Geri Dön

Assessment of green hydrogen production and hybrid renewable energy system for seasonal residential area

Mevsimlik yerleşim alanı için yeşil hidrojen üretimi ve hibrit yenilenebilir enerji sisteminin değerlendirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 916018
  2. Yazar: OĞUZHAN HAHOLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ÖNDER GÜLER
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Energy
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Enerji Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 95

Özet

Dünyada artan nüfus ve gelişmekte olan teknolojiler ile birlikte ihtiyaç duyulan elektrik enerjisi ihtiyacı da artmaktadır. Bu ihtiyacın karşılanmasında uzun yıllardır güvenilir ve kesintisiz enerji sağlamasının yanı sıra çevreye olumsuz etkileri olan fosil yakıtlı kaynaklar ise giderek tükenmektedir. Bununla birlikte dünyada yaşanmakta olan küresel ekonomik ve enerji krizleri, enerji ihtiyacının karşılanmasında temiz ve sürdürülebilir yöntemlerin uygulanmasının önemini pekiştirmiştir. Dünyada yaşanan çevresel sorunların önüne geçilebilmesi için ülkelerin belirlemiş oldukları hedefler çerçevesinde enerji verimliliklerinin arttırılarak, karbon emisyonlarının azalımı için yeni politikalar ve stratejiler düzenlenmektedir. Enerji alanında yaşanan krizler ve bunların neden olduğu aksaklıklar, ülkelerin enerjide dışa bağımlılığı azaltmaları ve enerji arz güvenliğini sağlamaları amacıyla, yenilenebilir enerji kaynak kapasitelerini artıracak ve alternatif enerji kaynaklarının kullanımına yönelecek şekilde hedeflerini revize etmelerine neden olmuştur. Yenilenebilir enerji sistemleri, sürdürülebilir kaynağa sahip olmaları, enerjide dışa bağımlılığı azaltmaları ve aynı zamanda karbon emisyonlarından arındırılmış temiz bir çevre sunmalarıyla son yıllarda enerji üretiminin en önemli parçası haline gelmişlerdir. İlginin artması ve teknolojik gelişmelerle birlikte, rekabetin artması ve maliyetlerin azalması sağlanmıştır. Birçok ülke, yukarıda belirtilen nedenler de dikkate alınarak, enerji üretimlerinde yenilenebilir enerjinin payını mümkün olduğunca artırmaya çabalamaktadır. Doğaları gereği, yenilenebilir enerji sistemlerinin üretimi güneş ışını ve rüzgar hızı çevre koşullarına doğrudan bağlıdır. Bu sebeple, rüzgar olmadığı zamanlarda rüzgar türbinlerinin enerji üretememesi ve akşam saatlerinde güneş enerjisinden yararlanılamaması gibi engeller ortaya çıkmıştır. Hibrit yenilenebilir enerji sistemleri, bu noktada karşılaşılan engellere çözüm olarak ortaya çıkmıştır. En az iki veya daha fazla farklı enerji kaynağının birlikte bulunduğu sistemler hibrit enerji sistemleri olarak adlandırılmaktadır. Bu sistem sayesinde, güneş enerjisi ve rüzgar enerjisi sistemleri birbirleriyle entegre çalışarak, elektrik üretiminde bir diğerinin neden olabileceği eksiklikleri giderme avantajı sağlamaktadır. Buna ek olarak, batarya depolama sistemleri de ihtiyaç fazlası elektrik üretilmesi durumunda kapasitesi kadar enerjiyi depolayarak, gerektiğinde kullanılmasını, bu sayede kesintisiz elektrik tüketiminin ve şebekede dengenin oluşmasına katkı sağlamaktadır. Yenilenebilir enerji sistemleri şebekeye bağlı ve şebekeden bağımsız olarak iki farklı şekilde uygulanabilirler. Şebekeye bağlanması durumunda, şebekedeki yük dalgalanmalarının dengelenmesine destek olurken, düşük maliyetleri sayesinde elektrik fiyatlarında azalma olmasına da yardımcı olmaktadır. Şebekeden bağımsız sistemler ise genellikle merkezi bölgelere uzak olan, şebeke bağlantısı kurulmasının zor