Optimizing and simulating of hydrogen production from biogas for renewable energy conversion
Yenilenebilir enerji dönüşümü için biyogazdan hidrojen üretiminin optimizasyonu ve simülasyonu
- Tez No: 845168
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Enerji, Çevre Mühendisliği, Biotechnology, Energy, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
Bu tez, buhar metan reformu (SMR) ve su gazı kaydırma (WGS) reaksiyonları kullanılarak biyogazdan hidrojen üretiminin araştırılmasına odaklanmaktadır. Bu sürecin verimliliğini ve izlenebilirliğini değerlendirmek için Aspen Plus simülasyon yazılımı kullanılmış ve elde edilen sonuçlar analiz edilmiştir. Biyogaz, organik atıkların fermantasyonu sonucu oluşan bir gaz karışımıdır. Biyogazın ana bileşenleri metan (CH4) ve karbondioksit (CO2)'tir. Biyogaz, çevre dostu bir enerji kaynağıdır ve fosil yakıtlara alternatif olarak kullanılabilmektedir. Hidrojen (H2), yakıt olarak veya kimyasal sentezde kullanılan bir elementtir. Hidrojen, fosil yakıtlara göre daha çevre dostu bir yakıttır ve sera gazı emisyonlarını azaltmaya yardımcı olmaktadır. Hidrojen, yakıt hücrelerinde kullanılarak elektrik üretebilmektedir. Hidrojen yakıtlı araçlar, fosil yakıtlı araçlara alternatif olarak kullanılabilmektedir. Hidrojen yakıtlı araçlar, elektrikli araçlara benzer şekilde çalışır. Ancak, hidrojen yakıtlı araçlarda, elektrik, yakıt hücresinde hidrojenin oksijenle reaksiyona girmesiyle üretilir. Bu reaksiyon, yanmadan gerçekleşir ve bu nedenle sera gazı emisyonu üretmez. Hidrojen yakıtlı araçların yaygınlaşması, çevre kirliliğini azaltmaya ve iklim değişikliğiyle mücadeleye yardımcı olacaktır. Hidrojen, elektrik depolamak için de kullanılabilir. Hidrojen, elektrik enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürerek depolayabilmektedir. Hidrojen depolama, elektrik şebekesinin kesintilerine karşı koruma sağlar. Ayrıca, elektrik üretiminin merkezileşmesini azaltarak, enerjinin daha verimli dağıtılmasını sağlayacaktır. Hidrojen, temiz ve sürdürülebilir bir enerji kaynağı olarak önemli bir potansiyele sahiptir. Hidrojenin yakıt olarak ve elektrik depolamada kullanılması, çevre kirliliğini azaltmaya ve iklim değişikliğiyle mücadeleye yardımcı olacaktır. Hidrojen enerjisinin yaygınlaşması, enerji sektöründe önemli bir dönüşüme yol açacaktır. Biyogazdan hidrojen üretimi, biyogazın çevre dostu bir şekilde değerlendirilmesi ve hidrojen enerjisinin yaygınlaştırılması için önemli bir potansiyele sahiptir. Biyogazın kalitesi, hidrojen üretimi verimliliğini etkilemektedir. Biyogazdaki metan konsantrasyonu ne kadar yüksekse, hidrojen üretimi verimliliği de o kadar yüksek olur. Enerji sıkıntısı, günümüzün en önemli sorunlarından biridir. Fosil yakıtların tükenmesi ve iklim değişikliği, enerji sıkıntısını daha da önemli hale getirmektedir. Hidrojen enerjisi, fosil yakıtlara alternatif olarak enerji sıkıntısına çözüm olmaktadır. Biyogazdan hidrojen üretimi, hidrojen enerjisinin yaygınlaştırılması için önemli bir yoldur. Tezde biyogaz üretilirken kullanılan atık türleri, gıda atığı ve hayvan atığı gibi kaynakların biyogazın bileşimine ve miktarına olan etkisi de tartışılmaktadır. Biyogaz, karbon emisyonlarının azaltılması ve hidrojen üretiminde kullanılması yoluyla organik atık bertarafının en aza indirilmesi gibi çok sayıda fayda sunan yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak kabul edilmektedir. Ayrıca biyogazdan hidrojene dönüşüm sürecinin optimizasyonu ve modellenmesi için bir araç olarak Aspen Plus simülasyonunun önemi vurgulanmaktadır. Bu simülasyon yazılımı reforming veya hidrojen saflaştırma gibi birim