Pamukkale Üniversitesinden alternatif enerji projeleri

Konu: Pamukkale Üniversitesinden alternatif enerji projeleri

Gerçekten mükemmel çalışma olmuş

İlginç bir çalışma yapmışlar

Hidrojen Nedir?
Hidrojen protonyum,döteryum ve trityum adı verilen 3 adet izotop ihtiva eder.Tüm elementlerin en basiti olan bir standart hidrojen atomu(protonyum) bir proton ve bir elektrondan oluşur.Moleküler Hidrojen (H2) 2 formdan oluşur.Bunlar ortohidrojen ve parahidrojendir.İki durumda aynı kimyasal özellikleri gösterir ancak yörünge farklılıklarından dolayı bir takım farklı fiziksel özellikler gösterirler. Oda sıcaklığında hidrojen yaklaşık olarak %75 orto-hidrojen ve de %25 para-hidrojenden meydana gelir.Para-hidrojen düşük sıcaklıklarda daha kararlı olduğundan konsantrasyonunu arttırır.Teorik olarak para-hidrojen sıvı hidrojen içinde %100 duruma ulaşır.
Hidrojen dünya üzerinde en yaygın olarak bulunan elementtir.Su parçalarının dünya yüzeyinin %60’ından fazlasını kapladığını düşünürsek bunun gerçekliği kolayca görülecektir.Ancak hidrojen doğada bağımsız olarak çok az bulunur.Bu yüzden onu elde etmek için bir takım işlemler yapmak gereklidir.

Hidrojenin Özellikleri



Hidrojen, kendine has bazı özellikleri ile ideal bir enerji taşıyıcısıdır:
• Elektrik enerjisi kullanılarak oldukça yüksek verimlerle üretilebilir veya elektrik üretiminde kullanılabilir.
• Hidrokarbonlardan ve sudan üretilebilir. Doğrudan güneş enerjisinden hidrojen üretimi (fotoelektrokimyasal veya fotobiyolojik üretim) prosesleri yoğun bir şekilde araştırılmaktadır.
• Alevli yanma, katalitik yanma, elektrokimyasal dönüşüm ve hidrürleşme gibi pek çok yöntemle etkin bir şekilde enerji üretiminde kullanılabilir.
• Hidrojenden enerji üretiminde son ürün sudur.
• Yenilenebilir kaynaklardan üretilen elektrikten üretildiğinde çevreye herhangi bir emisyonu olmaz; yani çevre dostudur (sadece havada alevli yanmada bir miktar NOx oluşur).
• Gaz, sıvı veya metal hidrürlerde depolanabilir.
• Boru hattı veya tankerlerle çok uzak mesafelere taşınabilir.

Hidrojenin Fiziksel Özellikleri
Hidrojenin havaya göre yoğunluğu 0,07’dir ve bu bakımdan cisimlerin en hafifidir. Dolayısıyla gözenekli çeperlerden diğer gazlara göre daha hızlı geçer. Aynı şekilde kızgın derecedeki demir, platin ve iridyum gibi metallerden de sızar. Hidrojen helyumdan sonra sıvılaştırılması en zor olan gazdır. Dönüşüm sıcaklığı -240 °C olan hidrojen atmosfer basıncında -253 °C’de kaynar, -259 °C’ta katılaşır. Oldukça iyi bir ısı iletkenidir. Özellikle kendi hacminin bin kat fazlasını çözündürebilen paladyum gibi kimi metaller tarafından kolayca soğurulur.