olduğu yerleşim yerlerinde ve enerji ihtiyacının kısmen düşük olduğu alanlarda uygulanan bir yöntemdir. Buna ek olarak, şebekeden bağımsız olmaları sayesinde, şebekeden kaynaklı yaşanabilecek kesintilerden veya arızalardan etkilenmemektedirler. Şebekeden bağımsız sistemlerin ve merkeziyetsiz enerji üretim ve tüketiminin yaygınlaşması, buna benzer sorunların ortaya çıkmasına engel olma potansiyeline sahiptir. Bu sistemler özellikle yüzölçümüne oranla nüfusun az olduğu ve ada benzeri bölgelerde kullanılmaya çok uygundur. Tüm bu çözümler, enerjide yaşanan sorunların ve çevreyle ilgili sorunlarına çözümü için tek başına yeterli olmamaktadır. Buradan yola çıkarak, alternatif enerji kaynaklarına olan arayış hızlanmıştır. Bu noktada hidrojen, çeşitli sektörlerde farklı amaçlarla kullanılabilen bir kaynak olmasıyla ön plana çıkmaktadır. Hidrojen doğada en çok bulunan ve en hafif element olmasının yanında, petrol ve doğalgaz gibi yakıtlardan yaklaşık 2,5-3 kat daha fazla enerji yoğunluğuna sahiptir. Sahip olduğu kullanım çeşitliliği ve hali hazırda birçok alanda yaygın kullanılıyor olmasıyla hidrojen geleceğin enerjisi olarak adlandırılmaktadır. Hidrojen, doğalgaz kaynaklı üretim, gazifikasyon gibi geleneksel yöntemlerle üretilebilmektedir. Ancak bu yöntemlerin sonucunda açığa karbondioksit çıkması nedeniyle yenilikçi teknolojiler geliştirilmeye devam etmektedir. Belirtilen yöntemlerin kullanılarak açığa çıkan karbondioksitin yakalanması yöntemleri üzerinde çalışmalar devam etmekle birlikte, asıl kalıcı çözümün emisyon üretimine neden olmayan yenilikçi yöntemlerle sağlanabileceği düşünülmektedir. Suyun elektrik enerjisi kullanarak ayrıştırılması yöntemi olarak adlandırılan elektrolizör, hidrojen üretimi sırasında sıfır emisyona neden olduğundan, son yıllarda araştırma geliştirme çalışmalarının yoğunlaştığı ve yatırımların, teşviklerin elektrolizör teknolojilerine yapıldığı bir üretim yöntemidir. Kullanılan elektrolit tipine göre 4 farklı üretim yöntemi bulunmaktadır. Hızlı tepki süresi, dinamik üretim kapasitesi gibi avantajlarıyla, Proton Exchange Membran (PEM) elektrolizörler popülerliğini artırmaktadır. Gelişmiş bir teknoloji olan Alkali elektrolizörlere kıyasla maliyetleri yüksek olsa da firmaların ticarileşme süreçleri hızlandıkça ve ülkeler hidrojen alanında yeni hedefler belirledikçe maliyetleri düşmektedir. Hidrojen hafif ve son derece yanıcı bir gazdır. Bu nedenle üretim sonrasında uygulanacak depolama ve taşıma yöntemleri önem arz etmektedir. Hidrojen sıkıştırılmış gaz olarak, sıvı halde, kimyasal ve fiziksel bağlarla depolanabilmektedir. En yaygın depolama yöntemi sıkıştırılmış gaz yöntemidir. Genellikle 350-700 bar basınç arasında, farklı tip malzemelerle kaplanabilen ve buna göre sınıflandırılan tanklarda depolanabilmektedir. Sıvılaştırılarak depolanması ve taşınması çoğunlukla uzun mesafeye gidilecek durumlarda daha avantajlı hale gelmektedir. Hidrojen sıvılaşması için -252 oC sıcaklığa düşürülmesi gerektiğinden %40'lara varan enerji kayıplarına neden olabilmektedir. Yaygın olarak bilinen bu yöntemlerin haricinde amonyağa dönüştürülerek depolanması ve taşınması da özellikle gübre sektörü için son derece avantajlı olabilmektedir. Sıvı organik taşıyıcılar ile kimyasal bağ kurarak depolanması ve taşınması da gelişmekte olan yöntemler arasındadır. Doğalgaza göre yanıcılığı yüksek bir gaz olduğundan, gerekli güvenlik tedbirlerinin sağlanması koşuluyla var olan boru hatlarında taşınması da mümkündür. Üretildiği yerde tüketilmesi, maliyet açısından en avantajlı olan