T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ POLİJENERASYON ENERJİ ÜRETİM SİSTEMLERİNİN TERMODİNAMİK MODELLENMESİ Yunus EmreYÜKSEL Danışman Prof. Dr. NuriÖZEK DOKTORA TEZİ FİZİK ANABİLİM DALI ISPARTA - 2016

II. Danışman Doç. Dr. Murat ÖZTÜRK

©2016 [Yunus EmreYÜKSEL]

i

İÇİNDEKİLER

İÇİNDEKİLER……………………………………………………………………………………………….....i ÖZET……………………………………………………………………………………………….……………iii ABSTRACT………………………………………………………………………….………………………...iv TEŞEKKÜR…………………………………………………………………………………………………….v ŞEKİLLER DİZİNİ……….……………………………………………………………………..…………...vi ÇİZELGELER DİZİNİ.……….……………………………………………………………………………...x SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ……………….…………………………………………….xi 1. GİRİŞ ............................................................................................................................................... 1

1.1. Gerekçe .................................................................................................................................. 3

1.2. Amaç ....................................................................................................................................... 3

2. KAYNAK ÖZETLERİ .................................................................................................................. 5

2.1. Enerji Kaynakları ............................................................................................................... 6

2.1.1. Yenilenemez enerji kaynakları............................................................................. 6

2.1.2. Yenilenebilir enerji kaynakları ............................................................................ 8

2.2. Sürdürülebilirlik ............................................................................................................. 12

2.3. Termodinamik Analiz ................................................................................................... 14

2.3.1. Kütle balansı ............................................................................................................. 15

2.3.2. Enerji balansı ........................................................................................................... 16

2.3.3. Entropi balansı ........................................................................................................ 16

2.3.4. Ekserji balansı ......................................................................................................... 17

2.3.5. Termodinamik verimlilikler .............................................................................. 19

2.4. Termo-ekonomi .............................................................................................................. 20

2.5. Kojenerasyon- Trijenerasyon-Polijenerasyon .................................................... 21

2.5.1. Kojenerasyon ........................................................................................................... 21

2.5.2. Trijenerasyon .......................................................................................................... 22

2.5.3. Polijenerasyon ......................................................................................................... 23

2.6. Entegre Sistemler ........................................................................................................... 23

2.7. Termodinamik Optimizasyon .................................................................................... 24

3. POLİJENERASYON SİSTEM MODELLERİ VE ANALİZLERİ ..................................... 25

3.1. Sistem 1 .............................................................................................................................. 25

3.1.1. Termodinamik değerlendirme .......................................................................... 28

3.1.2. Çevresel etki değerlendirmesi .......................................................................... 42

3.2. Sistem 2 .............................................................................................................................. 43

3.2.1. Yakıt karakteristiği ................................................................................................ 46

3.2.2. Termodinamik Değerlendirme ......................................................................... 47

3.3. Sistem 3 .............................................................................................................................. 49

3.3.1. Enerji verimliliği ..................................................................................................... 52

3.3.2. Ekserji verimliliği ................................................................................................... 53

3.3.3. Eksergo-Ekonomik analiz ................................................................................... 59

3.4. Sistem 4 .............................................................................................................................. 64

3.4.1. Enerji verimliliği ..................................................................................................... 67

3.4.2. Ekserji verimliliği ................................................................................................... 68

3.5. Sistem 5 .............................................................................................................................. 69

3.5.1. Parabolik çanak kolektör .................................................................................... 72

3.5.2. Rankine çevrimi ...................................................................................................... 73

3.5.3. Sıcak su tankı ........................................................................................................... 74

ii

3.5.4. Enerji verimi ............................................................................................................ 74

3.5.5. Ekserji verimi........................................................................................................... 76

3.5.6. Çevresel etki değerlendirmesi .......................................................................... 77

4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA ...................................................................... 79

4.1. Sistem 1Bulguları ve Tartışma .................................................................................. 79

4.2. Sistem 2 Bulguları ve Tartışma ................................................................................. 91

4.3. Sistem 3 Bulguları ve Tartışma ................................................................................. 97

4.4. Sistem 4 Bulguları ve Tartışma ............................................................................... 115

4.5. Sistem 5 Bulguları ve Tartışma ............................................................................... 133

5. SONUÇ VE ÖNERİLER ......................................................................................................... 148

5.1. Sistem 1 ............................................................................................................................ 148

5.2. Sistem 2 ............................................................................................................................ 149

5.3. Sistem 3 ............................................................................................................................ 149

5.4. Sistem 4 ............................................................................................................................ 150

5.5. Sistem 5 ............................................................................................................................ 151

KAYNAKLAR ................................................................................................................................ 152 ÖZGEÇMİŞ ..................................................................................................................................... 159

iii

ÖZET

Doktora Tezi

POLİJENERASYON ENERJİ ÜRETİM SİSTEMLERİNİN TERMODİNAMİK MODELLENMESİ

Yunus Emre YÜKSEL

Süleyman Demirel Üniversitesi

Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Anabilim Dalı

Danışman: Prof. Dr. Nuri ÖZEK

II. Danışman: Doç. Dr. Murat ÖZTÜRK

Bu tez çalışmasında tek veya daha fazla enerji girdisinden güç, ısıtma, soğutma, sıcak su, hidrojen, metanol gibi dört veya daha fazla çıktı sağlayan polijenerasyon enerji üretim sistemleri modellenmiş olup termodinamik açıdan incelenmiştir. Yapılan modellemeler ve tasarım parametreleri Engineering Equation Solver (EES) adlı yazılımda detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Polijenerasyon enerji üretim sistemleri bir veya birden fazla enerji girdisi ile dört veya daha fazla ürün çıktısı sağlayan sistemlerdir. Yapılan termodinamik analiz çalışmaları enerji analizi, ekserji analizi, ekserji yıkım oranı ve enerji ve ekserji verimliliklerini içermektedir. Tasarlanan beş adet sistemin her bir alt sistemine ve sistemin tamamına bu analizler uygulanmıştır. Ayrıca sistem performansını etkileyen parametrelerin değerlendirilmesi için parametrik çalışmalar yapılmıştır. Yapılan çalışmalar tekli enerji üretim santrallerine kıyasla iki, üç ve daha fazla çıktı veren sistemlerin performansında artış olduğunu göstermiştir. Polijenerasyon enerji üretim sistemlerin enerji ve ekserji verimlilikleri ve bunların hangi şartlarda değiştikleri incelenmiş ve sonuç kısmında çizelge ve şekillerle verilmiştir. Ayrıca sistem performansını etkileyen çevre şartları da parametrik çalışmalar ile analiz edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Polijenerasyon enerji üretimi, termodinamik analiz, enerji analizi, ekserji analizi. 2016, 164 sayfa

iv

ABSTRACT

Ph.D. Thesis

THERMODYNAMIC MODELLING OF POLYGENERATION ENERGY PRODUCTION SYSTEMS

Yunus Emre YÜKSEL

Süleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural Sciences

Department of Physics

Supervisor: Prof. Dr. Nuri ÖZEK

Co-Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Murat ÖZTÜRK

In this thesis polygeneration energy production systems which produce more than four outputs such as power, heating, cooling, hot water, hydrogen and methanol by using one or two energy input are analyzed in thermodynamic viewpoint. Polygeneration systems use one or more energy input and produce four or more than four outputs. Thermodynamic analyses used in this thesis contain energy analysis, exergy analysis, exergy destruction rate, energy efficiency and exergy efficiency. These analyses are performed to subsystems and whole system of five energy production system designed fort his thesis. Parametric studies are performed also in order to see how design parameters affect the system performance. The results of studies show that cogeneration, trigeneration or polygeneration systems have higher efficiencies than single energy production options. Energy and exergy efficiencies of polygeneration energy production systems are analyzed and analysis results are given in tables and figures. In addition design parameters affecting system performance are analyzed in parametric studies. Keywords: Polygeneration energy production, thermodynamic analysis, energy analysis, exergy analysis. 2016, 164 pages

v

TEŞEKKÜR

Bu araştırma için beni yönlendiren, karşılaştığım zorlukları bilgi ve tecrübesi ile aşmamda yardımcı olan değerli Danışman Hocam Prof. Dr. Nuri ÖZEK’e teşekkürlerimi sunarım. Literatür araştırmalarımda ve analiz kısımlarında yardımcı olan değerli hocam ikinci danışmanım Doç. Dr. Murat Öztürk’e teşekkürü borç bilirim. Ayrıca değerli bilgi ve tecrübesi ile çalışmalarımda yardımını esirgemeyen Prof. Dr. İbrahim DİNÇER’e teşekkür ederim. Yine literatür çalışmalarımda yardımlarını esirgemeyen arkadaşım Uzman Murat KOÇ’a teşekkür ederim. Tezimin her aşamasında beni yalnız bırakmayan aileme sonsuz sevgi ve saygılarımı sunarım.