Hidrojenin Kimyasal Özellikleri
Hidrojen etkinleştirilmiş biçimleri dışında soğukta pek etkili değildir. Sıcakta ya da katalizörler eşliğinde pek çok tepkimeye girer. Değerli bir element olması nedeniyle çok belirgin elektropozitif bir özellik taşır. Orta kuvvette bir indirgendir, alkali metal oksitler (AL2O3) gibi çok kararlı bileşikleri indirgeyemez. Bununla birlikte NiO, CuO,vb. pek çok metal oksidi indirger. Bu yolla katalizör olarak kullanılan çok ufaltılmış metaller elde edilir.
Hidrojen alkali ve toprak alkali metallerde olduğu gibi ametallerin çoğuyla da doğrudan birleşir.Halojenlerin dördüyle de tepkimeye girerek hidrasitleri verir. Fluordan iyoda doğru gittikçe hem tepkime hızında hem de açığa çıkan ısı miktarında azalma görülür. Oksijenle kızıl derecede ya da düşük sıcaklıkta bir katalizör eşliğinde birleşerek su verir. Mavi bir alevle yanar. Kükürtle 250°C’de birleşir, azotla yüksek basınçta, bir katalizör eşliğinde birleşerek amonyak elde edilmesini sağlar.Kurşun ve bakır gibi değerli metallerin oksitlerini indirger. Demir ve demire yakın metallerin oksitleriyle tersinir tepkimeler verir. Ayrıca karbonmonoksiti de indirger, işlemin gerçekleştirildiği koşullara uygun olarak (sıcaklık, basınç, katalizör) değişik ürünler oluşturur.

Hidrojen Enerjisinin Konutlarda Kullanımı


Konutlara uygulanan hidrojen enerji sistemleri şekilde görüldüğü gibi 5 adet üniteden meydana gelmektedir.
1-Yakıt pili
2-İnverter
3-Doğalgazdan hidrojen üreten hidrojen jeneratörü
4-Yakıt pilini açık havadaki oksijen ile besleyen hava üfleyicisi
5-Sıcak su üreten ısı radyatörü
Doğalgaz şebekesinden alınan gazdan hidrojen üretilerek yakıt piline gönderilir.Hava üfleyicisi açık havadaki oksijeni yakıt piline göndererek hidrojenle oksijenin yakıt pili içerisinde birleşmesini sağlar.Bunun donucunda ortaya elektrik,saf su ve ısı çıkar.Elektrik enerjisi konutun elektrik ihtiyacını karşıladığı gibi yakıt pilindeki ısı su ısıtmada yada konutun ısıtılmasında kullanılır.Bu sistemler ulusal şebeke sistemlerine paralel çalışacak şekilde tasarlanmıştır.Aşırı yük çekimi durumunda enerji talebi şebekeden karşılanır.Sistemin en büyük avantajı ulusal şebekelerde meydana gelen dalgalanmalardan etkilenmemesidir.Genellikle 1 kW,2 kW, 5 kW ve 10 kW’lık sistemler evler için dizayn edilmiştir.



Yakıt pili sistemlerinin kojenerasyon sistemlerine dahil edilip birleştirilmesi ile bir bölgede cazibeli üretim teknolojisi ortaya çıkmaktadır.Binalarda yakıt pili kojenerasyon sistemlerinin tatbiki,bina düzenlemelerine uygun olarak,ekonomik yararlılığının değerlendirilmesi,bölgesel faydanın belirlenmesi gibi bir takım çalışma stratejilerinin seçimini zorunlu kılar.
Eğer başlangıç maliyetleri 1000-1500 $ aralığına kadar düşürülürse yakıt pili kojenerasyon sistemi ekonomik açıdan cazibeli bir hal alacaktır.Son maliyet projeksiyonları proton değişim membranlı yakıt pili teknolojisinde sağlanan gelişmeler sayesinde bu rakama kadar düşülebileceğini göstermektedir. PEM yakıt hücresinde yarım kilogramının maliyeti 10.000 $’ı bulan platinyum yerine çok daha ucuz olan nano-nikel kullanılmaya ve üzerinde araştırmalar yapılmaya başlanılmıştır.Yakın gelecekte bunların satışa çıkmasıyla kojenerasyon sistemleri için de gerekli fiyat aralığına ulaşılacaktır.