durumdur. Gelecek hidrojen ihtiyacı projeksiyonları ve ülkelerin belirledikleri hedefler incelendiğinde hem Avrupa Birliği ülkelerinin hem Asya ülkelerinin hem de Amerika Birleşik Devletleri'nin yayınladıkları yeni paketlerle birlikte önce 2030 ardından 2050 yıllarına kadar net sıfır emisyona ulaşma konusunda bir numaralı öncelik verdikleri konular arasında yenilenebilir enerji kaynaklarının çeşitlendirilerek arttırılması ve hidrojen teknolojilerinin geliştirilmesi gelmektedir. Avrupa Birliği 2030 yılında kadar 40 GW toplam elektrolizör kurulu gücüne ulaşmayı hedeflerken bu değer Almanya için 5 GW'tır. Türkiye 2023 yılı başında yayınladığı hidrojen stratejilerini ifade eden rapor ile 2030 yılına kadar 2 GW, 2053 yılına kadar ise 70 GW kapasite hedefi belirlemiştir. Benzer şekilde yapılan çalışmalarda da görülmektedir ki Türkiye hidrojen üretimi ve ihracatı konusunda, sahip olduğu yenilenebilir enerji kaynakları ile önemli bir avantaja sahiptir. Bunlarla birlikte, 6-7 $/kg olan hidrojen maliyetlerinin, 2050 yılına kadar 1,5 $ seviyelerine düşeceği öngörülmektedir. Hazırlanan bu tez çalışmasında, şebekeden bağımsız enerji sistemlerinin ve hidrojen üretim potansiyelinin değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Güneş ve rüzgar enerjisi potansiyelinin yüksek olduğu, aynı zamanda çevresinde potansiyel hidrojen tüketicisi olabilecek birçok endüstri bulunması nedeniyle İzmir'in Foça ilçesi bu çalışma için belirlenen konum olmuştur. Bölgede yazlık kullanımın yaygın olması nedeniyle, enerji tüketiminin yaz aylarında çok, kış aylarında ise az olacağı şekilde yük profili tanımlanarak 100 konutlu bir bölgenin enerji ihtiyacı belirlenmiştir. Seçilen bölgenin enerji ihtiyacının karşılanmasında kullanılması planlanan şebekeden bağımsız hibrit yenilenebilir enerji sisteminin ve ihtiyaç fazlası elektriğin değerlendirileceği elektrolizörün optimizasyonu HOMER Pro uygulaması kullanılarak yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar göstermiştir ki güneş, rüzgar ve batarya depolamanın olduğu sistem 0,265 $/kWh ile en düşük seviyelendirilmiş enerji maliyetini sunmaktadır. Çalışmanın ana amaçlarından biri olan yeşil hidrojen üretiminin değerlendirilmesi nedeniyle, elektrolizörün bulunduğu en düşük maliyetli sistem seçilmiştir. Seçilen sistem, 0,389 $/kWh seviyelendirilmiş enerji maliyetine sahip, 303 kW güneş enerjisi, 12 kW rüzgar enerjisi, 822 kWh batarya depolama ve 250 kW elektrolizör içermektedir. Bu sistem ile yıllık toplamda 5.946 kg hidrojen üretilebilmektedir. Hidrojen üretim maliyeti, tüm sistem bileşenleri ele alındığında 10,3 $/kg olarak hesaplanırken, elektrolizör maliyeti ve sistem ömrü olan 25 yıl boyunca toplam hidrojen üretimi dikkate alındığında 4,5 $/kg maliyet ile kendini amorti edeceği hesaplanmıştır. Elde edilen hidrojenin farklı sektörlerde kullanımı değerlendirildiğinde 35,2 tona kadar karbondioksit emisyonu azaltımı sağlanabileceği gibi hidrojen maliyetinin 8,28 $/kg'a kadar çıkabildiği hesaplanmıştır. Bulunan sonuçlar, şebekeden bağımsız hibrit yenilenebilir enerji sisteminin, yeşil hidrojen üretiminin de gerçekleşeceği şekilde tasarlanmasıyla, mevsimsel yerleşim bölgesinin enerji ihtiyacının karşılanmasında ve hidrojen kullanımının yaygınlaştırılmasında çevreci bir çözüm olduğunu göstermektedir. Benzer sistem uygulamalarının artmasıyla birlikte düşük maliyet ve daha fazla üretime ulaşılabilir. Ülkelerin de bu konularda gerekli teşvikleri sağlaması ve buna uygun politikalar belirleyerek üretici ve tüketicileri desteklemesi gerekmektedir.

