Rüzgar Enerjisinden Hidrojen Üretimi

Hidrojen EnerjiSistemleriRüzgar Enerjisinden Hidrojen Üretimi

Mustafa Şimşek

İçindekiler1.Rüzgar Nedir?....................................................2

1.1 Rüzgar Türbinleri............................................22.Hidrojen.........................................................3

3.Rüzgardan Nasıl Hidrojen Üretilir?...............................43.1 Elektroliz...................................................4

3.2 Rüzgardan elektroliz sayesinde hidrojen üretimi..............54.Çeşme’de ki rüzgar türbinin hidrojen enerjisi modellemesi........6

5.Rüzgar Enerjisinden Hidrojen Üretimi Projeleri...................95.1.Utsira Rüzgar-Hidrojen Enerji Sistemleri Uygulama Adası ( Norveç ).......................................................95.2.Bozcaada ( Türkiye )........................................10

7.Referanslar.....................................................11

1

1.Rüzgar Nedir?Atmosferik hava olaylarının etkisiyle ortaya çıkan yüksek ve

alçak basınç bölgeleri arasında oluşan hava akımına rüzgar

denir. Rüzgarlar yıl içinde bölgelere göre süreklilik

gösterebilir ve mevsimsel ve günlük olarak değişebilirler. Her

ne kadar küresel ısınma ve uzun vadeli iklim değişiklerinden

etkilense de, her bölgenin yöreye özel bir rüzgar potansiyeli

sürekliliği vardır. Rüzgar enerjisi ise hareket halindeki

havanın kinetik enerjisi olarak tanımlanabilir ve doğal,

yenilenebilir, temiz ve sonsuz bir güç kaynağıdır. Bu

çerçevede, gelecek için yenilenebilir ve sürdürülebilir enerji

kaynağı arayışında rüzgar enerjisi, ilk sırada yer almaktadır.

[1]

1.1 Rüzgar TürbinleriRüzgar türbini, rüzgardaki kinetik enerjiyi önce mekanik

enerjiye daha sonra da elektrik enerjisine dönüştüren

sistemdir. Rüzgar türbinleri, günümüzde modern rüzgar

2

santrallerinde kullanılan türbinlere kadar teknolojik olarak

bir çok açıdan evrimleşmiştir.

Genel olarak türbinlerde bulunan elemanlar;

kule, jeneratör, hız dönüştürücüleri (şaft-dişli kutusu), elektrik-elektronik elemanlar (jeneratör vs.) kanatlar

Rüzgar kanatlarda, aerodinamik kaldırma ve sürükleme kuvveti oluşturur ve bu şekilde ana şaft döndürülür. Böylece, rüzgârın kinetik enerjisi mekanik enerjiye çevrilir. Dişli kutusu, ana şaftın devrini arttırarak gövdedeki jeneratöre aktarır. Jeneratörden elde edilen elektrik enerjisi aküler vasıtasıyla depolanarak veya şebeke aracılığıyla doğrudan alıcılara ulaştırılır. Türbinlerde ayrıca, sisteme zarar verecek kadar yüksek rüzgar hızlarında dönme oranını kısıtlayacak ve kanatların hareketini durduracak bir acil durum kontrolü bulunur. Rüzgar şiddeti yükseklikle arttığı için rüzgar türbinleri kule tepelerine yerleştirilir.[1]

2.HidrojenHidrojen 1500'lü yıllarda keşfedilmiş, 1700'lü yıllarda

yanabilme özelliğinin farkına varılmış, evrenin en basit ve en

çok bulunan elementi olma özelliklerine sahiptir. Bunun

dışında, renksiz, kokusuz, havadan 14.4 kez daha hafif ve

tamamen zehirsiz bir gazdır. Güneş ve diğer yıldızların

termonükleer tepkimeye vermiş olduğu ısının yakıtı hidrojen

olup, evrenin temel enerji kaynağıdır. -252.77°C'da sıvı hale

getirilebilir. Sıvı hidrojenin hacmi gaz halindeki hacminin

sadece 1/700'ü kadardır.

