YAKITLAR YANMA Hidrojen Teknolojileri Dersin Öğretim Üyesi: Dr. Anıl ERDOĞAN Dokuz Eylül Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Vestel Beyaz Eşya Teknoloji Geliştirme Departmanı Öğrenme Çıktıları • Hidrojenin enerji sektöründeki rolünü, potansiyelini ve hidrojen ekonomisinin temel unsurlarını açıklamak. • Farklı hidrojen üretim yöntemlerini (örn., elektroliz, reforming, biyolojik yöntemler) • Çeşitli yakıt pili türlerini (PEMFC, SOFC, AFC vb.) ve bunların çalışma prensiplerini öğrenmek. • Çeşitli elektrolizör türlerinin (PEME, SOE, AEC, AEM vb.) ve bunların çalışma prensiplerini öğrenmek. • Hidrojen teknolojilerinin ulaşım, enerji üretimi ve diğer sektörlerdeki uygulamalarını anlamak. • Yakıt pili ve elektrolizör sistemlerinin temel tasarım ilkelerini ve performans analizini gerçekleştirmek. Enerji ve Çevre Problemleri • Artan nüfus ve gelişen teknolojiye paralel olarak artan enerji talebi • Artan hava kirliliği ve küresel ısınma sorunu • Azalan fosil yakıt rezervleri • Enerji güvenliği Küresel Birincil Enerji Arzı (Birincil enerji kaynaklarına göre) Sıfır Emisyon Atılacak Adımlar: • Temiz enerji kullanımı • Temiz elektrifikasyonun artırılması • Temiz hidrojen üretimi ve kullanımı • Biyoyakıt ve sentetik yakıt tedarik zincirlerinin oluşturulması • Karbon yakalama ve depolama teknolojilerinin kullanılması • Daha az enerji kullanımı • Daha verimli ekipmanlar, süreçler ve üretim teknikleri • Tüketim alışkanlıklarının değiştirilmesi • Sürdürülebilir doğal ekosistemler Kaynak: Energy Transitions Commission Niçin Hidrojen Enerjisi Hidrojenin Önemi • Kullanımda çevre dostu • Hafif, depolanabilir ve reaktif bir madde • Birim kütle başına ısıl değeri petrol ve doğal gazdan 2-3 kat daha yüksek Hidrojen Değer Zinciri Hidrojen Üretim Yöntemleri Kaynak: Shell (2017) Hidrojen Üretim Yöntemleri Kaynak:TENMAK Hidrojen Depolama Sıkıştırılmış Hidrojen Sıvılaştırılmış Hidrojen Cryo-compressed Hidrojen Source: Shell (2017) Metal Hidrit Dünya’daki Gelişmeler İlk Hidrojen Evi (Birleşik Krallık) Doosan – Hidrojen Türbini Hidrojenle Çalışan Konteyner Taşıyıcı Hydrogène De France – COP27 İlk Yeşil Hidrojen Santrali (Namibya) Yakıt Pili Teknolojilerine Giriş Yakıt pili, bir yakıtın kimyasal enerjisini doğrudan elektriğe dönüştüren elektrokimyasal bir cihazdır. Source: Baroutaji vd. (2016) Materials in PEM fuel cells. Reference module in materials science and materials engineering, 1-11 Yakıt Pili Teknolojilerine Giriş Source: Colpan vd. (2018) Yakıt Pili Teknolojilerine Giriş ➢Avantajlar ➢ Yüksek dönüşüm verimliliği ➢ Ölçeklenebilirlik ➢ Düşük çevresel etki ➢ Sessiz çalışma ➢Zorluklar ➢ Yüksek maliyet ➢ Hidrojen üretimi, depolanması ve dağıtımı ➢ Uzun vadeli dayanıklılık Yakıt Pili Teknolojilerine Giriş Source: Colpan vd. (2018). Fundamentals of Fuel Cell Technologies. In Dincer, I. (Ed.) Comprehensive Energy Systems. Vol. 4. Source: Javed vd. (2016). International Conference on Control, Decision and Information Technologies Yakıt Pili Üretimi Tek Hücreli