operasyonlarını simüle edilmesini sağlamakta ve aynı zamanda bu simülasyonlarda hassasiyet analizi yapılmasına da olanak sağlamaktadır. Bu tezde biyogazdan hidrojen üretmek için kullanılan yöntem buhar metan reforming (SMR) ve su gaz kaydırma (Water Gas Shift – WGS) prosesleri kullanılmıştır. Bu süreçte metan, hidrojen, karbon monoksit ve karbon dioksit üretmek için buharla reaksiyona girer. Bu yöntem, biyogazın çevre dostu bir şekilde değerlendirilmesi ve hidrojen enerjisinin yaygınlaştırılması için önemli bir potansiyele sahiptir. Buhar metan reforming (SMR), biyogazdan hidrojen (H2) üretimi için kullanılan en yaygın yöntemlerden biridir. Bu yöntemde, biyogazdaki metan (CH4) gazı, yüksek sıcaklık ve basınç altında su buharı (H2O) ile reaksiyona sokulur. Bu reaksiyon sonucunda metan, karbon monoksit (CO) ve H2 gazlarına dönüşür. Biyogaz, SMR prosesine girmeden önce ön işleme tabi tutulmalıdır. Bu işlemde, biyogazdan H2S ve diğer kirleticiler uzaklaştırılır. Ön işleme işlemi, biyogazın kalitesini ve SMR prosesinin verimliliğini arttırır. Reformerda gerçekleşen SMR prosesi sonucunda elde edilen H2 gazı, çeşitli saflaştırma yöntemleri kullanılarak saflaştırılır. Bu işlemde, H2 gazından CO, CO2 ve diğer gazlar uzaklaştırılır. Bu tezde kullanılan ve araştırılan yöntem Pressure Switch Adsorption (PSA)'dır. SMR prosesi, biyogazdan hidrojen üretimi için oldukça verimli bir yöntemdir. Bu yöntemle, biyogazdaki metanın %80'e kadarı H2'ye dönüştürülebilir. Proses mevcut biyogaz tesislerinde kolaylıkla uygulanabilir. Ancak proses yüksek sıcaklık ve basınç gerektirir. Water-gas shift (WGS) reaksiyonu, SMR prosesinden sonra yer alır ve SMR'da oluşan karbon monoksit (CO) ve su buharı (H2O) gazlarının, yüksek sıcaklık ve basınç altında, hidrojen (H2) ve karbon dioksit (CO2) gazlarına dönüştürülmesini sağlayan bir kimyasal reaksiyondur. Bu reaksiyon, ekzotermik bir reaksiyondur, yani ısı açığa çıkarır. Bu nedenle, reaksiyonun gerçekleşmesi için yüksek sıcaklık ve basınç gerekir. WGS reaksiyonu, katalizör kullanılarak gerçekleştirilir. Katalizör, reaksiyonun hızını ve verimliliğini artırır. WGS reaksiyonu için yaygın olarak kullanılan katalizörler, bakır-krom (Cu-Cr) katalizörleridir. WGS reaksiyonu, biyogazdan hidrojen üretiminde önemli bir rol oynar. SMR prosesi sonucunda elde edilen karbon monoksit, WGS reaksiyonunda H2'ye dönüştürülerek hidrojen üretimi verimliliği arttırılabilir. WGS reaksiyonu; biyogazdan hidrojen üretimi verimliliğini arttırır, biyogazdan daha fazla hidrojen üretimine olanak tanır ve karbon monoksit emisyonlarını azaltır. Ancak proses yüksek sıcaklık ve basınç gerektirir ve proseste katalizör kullanımı gerekmektedir. Simülasyonda biyogaz ve su buharı öncelikle reformera girmektedir. Reformerda SMR reaksiyonları gerçekleşmektedir. Sonraki ünite WGS ünitesidir. Burada reformarda ortaya çıkan CO ile su buharı tepkimeye girerek ikinci bir hidroje üretim hattı yaratılmaktadır. WGS ünitesinden sonra gazların soğutulması için condenser kullanılmakta ve sonrasında H2'nin ayrılabilmesi için hatta PSA bağlanmıştır. PSA'dan çıkan iki hat bulunmaktadır. Bunlardan biri H2 hattı diğeri tailgas olarak adlandırdığımız diğer gazlardır. Simülasyonda bu gazların yakılması uygun görülmüştür. Reformer ünitesi, biyogazdaki metanın hidrojen ve karbon monoksit gazlarına dönüştürülmesini sağlayan bir reaktördür. Bu işlem, yüksek sıcaklıklarda ve basınçlarda gerçekleştirilir. Reformer ünitesi, biyogazdan hidrojen üretiminin verimini ve verimliliğini artırmak için önemlidir. Bunun nedeni, metanın hidrojen ve karbon monoksit gazlarına dönüştürülmesinin, biyogazdaki hidrojen