3

Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına en

yüksek enerji içeriğine sahiptir (Üst ısıl değeri 140.9 MJ/kg,

alt ısıl değeri 120,7 MJ/kg). 1 kg hidrojen 2.1 kg doğal gaz

veya 2.8 kg petrolün sahip olduğu enerjiye sahiptir. Ancak

birim enerji başına hacmi yüksektir. Hidrojen doğada serbest

halde bulunmaz, bileşikler halinde bulunur. En çok bilinen

bileşiği ise sudur.

Isı ve patlama enerjisi gerektiren her alanda kullanımı temiz

ve kolay olan hidrojenin yakıt olarak kullanıldığı enerji

sistemlerinde, atmosfere atılan ürün sadece su ve/veya su

buharı olmaktadır. Hidrojen petrol yakıtlarına göre ortalama

1.33 kat daha verimli bir yakıttır.

Hidrojenden enerji elde edilmesi esnasında su buharı dışında

çevreyi kirletici ve sera etkisini artırıcı hiçbir gaz ve

zararlı kimyasal madde üretimi söz konusu değildir. Hidrojen

bir doğal yakıt olmayıp, birincil enerji kaynaklarından

yararlanılarak su, fosil yakıtlar ve biokütle gibi değişik

hammaddelerden üretilebilen sentetik bir yakıttır. Üretilmesi

aşamasında buhar iyileştirme, atık gazların saflaştırılması,

elektroliz, foto süreçler, termokimyasal süreçler, radyoliz

gibi alternatif birçok hidrojen üretim teknolojileri mevcuttur.

Üretilen hidrojen boru hatları veya tankerler ile büyük

mesafelere taşınabilir (birçok durumda elektrikten daha

ekonomik ve verimlidir). [2]

4

3.Rüzgardan Nasıl Hidrojen Üretilir?Rüzgar-hidrojen konsepti içerisinde; rüzgar türbinlerinden elde

edilen elektrik enerjisi, elektrolizorleri besleyecek ve bir

donuşum işlemi ile hidrojen elde edilecektir.

3.1 ElektrolizSuyun doğru akım kullanılarak hidrojen ve oksijenlerine

ayrılması işlemine elektroliz denmektedir. Hidrojen üretimi

için en basit yöntemdir. Bir elektroliz hücresi içinde,

düzlem şeklinde iki elektrot ve bunların içine daldırıldığı,

elektrolit olarak adlandırılan iletken bir sıvıdan

oluşmaktadır. Doğru akım kaynağı bu elektrotlara

bağlandığında akım iletken sıvı içinde, pozitif elektrottan

negatif elektrota doğru akar. Bunun sonucunda, su

moleküllerine uygulanan doğru akım, hidrojen ve oksijen

atomlarının bağlarının kopması sağlanır. Oluşan yüklü

parçacıklardan hidrojen iyonu pozitif elektrik yüküne

sahiptir ve negatif elektrotta toplanır, oksijen ise negatif

yüke sahip olduğundan pozitif elektrota doğru hareket eder.

Saf suyun elektrik direnci oldukça yüksektir (100 ohm/cm).

Bu direnci düşürmek için; suyun sıcaklığını 700–1000 °C’ye

çıkarılmalı veya da suyun içine tuz gibi iletkenliği

artırıcı kimyasallar eklenir. Böylece suyun iletkenliği ve

dolayısıyla yöntemin verimliliğini arttırırlar (Yumurtacı,

Bekiroğlu ve Akaryıldız, 2002). Suyun elektrolizi için, 25 °C

sıcaklık ve 1 atm basõnçta gerekli gerilim 1,24 volttur. Bir

mol suyun elektrolizi için gerekli en düşük enerji miktarı

5

65,3 watt-saat ve 1 m3 hidrojen üretmek için gerekli en düşük

enerji miktarı 4,8 kWh’tır. Buna göre elektroliz işleminin

verimi % 70 dolayında olmaktadır. Ancak, son yıllarda bu

alanda yapılan çalışmalar ve gelişen teknoloji sayesinde % 90

verim elde edilmiştir. Pratikte kullanılan elektroliz

hücrelerinde, nikel kaplı çelik elektrotlar en iyi sonuçları

vermektedir.