Yakıt Pili Source: Pollet vd. (2016). Proton exchange membrane fuel cells. In Compendium of Hydrogen Energy (pp. 3-56). Woodhead Publishing Yakıt Pili Yığını Yakıt Pili Karakterizasyonu ve Performansı Polarizasyon Eğrisi ➢ Hücre voltajının akım yoğunluğuna bağlı değişimi ➢ MEA yapısı, akış alanı tasarımı ve çalışma koşullarına bağlıdır. ➢ Yakıt pili yığını boyutlandırma ve tasarımında kullanılır. Source: Valle (2015). Yakıt Pili Karakterizasyonu ve Performansı PEMFC ve SOFC’de Gerçekleşen Reaksiyonlar SOFC PEMFC Anot: 𝐻2 → 2𝐻 + + 2𝑒 − Katot: 0.5𝑂2 + 2𝐻 + + 2𝑒 − → 𝐻2 𝑂 Toplam: 𝐻2 + 0.5𝑂2 → 𝐻2 𝑂 Anot: 𝐻2 +𝑂−2 → 𝐻2 𝑂 + 2𝑒 − 𝐶𝑂 + 𝑂−2 → 𝐶𝑂2 + 2𝑒 − Katot:𝑂2 + 4𝑒 − → 2𝑂−2 Toplam:𝐻2 + 𝐶𝑂 + 𝑂2 → 𝐻2 𝑂 + 𝐶𝑂2 Steam-Methane Reforming (SMR) Water – Gas Shift Reaction (WGS) 𝐶𝐻4 + 𝐻2 𝑂 → 𝐶𝑂 + 3𝐻2 𝐶𝑂 + 𝐻2 𝑂 → 𝐶𝑂2 + 𝐻2 Yakıt Pili Karakterizasyonu ve Performansı Polarizasyon Eğrisi Nernst voltajı (Maksimum açık devre voltajı) Open Circuit Voltage Kütle transferi kayıpları Aktivasyon kaybı (Reaksiyon kinetiğiyle ilişkili voltaj kaybı) Hücre Voltajı: Sınırlayıcı akım yoğunluğu Ohmik kayıplar (elektriksel ve iyonik iletkenlik kayıpları) Temel Yakıt Pili Hesaplamaları 𝑖𝐴 𝐼 𝑛ሶ 𝑥 = 𝜆 = 𝜆 𝑛𝐹 𝑛𝐹 Yakıt piline giren reaktantın molar debisi (mol/s) Akım (A) Aktif alan (cm2) Akım yoğunluğu (A/cm2) x reaktanının mol başına eşdeğer elektronların molleri (moleq.electron/molx) Faraday sabiti (C/moleq.electron) 𝜆 = Stokiyometrik oran 19 Örnek - 1 20 cm² aktif alana sahip taşınabilir bir yakıt pili, 0,75 V ve 0,6 A/cm² değerlerinde sabit bir şekilde çalışmaktadır. Anot stokiyometrisi 2'dir. Yakıt pilinin üç gün boyunca çalışması beklenmektedir. Anot, 200 atm (20,26 MPa) ve 298 K'de sıkıştırılmış hidrojen gazıyla çalışmaktadır. Hidrojen tankının hacmini hesaplayınız. Örnek - 2 Bir doğrudan metanol yakıt pili (DMFC) sistemi, 50 cm2 aktif alana sahiptir ve 0.5 V ve 0.2 A/cm2 akım yoğunluğunda çalışmaktadır. Yakıt olarak metanol (CH3OH) kullanılmakta olup, gerçekleşen reaksiyonlar aşağıdaki gibidir. Anot stokiyometri oranı 2’dir. Yakıt pili 8 saat kesintisiz çalışması beklenmektedir. Buna göre, a. Yakıt pilinden elde edilen gücü hesaplayınız. b. Çalışma süresi boyunca harcanan metanol miktarını hesaplayınız. c. Çalışma süresi boyunca harcanan oksijen miktarını hesaplayınız. d. Yakıt pili için gereken sıvı metanol hacmini hesaplayınız. Elektrolizör Teknolojisi Source: Sapountzi (2018) Elektrolizör Teknolojisi Örnek - 3 Bir proton değişim membranlı (PEM) elektrolizör, 25 hücreli bir yığın (stack) olarak tasarlanmıştır ve her hücre 50 cm2 aktif alana sahiptir. Elektrolizör sabit olarak 3.2 V ve 1.8 A/cm2 akım yoğunluğunda çalışmaktadır. PEM elektrolizöründe meydana gelen reaksiyonlar aşağıdaki gibidir: Anot: 𝐻2 𝑂 → 2𝐻 + + 2𝑒 + 0.5𝑂2 Katot: 2𝐻 + + 2𝑒 → 𝐻2 a. Elektrolizörün toplam güç tüketimini hesaplayınız. b. Hidrojen ve Oksijen debilerini hem molar hem de kütlesel olarak hesaplayınız. c. 1 saatlik çalışma süresi için 298 K ve 2 bar basınç altında hidrojen tankı hacmini hesaplayınız.