor (dimensionless)Z energy (first law) efficiency (dimensionless) 596 A. Hepbasli / Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (2008) 593–661C flow (specific) exergy (kJ/kg), maximum efficiency ratio (or exergy-to-energy ratio for radiation (dimensionless)D intervalr density (kg/m3)b proportionality constant (or quality factor or exergy coefficient)d fuel depletion rate (dimensionless)e exergy (second law) efficiency (dimensionless)x productivity lack (dimensionless)w relative irreversibility (dimensionless)o specific humidity ratio (kgwater/kgair)Indicesa air, actual absor absorber adsor adsorbent am ambientat atmosphericava availableave averagebe beamC Carnotc cookingce collector-evaporatorCH chemicalcol collectorcom compressor cond condenser conver conversion cook cookercool coolingd natural direct discharge, diffuse da drying airdest destroyed, destruction diff diffusivee electrical, evaporatoreff effectiveeng engine evap evaporator ex exergeticexrc exergetic residential commercial f fuelfc fan-coilfg vaporizationg generatorGDHS geothermal district heating system gen generation, generated A. Hepbasli / Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (2008) 593–661 597gh ground heat exchanger h heating, heatHE heat exchanger HHV higher heating value HP heat pumpHV heating valuei successive number of elements ic incompressiblein inputio inverter outputk locationKN kineticLHV lower heating value max maximummech mechanical mix mixtureo overalloe overall electricityof overall fuelor overall residentialout outputp constant pressure, pumppar parabolicper perfectPH physicalpot potentialpp power plantpre precipitationPT potentialPV photovoltaicQ heatr reinjected thermal water, refrigerant R rationalRan Rankinerc residential-commercialrec receiverres reservoirro residential overalls solarscol solar collectorsh space heating srad solar radiation sys systemT total, thermal TEG thermal gradient trans transformation u useful 598 A. Hepbasli / Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (2008) 593–661pollutants during operation. In their technological development, the renewable ranges from technologies that are well established and mature to those that need further research and development [1,2].Even though conventional sources, such as oil, natural gas and coal meet most of the energy demand at the moment, the role of RERs and their current advances have to take more relevance in order to contribute to energy supply and support the energy conservation (or efficiency) strategy by establishing energy management systems [3]. The use of RE offers a range of exceptional benefits, including: a decrease in external energy dependence; a boost to local and regional component manufacturing industries; promotion of regional engineering and consultancy services specializing in the utilization of RE; increased R&D, decrease in impact of electricity production and transformation; increase in the level of services for the rural population; creation of employment, etc. [4].Dincer [5] reported the linkages between energy and exergy, exergy and the environment, energy and sustainable development, and energy policy making and exergy in detail. He provided the following key points to highlight the importance of the exergy and its essential utilization in numerous ways: (a) it is a primary tool in best addressing the impact of energy resource utilization on the environment. (b) It is an eff