Yunus Emre YÜKSEL

ISPARTA, 2016

vi

ŞEKİLLER DİZİNİ

Sayfa

Şekil 3.1. Parabolik oluk tipi kolektör ve biokütleyi kullanan polijenerasyon

enerji üretim sistemi .............................................................................................. 26

Şekil 3.2. Guneş ve komur kullanan polijenerasyon enerji uretim sisteminin

şematik gösterimi .................................................................................................... 44

Şekil 3.3. Jeotermal enerjiyi kaynak olarak kullanan polijenerasyon enerji

üretim sisteminin şematik gösterimi ............................................................... 50

Şekil 3.4. Güneş enerjisini kaynak olarak kullanan polijenerasyon enerji üretim

sisteminin şematik gösterimi .............................................................................. 65

Şekil 3.5. Parabolik çanak kolektör ve biokütleyi kullanan polijenerasyon enerji

üretim sistemin şematik gösterimi ................................................................... 70

Şekil 4.1. Referans sıcaklığın artışına bağlı olarak çift etkili absorpsiyonlu

sistemin enerjetik ve ekserjetik COP değerlerindeki değişim ................ 83

Şekil 4.2. Güneş modu için, referans sıcaklığa göre entegre sistemin ekserji

yıkım oranındaki ve ekserji verimindeki değişim ....................................... 84

Şekil 4.3. Biokütle modu için, referans sıcaklığa göre entegre sistemin ekserji

yıkım oranındaki ve ekserji verimindeki değişim ....................................... 84

Şekil 4.4. Güneş modu için, güneş ve biokütle temelli entegre sistemin alt

bileşenlerinin referans sıcaklığa bağlı olarak enerji ve ekserji

verimlerinin değişimi ............................................................................................. 86

Şekil 4.5. Biokütle modu için, güneş ve biokütle temelli entegre sistemin alt

bileşenlerinin referans sıcaklığa bağlı olarak enerji ve ekserji

verimlerinin değişimi ............................................................................................. 86

Şekil 4.6. Güneş modu için küresel güneş radyasyonunun elektrik ve hidrojen

üretimine etkisi......................................................................................................... 87

Şekil 4.7. Her iki mod için, ORC ısı değiştiricisinin sıkışma noktası sıcaklığındaki

değişimin elektrik ve hidrojen üretimine etkisi .......................................... 88

Şekil 4.8. ORC türbin giriş basıncının elektrik ve hidrojen üretimine etkisi ........ 89

Şekil 4.9. Sıkışma noktasının artışına bağlı olarak farklı sistemlerde CO2

emisyonundaki değişim ........................................................................................ 90

Şekil 4.10. Türbin giriş basıncının değişimine bağlı olarak sistemlerin

karbondioksit emisyonları ................................................................................ 91

Şekil 4.11. Ortam sıcaklığına bağlı olarak kolektörde meydana gelen ekserji

yıkım miktarı ve ekserji verimi ........................................................................ 92

Şekil 4.12. Ortam sıcaklığına bağlı olarak gazlaştırıcıda meydana gelen ekserji

yıkım miktarı ve ekserji verimi ........................................................................ 93

Şekil 4.13. Ortam sıcaklığına bağlı olarak Rankine çevriminde meydana gelen

ekserji yıkım miktarı ve ekserji verimi ......................................................... 94

Şekil 4.14. Ortam sıcaklığına bağlı olarak absorpsiyonlu sistemde meydana

gelen ekserji yıkım miktarı ve ekserji verimi ............................................. 94

vii

Şekil 4.15. Ortam sıcaklığına bağlı olarak metanol üretim alt sisteminde

meydana gelen ekserji yıkım miktarı ve ekserji verimi ......................... 95

Şekil 4.16. Ortam sıcaklığına bağlı olarak polijenerasyon enerji üretim

sisteminde meydana gelen ekserji yıkım miktarı ve ekserji verimi .. 96

Şekil 4.17. Referans sıcaklığa bağlı olarak tüm sistem ve alt sistemlerde

meydana gelen ekserji değişikliği ................................................................. 100

Şekil 4.18. Tüm sistemin ve alt sistemlerin ekserji yıkım miktarları .................... 101

Şekil 4.19. Referans sıcaklığa bağlı olarak absorpsiyonlu soğutma sisteminin

performans katsayılarındaki değişim ......................................................... 102

Şekil 4.20. Jeotermal su giriş basıncına bağlı olarak alt sistemler ve entegre

sistemde meydana gelen ekserji değişiklikleri ........................................ 102

Şekil 4.21. Jeotermal su giriş basıncına bağlı olarak sistemden üretilen elektrik

ve hidrojen miktarındaki değişim ................................................................ 103

Şekil 4.22. Jeotermal su kütle akış oranına bağlı olarak ekserji verimlerindeki

değişimler .............................................................................................................. 104

Şekil 4.23. Jeotermal su kütle akış oranına bağlı olarak elektrik ve hidrojen

üretimindeki değişim ........................................................................................ 105

Şekil 4.24. Jeotermal su sıcaklığının elektrik ve hidrojen üretimine etkisi......... 106

Şekil 4.25. Jeotermal su sıcaklığının enerji ve ekserji verimine etkisi .................. 106

Şekil 4.26. Elektrolizör sıcaklığının enerji ve ekserji verimine etkisi ................... 107

Şekil 4.27. Referans çevre sıcaklığının PEM elektrolizörünün ekserji verimi ve

ekserji yıkımına etkisi ....................................................................................... 108

Şekil 4.28. ORC türbin giriş basıncının üretilen hidrojen ve elektrik miktarına

etkisi ......................................................................................................................... 109

Şekil 4.29. Buharlaştırıcının sıkışma noktasının üretilen elektrik ve hidrojen

miktarına etkisi .................................................................................................... 109

Şekil 4.30. ORC türbine giren akışkanın sıcaklığının üretilen elektrik ve hidrojen

miktarına etkisi .................................................................................................... 110

Şekil 4.31. ORC türbinden çıkan akışkan sıcaklığının üretilen elektrik ve

hidrojen miktarına etkisi ................................................................................. 111

Şekil 4.32. Kondenser sıcaklığının üretilen elektrik ve hidrojen miktarına etkisi ...

………………………………………………………………………………………………………………….112

Şekil 4.33. Enerji üretim hızının ekserji verimliliğine ve toplam maliyete etkisi .....

………………………………………………………………………………………………………………….112

Şekil 4.34. Jeotermal su sıcaklığının ORC alt sistemi maliyetine ve ekserji

verimine etkisi ...................................................................................................... 113

Şekil 4.35. Çok yüksek sıcaklık jeneratörünün sıcaklığının DEASS birim

maliyetine ve DEASS verimine etkisi ........................................................... 114

Şekil 4.36. Jeotermal su sıcaklığının hidrojen maliyetine etkisi .............................. 115

Şekil 4.37. Çevre sıcaklığına bağlı olarak DEASS alt sisteminin performans

katsayılarındaki değişim .................................................................................. 123

Şekil 4.38. Ortam sıcaklığının enerji verimine etkisi ................................................... 124

Şekil 4.39. Ortam sıcaklığının ekserji verimine etkisi ................................................. 125

viii

Şekil 4.40. Güneş radyasyonuna bağlı olarak alt sistemlerin ve tüm sistemin

enerji ve ekserji verimleri ................................................................................ 126

Şekil 4.41. Güneş radyasyon yoğunluğunun üretilen elektrik miktarına ve

soğutmaya etkisi .................................................................................................. 127

Şekil 4.42. Güneş radyasyon yoğunluğunun ekserji yıkım miktarına ve üretilen

hidrojen miktarına etkisi ................................................................................. 127

Şekil 4.43. Absorber iç yüzey sıcaklığının alt sistemler ve entegre sistemin enerji

verimine etkisi ...................................................................................................... 128

Şekil 4.44. Absorber giriş yüzey sıcaklığının alt sistemler ve entegre sistemin

ekserji verimine etkisi ....................................................................................... 129

Şekil 4.45. Absorber iç yüzey sıcaklığının güç ve hidrojen üretimine etkisi ...... 130

Şekil 4.46. Sıcak su üretimi ve ısıtma ile birlikte, DS-ORC alt sistemi için

amonyak-su konsantrasyonun enerji ve ekserji verimine etkisi...... 131

Şekil 4.47. Sıcak su ve ısıtma olmadan, DS-ORC alt sistemi için amonyak-su

konsantrasyonun enerji ve ekserji verimine etkisi................................ 131

Şekil 4.48. Amonyak-su konsantrasyonunun DEASS alt sistemi için enerji ve

ekserji verimine etkisi ....................................................................................... 132

Şekil 4.49. Amonyak-su konsantrasyonunun DEASS alt sistemi için ekserji

yıkımına ve ekserjetik performans katsayısına etkisi .......................... 133

Şekil 4.50. Referans çevre sıcaklığının absorpsiyonlu soğutma sisteminin

enerjetik ve ekserjetik performans katsayısına etkisi .......................... 137

Şekil 4.51. Referans çevre sıcaklığının kolektörün ekserji yıkım miktarına ve

ekserji verimine etkisi ....................................................................................... 138

Şekil 4.52. Güneş modu için referans çevre sıcaklığının Rankine çevrimi alt

sistemine etkisi ................................................................................................... .139

Şekil 4.53. Biokütle modu için referans çevre sıcaklığın Rankine çevrimi alt

sistemine etkisi .................................................................................................... 139

Şekil 4.54. Güneş modu için referans çevre sıcaklığın çift etkili absorpsiyonlu

soğutma sistemine etkisi .................................................................................. 140

Şekil 4.55. Biokütle modu için referans çevre sıcaklığın çift etkili absorpsiyonlu

soğutma sistemine etkisi .................................................................................. 141

Şekil 4.56. Güneş modunda, referans çevre sıcaklığının sıcak su depolama

tankına etkisi ..................................................................................................... 141

Şekil 4.57. Güneş modu için referans çevre sıcaklığın sistemin ekserji yıkım

miktarına ve ekserji verimine etkisi ............................................................ 142

Şekil 4.58. Biokütle modu için referans çevre sıcaklığın sistemin ekserji yıkım

miktarına ve ekserji verimine etkisi ............................................................ 143

Şekil 4.59. Referans çevre sıcaklığın biokütle yakıcı performansına etkisi ........ 144

Şekil 4.60. Güneş radyasyonu yoğunluğunun kolektör alt sistemine etkisi ....... 146

ix

ÇİZELGELER DİZİNİ

Sayfa

Çizelge 3.1. Talaş tozu biokütlesinin elemanter analizi ................................................ 29

Çizelge 3.2. Entegre polijenerasyon sistemin ekserji yıkım hızı ve ekserji verim

denklemleri ............................................................................................................. 39

Çizelge 3.3. Maddelerin standart molar ekserji değerleri ............................................ 48

Çizelge 3.4. Jeotermal güç çevrimine ve alt sistemlerine ait analiz denklemleri 54

Çizelge 3.5. ORC alt sistemi için denge denklemleri ve ekserji verim denklemleri .

