Yeşil Hidrojen Temelli Hibrit Enerji Sisteminin Modellenmesi, Simülasyonu ve Tasarımı

Abstract

Küresel ısınma arttıkça ve fosil yakıt kaynakları tükendikçe yenilenebilir enerji kaynakları önem kazanmaktadır. Güneş ışığı, rüzgar, jeotermal enerjiler ve hidro enerji gibi temiz enerji kaynakları yenilenebilir enerji kaynaklarını oluşturur. Güneşin ve rüzgarın sonsuz kaynak olması yenilenebilir enerjiyi gün geçtikçe daha önemli hale getirmektedir. Ayrıca, dışa bağımlılığı azaltması da yenilenebilir enerji kaynaklarının önemini daha da arttırmaktadır. Ülkemiz gerek güneş ışınımı gerekse rüzgar potansiyeli yönünden oldukça verimli bir konuma sahiptir. Bu da güneş enerjisi ve rüzgar enerjisinden elektrik üretimini daha da önemli hale getirmektedir. Ancak ,yenilenebilir enerji kaynaklarının mevcut yüksek başlangıç maliyetleri ve düşük enerji dönüşüm verimlilikleri yenilenebilir enerjinin kullanılabilirlik durumunu azaltmaktadır. Güneş enerjisinden elektrik üretiminin akşam saatlerinde yapılmaması da kesintilere yol açmaktadır. Bu yüzden birbirini tamamlayıcı sistemler olarak güneş ve rüzgar enerji sistemleri entegrasyonu kullanılmaktadır. İki ya da daha fazla yenilenebilir enerji kaynağının bir arada kullanılmasına hibrit sistemleri denir. Tek bir yenilenebilir enerji kaynağının kullanılmasından ziyade hibrit sisteminin kullanımı hem maliyet açısından daha avantajlı hem de verimlilik açısından daha avantajlıdır. Tek sistem olarak kurulu kaynaklardan oluşabilecek kesintili elektrik sorunu, güneş-rüzgar enerjisi entegrasyonunda kurulan sistem çözebilir. Güneşin gündüz saatlerinde elektrik üretmesi ve rüzgarın akşam saatlerinde elektrik üretmesi birbirini tamamlayıcı özellik sağlar. Yenilenebilir enerji kaynaklarında karşılaşabilinecek diğer bir sorun ise depolamadır. Bilindiği gibi güneş enerjisinde kullanılan bataryalar mevsimsel depolama yapmamaktadır. Bu da fazla üretilen elektriğin kullanılamayacağını gösterir. Bu yüzden alternatif enerji kaynağı olarak hidrojen enerjisi devreye girer. Enerjinin hidrojen şeklinde depolanması hem günlük hem de mevsimsel depolama için çözüm oluşturur. Elektrölizör yardımıyla su molekülleri hidrojen (H2) ve oksijene (O2) ayrıştırılır ve yüksek basınçlı tanklarda H2 ve O2 olarak depolanır. Yakıt hücreleri de bu sistemde hidrojenin oluşturduğu kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bir kaynaktır. Güneş-rüzgar sistemine entegre edilen yakıt hücreleri de enerji dönüşümünü yükseltmek açısından alternatif bir çözümdür. Yakıt hücresi türleri içinde proton değişim membranlı yakıt hücresi (PEMYH) sessiz çalışma ve daha düşük korozyon, yüksek güç yoğunluğu, düşük yerel emisyonlar, düşük çalışma sıcaklıkları gibi özelliklerinden dolayı en çekici olanıdır. Bu nedenle fotovoltaik paneller ve rüzgar türbinleri bulunan hibrit sistemler için PEMYH ile çalıştırılabilirler. Yenilenebilir enerji kaynaklarının çalışmalarındaki en önemli süreci simülasyon adımları oluşturmaktadır. Bu tez çalışması, Ankara Atılım Üniversitesinin 25 kW'lık elektrik ihtiyacını şebekeye bağlı olmadan, hibrit sistemlerden karşılamak için yapılmıştır. Sistem depolama sorunun çözmek için hidrojen enerjisi ve buna bağlı olarak yakıt hücresi tasarlanmıştır. Günde 5 saat çalışacak PEMYH tasarımı MATLAB program aracılığıyla tasarlanmış ve TRNSYS programına entegre edilmiştir. Sistem simülasyonu TRNSYS programı kullanılarak yapılmıştır. Elektrölizörün çalışması için sabit sayıda seçilen rüzgar türbinlerine göre optimum panel sayısı belirlenmiştir. Son olarak Seviyelendirilmiş maliyet hesaplamaları hesaplanarak ve optimum sistem belirlenmiştir.

As global warming increases and fossil fuel sources are depleted, renewable energy sources gain importance. Clean energy sources such as sunlight, wind, geothermal energies, and hydro energies constitute renewable energy sources. The fact that the sun and wind are endless sources makes renewable energy more important day by day. In addition, reducing foreign dependency increases the importance of renewable energy sources even more. Turkey has a very productive position in terms of both solar radiation and wind potential. This makes electricity generation from solar and wind energy even more important. However, the current high initial costs and low energy conversion efficiencies of renewable energy sources reduce the availability of renewable energy. Failure to produce electricity from solar energy in the evening also leads to blackouts. Therefore, the integration of solar and wind energy systems is used as complementary systems. The use of two or more renewable energy sources together is called hybrid systems. Rather than using a single renewable energy source, the use of a hybrid system is more advantageous in terms of both cost and efficiency. The system established in solar-wind energy integration can solve the problem of intermittent electricity that may occur from the sources installed as a single system. The fact that the sun produces electricity during the daytime and the wind produces electricity in the evening provides complementary features. Another problem that can be encountered in renewable energy sources is storage. As is known, batteries used in solar energy do not store seasonally. This shows that the electricity produced in excess cannot be used. Therefore, hydrogen energy comes into play as an alternative energy source. Storage of energy in the form of hydrogen (H2) provides solutions for both daily and seasonal storage. With the help of the electrolyzer, water molecules are decomposed into hydrogen (H2) and oxygen (O2) and stored as H2 and O2 in high-pressure tanks. Fuel cells are also a source that converts the chemical energy created by hydrogen into electrical energy in this system. Fuel cells integrated into the solar-wind system are also an alternative solution in terms of increasing energy conversion. There are six types of fuel cells. Among them, the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is the most attractive due to its quiet operation and lower corrosion, high power density, low local emissions, low operating temperatures. Therefore, they can be powered by a PEMFC for hybrid systems with photovoltaic panels and wind turbines. The most important process in the studies of renewable energy sources is the simulation steps. This thesis study was carried out to meet the 25 kW electricity needs of Ankara Atilim University from hybrid systems without being connected to the grid. To solve the system storage problem, hydrogen energy and, accordingly, the fuel cell were designed. The Proton Exchange Membrane Fuel cell design, which will operate for 5 hours a day, was designed through the MATLAB program and integrated into the TRNSYS software program. System simulation was done using the TRNSYS program. The optimum number of panels was determined according to a fixed number of selected wind turbines for the operation of the electrolyzer. Finally, the leveled cost calculations were calculated, and the optimum system was selected