GÜNEŞ-HİDROJEN SİSTEMİ
Yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemli özelliği çevreye emisyon yaymamalarıdır.Bu çalışmada şimdiye kadar incelenen tüm sistemler içerisinde güneş-hidrojen sistemi bunu en iyi sağlayan sistemdir.Yenilenebilir enerji kaynaklarının çok yakın gelecekte tüm dünyanın enerji ihtiyacının büyük bir kısmını sağlayacağı hemen hemen belli olmuşken bu kaynaklar arasında güneş-hidrojen hibrit sistemi şu ana kadar yapılan çalışmalarda en verimli sistem olarak göze çarpmaktadır.
Bu çalışmada şu ana kadar anlatılan hemen hemen tüm sistemler güneş-hidrojen hibrit enerji sisteminin bir parçasıdır.İlk kısımda özellikle güneş enerjisinden elektrik üretimi bölümünde fotovoltaik paneller ve bunlara bağlı ekipmanlar ayrıntılı bir şekilde açıklanmıştır. Daha önce de belirtildiği gibi fotovoltaik panellerin verimlerini yükseltmek ile ilgili her gün daha da cesaretlendirici çalışmalar yapılmaktadır.Çok kısa bir süreç içerisinde panellerin verimlerinin hızla artması ve buna paralel olarak fiyatlarının da hızlı bir şekilde düşmesi beklenmektedir.Şu an için hidrojen üretim sistemleri içinde en uygunu doğalgazdan buhar eldesi ile olan yoldur ve 6$/GJ üretim maliyeti vardır.Ancak yakın zaman içinde doğalgazın biteceği ayrıca bu çeşit bir sistemde çıkan emisyon oranlarının yüksekliği düşünülecek olursa maliyet düşüklüğüne rağmen çok da verimli bir yöntem olmadığı görülecektir.
Aşağıdaki şekilde basit bir güneş-hidrojen sisteminin içerdiği elemanlar yer almaktadır. Çoğu daha önceki bölümlerde anlatılan elemanlar burada bir bütün halinde verilecektir.



Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi fotovoltaik panelden elde edilen DC güç,elektrolizörün enerji ihtiyacını karşılar.Elektrolizör içindeki su, güneş panelinden alınan enerji vasıtasıyla hidrojen ve oksijene ayrılır.Daha sonra elde edilen hidrojen bir tüpte toplanarak yakıt hücresine verilir.Daha önce de anlatıldığı gibi yakıt hücresine anot kısmından giren hidrojen,ortam havasından yada yine elektroliz vasıtasıyla elde edilmiş olan oksijenin depolandığı tüpten elde edilen oksijen ile birleşerek bir DC güç meydana getirir.Bu enerji ise gerek DC güç ile çalışan herhangi bir alette direk olarak kullanılabildiği gibi inverterler vasıtasıyla AC güce çevrilip evin veya herhangi bir ortamın tüm enerji ihtiyacını karşılayabilir.


Güneş-hidrojen enerji sistemlerinin en güzel yanlarından biri de portatif olabilme özelliğine sahip olmalarıdır.Görüldüğü gibi tüm malzemeler taşınabilir özelliğe sahiptir ve kurulum için çok büyük alan ihtiyaçları yoktur.Herhangi bir aracın üstüne yerleştirilen fotovoltaik paneller vasıtasıyla hidrojen elde edilip örneğin PEM tipi bir yakıt hücresinde bu değerlendirilebilir.Bu sistem güneşin ve suyun sağlanabildiği her yerde işlevini sürdürecektir.Bu iki kaynağın da sonsuz kaynaklar olarak öngörüldüğünü göz önüne alırsak güneş-hidrojen sisteminin nasıl bir enerji kaynağı olduğunu daha iyi kavrayabiliriz.Oysa ki hemen diğer tüm sistemler mutlaka enerjilerini başka bir yakıt vasıtasıyla karşılarlar ve bu yakıt bittiği zaman çalışamaz duruma gelirler.Güneş-hidrojen sisteminde ise güneşli saatlerde güneş panelleri tarafından üretilen elektrik hem gerekli olan enerjiyi karşılar hem de yakıt hücresini beslerken güneş alınamayan saatler için de hidrojen tankını doldurur ve bu durumda sistem kesintisiz bir güç kaynağı olarak çalışır.Bu sisteme takviye edilecek akü grubu ile de uzun süren güneşsizlik durumlarında daha önceden PV paneller tarafından doldurulmuş olan akü grubu devreye girerek sistemi çalışmasını devam ettirir.
İlk kurulum maliyetleri benzerlerine göre oldukça yüksek olsa da hareketli parçaya sahip olmamaları,hemen hemen hiç bakım gerektirmemeleri ve uzun işletim ömürleri ile güneş-hidrojen sistemleri kendilerini birkaç sene içerisinde amortize ederler.Şu an için özellikle şebekeden bağımsız konutlar ile,çöllerde veya benzer yerlerde kurulan hastaneler,okullar gibi taşınabilir gereklilik arz eden yerlerde kullanımları oldukça mümkündür.Bu gibi yerlere şebeke bağlantısı götürmek şu anki fiyat koşullarında bile birçok durumda güneş-hidrojen enerji sisteminden pahalıya gelmektedir.Bir sonraki çalışmada Edirne ili sınırlarında şebekeden bağımsız bir çiftlik evinin bu koşullar altında analizi yapılacaktır.Şebeke durumuyla maliyetler karşılaştırılacak ve emisyon oranları ile birlikte ayrıntılı bir maliyet analizi yapılacaktır.