……………………………………………………………………………………………………………………55

Çizelge 3.6. Dört etkili absorpsiyonlu soğutma sistemi için denge denklemleri ve

ekserji verim denklemi .................................................................................... 57

Çizelge 3.7. Hidrojen üretim alt sistemi için denge denklemleri ve ekserji verimi

denklemleri ........................................................................................................... 58

Çizelge 3.8. Evsel sıcak su sistemi için denge denklemleri ve ekserji verimi

denklemleri ........................................................................................................... 58

Çizelge 3.9. Çam talaşının yakıt karakteristiği ................................................................. 71

Çizelge 4.1. Entegre sistem girdi verileri ............................................................................ 80

Çizelge 4.2. Güneş modu için entegre polijenerasyon sistemin termodinamik

değerlendirme sonuçları ................................................................................. 81

Çizelge 4.3. Biokütle modu için entegre polijenerasyon sistemin termodinamik

değerlendirme sonuçları ................................................................................. 82

Çizelge 4.4. Sistem elemanlarının ekserji yıkım miktarları, ekserji yıkım

yüzdeleri ve ekserji verimleri ........................................................................ 98

Çizelge 4.5. Alt sistemler ve tüm sistemin enerji ve ekserji verimeri ..................... 99

Çizelge 4.6. POTK alt sisteminin tasarım parametreleri ............................................ 115

Çizelge 4.7. Entegre sistemin alt sistemleri için enerji denge denklemleri ........ 116

Çizelge 4.8. POT, PEM elektrolizör ve PEM yakıt hücresi için termodinamik

analiz denklemleri ........................................................................................... 118

Çizelge 4.9. Entegre sistem bileşenlerinin ekserji yıkım denklemleri .................. 119

Çizelge 4.10. Entegre sistem bileşenlerinin ekserji verimleri .................................. 120

Çizelge 4.11. Sistem bileşenleri için ekserji yıkım miktarı, ekserji yıkım yüzdesi

ve ekserji verimleri .......................................................................................... 121

Çizelge 4.12. Entegre polijenerasyon sistemin güneş modu için termodinamik

değerlendirme sonuçları ............................................................................... 135

Çizelge 4.13. Entegre polijenerasyon sistemin biokütle modu için termodinamik

değerlendirme sonuçları ............................................................................... 136

x

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ A Alan AGKF Anaparanın geri kazanım faktörü c Ekserji başına maliyet C Maliyet C0 Kolektör konsantrasyon oranı COP Coefficient of Performance (Performans katsayısı) ÇEASS Çift etkili absorpsiyonlu soğutma sistemi DEASS Dört etkili absorpsiyonlu soğutma sistemi DS-ORC Çift basamaklı organik Rankine çevrimi En Enerji EES Engineering Equation Solver ETKB Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı ex Spesifik ekserji Ex Ekserji F Faraday sabiti FR Isı çıkış katsayısı h Entalpi HEX Isı değiştirici HHV Üst ısıl değer IEA International Energy Agency Ids Direk güneş radyasyonu I, ExY Ekserji yıkımı J Akım yoğunluğu LHV Alt ısıl değer Lm Membran kalınlığı m Kütle M Moleküler ağırlık ORC Organik Rankine çevrimi P Basınç PEM Proton exchange membrane PÇK Parabolik çanak kolektör POT Parabolik oluk tipi PV Fotovoltaik Q Isı R Direnç s Spesifik entropi S Entropi T Sıcaklık TK Tesis kapasitesi UL Isı kayıp katsayısı V Elektriksel potansiyel W iş WCED World Commission on Environment and Development z Yükseklik Z Yatırım, işletme ve bakım maliyeti

xi

ΔG(T) Gibbs serbest enerjisi αr,C Kolektör yansıtıcı yüzeyinin soğurma katsayısı σ[λ(x)] Lokal iyonik iletkenlik ε Alıcı yayma kuvveti σ Stefan-Boltzmann sabiti λ Su içeriği ∆G Gibbs serbest enerjisi η Enerji verimliliği Ψ Ekserji verimliliği ρr,C Kolektör yansıtıcı yüzeyinin yansıtma katsayısı ξ Kimyasal ekserjinin alt ısıl enerjiye oranı ηohm Ohmik aşırı potansiyel ω Nem içerik faktörü

1

1. GİRİŞ

Yeryüzündeki tüm canlıların yaşamlarının devam etmesi enerjinin varlığıyla

sağlanmaktadır. Bazı canlılar kendileri için gerekli olan enerjiyi fotosentez

vasıtasıyla güneş enerjisini dönüştürerek sağlarken, tüketici canlılar da

besinlerdeki depolanmış kimyasal enerjiyi kullanmaktadır. İlk çağlarda insanoğlu

sadece beslenmek ve barınmak için yaşarken, zamanla ihtiyaçlar artmış, ihtiyaçları

karşılamak adına da çeşitli teknolojik aletler yapmışlardır. Bu durum insanoğlunun

konfor anlayışını değiştirmiş ve teknolojinin ilerlemesiyle enerji ihtiyacı sadece

organizma için gerekli olmaktan çıkmış ve hayatın her alanında daimi bir ihtiyaca

dönüşmüştür. Antik çağlarda atalarımız günde 8 saat sadece beslenmek adına

yürürken, modern zamanda insanoğlu yürümeyi bir spora dönüştürmüş, bir yerden

başka bir yere gitmek için ulaşım araçları kullanmaya başlamıştır. Teknolojinin

hayatımıza getirdiği konfor anlayışı pekâlâ bununla sınırla kalmamıştır. Yiyecekleri

taze tutmak için soğutucular, kapalı ortamların havasını düzenlemek için klimalar,

bilgi paylaşımı için televizyonlar ve bilgisayarlar, yemek pişirmek için fırınlar, sıcak

su için ısıtıcılar, daha uzağa daha kısa sürede gidebilmek için uçaklar icat edilmiştir.

Bu icatların tamamı ve saymadığımız niceleri artan nüfusla birleşince enerji

ihtiyacını çok hızlı bir şekilde artırmıştır.

Enerji ihtiyaçları ilk başlarda yel değirmenleri, su değirmenleri ve biokütlenin

yanması ile giderilirken daha sonraları kömür ve petrol türevleri enerji ihtiyacını

karşılamada kullanılmıştır. Ne var ki kömür, petrol ve doğalgaz gibi yakıtlar sonlu

kaynaklar olup, bu kaynakların çevreye verdiği zararlar ancak günümüzde yeni

yeni anlaşılabilmiştir. Bir zamanlar otomobil firmaları reklamlarında

otomobillerinin ne kadar güçlü ve seri olduklarından bahsederken, son zamanlarda

bir kilometrede ne kadar az emisyon ürettiklerini vurgulamaktadırlar. Isı yalıtım

kavramı hayatımızda çok hızlı yer edinmekle birlikte binalar için bir ön şart

olmaktadır. Bu ve buna benzer durumlar insanoğlunun farkındalığının arttığını

göstermektedir. Farkındalığın artması mevcut enerji politikalarında değişikliği

kaçınılmaz hale getirmektedir. Son kullanıcının yapabileceği enerji tasarrufu ve

2

enerji verimi yüksek cihazlar kullanmak yeni yaklaşımın bir parçasıdır fakat daha

da önemli olan kısım enerjinin nasıl ve hangi kaynaktan üretildiğidir.

ETKB’ye (Enerji ve Tabi Kaynaklar Bakanlığı, 2015) göre, enerjinin verimli

kullanılması ile Türkiye’deki enerji yoğunluğunun 2023 yılında 2011 yılına göre

%20 azalacağı öngörülmektedir. Bir diğer yandan mevcut fosil yakıtlara dayalı

üretimin yenilenebilir enerji kaynaklarıyla yer değiştirmesinin de çevreye verilen

zararı en aza indireceği ve enerjide dışa bağımlılığı azaltacağı bilinen bir gerçektir.

Yenilenebilir enerjiye geçiş aşamasında fosil kökenli kaynakların bir anda terk

edilmesi söz konusu olmamaktadır. Bu geçiş süresinde fosil yakıtlardan enerji

üretimi daha temiz ve etkili bir şekilde yapılmalıdır. Tek kaynaktan tek bir enerji

üreten sistemlerin çalışma verimi yan ürünlerin kullanılmamasından ve atıkların

çok olmasından dolayı düşüktür. Günümüzde alternatif olarak ortaya çıkan

kojenerasyon, trijenerasyon ve hatta multi-jenerasyon sistemler bu düşük verimi

artırmayı hedeflemektedir. Bu sistemler tek bir kaynaktan daha fazla ürün elde

etmeye yönelik sistemlerdir. Örneğin, kojenerasyon tesisleri sistemde oluşan atık

ısıyı ısıtmada veya sıcak su üretiminde kullanarak tekli sistemlere göre daha fazla

avantaj sunmaktadır. Bahsedilen sistemlerin de dezavantajları bulunmaktadır.

