Hidroelektroliz (Hidrojen) Enerji Sistemimize Yatırımcı Arıyoruz

Haliç Üniversite Makine Bölümü (MYO) Öğrencileri

Özet

Sunulan bu projede yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan güneş enerjisinden faydalanarak elektrik enerjisi ve hidrojen üretimi ele alınmıştır. Güneş enerjisinden termal enerji üretimi için parabolik çanak tipi güneş kolektörü imal edilmiştir. Kolektörden elde edilen termal enerji organik Rankine çevrimi (ORÇ) aracılığıyla elektrik enerjisine dönüştürülmüştür.

Elde edilen elektrik enerjisi proton değişimli zar elektrolizör (Proton exchanger membrane elektrolizer – PEMe) aracılığı ile hidrojen enerjisine dönüştürülmektedir. Enerji üretim sisteminin matematiksel modeli oluşturularak termodinamik analizi yapılmıştır. Ayrıca deney setinin tasarım ölçüleri hesaplanarak imalatı yapılmış ve fiziksel kurulumu gerçekleştirilmiştir.

Sunulan projede kolektör ağız açıklığı 1.4 metre olarak belirlenmiştir. Deneysel ölçümler sonucunda, kolektör çıkış sıcaklığı güneş ışınım şiddetine bağlı olarak değişkenlik göstermektedir. Ek olarak sistem verimliliğine etki eden çalışma akışkanının kütlesel akış debisi, kolektör çıkış sıcaklığı ve ışınım şiddetine bağlı olarak sistemdeki verim değişimi incelenmiştir. Kolektörden elde edilen çıkış sıcaklığı en fazla 150 °C olarak ve elde edilen elektrik enerjisi yaklaşık 0.190 kW olarak ölçülmüştür. Ayrıca sunulan sistemden elde edilen hidrojen miktarı 310 cc/dak olarak ölçülmüştür.

Anahtar kelimeler: Hidrojen enerjisi, Enerji üretimi, Parabolik çanak kolektörü

Amaç

İklim değişikliği krizi, gelişmiş ekonomiler ve gelişmekte olan ülkeler tarafından çözülmesi gereken en önemli sorun olarak kabul edilmektedir. Ülkemizin de Paris İklim Anlaşması’na taraf olması ve 2053 yılına kadar enerji politikamızın dekarbonizasyon üzerine belirlememiz, başta yenilenebilir enerji olmak üzere enerji politikamızda bir dönüm noktası olmuştur. Literatürde küresel ısınmadaki artış hızı üç ana nedene dayanmaktadır. Bunlar volkanik faaliyetler, güneş radyasyonu ve insan faaliyetlerdir [1]. Bunlardan sadece biri antropolojiktir ve CO2 emisyonlarını azaltmak için önlenebilir. İklim anlaşmasına bağlı kalarak, bu yüzyıldaki küresel sıcaklık artışını sanayi öncesi seviyelerin 1,5°C altında tutmak için kolektif bir çaba gerekecektir. Devletler, karbondan arındırma hedeflerine ulaşmak için fosil enerji kaynaklarından yenilenebilir enerji kaynaklarına geçiş yapmaktadır. Sunulan bu çalışmada da yenilenebilir enerji kaynakları arasında öne çıkan güneş enerjisi termal enerji üretim için değerlendirilmektedir. Güneş enerjisinden faydalanabilmek için parabolik çanak kolektörü kullanılmaktadır. Güneş kolektörüne entegre mikro türbin sayesinde elektrik üretimi gerçekleştirilmektedir ve elde edilen elektrik enerjisi hidrojen üretimi için PEMe aktarılmaktadır. Sunulan çalışmanın öne çıkan amaçları aşağıdaki gibi maddeler halinde sunulmaktadır;

• Güneş enerjisi destekli entegre sistem geliştirilmesi
• Yeşil hidrojen üretiminin deneysel olarak incelenmesi
• Sürdürülebilir hidrojen üretiminin verimlilik analizinin yapılması

Çalışma üç hedef üstüne kurulmuştur. Bunlar; ilk olarak termal enerji üretiminde noktasal odaklamalı güneş kolektörünün imalatının gerçekleştirilmesidir. Odaklamalı güneş kolektörleri düzlemsel kolektörlere göre çıkış sıcaklığı açısından daha yüksek sıcaklıkta çalışma akışkanı elde edilmesini sağlamaktadır [2]. Kolektör çıkış sıcaklığı hem türbinden elektrik üretimi hem de hidrojen üretimini doğrudan etkilemektedir [3]. Bu sebepten kolektör çıkışında yüksek sıcaklık elde edilmesi çalışmanın ilk hedefini oluşturmaktadır. Çalışmanın ikinci hedefi ise elektrik üretimi yapabilmek için mikro türbinin sisteme entegre edilmesidir. Kolektör çıkış sıcaklığı doğrudan türbin girişine aktarılarak elektrik üretimi sağlanmaktadır. Çalışmanın üçüncü ve son hedefi ise elde edilen elektriğin hidrojen üretimi için PEMe aktarılmasıdır. Sunulan proje genel olarak entegre bir sistemdir. Tek bir enerji kaynağından hem elektrik hem de hidrojen üretimini ele almaktadır.