3.2 Rüzgardan elektroliz sayesinde hidrojen üretimi

6

Ruzgar-Hidrojen Donuşum İşlemi

Ruzgar-hidrojen donuşum işlemi sonrası elde edilen hidrojen

enerjisi gerek var olan boru hatları vasıtasıyla(doğalgaz),

gerek kamyonlarla, gerekse de tankerler ile kullanılacakları

yere taşınabilir. Hidrojen ulaştığı yerde yakıt pilleri

aracılığıyla doğrudan elektriğe dönüştürülebileceği gibi

araçlarda içten yanmalı motorlarda ve de evlerde ısıtma amaçlı

olarak da kullanılabilir. Hidrojen her ne kadar bir elektrik

enerjisi kaynağı olarak bilinse de yüksek ısıl kapasitesi ile

ısıtma işlemlerinde de kullanılabilir. Ayrıca yakıt pili

proseslerinde hidrojen enerjisi bir kojenerasyon ünitesi

şeklinde de çalışabilir.

4.Çeşme’de ki rüzgar türbinin hidrojen enerjisi modellemesiÇeşmeye ait rüzgar türbinlerinin özellikleri;

26o 23”53’ Doğu ve 38o 17” 10’ Kuzey koordinatlarına

200’er metre aralıklarla yerleştirilmişlerdir.

7

Bölgenin deniz seviyesinden yüksekliği 100 metredir.

30 metre ’de ortalama rüzgar şiddeti 7.9 m/s’dir.

K değeri 1.82 olarak hesaplanmıştır.

Rüzgar-hidrojen donuşum işlemi modellemesi HOMER programı

kullanılarak yapılmıştır.

Rüzgar-Hidrojen Sistem Diyagramı

“Yukarıdaki şekilde görülebileceği üzere rüzgar-hidrojen

modellemesi için bir rüzgar türbini santrali, bir elektrolizor

ünitesi ve bir adet de hidrojen yükü kullanılmıştır. Ayrıca, Bu

çalışmada şu an dünya üzerinde ticari olarak yaygınlaşmış olan

% 80 verimlilikteki elektrolizorler kullanılmıştır. Her ne

kadar laboratuvar ortamında % 90-95 verimliliklere ulaşan

elektrolizorlerle hidrojen eldesi yapılsa da bu çalışmada

değerlerin daha gerçekçi olması acısından ticarileşmiş

elektrolizor verimi ele alınmıştır. Bu durumda 1 kg H2 üretmek

için gerekecek enerji aşağıdaki şekilde hesaplana bilinir.”

Elektrolizor Tuketimi = ή elektrolizor x H2 (1)

41,5 kWh/kg

ή elektrolizor = % 80 ,H2 Enerji Değeri = 33,2 kWh/kg

8

165 MW kapasitedeki rüzgar türbini santrali hesaplamalara göre

yıl içinde toplam 6.390.831 kWh enerji üretimi sağlayacaktır.

Türbinin aylara göre üretimi aşağıda görülmektedir.

Ruzgar Santrali’nin Ortalama Aylık Uretimleri

Ruzgar turbini santralinden elde edilen bu enerjinin özellikle

gece enerji talebi düştüğünde kullanılamayan bolumu hidrojene

dönüştürülebileceği gibi tamamı da hidrojene dönüştürülebilir.

Rüzgar türbinlerinden elde edilen elektrik enerjisinin

tamamının hidrojene dönüştürüldüğü düşünülür ise yıl sonunda

toplam olarak Çeşme’de 7,9 m/s ortalama rüzgar şiddetine sahip

165 MW kapasiteli bir rüzgar türbini santralinden elde edilen

H2 miktarı 129.617 kg olacaktır. Aşağıdaki grafikte aylara göre

elde edilecek H2 miktarı görülmektedir.

