Hibrid yenilenebilir enerji sistemleri ile elektrik ve hidrojen üretiminin araştırılması

Abstract

Günümüzde sürdürülebilir yaşam alanları oluşturmak için sürdürülebilir enerji stratejilerini uygulamak, iklim değişimi ve küresel ısınma ile mücadelede önemli hale gelmiştir. Hidrojen enerjisi ve yenilenebilir enerji kaynaklarından hidrojen elde edilmesi bu problemlerin çözümünde önemlidir. Bu çalışmada yenilenebilir enerji kaynaklarından güneş ve rüzgar enerjisi yoluyla elektrik enerjisi ve hidrojen üretilmesi incelenmiştir. Öncelikle, HOMER yazılımıyla boyutlandırma yapılarak, Balıkesir Bigadiç'te Kınalı Keklik üretim tesisinde 1 kWp fotovoltaik ve 10 kW rüzgar hibrid enerji sistemi, 48 kW aküler ve 5 kW evirici ile birlikte kurulmuştur. Yenilenebilir enerji sisteminde tesisin yıllık enerji ihtiyacı ve bölgenin meteorolojik verileri kullanılarak sistemde kullanılan tüm elemanlar boyut optimizasyonu yolu ile belirlenmiştir. Hidrojen üretiminde ise; 150 ml/dak hidrojen üretim kapasitesine sahip proton zar geçişli elektroliz ünitesi kullanılmıştır. Fotovoltaik-Elektroliz, Rüzgar-Elektroliz ve Fotovoltaik-Rüzgar hibrid sistemlerin enerji ve ekserji analizlerinin yanı sıra yaşam döngüsü maliyet analizi ile ekonomik değerlendirmeleri yapılmıştır. Elektroliz ünitesinin performansını, değişken çalışma koşullarında inceleyebilmek için değişken akım yoğunluğu ve sıcaklığın enerji verimi ve ekserji verimine olan etkisi incelenmiştir. Tüm sistem elemanları Matlab-Simulink modeli ile analiz edilerek deneysel verilerle karşılaştırma yapılmıştır. Fotovoltaik sistemin enerji verimi % 10.7-14 aralığında, ekserji verimi ise % 9.5-12 aralığında değiştiği bulunmuştur. Sistemde kullanılan 1 m2 yüzey alanına sahip % 14 verimli fotovoltaik panelin 150 ml/dak elektroliz ünitesi ile, yıllık hidrojen üretim miktarı 2.97 kg ve yıllık hidrojen üretim maliyeti ise 46 $/kg olarak bulunmuştur. Ayrıca hidrojen üretim miktarı, maliyeti ve panel sıcaklığı denklemler ile ifade edilmiştir. Elektroliz sisteminin 25°C'de ve 10-40 A akım aralığında enerji verimi % 69-65, ekserji verimi ise % 68-63 aralığında hesaplanmıştır. Rüzgar türbininin enerji verimi % 34.6 ve ekserji verimi ise % 28.5 olarak bulunmuştur. Ayrıca Balıkesir bölgesinde rüzgar türbini elektroliz sisteminin hidrojen üretiminin ekonomikliği araştırılmıştır. 1 kW rüzgar ve 0.56 kW elektroliz ünitesinden yıllık 20.3 kg hidrojen üretilebileceği ve hidrojen eldesinin maliyetinin ise 30.8 $/kg olduğu bulunmuştur. Bigadiç'te kurulan tesisin enerji eldesiyle ilgili olarak yapılan ölçümlerde ise Mart-Temmuz ayları arasında kapasite kullanım değerleri rüzgar türbini için % 4.7-14.2 ve fotovoltaik sistem için ise % 1.7-2.3 olarak bulunmuştur. Akülerin şarj durumu ise % 56.6-84.2 aralığında gerçekleştiği bulunmuştur.

Today, implementing sustainable energy strategies for creating a sustainable living space is important for combating against climate change and global warming. Hydrogen energy and production of hydrogen from renewable energy sources is important for the solution of these problems. In this study, production of electrical energy and hydrogen using photovoltaic and wind energy was studied. Firstly the size of the system was determined by HOMER software program and a hybrid energy system of 1 kWp photovoltaic and 10 kW wind turbine with 48 kW batteries and 5 kW inverter was set up in Balikesir Bigadic Partridge Facility. The size of the elements of the renewable energy system was determined by size optimization using annual energy need of the facility and regional meteorological data. Proton exchange membrane (PEM) electrolysis unit with 150 ml/min hydrogen production capacity was used for hydrogen production. In addition, energy and exergy analysis of photovoltaic-electrolysis, wind-electrolysis and photovoltaic-wind hybrid systems, their life cycle cost analysis and economical analysis were also carried out. To evaluate the performance of electrolysis unit in varying work conditions, the effect of varying current density and heat temperature on energy and exergy efficiencies were investigated. All system elements were modeled by using MATLAB-Simulink and the results were compared with the results of experimental analysis. Energy efficiency of photovoltaic system was calculated between 10.7-14 % and exergy efficiency was found between 9.5-12 % . Using 150 ml/min electrolysis unit, the annual hydrogen production of photovoltaic panel with 1m2 surface area and 14 % efficiency was found as 2.97 kg and annual hydrogen production cost was calculated as 46 $/kg. Also hydrogen production quantity, cost and panel temperature were stated with equations. At 25°C and 10-40 A current interval, electrolysis system has an energy efficiency of 69-65 % and exergy efficiency of 68-63 %. Energy efficiency of wind turbine was calculated as 34.6 % and its exergy efficiency was found as 28.5 %. Also hydrogen production cost of wind turbine-electrolysis system in Balıkesir region was calculated. It was found that annually 20.3 kg hydrogen could be produced from 1 kW wind and 0.56 kW electrolysis unit and hydrogen production cost was found as 30.8 $/kg. With the measurements related with energy production of the facility, set up in Bigadic, capacity use values between March and July was calculated as 4.7-14.2 % for wind turbine and 1.7-2.3 % for photovoltaic system. The charge of the batteries was found in the interval of 56.6?84.2 %.