Bunlardan bir tanesi de sistemlerin tek bir kaynakla çalışması ve bu kaynakta bir

azalma, bitme veya fiyatında bir artış söz konusu olduğunda üretim aksamaktadır.

Bu sorunu gidermenin yolu da entegre sistemler kullanmaktır. Entegre multi-

jenerasyon ya da entegre poli-jenerasyon sistemler hem birden fazla enerji kaynağı

kullanan hem de elektrik, ısıtma, soğutma sıcak su, hidrojen ve kimyasallar gibi

birden fazla ürün çıktısı sağlayan sistemlerdir. Entegre poli-jenerasyon sistemler

birden fazla kaynağı verimli bir şekilde kullanarak tek kaynağa olan bağımlılığı

azaltmaktadır. Örneğin güneş enerjisi ile elektrik, sıcak su, ısıtma ve soğutma

sağlayan bir sistem güneş ışınlarının pik yaptığı zamanlarda yüksek verimle

çalışmakta güneş ışınının az ya da hiç olmadığı zamanlarda üretimde kesintiler

yaşanmaktadır. Bu sisteme eklenen kömür ya da biokütle gazlaştırma alt sistemleri

sistemde kesinti meydana gelmeden beslemeyi sağlamaktadırlar.

3

1.1. Gerekçe

2013 yılı içinde, dünyadaki enerji tüketiminin yaklaşık %91’i fosil yakıtlar ve

nükleer enerji tarafından karşılanmıştır (BP Statistiscal Review, 2014). Fosil

yakıtlar çevresel açıdan değerlendirildiğinde doğaya en zararlı kaynaklardır. Bunun

yanında fosil yakıtlardan elektrik üretirken kullanılan yöntem de kaynağın seçimi

kadar önem arz etmektedir. Örneğin, termik santrallerde kömürden üretilen

elektrik enerjisi çevreye çok fazla atık bırakmakta ve yakın çevresindeki

ekosisteme de ciddi zararlar vermektedir.

Yolcu ve yük taşımasında deniz ve demir yolu kullanılması hem maliyeti hem de

çevreye verilen zararı azaltmaktadır fakat halen karayolu taşımacılığı birçok ülkede

revaçtadır. Hava kirliliği açısından bakıldığında küresel ısınmaya neden olan sera

gazlarına demiryolunun etkisi %5’lerdeyken, karayolunun etkisi %85’lerdedir. Bir

diğer etki de ulaşımın sağlandığı yerlerdeki bitkilerde gözlenen metal birikimidir.

Ağır metaller için öngörülen sınır değer 0,2mg/kg iken, Adana-İçel karayolu

üzerinde yapılan ölçümlerde şu sonuçlar elde edilmiştir:

Yola 5 metre uzaklıktaki bitkilerde: 1,85-2,17 mg/kg

Yola 10 metre uzaklıktaki bitkilerde: 1,8-1,23 mg/kg. (Enerji Verimi Derneği, 2015)

Çevreye verilen zararların dışında, enerji politikalarındaki dışa bağımlılık ülkelerin

ekonomisini ve kalkınmasını derinden etkilemekte, uzun vadeli kalkınma planlarını

sekteye uğratmaktadır. Türkiye gibi enerji kaynakları bakımından zengin fakat

kendi enerjisini üretmede geç kalmış ülkeler, gelişmişlik düzeyini artırmak ve

refaha ulaşmak için enerjideki dışa bağımlılığı bitirmelidirler.

1.2. Amaç

Bu çalışmanın amacı mevcut enerji üretim sistemlerinin çevreye verdiği zararları

azaltacak ve yakıt fiyatlarını düşürecek ve enerji güvenliğini artıracak alternatifler

sunmaktır. Çalışmada önerilen entegre polijenerasyon sistemler birden fazla

4

kaynağı verimli bir şekilde kullanarak faydalı ürünler ürettiği için konvansiyonel

sistemlere göre çok daha tercih edilebilir seçenek olmaktadırlar. Entegre

polijenerasyon sistemler görece yeni sistemler olmalarından dolayı araştırmaya

açık sistemlerdir. Bu çalışmada önerilen sistemlerin özel amaçları şunlardır:

Güneş enerjisi ile üretilen elektrik enerjisi oldukça temiz bir alternatif

olmasına rağmen süreklilik arz etmemektedir. Güneşin olmadığı

dönemlerde elektrik ve faydalı ürünlerin üretilmesinin aksamaması için

güneş enerjisine entegre edilmiş kömür ve biogaz gazlaştırma gibi

seçenekler sunmak.

Düşük ısıl değeri olan kömürleri daha verimli ve temiz bir yöntem olan

gazlaştırma teknolojisi ile enerji üretimine katarak ekonomiye katkıda

bulunmak ve enerji kaynağı çeşitliliğini artırmak.

Polijenerasyon sistemler kullanıcı odaklı ve kullanıldığı yerlerde enerji

üretiminin yapılmasının verimli olduğu sistemlerdir. İhtiyacın olduğu

yerlerde enerji kaynağının türüne göre sistemler önermek.

Önerilen sistemlerin enerji ve ekserji analizlerini yapmak.

Sistemlerin ekserji analizi yapılmasıyla, tersinmezliklerin yerini ve

büyüklüklerini belirlemek.

Tersinmezliklerin giderileceği sistem bileşenlerini tespit etmek ve

sistemin iyileştirme potansiyelini bulmak.

Sistemlerin çevresel etki analizini yapmak ve çevreye salınan

emisyonların etkisini azaltacak önerilerde bulunmak.

5

2. KAYNAK ÖZETLERİ

Enerji en basit tanımıyla iş yapabilme yeteneği olarak ifade edilirken,

hayatımızdaki rolü ise tanımının basitliğinin aksine oldukça karmaşık ve önemlidir.

Enerji çağlar boyunca insanlığın ihtiyaçlarını gidermede en önemli kaynağı

olmuştur. Yel değirmenlerini döndürmede, gemileri hareket ettirmede, bitkilerin

büyümesinde, besinlerin kurutulmasında, kısacası hayatın her alanında enerjinin

etkisi büyük olmuştur. Enerji terimi ilk olarak 1807’de İngiliz bilim insanı Thomas

Young tarafından kullanılmıştır ve 1852’de Lord Kelvin termodinamikte

kullanmayı önermiştir.

Bir sistemin toplam enerjisini oluşturan değişik enerji biçimleri bulunmaktadır ve

bu enerji türlerini makroskopik ve mikroskobik olarak iki başlık altında toplamak

tanımlamayı kolaylaştıracaktır. Makroskopik enerji türleri sistemin dış çevre ile

olan etkileşimine bağlı olarak değişmektedir. Bunlar hareket, yerçekimi,

manyetizma, elektrik ve yüzey gerilimi gibi etkenlerdir (Çengel ve Boles, 2012). Bir

sistemin hareketinden dolayı sahip olduğu enerji kinetik enerji, mevcut

durumundan dolayı sahip olduğu enerji de potansiyel enerji olarak adlandırılmakta

ve ikisi mekanik enerji başlığı altında toplanabilmektedir. Potansiyel enerjinin

yerçekimi, esneklik ve elektrik gibi alt başlıkları vardır ve bunlara ait potansiyel

enerji değeri referans noktası seçimine göre değişmektedir. Mikroskobik enerji ise

dış çevreden bağımsız olarak sistemin moleküler yapısı ve aktivitesinden

kaynaklanmaktadır. Sistemin mikroskobik enerjilerinin tamamı da iç enerji olarak

adlandırılmakta ve mekanik, kimyasal, elektrik gibi türleri bulunmaktadır.

Termodinamiğin birinci kanunu ya da bir diğer adıyla enerjinin korunumu kanunu

enerjinin bir türden diğerine dönüşebileceğini fakat enerjinin var iken yok

olmayacağını yoktan da var edilemeyeceğini belirtmektedir. Bunun ardından

akıllara şu soru gelmektedir: Enerji madem kaybolmuyor, neden sürekli yeni enerji

kaynakları arıyoruz? Bu sorunun doğru cevabı enerjinin miktarı ile değil kalitesi ile

alakalı olduğunu bilerek verilebilir. Örneğin elektrik enerjisi %100 verimle ısı

6

enerjisine dönüşebilir fakat ısı enerjisinin elektriğe dönüş verimi çok çok daha

azdır. Bir başka örnekle yokuş çıkarken aracımızda harcadığımız benzini yokuşu

inerken geri yerine dolmaz. Kullanılabilecek kaliteli enerjinin azalmasından dolayı

insanoğlu yeni enerji kaynakları aramaktadır. Enerji kaynakları son zamanlarda

artan bilinçle birlikte yenilenebilir ve yenilenemez olarak iki ana başlık altında

incelenmektedir.