içeriğini önemli ölçüde artırmasıdır. Reformer ünitesi, biyogazın bileşimi, sıcaklık, basınç gibi faktörlerden etkilenir. Biyogazın bileşimi, reformer işleminin verimini etkileyebilir. Örneğin, biyogazdaki metan konsantrasyonu arttıkça, reformer işleminin verimi de artar. WGS ünitesi, karbon monoksit gazının hidrojen ve karbondioksit gazlarına dönüştürülmesini sağlayan bir reaktördür. Bu işlem, yüksek sıcaklıklarda ve basınçlarda katalizör kullanılarak gerçekleştirilir. Condenser ünitesi gazların soğutulması ve sıvılaştırılmasını sağlayan bir ünitedir. Bu işlem, hidrojenin depolanması ve taşınması için gereklidir. PSA ünitesi, hidrojen ve karbondioksit gazlarının ayrılmasını sağlayan bir ünitedir. Bu işlem, saflaştırılmış hidrojen üretimi için gereklidir. Saflaştırılmış hidrojen, daha yüksek verimlilikle ve daha düşük maliyetle kullanılabilmektedir. Bu ünitelerin verimini ve verimliliğini artırarak, biyogazdan hidrojen üretiminin daha ekonomik ve çevre dostu hale getirilmesi mümkündür. Biyogaz bazlı hidrojen üretimi sürdürülebilirlik, çevre dostu olma, büyüme ve istihdam yaratma potansiyeli gibi avantajlara sahiptir. Ancak, biyogaz üretiminin değişkenliği ve saflığı, yüksek maliyetler ve verimlilik gereksinimleri, altyapı yatırımları ve hidrojen için özel depolama ve dağıtım tesislerine duyulan ihtiyaç gibi dikkate alınması gereken zorluklar da vardır. Tezde Aspen Plus simülasyonu kullanılarak proses için en uygun koşullar belirlenmiş ve bu optimum koşullar; gerçek biyogaz tesisinden alınan biyogaz kalitesi ve miktarı bilgilerini kullanılarak bir senaryo oluşturulmuştur. Bu senaryoda gerçek bir tesiste bu sistem kurulursa ne kadar H2 üretimi olacağını göstermektedir. Simülasyon sonuçları, parametrelerin duyarlılık analizi açısından kapsamlı bir şekilde analiz edilmiştir. Simülasyon sırasında gözlemlenen önemli eğilimler de tartışılmıştır. Amacımız, simülasyon sonuçlarının uygulanabilirliğini ve pratik sonuçlarını değerlendirmektir. Simülasyon sonuçları Reformer için optimum koşul olarak 10000C ve 15 bar olduğunu göstermektedir. Condenser için optimum koşullar 380C ve 16 bar olarak bulunurken PSA ünitesi için optimum koşullar 280C ve 17 bar olarak bulunmuştur. Standart değerlerle simülasyon çalıştırıldığında 38.51 kg/sa biyogazdan 4.18262 kg/sa H2 üretilirken bu koşullar ile aynı miktarda biyogazdan 4.19252 kg/sa H2 üretimi sağlanmaktadır. Bu tez, SMR (Steam Methane Reforming) ve WGS (Water Gas Shift) reaksiyonları yoluyla biyogazdan hidrojen üretmenin potansiyel olarak mümkün olduğunu göstermektedir. Aspen Plus simülasyonunun kullanımı, proses performansını değerlendirmek ve proses tasarımını optimize etmek için bir araç olduğunu kanıtlamaktadır. Biyogaz değişkenliği ve saflığı ile ilgili zorluklara rağmen, bu yaklaşım çevresel etkisi azaltılmış bir enerji çözümü sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis focuses on exploring the production of hydrogen through the utilization of biogas via steam methane reforming (SMR) and water gas shift (WGS) reactions. Aspen Plus simulation software have been employed to assess the efficiency and traceability of this process and have analyzed the obtained results. Composition and properties of biogas derived from sources like waste, food waste, and sewage sludge have been discussed. Biogas is considered a renewable energy source with its deployment in hydrogen production offering numerous benefits such as reducing carbon emissions and minimizing organic waste disposal. Furthermore, we highlight Aspen Plus software as a tool for modeling by optimizing the conversion process from biogas to hydrogen. This