Özet (Çeviri)

Global energy consumptions and environmental issues keep increasing with growing population and technologic advancements; therefore, development of alternatives to fossil fuels which have depleting resources as well as negative environmental impacts becomes a necessity. Combining with the global economic and energy crises, sustainable and emission free renewable energy sources such as wind and solar energy has become important in this transition over the last decades. Moreover, rising greenhouse gas emissions and reliance on fossil fuels are compelling arguments for shifting to alternative sources and for motivating industrial actors to invest in different technologies. One promising solution to reduce greenhouse gas emission is green hydrogen, since it can be used as a replacement of fossil fuels in various industrial applications along with heating and mobility sectors. In this study, feasibility of green hydrogen production from an electrolyzer that is supplied by off-grid hybrid wind and solar energy with battery storage is investigated. Hybrid system will be used to meet electricity demand of a seasonal residential area consisting 100 homes that is located in Foça, Izmir/Turkey. The area is suitable for summer vacation mostly, therefore, electricity demand is much higher during summer than winter. Accordingly, an off-grid hybrid system is designed based on the peak demand and load profiles. Considering the seasonal variations and fluctuation of energy generation from renewable sources, there will be excess energy throughout the year, especially from fall to spring seasons. Among various technologies, the excess energy will be supplied to the 250 kW proton exchange membrane (PEM) electrolyzer for green hydrogen production in order to add value to overall system. Since Izmir has a developed industry and ports, applications of the produced green hydrogen in several industries such as steel, mobility and ammonia is examined while analysing the entire supply chain from production to storage and transportation. Electricity generation and hydrogen production simulations were performed in the HOMER Pro software. Results of the study showed that most feasible configuration of the proposed off-grid hybrid renewable energy system is determined as which consisting solar energy, wind energy and battery storage with a levelized cost of electricity as 0.265 $/kWh. On the other hand, considering the aim of this study, most feasible configuration with the integration of an electrolyzer to an off-grid hybrid renewable energy system, which includes 303 kW solar energy, 12 kW wind energy and 822 kWh battery storage capacities, offers the levelized cost of electricity as 0.389 $/kWh with total of 5,946 kg hydrogen production and levelized cost of hydrogen as 4.5 $/kg. Examining the application of hydrogen on different sectors, up to 35.2 tons of CO2 emission reduction has been observed while the costs are increasing up to 8.28 $/kg. The findings can be considered aligned comparing with literature and future targets. This study provides an overview for evaluating implementation of an integrated system with hybrid renewable energy sources and electrolyzer to meet energy demand of a region while producing green hydrogen. Even though it is a sustainable approach, current costs of green hydrogen applications are higher comparing to traditional methods. As green hydrogen can become an unrivalled tool to replace fossil fuels, it is crucial to implement suitable national strategies, policies, incentives, laws and taxes which accounts for important part of developing a hydrogen market to achieve future energy targets.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    940845

    Açık deniz römorkör ve destek gemileri işletmeciliğinin stratejikyönetim modellemesi

    Strategic management modeling for offshore tugboat and supportvessel operations

    ALİ BURÇİN EKE

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Denizcilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZCAN ARSLAN

  2. Tez No

    871756

    Assessment of green hydrogen production in a selected oil refinery in Türkiye

    Türkiye'de seçilmiş bir petrol rafinerisinde yeşil hidrojen üretiminin değerlendirilmesi

    MURAD KERIMOV

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Enerjiİzmir Ekonomi Üniversitesi

    Sürdürülebilir Enerji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MİNE GÜNGÖRMÜŞLER

  3. Tez No

    961757

    Doğal gaz hatlarına yeşil hidrojen ilavesinin teknik-ekonomik-çevresel değerlendirmesi: Kahramanmaraş örneği

    Technical-economic-environmental assessment of adding green hydrogen to natural gas pipelines: The case of kahramanmaraş

    MUSTAFA MÜCAHİT SÖYLEMİŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    EnerjiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞABAN PUSAT

  4. Tez No

    601920

    Multi-scale modeling and simulation of intensified reactive-separation processes for hydrogen production and CO2 capture via the water-gas shift reaction (WGSR)

    Başlık çevirisi yok

    SEÇGİN KARAGÖZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Kimya MühendisliğiUniversity of California Los Angeles

    PROF. VASILIOS MANOUSİOUTHAKIS

  5. Tez No

    892120

    Multi-Scale Modeling and Simulation of Intensified Reactive-Separation Processes for Hydrogen Production and CO2 Capture via the Water-Gas Shift Reaction (WGSR)

    Su-Gaz Değişimi Reaksiyonu (WGSR) Yoluyla Hidrojen Üretimi ve CO2 Yakalama için Yoğunlaştırılmış Reaktif Ayırma Proseslerinin Çok Ölçekli Modellenmesi ve Simülasyonu

    SEÇKİN KARAGÖZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    EnerjiTexas A&M University

    Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. Vasilios Manousiouthakis

Geri Dön