2.1. Enerji Kaynakları

Enerji kaynakları tüketim durumuna göre birincil ve ikincil enerji kaynakları olarak

ikiye ayrılırlar. Birincil enerji kaynakları güneş, petrol, kömür ve jeotermal gibi

kaynaklar olup doğrudan kullanılabildiği gibi ikincil enerji kaynaklarını üretmede

de kullanılabilirler. İkincil enerji kaynakları ise birincil enerji kaynaklarından

üretilen ve enerji taşıyıcısı olarak da adlandırılan elektrik ve hidrojen gibi

kaynaklardır. Enerjiyi bir diğer sınıflandırma yöntemi de enerjinin kısa zamanda

kendisini yenileyip yenileyememesine göre yapılmaktadır. Bu sınıflandırmaya göre

enerji yenilenebilir ve yenilenemez olarak ikiye ayrılmaktadır. Yenilenemez enerji

kaynakları, kullanıldığı zaman yerine konması binlerce yılı alan enerji kaynaklarını

tanımlamaktadır. Bunlara en yaygın örnekler de uranyum, kömür, petrol ve

doğalgazdır. Yenilenebilir enerji kaynakları ise fosil kaynaklara bağlı olmayan ve

doğal yollarla kendisini sürekli yenileyen enerji kaynaklarıdır. Yenilenebilir enerji

kaynakları olarak da güneş, rüzgar, jeotermal, hidroelektrik ve dalga enerjisi örnek

gösterilebilir. Burada dikkat edilmesi gereken önemli bir husus ise yenilenebilir

enerji kavramının tamamıyla temiz enerji anlamına gelmediği gibi, yenilenemez

enerji kaynakları da yenilenemez olduklarından dolayı göz ardı edilmemesi

gereğidir.

2.1.1. Yenilenemez enerji kaynakları

Kömür, petrol ve doğalgaz binlerce yıllık sürede yer altında oluşan enerji

kaynaklarıdır. Canlı kalıntılarının fosilleşmesiyle oluştukları için fosil yakıtlar

7

olarak da adlandırılırlar. Tüketildikleri zaman yerine yenisinin gelmesi çok uzun

zaman almakta ve ayrıca kullanıma bağlı olarak çevreye oldukça fazla emisyon

salmaktadırlar. Hala ucuz bir alternatif oldukları için dünya enerji ihtiyacının

büyük çoğunluğu fosil yakıtlardan karşılanmaktadır.

2.1.1.1. Kömür

Organik ve inorganik maddelerden oluşan, heterojen yapıda, yanıcı fosil bir taştır.

Organik yapısında başlıca karbon, hidrojen ve oksijenden oluşmakta az miktarda da

kükürt ve azot içermektedir. Binlerce yıllık süreçte bitkilerin uygun şartlar altında

toprak altında fosilleşmesiyle oluşmakta ve bitkinin içeriğine göre kömürün içeriği

de değişim göstermektedir (Yüksel, 2010). Kömür halen dünyada en çok bulunan

fosil yakıttır.

2.1.1.2. Petrol

Latince taş (petro) ve yağ (oleum) kelimelerinden türeyip taşyağı anlamına gelen

petrol başlıca karbon ve hidrojenden oluşup çok karmaşık bir kimyasal yapıya

sahip olup binlerce yıllık süreçte basınç ve sıcaklık tesiriyle oluşmaktadır (Petrol

İşleri Genel Müdürlüğü, 2014). Doğada katı, sıvı ve gaz halde bulunabilen petrolün

en değerlisi sıvı olan ve rafine petrolden ayırt etmek amacıyla ham petrol olarak

nitelendirilen şeklidir. Dünyada kanıtlanmış petrol rezervi 2013 yılsonu itibariyle

1687,9 milyar varildir (BP Statistical Review of World Energy, 2014).

2.1.1.3. Doğalgaz

Doğalgaz yer kabuğunun içinde bulunan, havadan hafif, renksiz ve kokusuz bir

gazdır. Yapısında başlıca karbon ve hidrojen bulunmaktadır. Petrolün bulunduğu

yerlerin yakınında bulunup, çıkarılması petrolde kullanılan yöntemle aynıdır. Yakıt

olarak oldukça önemli bir yere sahiptir. Dünya genelinde doğal gaz rezervlerinin

%41’i (76 trilyon metreküp) Orta Doğu ülkelerinde, %33’ü (59 trilyon m3) Rusya

8

ve Bağımsız Devletler Topluluğu ülkelerinde, %17’si (31 trilyon m3) Afrika ve Asya

Pasifik ülkelerinde bulunmaktadır (ETKB, 2016).

2.1.1.4. Nükleer enerji

1945’de Hiroşima’da maalesef ilk nükleer bombanın patlamasından sonra, bazı

kararsız atomların çekirdeğinde yüksek miktarda enerji depolandığı ve bunun

açığa çıkarılabileceği pratik olarak görülmüştür. Ağustos 1955’de Cenevre’de

düzenlenen “Atom Enerjisinin Barışçıl Kullanımı” üzerine Birleşmiş Milletler

Uluslararası konferansında bu konu açıklığa kavuşturulmuştur. Uranyumun

fizyonundan üretilen enerjinin olası endüstriyel kullanımı artık mümkündür.

Bundan sonraki süreçte Birleşik Devletler, İngiltere, Sovyetler Birliği ve diğer

ülkeler büyük güçlü reaktörlerin yapımına başlamıştır. Fizyona uygun elementler

Uranyumun iki izotopu U-235 ve U-233 ile plütonyumdur, Pu-239. Bunlardan

sadece U-235 doğada bulunmakta, diğer ikisi yapay yollarla üretilmektedir. Pu-239

U-238’den, U-233 ise Toryumdan elde edilmektedir. U-238 ve Toryum Th-232

fizyona uğramasa da oldukça verimli elementler olarak adlandırılmaktadır.

2.1.2. Yenilenebilir enerji kaynakları

Güneş ve rüzgar gibi kesintisiz kaynağa sahip, doğa tarafından üretilen ve

kullanıldıkça kendi kendini tekrar tamamlayan enerji kaynaklarıdır. Günümüzde bu

kaynaklardan enerji üretimi daha maliyetli olmasına rağmen oldukça temiz ve dışa

bağımlılığı azaltacak alternatif kaynaklar olarak görülmektedirler.

2.1.2.1. Güneş enerjisi

Güneş enerjisi çevreye duyarlı, bol ve kolay erişilebilir bir kaynak olup kullanımı da

oldukça güvenlidir. Güneş enerjisi teknolojileri üç başlık altında toplanabilirler:

fotovoltaik (PV) sistemler, güneş termal elektrik üretimi ve güneş enerjili ısıtma ve

9

soğutma sistemleri. PV sistemleri yarıiletken materyal kullanmak suretiyle güneş

radyasyonu ile doğrudan elektrik üretmektedirler. PV sistemlerinin iki tane önemli

avantajı bulunmaktadır. Birincisi üretimi büyük tesislerde yapılabilmekte bu da

büyük ölçekli güç üretimine izin vererek ekonomik açıdan kazançlı olmasını

sağlamaktadır. İkincisi ise PV sistemleri çok küçük parçalardan oluşmakta ve bu

sayede hızlı transferi ve kurulumu mümkün olmaktadır. Örneğin bir PV sistemi

hesap makinesinde de kullanılabildiği gibi çok büyük ölçekli enerji üretim

tesislerinde de kullanılabilmektedir (IEA (International Energy Agency), 2016).

Güneş termal elektrik üretim sistemlerinde ise güneş enerjisi bir noktada

toplanarak yüksek sıcaklık elde edilir. Daha sonra bu ısı enerjisi mekanik enerjiye

dönüştürülür. Mekanik enerji daha sonra türbin vasıtasıyla elektrik enerjisine

dönüştürülmektedir. Güneş termal elektrik üretim sistemleri parabolik oluk,

doğrusal fresnel, güneş kulesi ve parabolik çanak kolektörlerden oluşmaktadır.

Güneş enerjili ısıtma ve soğutma teknolojilerinin kullanımı diğer teknolojilere göre

daha eski olup güneş enerjisini ısıya dönüştürmede çeşitli yöntemler

kullanılmaktadır. Güneş enerjili ısıtma ve soğutma sistemleri en çok evsel sıcak su

ihtiyacını gidermek için kullanılmaktadır. Uluslararası Enerji Ajansına göre, 2012

yılında dünyadaki güneş termal kapasitesi 268 GWth’dir (IEA, 2015).

2.1.2.2. Rüzgar enerjisi

Rüzgar yeryüzündeki sıcaklık, nem ve basınç farkından oluşan bir hava hareketidir.

Rüzgar enerjisi yenilenebilir bir kaynak olup rüzgar enerjisinden elektrik

üretilmesi fosil yakıtlardan bağımsızdır. Rüzgarın dünya üzerindeki mevcut

kapasitesi sayesinde rüzgar enerjisi kullanımı enerjide dışa bağımlılığı azaltmayı

sağlayabilecek durumdadır. Yakıt fiyatlarından ve yakıtlarla ilgili sorunlardan

etkilenmediği için uzun vadede kullanılabilir ve güvenilir bir seçenektir. Rüzgar

enerjisinden elektrik üretimi esnasında herhangi bir emisyon üretilmediği ve

termik santrallerde olduğu gibi soğutma suyu ihtiyacına gerek duyulmadığı için

diğer enerji üretim sistemlerinden bir adım öndedir. 2013 yılı itibariyle dünyada

10

rüzgar enerjisi tüketimi bir önceki yıla göre %20,7 artarak 628,2 TWh seviyelerine

gelmiştir (BP Statistical Review of World Energy , 2014).

2.1.2.3. Hidroelektrik santralleri

Hidroelektrik santralleri suyun hareket enerjisi sayesinde türbinleri döndüren ve

buradaki mekanik enerjiyi de elektriğe dönüştüren sistemlerdir. Hidroelektrik

santraller nehirler üzerinde kurulabileceği gibi yapay olarak kurulan barajlarda da

faaliyet gösterebilmektedir. Hidrolik enerji diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına

göre oldukça eski bir yöntem olup aynı zamanda diğer sistemlerden daha ucuz

enerji üretme kapasitesi vardır. Dünyadaki enerji üretiminin %16’sı yenilenebilir

enerji üretiminin de %85’i hidrolik enerji sayesinde yapılmaktadır (IEA, 2016).