simulation software enables us to simulate unit operations such as heating, reforming, and hydrogen purification. The used method for producing hydrogen from biogas is described as steam methane reforming (SMR). In this process methane undergoes a reaction, with steam to generate hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide. Biogas based hydrogen production has advantages, including its sustainability, environmental friendliness, potential, for growth and job creation. However there are also challenges to consider such as the variability and purity of biogas production high costs and efficiency requirements as the need for infrastructure investments and dedicated storage and distribution facilities for hydrogen. The thesis also provides an account of the materials and methods used in the study. This includes analyzing the source and composition of biogas utilizing simulation software (Aspen Plus) and establishing input parameters. The results of the simulation are thoroughly analyzed in terms of sensitivity analysis on parameters. Performance indicators like efficiency and purity are assessed while comparing this approach with methods of hydrogen production. Notable trends observed during the simulation are also discussed. This thesis demonstrates that producing hydrogen from biogas through SMR (Steam Methane Reforming) and Wgs (Water Gas Shift) reactions is feasible with potential. The use of Aspen Plus simulation proves to be a tool for evaluating process performance as well as optimizing process design. Despite challenges related to biogas variability and purity this approach offers a energy solution with reduced environmental impact. In this study, we also explore research directions and practical applications. We emphasize the importance of addressing issues, like scalability, economic feasibility and integration with existing infrastructure. To provide an understanding of how biogas based hydrogen production works in real world scenarios we incorporate data and biogas quality from the Tire Biogas Facility into our modeling study using Aspen Plus simulation software. Our aim is to evaluate the applicability of simulation results and their practical implications.
Benzer Tezler
- Fındık kabuklarının gazlaştırılması ile hidrojence zengin sentez gazı üretiminin ekserji analizi
Exergy analysis of hydrogen-rich syngas production from gasification of hazelnut shells
EMİRHAN KARAGÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERDAR YAMAN
- PEM elektrolizörün sayısal modellemesi ve deneysel doğrulanması
Numerical modeling and experimental validation of PEM electrolyzer
SAFİYE NUR ÖZDEMİR
- Fischer-tropsch ile hafif olefin üretimi prosesi için kinetik modelleme ve optimizasyon çalışması
Kinetic modeling and optimization study for light olefin production process with fischer-tropsch
SELİN ERTUNAN GÜMÜŞBOĞA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GAMZE GÜMÜŞLÜ GÜR
- PEM yakıt pili performansının Taguchi metodu ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile optimizasyonu
Optimization of a PEM fuel cell performance by the Taguchi method and computational fluid dynamics
ELİF KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
EnerjiBursa Teknik ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ KEMAL FÜRKAN SÖKMEN
- Kinetic modelling of acetylene hydrogenation in ethylene production process
Etilen üretim sürecinde asetilen hidrojenasyonunun kinetik modellemesi
GİZEM PINAR
Doktora
İngilizce
2023
Kimya MühendisliğiEge ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CANAN URAZ
DR. ÖĞR. ÜYESİ BAŞAR ÇAĞLAR