Aylara Gore Elde Edilecek H2 Miktarı

9

Elde edilen H2, boru hatları vasıtasıyla taşınarak şehirlere

ulaştırıldığında, yakıt hücreleri tarafından tekrar elektriğe

çevrilerek kullanılabilir. Yakıt hücrelerinin, özellikle de PEM

tipi olanlarının çok kısa bir sure içinde otomobillerdeki

klasikleşmiş içten yanmalı motorların yerini alarak elektrikli

araçlara geçiş surecini kısaltması beklenmektedir.

Her ne kadar PEM tipi yakıt hücreleri üzerine çok geniş

kapsamlı araştırmalar yapılsa da şu anda hâlihazırda

ticarileşmiş olan yakıt hücrelerinin verimleri istenilen

seviyeye gelememiştir. Özellikle sıcaklık ve nem kontrolünde

yaşanan sorunlar yakıt pili verimliliğinde istenilen noktalara

gelinmesini geciktirmiştir. Ticarileşmiş bir 1 kW’lık PEM tipi

yakıt hücresi saatte 60-65 gr H2 tüketimi yapmaktadır. Ortalama

bir binek otomobilin elektrikli motor kullanması durumunda 40-

50 kW arası bir elektrik motoruna sahip olacağı düşünülür ve de

aracın tam yükte 200 km/saat hıza sahip olduğu goze alınırsa

100

km’de H2’li bir elektrikli aracın tüketiminin 1,2 -1,4 kg

arasında olacağı hesaplanabilir. Şu anda ticari araçların 100

km’de 6-7 litre benzin tüketimi yaptığı düşünülürse, henüz tüm

geliştirmeleri yapılmamış olan PEM yakıt pilinin bu miktarda

bir tüketim yapması başarı olarak değerlendirilebilir.

10

PEM Yakıt Pili Tabakaları

165 MW gibi bir santralden elde edilebilen 129.617 kg H2 ile

yaklaşık 10.000.000 km yol yapılabileceği ve de bunun benzin

karşılığının 650.000 lt olacağı düşünülürse, bu santrallerin

sayısının arttırılması durumunda neredeyse benzine hiç

gereksinim duymadan ulaşım sorununun çözülebileceği

gözükmektedir.[3]

5.Rüzgar Enerjisinden Hidrojen Üretimi Projeleri Utsira, Norway Lolland, Denmark Bozcaada, Turkey Faroe Islands

11

Unst Partnership, Scotland Canary Islands, Spain Azores, Portugal Hellenic Hydrogen Islands Initiative Small Sicily Islands, Italy Brac, Croatia, eco-resort Hawaii, hydrogen activities Prince Edward Island, Wind hydrogen Yakushima Island, Japan

5.1.Utsira Rüzgar-Hidrojen Enerji Sistemleri Uygulama Adası ( Norveç )Utsira, Haugesund’un 20 km batısında olup 6.2m2

büyüklüğündedir. Elektrik üretimi 3.5GWh/y olup ihtiyacı ise 900kW’dır. 22kV ve 1MW’lık deniz kablolarına sahiptir.

Adada bulunan ekipmanlar;

Rüzgar Türbini 2*600kWHidrojen Motoru 55kWYakıt Pili 10kWElektrolizör 10Nm3/h,48kWKompresör 5.5kWHidrojen Depolama Kapasistesi 2400 Nm3,200barÇark 5kWhSenkron Makineleri 100kVA

12

[4]

5.2.Bozcaada ( Türkiye )

[5]

13

7.Referanslar1)http://ruzgem.metu.edu.tr/sites/ruzgem.metu.edu.tr/files/

belgeler/RUZTEK_Proje_Sonu%C3%A7_Raporu.pdf

2) http://www.emo.org.tr/ekler/3f010d6bc392b90_ek.pdf

3) http://www.emo.org.tr/ekler/3f010d6bc392b90_ek.pdf

4)

http://www.iphe.net/docs/Meetings/Brazil_3-05/Norway_Utsira_Win

d_H2.pdf

5)

http://www.storiesproject.eu/docs/Hydrogen_Islands_Initiative_f

or_Dubrovnik.pdf

14