Giriş

Çevresel etkiler ve ekonomik kazanımlar değerlendirildiğinde fosil yakıtlara alternatif olarak hidrojen enerjisi ön plana çıkmaktadır. Özellikle yenilenebilir enerji kaynaklarından hidrojen üretimi ülkelerin enerji politikalarında yer almaktadır. Öyle ki, birçok ülke hidrojen enerjisi yol haritasını ilan etmişlerdir. Türkiye’nin de Paris İklim Anlaşması’na taraf olması ve 2053 yılına kadar enerji politikamızı yeşil hidrojen üretim üzerine kurmamız taahhüt ettiğimiz dekarbonizasyon hedefi için önemli bir rol oynamaktadır. Hem ilgili ajansların raporları hem de literatürdeki çalışmalar küresel ısınmada fosil yakıtların önemli etkilerinin olduğu bu sebeple alternatif yeni enerji kaynaklarının kullanımının gerekliliğini belirtmiştir [4-7]. Bu çalışmalar dikkate alınarak sunulan projede, güneş enerjisi destekli elektrik ve hidrojen üretimi, Türkiye’nin gelecek enerji politikalarını destekler niteliktedir. Sunulan proje ile alakalı literatürdeki benzer çalışmalar aşağıda derlenmiştir;

Atiz [8] teorik olarak jeotermal enerji destekli üç farklı güneş kolektöründen hidrojen üretiminin termodinamik analizini ele almıştır. Güneş kolektörü olarak düzlemsel, vakum tüplü ve parabolik oluk güneş kolektörleri kullanılmıştır. Tüm güneş kolektörleri ayrı ayrı incelendiğinde en yüksek verimlilik parabolik oluk güneş kolektöründen elde edilmiştir.

Önerilen sistemdeki en yüksek enerji ve ekserji verimliliği sırasıyla %5.67 ve %7.49 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca parabolik oluk güneş kolektörü kullanıldığında hidrojen üretimi günde 2758.69 gr olarak ölçülmüştür.

Çorumlu ve ark. [9] teorik olarak güneş enerjisi destekli hidrojen üretiminin termodinamik analizini sunmuşlardır. Sunulan sistemde 10 adet vakum tüplü ısı borulu güneş kolektörü PEMe için termal enerji üretiminde kullanılmıştır. PEMe için gerekli olan elektrik enerjisi PV güneş panelinden karşılanmıştır. Çalışma sonucunda sistemin enerji ve ekserji verimliliği sırasıyla %22.97 ve %19.55 olarak hesaplanmıştır.

Zandi ve ark. [10] teorik olarak parabolik oluk güneş kolektöründe beş farklı çalışma akışkanı kullanarak elektrik üretimini incelemişlerdir. Elektrik üretimi için ORÇ sistemi tercih edilmiştir. Çalışma sonucunda en yüksek enerji verimliliği R152A akışkanı ile %12.9 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca çevre sıcaklığı göz önüne alınarak en yüksek ekserji verimliliği R245fa akışkanı kullanıldığında %8.3 olarak hesaplanmıştır.

Mastropasqua ve ark. [11] parabolik çanak destekli hidrojen üretimini teorik olarak modellemişlerdir. Çalışmada elektrik üretimi için Brayton çevrimi kullanılmıştır.

Kompresörden çıkan sıcak hava parabolik çanak kolektöründe termal enerjisi artırılarak türbinden elektrik işine dönüştürülmüştür. Çalışmada yüksek sıcaklık elektrolizi kullanılarak günlük 150 kg hidrojen üretimi sağlanmıştır.

Soltani ve ark. [12] parabolik çanak güneş kolektörünün optik-termal modellemesini yapmışlardır. Sunulan çalışmada ANSYS Fluent yazılımı kullanılmıştır. 2.88 metre ağız açıklığına sahip bir parabolik çanak kolektöründe CFD analizi için çalışma akışkanı, akışkanın kolektöre giriş sıcaklığı, akışkanın kütlesel debisi ve ışınım şiddeti gibi parametreler dikkate alınmıştır. Çalışma sonucunda termal verim % 65 olarak hesaplanmıştır.

Yukarıda sunulan ve literatürdeki benzer çalışmalar incelendiğinde birçok çalışmanın teorik modelleme olarak sunulduğu deneysel inceleme yapılarak hidrojen üretiminin sınırlı sayıda olduğu gözlenmiştir. Bu sebepten, sunulan özgün bir tasarıma sahip parabolik çanak kolektör destekli elektrik ve hidrojen üretimi bilimsel ve ticari olarak önem arz etmektedir.

Sunulan çalışmada, parabolik çanak destekli elektrik ve hidrojen üretimi uygulamalı olarak gösterilmiş. Ayrıca sunulan çalışmanın İstanbul şartlarında termodinamik analizi incelenmiştir.

Elde edilen sonuçlar Türkiye’nin 2030 ve 2053 enerji politikaları ile paralellik göstermekle
birlikte yenilenebilir enerji ve sürdürülebilirlik açısından katkı sağlamaktadır.