Alkali elektrolizde hidrojen üretiminin kütle transfer teorisi ile incelenmesi

Abstract

Enerji, insanoğlunun temel girdilerinin karşılanmasında, ülkelerin sosyal ve ekonomik olarak kalkınmasında gerekli en önemli ihtiyaçlardan biridir. Sürekli olarak gelişen teknoloji ile birlikte yükselen ivmeyle enerji talebindeki artışı, çevre dostu olan ve sürdürülebilir olarak sağlayabilecek en ileri teknolojinin hidrojen enerji sistemi olduğu bilinmektedir. Hidrojen enerjisi de taşıdığı özellikler, potansiyeli ve kullanım alanları itibarıyla son yıllarda gelecek vadeden en önemli alternatif enerji kaynaklarından birisi olarak yer almış bulunmaktadır. Gelecek adına gerçekleştirilecek olan tüm çalışmalarda enerji verimliliğinin önemli bir kilit nokta olduğu bilinmektedir. Suyun alkali elektrolizi (2H_2 O→〖2H〗_2+O_2) yöntemi ile hidrojen gazı (H2) üreten uygulamalarda tüm teorik analizler klasik fizik bakış açısı ile gerçekleştirilmiştir. Bu tez çalışmasında öncelikle farklı disiplinler tarafından incelenen elektroliz teknolojisinin incelenmesi ve analizi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca bugüne kadar literatürde benzeri olmayan yeni bir bakış açısıyla elektroliz teknolojisi, elektroliz kavramı yeniden tanımlanmaktadır. Bu çalışmada alkali elektroliz kavramı modern fiziğin ve kuantum fiziğinin bakış açısıyla yeniden değerlendirilmiştir. Özellikle enerji verimliliği hakkında sunmuş olduğu yaklaşımlar önem arz etmektedir. Literatürde alkali elektroliz ayrışma gerilimi olarak 1,227 V değeri yer almaktadır. Bu tez çalışmasında su molekülü ile hidrojen atomu modellemesi gerçekleştirilerek hidroksil iyonunun (OH-) hidrojen atomundan (H+) ayrışması için gerekli potansiyel gerilimi kuantum tünelleme metodu kullanılarak, literatürde yer alan ayrışma geriliminden daha düşük olarak hesaplanmıştır. Çalışmalarda moleküler parçacıkların gerçekleştirdiği dalga hareketinin, hareket yörüngesinden ayrışmasına etki eden olumlu etkisi değerlendirilmiştir. Tez çalışmasında, kuantum fiziğinin bilim dünyasına kazandırmış olduğu yeni kavramlar enerji verimliliğine uyarlanarak, literatüre farklı bir mühendislik modeli kazandırılmıştır. Bu tez çalışmasında, hidrojen elektrolizi ile ilgili üretilecek olan yeni sistemlerin, yeni elektroliz reaktörlerinin tasarımına da ışık tutacak şekilde konuyu analitik ve nümerik yöntemlerle analiz edilmiş ve öneride bulunulmuştur.

Energy is one of the most important necessities in the social and economic development of human and in meeting basic inputs. It is known that the increase in energy demand with the rising momentum is the most advanced hydrogen energy system that can provide environmentally friendly and sustainable. Hydrogen energy has taken its place as one of the most important alternative energy sources in the coming years due to its characteristics, potential and usage areas. The development of clean, sustainable and cost-effective hydrogen production processes is the key to the future hydrogen economy. All theoretical analyzes of hydrogen gas producing applications by water alkaline electrolysis (2H_2 O→〖2H〗_2+O_2) have been carried out from a perspective of classical physics. It is known that energy efficiency is an important key point in all future work. Therefore, the interdisciplinary structure of the different dimensions of electrolysis in the thesis is important. In the literature, the alkali electrolysis decomposition voltage is 1,227 V. In this thesis study, the potential voltage required for decomposing hydroxyl ion (OH-) from hydrogen atom (H+) by performing water molecule and hydrogen atom modeling is calculated to be lower than the decomposition voltage in the literature by using quantum tunneling method. In the studies, the positive effect of the wave motion, which is realized by the molecular particles, on the separation from the motion orbit is evaluated. This work reevaluated the concept of alkaline electrolysis from the point of view of modern physics and quantum physics. Particularly, approaches that are presented about energy efficiency are important. It has adapted the new concepts that the quantum physics has gained to the scientific world to energy efficiency and has given a different perspective to the literature. This thesis analyzes and proposes new systems to be produced today and tomorrow with regard to electrolysis by means of analytical and numerical methods which shed light on the design of new electrolysis reactors.