Hidrolik enerjinin kaynaklarının yani suyun dünyanın hemen hemen her yerinde

bulunması onu daha cazip hale getirmektedir. Enerji kaynağı su döngüsü olduğu

için de petrol fiyatlarındaki değişimden de etkilenmemektedir. Yüzyılı aşkın

kullanımı sayesinde kanıtlanmış ve iyi bir teknoloji olmasının yanı sıra diğer büyük

ölçekli enerji üretim sistemleri ile karşılaştırıldığında işletim maliyeti en düşük,

tesis ömrü en uzun olan enerji üretim sistemidir. Hızlı enerji üretimi sayesinde

taleplerdeki ani değişime de yanıt vermesi hidrolik enerjinin bir diğer avantajıdır.

2.1.2.4. Jeotermal enerji

Yer altındaki kayaçlar içinde birikmiş olan ısının akışkanlar sayesinde belirli

bölgelerde birikmesiyle sıcak su, buhar ve kuru buhar ile kızgın kayalardan elde

edilen ısı enerjisidir. Düşük sıcaklıklı (20-70°C) rezervler ısıtmacılık, endüstri ve

kimyasal madde üretiminde, orta (70-150°C) ve yüksek (150°C’den yüksek)

sıcaklıklı rezervler elektrik üretimi ve ısıtma uygulamalarında kullanılmaktadır

(ETKB, 2015).

11

Jeotermal enerji çok eski zamanlardan beri bilinmesine rağmen, endüstriyel amaçlı

kullanımı 19. yy'ın başlarında İtalya’da başlamıştır. 19. yy'ın sonlarında ilk

jeotermal ısıtma sistemi ABD’de, daha sonra 1920’lerde İzlanda’da kurulmuştur.

Dünya genelinde jeotermal kaynaklardan elektrik enerjisi üretimi 2013 yılında 75

TWh’e ulaşmıştır. Bu konuda başı çeken ülkelerden İzlanda jeotermal kaynaklardan

ülkenin toplam elektrik ihtiyacının %25’ini karşılamaktadır (IEA, 2016).

2.1.2.5. Biokütle enerjisi

Biokütle adından da anlaşılabileceği gibi yakıt olarak kullanılabilecek biyolojik

kaynakları kast etmektedir. Bunlar özel olarak yetiştirilecek buğday ve mısır gibi

ürünlerin yanı sıra yosun, alg, hayvan dışkıları, gübre ve sanayi atıkları, organik

çöplerden oluşmaktadır. Biokütle kaynakları özellikle atıkların değerlendirilmesi

ile sonsuz bir kaynak olarak görülmektedir. Biokütlede depolanan enerji aslında

güneş enerjisinin fotosentez gibi bir takım reaksiyonlarla kimyasal olarak

depolanmasıdır. Biokütlenin yakılması sırasında doğal olarak CO2 salınımı olacaktır

fakat sanılanın aksine bu CO2 salınımı çevreye çok fazla zarar vermemektedir

çünkü salınan CO2 yakılan bitki kalıntıları tarafından daha önceden fotosentez

yoluyla kullanılan karbondioksittir. Fosil yakıtlar olarak adlandırılan kömür, petrol

ve doğalgaz aslında biokütlenin yer altında değişikliğe uğraması ile oluşmaktadır.

Bu değişiklikler biokütledeki zararlı emisyonları artırmaktadır. Bu yüzden biokütle

enerjisi fosil yakıtlara nazaran daha temiz bir enerjidir.

Biokütle enerjisi klasik ve modern teknoloji olarak ikiye olarak ayrılmaktadır.

Klasik biokütle enerjisi ağaçlardan elde edilen odunun ve hayvan dışkısından

oluşan tezeğin yakılmasıdır. Modern biokütle enerjisi ise enerji amaçlı üretimi

yapılan bitkilerden elde edilen biodizel ve bioetanolun kullanılmasıdır.

12

2.1.2.6. Dalga ve gelgit enerjisi

Deniz ve okyanuslarda oluşan dalga ve gelgit enerjisi kullanılabilir enerjiye

dönüştürülebilmektedir. Denizlerdeki dalga enerjileri üç farklı şekilde

oluşabilmektedir. Bunlar, denizlerde oluşan depremlerden ve çökmelerden, rüzgar

ve fırtına kaynaklı dalgalar ve gelgit olayından kaynaklananlardır (Uygur vd.,

2006). Dalga enerjisinden faydalanabilmek için uzun yıllar süren ölçümlerin

yapılması gerekmektedir.

2.2. Sürdürülebilirlik

Literatürde sürdürülebilirliğin birçok tanımı bulunmasına rağmen, sürdürülebilir

kalkınma insanoğlunun ihtiyaçlarını gelecek nesillerin ihtiyaçlarını karşılama

imkânlarına zarar vermeden gidermesi olarak tanımlanabilir (WCED, 1987). Aynı

zamanda sürdürülebilirlik enerji üretimi ve tüketimi (Öztürk ve Yüksel, 2016),

ekonomik kalkınma ve çevrenin korunması arasında uygun bir denge kurmak

olarak da ifade edilebilir (Kone ve Buke, 2007). Kerk ve Manuel’e (2008) göre

sürdürülebilirlik üç bileşenden oluşmaktadır: i) kaynakların uygun kullanılması, ii)

çevresel ve ekolojik dengesi ve iii) yaşam kalitesi.

Endüstri devriminden bu yana nüfus artmakta, hayat standartları yükselmekte ve

teknoloji gelişmektedir. Bunlara bağlı olarak enerji tüketimi hızla artmaktadır.

Ayrıca enerji tüketimine ilişkin ekonomik, çevresel, teknolojik ve sosyal kaygılar

nedeniyle enerji üretimi ve tüketimi konusunda küresel ilgi gösterilmektedir.

Tüketilen enerjinin büyük kısmı aydınlatma, ısıtma ve mutfak amaçlı olmaktadır

(Morna ve Detlef, 2009). Maalesef ki tükettiğimiz enerjinin kaynakları çoğunlukla

fosil yakıtlara dayanmakta, fosil yakıt tüketiminin de neden olduğu emisyonlar

çevreye ve ekosisteme büyük zararlar vermektedir (Weiss vd., 2010).

Oyedepo’ya (2014) göre, fakirliği ve açlığı durdurma, evrensel ilköğretim hedefine

ulaşma, cinsiyet farkını ortadan kaldırma ve kadınlara pozitif ayrım gösterme,

13

çocuk ölümlerini azaltma, anne sağlığını koruma, hastalıklarla mücadele etme ve

çevresel sürdürülebilirliği sağlama gibi Milenyum Gelişim Hedeflerine ulaşmak için

enerjinin rolü büyüktür.

Bir ülkenin ekonomisi, politika ve askeri hedefler gibi uluslararası ilişkilerini

etkileyen enerji politikaları ile şekillenmektedir. Bunun yanında enerji sosyal

kalkınmanın birincil elemanıdır. Fosil yakıtların azalan ömründen ve çevreye

verdiği zararlardan dolayı yenilenebilir enerji kullanımı kaçınılmazdır (Kaplan,

2015).

Dünyanın mevcut enerji tüketiminin çoğu kömür, petrol ve doğalgaz gibi

sürdürülemez enerji kaynaklarından sağlanmaktadır. Sürdürülebilir enerji

kaynaklarının mevcut fosil tabanlı enerji kaynaklarının yerini alması uzun dönemli

bir hedeftir. Toplumların sosyal ve ekonomik kalkınmaları için en önemli

göstergelerden biri de ucuz ve temiz enerji kullanmaktır. Bunun yolu da enerjinin

verimli kullanılması ve yenilenebilir kaynaklara yönelmektir (Bezir vd., 2009).

Artan enerji ihtiyacını karşılamak ve çevreyi temiz tutmak için bazı önlemler

alınmalıdır. Bunlar:

Mevcut enerji tüketimini azaltacak,

Enerji kaynaklarını verimli kullanacak,

Enerji tasarrufu farkındalığını artıracak kısa dönem politikalar ile

Yenilenebilir enerji kullanımını artıracak uzun dönem politikalardır.

Sürdürülebilir enerjinin hedef alanları başlıca enerji güvenliği, enerji kaynaklarının

yönetimi ve çevreyi korumadır. Sürdürülebilir enerjinin beş önemli amacı şu

şekildedir:

Sıfır karbondioksit emisyonu,

Ekolojik zararların önemli ölçüde azaltılması hatta bitirilmesi,

Enerji transferinin güvenliğini artırma,

Enerji üretim maliyetini azaltma,

14

Yeşil teknolojilerin kullanımının artırılmasıdır.

Doğanın düşük miktarda karbondioksit emisyonunu tolere etmesine rağmen,

yüksek miktarda karbondioksit küresel ısınmaya neden olmaktadır. Bu nedenle

sürdürülebilir enerji hedefine ulaşmada düşük karbon emisyonlu teknolojilere

geçiş önemlidir. Aynı zamanda sürdürülebilir enerji bakış açısı doğanın taşıma

kapasitesini aşmadan enerji üretimini sağlamayı ve atıkları tahliye etmeyi

gerektirmektedir. Oyedepo (2012) sürdürülebilir enerjiyi şu şekilde tanımlamıştır:

“sürdürülebilir enerji toplumun bütün gelişimsel şartları içinde ekonomik, sosyal

ve çevresel ihtiyaçlarını karşılayacak düşük maliyetli, erişilebilir ve güvenilir

enerjidir”.

