Uploaded by Alperen Sezgin

Yakıtlar Yanma ve Hidrojen Teknolojileri Sunumu

advertisement
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.
Download