Şebeke Bağımsız Evin Enerji İhtiyacı
Edirne ili içerisinde şebeke bağımsız bir konutun enerji ihtiyacı hesaplanırken, göz önüne alınan konut 2 katlı, 143 m² genişliğinde bir çiftlik evidir.Aşağıda, hesaplanan konutun şekli ve mimari projesi yer almaktadır.
2 Katlı Çiftlik Evi
2 Katlı Çiftlik Evi Mimari Projesi
Konut içerisinde kullanılan elektrikli aletler ve bunların güç tüketimleri aşağıda verilmiştir.
(Kullanım süreleri ortalama olarak alınmış olup günden güne değişim gösterebilir.)
Yukarıda verilen değerler bir evin günlük minimum enerji tüketim miktarlarıdır.Eve uygulanabilecek durumda olan kojenerasyon sistemi neticesinde,sistem için otomatik kontrol üniteleri,valfler,pompalar gibi ekstra elektriki yükler girecektir.Bu değerler de göz önüne alınarak sistemde 3,72 kw ve 5,1 kw’lık enerji tüketimi ayrı ayrı hesaplanmıştır.Tablolar ve grafikler minimum enerji tutarı olan 3,72 kw’lık kısım gösterilecek olup,5,1 kw’lık enerji tüketimi sadece fiyat analizlerinde verilecektir.


Sistemde Kullanılacak Ekipmanların Fiyatları
Literatürde “standalone PV-hydrogen system” olarak geçen bu sistemde daha önce de ayrıntılı olarak bahsedildiği gibi Fotovoltaik paneller,yakıt hücresi,hidrojen yakıt tankı,akü grubu, elektrolizör ünitesi ve inverter(converter) kullanılmıştır.Bu ekipmanların fiyat aralıkları, fiyatların alındıkları yer ile birlikte aşağıda verilecektir.


PV Hücresi : 80 watt monokristal hücre:500 $ (Fore Enerji Sistemleri)
Yakıt Hücresi: 50 watt PEM hücre: 1700 $ (Enisolar Enerji Sistemleri)
Hidrojen Yakıt Tankı :5 kg : 1500 $ (Enisolar Enerji Sistemleri)
Solar Akü: 200 Ah 12 v jel akü : 300 $ (Fore Enerji Sistemleri)
Elektrolizör: 1 kw :1000 $ (Fore Enerji Sistemleri)
İnverter: 1 kw : 900 $ (Fore Enerji Sistemleri)


Bu alınan fiyatların hiçbirisine KDV dahil değildir.Ayrıca sistem için gerekli olan diğer ekipmanların fiyatları analiz yapılırken göz ardı edilmiştir.Bu ekipmanlar arasında otomatik kontrol ünitesi,çekvalfler,anahtarlama elemanları ve de tabi ki kablolama masrafları ile sistemin monte edileceği yerlerin(çelik koruma kılıfları vb) üretim masrafları bulunmaktadır.Bunun dışında sistem için yapılacak olan mühendislik tasarım ücretiyle,kurulum ücretleri yani işçilik fiyata yansıtılmamıştır.Tüm bu ücretler sistemin hesaplanan ücretlerine eklendiğinde fiyatta tahminen %50-60 oranında bir artış olacaktır.