2.3. Termodinamik Analiz

Termodinamik analiz sistemlerin performansını ölçmek, verimsizlikleri

hesaplamak, verimsizliklerin yerini bulmak ve sistem performansını artırmak için

uygulanmaktadır. Burada kullanılan termodinamik analiz kütle, enerji, entropi ve

ekserji dengelerini içermektedir. Enerji analizi termodinamiğin birinci yasasını

temel alan sistemde meydana gelen enerji dönüşümlerini, enerji alışverişlerini ve

enerji giriş-çıkışını hesaplamayı sağlayan bir analizdir. Sistemdeki enerji çıkışı atık

ve faydalı enerji olarak ikiye ayrılmakta ve faydalı enerji miktarının giren enerji ile

kıyaslanması enerji analizinin temelinde yatmaktadır.

Enerji analizinin eksik yanlarından birisi sistemin ideale ne kadar yaklaştığı

hakkında bir bilgi vermemesidir. Bunun yanında enerji analizi sistemde meydana

gelen termodinamik kayıpları çok iyi belirleyememektedir. Enerji analizi sonuçları

ile sistemin parçalarının içinde meydana gelen verimsizlikler belirlenmektedir.

Ekserji analizi ise termodinamiğin ikinci yasasını temel alarak proses

verimsizliklerinin büyüklüğünü, yerini ve nedenini tanımlamak için

15

kullanılmaktadır. Ekserji enerjinin kullanılabilir kısmı ya da iş yapabilen kısmı

olarak nitelendirilir ve miktardan çok kalite ile ilgilidir. Ekserji analizi enerjinin

yoktan var edilemeyeceği ve var olan enerjinin yok edilemeyeceği gerçeğine

rağmen kalitesinin azalabileceğini ve bir süre sonra çevre ile dengeye ulaştığında iş

yapamayacağını belirtmektedir (Dincer ve Rosen, 2007). En genel durumda bir

proses içindeki miktarların değişimine dair denge denklemi şu şekilde ifade

edilmektedir:

𝐺𝑖𝑟𝑑𝑖 + Ü𝑟𝑒𝑡𝑖𝑚 − Ç𝚤𝑘𝑡𝚤 − 𝑇ü𝑘𝑒𝑡𝑖𝑚 = 𝑇𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 𝐵𝑖𝑟𝑖𝑘𝑖𝑚 (2.1)

Bir prosesteki toplam birikim sisteme giren ve sistemde üretilen miktarların

toplamından sistemden çıkan ve sistemde tüketilen miktarların çıkarılmasıyla

hesaplanmaktadır. Durgun hal şartlarında Denklem (2.1)’deki toplam birikim

sıfırdır çünkü prosesteki tüm özellikler zamanla değişmemektedir.

2.3.1. Kütle balansı

Herhangi bir termodinamik sistemi analiz etmede kullanılan temel prensiplerden

biri kütle balansıdır. Genelde açık ve kapalı olmak üzere iki çeşit sistem

tanımlanmaktadır. Açık sistemlerde kütle, ısı ve iş etkileşimleri bulunurken, kapalı

sistemlerde ısı ve iş etkileşimleri bulunmaktadır. Kütle girişi, ısı girişi ve iş çıkışı bu

denklemlerde pozitif ifade edilmektedir. Açık bir sistem ya da kontrol hacmi için

kütle balansı şu şekilde ifade edilmektedir:

∑ ��𝑔 − ∑ ��ç =𝑑𝑚𝑘ℎ

𝑑𝑡 (2.2)

burada, ��𝑔 giren kütle akışını, ��ç çıkan kütle akışını, alt indis kh de kontrol

hacmini ifade etmektedir. Durgun hal koşulları için kütle akış dengesi şu şekilde

ifade edilebilir:

16

∑ ��𝑔 = ∑ ��ç (2.3)

2.3.2. Enerji balansı

Termodinamiğin birinci yasasına göre sistem içindeki ele alınan prosesin enerji

balansı her zaman korunmaktadır. İzole bir sistemde tüm enerji türlerinin toplamı

sabittir. Kontrol hacmi için enerji balansı şu şekilde ifade edilmektedir:

�� − ��𝑛𝑒𝑡 + ∑ ��𝑔 (ℎ𝑔 +𝑣𝑔

2

2+ 𝑔𝑧𝑔) − ∑ ��ç (ℎç +

𝑣ç2

2+ 𝑔𝑧ç) =

𝑑𝐸𝑘ℎ

𝑑𝑡 (2.4)

burada �� ve �� sırasıyla ısı ve iş transfer hızları, ℎ spesifik entalpi, 𝑣 hız, 𝑔

yerçekimi ivmesi, 𝑧 yükseklik ve 𝐸 ise kontrol hacminde elde edilen enerjidir.

Kinetik ve potansiyel enerji etkilerinin ihmal edildiği durgun hal durumları için

enerji balansı denklemi aşağıdaki gibi tüm giren enerjiler toplamının çıkan enerjiler

toplamına eşit olduğu şekilde olmaktadır:

�� + ∑ ��𝑔 ℎ𝑔 = ��𝑛𝑒𝑡 + ∑ ��çℎç (2.5)

2.3.3. Entropi balansı

Herhangi bir kontrol hacmi için entropi balansı ya da entropi üretim hızı şu

şekildedir:

��ü = ∑ ��ç 𝑠ç + ∑(��ç 𝑇𝑜⁄ ) − ∑ ��𝑔𝑠𝑔 − ∑(��𝑔 𝑇𝑜⁄ ) +𝑑𝑆𝑘ℎ

𝑑𝑡 (2.6)

burada �� entropi üretim hızı, 𝑠 spesifik entropi, 𝑆 kontrol hacminde üretilen

entropi ve 𝑇𝑜 durgun hal ya da referans sıcaklığıdır. Gerçek proseslerde, sistemden

çıkan entropi her zaman sisteme giren entropiden büyüktür. Burada iç

tersinmezliklerden kaynaklanan fark entropi üretimi olarak adlandırılmaktadır.

17

Fakat tersinir ya da ideal sistemlerde, entropi üretimi olmadığı için tersinmezlik

miktarı sıfırdır. Durgun hal şartları için entropi balansı hız formu şu şekildedir:

∑ mg𝑠g + ∑(Qg 𝑇𝑜⁄ ) + Süret = ∑ mç 𝑠ç + ∑(Qç 𝑇𝑜⁄ ) (2.7)

burada ��ü𝑟𝑒𝑡 üretilen entropi hızıdır.

2.3.4. Ekserji balansı

Son zamanlarda mühendislik uygulamalarında, enerji üretim sistemlerinin ekserji

analizi önemli bir araç olarak kullanılmaktadır. Herhangi bir sistemde, enerji bir

türden daha az kullanışlı diğer bir türe dönüştürüldüğünde kullanılabilir enerjinin

kalan kısmı tekrar kazanılmamaktadır. Bu tanıma dayanarak faydalı iş miktarı

ekserji olarak ifade edilmektedir (aynı zamanda kullanılabilir enerji ya da

kullanılabilirlik de denilmektedir). Ekserji ifadesi enerji dönüşüm sistemlerini

anlamada daha çok yardımcı olmaktadır. Ekserji analizinde referans çevrenin

özellikleri iyi bilinmelidir. Bu referans çevre özellikleri genellikle sıcaklık, basınç ve

kimyasal bileşenleri kapsamaktadır (Ozturk vd., 2012). Bir sistem eğer referans

çevre ile denge durumunda ise ekserji içeriği sıfır olmaktadır.

Enerji kaynaklarının etkin ve daha ekonomik kullanımı için termodinamiğin ikinci

yasasını temel alan ekserji analizi daha uygun strateji ve yöntemler sunmaktadır.

Ekserji analizi termal sistemler, güneş enerjisi sistemleri, rüzgar enerjisi sistemleri

gibi tüm enerji üretim sistemlerinde kullanılabilecek faydalı bir analizdir. Sistemde

meydana gelen tersinmezlikler ve bu tersinmezliklerin yerleri ancak ekserji analizi

kullanılarak tespit edilmektedir. Tersinmezliklerin büyüklüğü ve yerleri bilinerek

sistemin genel performansını artırmak daha olası olmaktadır. Bir maddenin ekserji

içeriği fiziksel ekserji (exfiz), kimyasal ekserji (exkim), kinetik ekserji (exke) ve

potansiyel ekserji (expe) olmak üzere genellikle dört parçaya ayrılmaktadır.

Yükseklik değişiminin az olduğu ve proses içindeki hızların göz ardı edilebilecek

18

kadar küçük olduğu sistemlerde kinetik ve potansiyel ekserjiler ihmal

edilebilmektedir (Ahmadi vd., 2011; Ganjehkaviri vd., 2012).

