Endüstriyel atık ısılardan yüksek sıcaklıkta elektroliz yöntemi ile hidrojen üretiminin araştırılması

Abstract

Enerji insanoğlunun temel girdilerinin karşılanmasında, ülkelerin sosyal ve ekonomik olarak kalkınmasında 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. Bu tez, çizilen çözüm çemberi içerisinde atık ısının değerlendirilerek hidrojen üretimine yönelik etkin, verimli ve çok disiplinli bir çözüm paketi oluşturmayı amaçlamaktadır.Tezin amacı doğrultusunda oluşturulacak çözüm paketi iki ana süreçten oluşmaktadır.-İlk süreç atık ısının bir ısı değiştirici ile yakalanmasıdır. Bu süreçte tasarım limitlerimizi, akışkanın kabul edilebilir basınç kaybı ve transfer edilebilir toplam ısı miktarı belirlemiştir.-İkinci süreç yüksek sıcaklıklı buhar elektrolizi ünitesi ile hidrojen üretimidir. İlk süreçte yakalanan ısı, bu elektroliz ünitesinin ısı desteğini sağlamıştır. Bu süreçte farklı opsiyonların analizi yapılmıştır. Isı değiştiricisi tasarımında öncelikle gerekli literatür taraması yapılmıştır. Optimum değerlere sahip olan geometri baz alınarak parametrik analitik ısı transfer hesapları yapılmıştır. Ardından akışkanın maruz kalacağı basınç ve ısı kaybı değerleri, çevresel faktörler göz önüne alınarak limite edilmiştir. Daha sonra ısı değiştiricinin transfer etmesi gereken ısı miktarı göz önüne alınarak ikincil bir optimizasyon ve modelleme yapılmıştır. Yüksek sıcaklıklı buhar elektrolizi ünitesi tasarımında hidrojen üretim hızı ve verimini belirleyen temel faktörler olan elektroliz hücre ve yığın sayısı, hücre alanı gibi değerler önceki çalışmalar baz alınarak yapılan literatür taraması ile belirlenmiştir. Buharın akış debisini ve sıcaklığını belirleyen temel etken olan baca gazının çıkış sıcaklığının, termal elektrolizi etkileyen faktörlere bağlılığı, tasarlanan sistem için analiz edilmiştir.

Energy is one of the most important needs for fulfillment of humankind's main inputs, for social and economical development of the country. Along with the constantly developing technology the most advanced technology is known that hydrogen energy system which is environmental friendly and sustainable can be met the increasing energy requirements. This thesis aims to create an efficient, effective and multiple-disciplinary solution package within the circle drawn to produce hydrogen evaluating the waste heat.The solution package which will be created for the purpose of the thesis consists of two main processes:-The first process is to catch the waste heat with a heat exchanger. In this process, design limits are determined by an acceptable pressure drop of fluid and the total amount of heat that can be transferred.-The second process is to produce hydrogen using high-temperature steam electrolysis. Captured heat in the first process provides the heat of the electrolysis. In this process, the geometry of the electrode and material are focused on fundamental issues. In this process, the efficiency of the different options and economic analysis was performed. Literature review was made for heat exchanger design. Parametric analytic heat transfer calculations based on geometry having optimal values were performed. Then pressure of the fluid and heat transfer losses are limit taking in to account environmental factors. Number of electrolysis cell, the number of stacks and cell area which are the parameters that affect the high temperature electrolysis are determined on the basis of previous studies with a literature search. Steam temperature and steam flow rate that are calculated parametrically for the system.