Fiziksel ekserji sistemin çevre ile etkileşimi sonucu elde edilebilecek maksimum

etkili işi ifade etmektedir. Kimyasal ekserji ise maddenin kendi kimyasal

dengesinden farklı bir kimyasal yapıya dönüşmesi ile alakalıdır ve tüm kimyasal

değişikliklerde ve yanma proseslerinde kullanılan bir ekserji türüdür (Tsatsaronis

vd., 1996). Birinci ve ikinci yasadan yola çıkarak genel ekserji balans denklemi şu

şekilde yazılmaktadır:

E𝑥𝑔 = ∑ E𝑥ç + E𝑥𝑌

(2.8)

Denklem (2.8)’deki ifadeler sırasıyla giren ekserji, çıkan ekserji ve ekserji yıkım

hızlarıdır. Bu denklem şu şekilde de yazılabilmektedir:

∑ ��𝑔𝑒𝑥𝑔 + ��𝑥𝑄 = ∑ ��ç𝑒𝑥ç + ��𝑥𝑊 + ��𝑥𝑌𝑒𝑖 (2.9)

Denklem (2.8)’deki ��𝑥 ekserji akış oranını, Denklem (2.9)’daki ��𝑥𝑄 ve ��𝑥𝑊

sırasıyla ısı ve işe ilişkin ekserji akış hızlarını ve 𝑒𝑥 spesifik ekserjiyi ifade

etmektedir. Gouy-Stodola eşitliği ile tersinmezlik üretimi ya da ekserji yıkımı (𝐼) şu

şekildedir:

𝐸��𝑌 = 𝐼 = 𝑇𝑜��ü (2.10)

Denklem (2.9)’daki diğer ifadeler şu şekildedir:

��𝑥𝑄 = (1 −𝑇𝑜

𝑇𝑖) ��𝑖 (2.11)

��𝑥𝑊 = �� (2.12)

19

𝑒𝑥 = 𝑒𝑥𝑘𝑒 + 𝑒𝑥𝑝𝑒 + 𝑒𝑥𝑓𝑖𝑧 + 𝑒𝑥𝑘𝑖𝑚 (2.13)

burada 𝑇𝑖 verilen 𝑖 numaralı durumun sıcaklığıdır.

2.3.5. Termodinamik verimler

Herhangi bir enerji üretim sisteminin performansını ve iyileştirme potansiyelini

daha iyi analiz edebilmek için, enerji ve ekserji verimi analizleri kullanılmaktadır.

Enerji kaynaklarındaki yetersizlik ya da enerji kaynaklarının azalması, bu

kaynakların daha verimli kullanılması ihtiyacını doğurmaktadır. Bu nedenle yapılan

bu çalışmada tüm sisteme ve sisteme ait bileşenlerin tamamına enerji ve ekserji

verimi analizi uygulanmıştır.

2.3.5.1. Enerji verimi

Bir prosesin enerji verimi (η) sistem tarafından üretilen faydalı enerjinin sisteme

giren toplam enerjiye oranı olarak ifade edilmektedir. Faydalı enerji sistem

bileşenleri tarafından üretilen istenen sonuç olarak da tanımlanabilmektedir. Tek

ürün üreten bir sistem için enerji verimi şu şekilde ifade edilmektedir:

𝜂 =𝐹𝑎𝑦𝑑𝑎𝑙𝚤 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑗𝑖 ç𝚤𝑘𝑡𝚤𝑠𝚤

𝑇𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑗𝑖 𝑔𝑖𝑟𝑑𝑖𝑠𝑖=

��ç,𝑓𝑎𝑦𝑑𝑎𝑙𝚤

∑ ��𝑔 (2.14)

2.3.5.2. Ekserji verimi

Bir sistemin performansını ekserji analizi bakış açısı ile değerlendirmek için, sistem

bileşenleri ve tüm sistem için inceleme yapılmalıdır. Bir prosesin ekserji verimi (𝜓)

sistem tarafından üretilen ekserjinin (𝐸��ç,𝑓𝑎𝑦𝑑𝑎𝑙𝚤) toplam ekserji girdisine

(𝐸��𝑔,𝑡𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚) oranı ile bulunmaktadır.

20

𝜓 =𝑇𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 𝑓𝑎𝑦𝑑𝑎𝑙𝚤 𝑒𝑘𝑠𝑒𝑟𝑗𝑖 ç𝚤𝑘𝑡𝚤𝑠𝚤

𝑇𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 𝑒𝑘𝑠𝑒𝑟𝑗𝑖 𝑔𝑖𝑟𝑑𝑖𝑠𝑖=

∑ ��𝑥ç

∑ ��𝑥𝑔 (2.15)

Bir proses için ekserji verimi aynı zamanda ekserji yıkım hızı (��𝑥𝑌) kullanılarak da

hesaplanabilmektedir;

𝜓 =∑ 𝐸��ç

∑ 𝐸��𝑔= 1 −

∑ ��𝑥𝑌

∑ ��𝑥𝑔 (2.16)

2.4. Termoekonomi

Termoekonomi ekserji verimini artırırken maliyeti minimuma indirmek amacıyla

sistemler üzerinde yapılan bir analizdir. Termoekonomi termodinamik analiz ve

ekonomik değerlendirmelerin ayrı ayrı uygulanmasıyla elde edilemeyen fakat

sistemin tasarım ve işletmesinde etkili olan ekonomik göstergelerinin ekserji

analizi ile birleşimi sonucu ortaya çıkan bir kavramdır. Termoekonomi ekserji

kavramına bağlı olduğu için eksergo-ekonomi olarak da adlandırılmaktadır.

Termoekonomi ekserji analizi, ekonomik analiz, ekserjetik maliyetlendirme

aşamalarından oluşmaktadır. Termoekonomi analizlerinin amaçları şu şekilde

listelenebilir;

Sistemin çalışmasını ve/veya tasarımını en uygun hale getirirken

kaynakların verimli kullanılması,

Ürünlerin gerçek değerlerini ve fiyatlarını elde ederek, sistemin

ekonomik fizibilitesini ve karlılığını belirlemek,

Termoekonomik değerlendirmeler ilk olarak Bejan, Szargut ve Kotas tarafından

önerilmiştir (Bejan, 1982; Szargut vd., 1988; Kotas, 1995). Bu analizler Dinçer ve

Rosen (2007) tarafından detaylandırılarak günümüzde kullanılabilir hale gelmiştir.

21

2.5. Kojenerasyon- Trijenerasyon-Polijenerasyon

2.5.1. Kojenerasyon

Kojenerasyon sistemler yüzyılı aşkın süredir kullanılan ve iyi tanınan sistemlerdir.

İlk kojenerasyon sistemi 1882 yılında New York’ta Thomas Edison tarafından

kurulmuştur (Energy, 2003). Kojenerasyon sistemler aynı anda ısı ve elektrik

üreten ve bu sayede verimi önemli ölçüde artıran sistemlerdir. Konvansiyonel

sistemlerde elektrik üretimi yapılırken oldukça fazla miktarda atık ısı oluşmakta ve

bu atık ısı geri kullanılmamaktadır. Kojenerasyon sistemler bu atık ısıyı kullanmak

suretiyle verimde artış sağlamaktadırlar. Tipik bir kojenerasyon sistemin verimi

%65-90 arasında değişmektedir (Dincer ve Rosen, 2007). Genellikle fosil yakıtların

kaynak olarak kullanıldığı kojenerasyon sistemlerde yenilenebilir enerji kaynakları

da kullanılabilmektedir. Son zamanlarda fosil yakıtların içinde kojenerasyon

sistemler için doğalgazın kullanımı artmaktadır.

Kojenerasyon sistemler atık ısıyı geri kazanarak verimi artırmasından dolayı enerji

fiyatlarında önemli ölçüde indirim sağlamakta aynı zamanda enerji güvenliğinde

artış sağlamaktadır. kojenerasyon sistemler enerji ihtiyacının olduğu yerlerde

konumlandırılabildiğinden dolayı şebeke kayıpları da azalmaktadır. Enerji

ihtiyacının olduğu başlıca elektrik üretim santrallerinden uzakta bulunan izole

yerler için kojenerasyon sistemler iyi bir alternatif olmaktadırlar. Özellikle sıcak su

ve elektrik üretimi çok olan yerlerde kojenerasyon sistemler hem ucuz hem de

güvenli elektrik ve ısı sağlamaktadırlar. Hastane, huzurevi, otel, siteler,

üniversiteler ve endüstriyel kurumlar gibi yerlerde sıcak su ve elektrik tüketimi

oldukça fazladır ve kojenerasyon sistemler ile sağlanan sıcak su ve elektrik böyle

yerlerde hem temiz hem de ucuz elektrik kullanımı imkânını doğurmaktadır.

Kojenerasyon sistemde üretilen ısı sadece sıcak su olarak kullanılmak zorunda

olmayıp, mekan ısıtma, havuz suyu ısıtma, termal havuz ısıtma ve absorpsiyonlu

soğutucular ile mekan soğutma işlerinde de kullanılabilmektedir. Son zamanlarda

22

küçük ölçekli kojenerasyon (mikrokejenerasyon) sistemler oldukça yaygınlaşmakta

ve apartman sitelerinde hatta tek binalarda dahi kullanılmaktadırlar.

2.5.2. Trijenerasyon

Çevresel kaygıların artması ve fosil yakıt fiyatlarının yükselmesinden dolayı

konvansiyonel sistemlere alternatif arayışında kojenerasyon sistemlerin biraz daha

gelişmişi olan trijenerasyon sistemler iyi bir alternatif olarak karşımıza

çıkmaktadır. Kojenerasyon sistemler kullandığı kaynaktan enerji ve ısıtma

sağlarken, trijenerasyon sistemler tek bir kaynaktan enerji üretirken bunun

yanında hem ısıtma hem de soğutma sağlamaktadır. Trijenerasyon sistemlerde

soğutma ya absorpsiyonlu soğutma sistemleri ile ya da elektrikli soğutucularla elde

edilmektedir. Son yıllarda dünyadaki birçok enerji üretim tesisi trijenerasyon

sistemlere geçiş yapmaktadırlar. Trijenerasyon sistemler yakıt tüketimini

azaltmasının yanında çevreye verilen zararı da aşağıya çekmektedir. Özellikle

karbon vergisi olan ülkelerde trijenerasyon sistemler kullanmak daha temiz

olduklarından dolayı karbon vergilerinde azalma sağlamaktadırlar. Trijenerasyon

sistemler tek bir kaynaktan üç ürün birden ürettiklerinden dolayı konvansiyonel

sistemlere göre oldukça verimlidirler. Konvansiyonel sistemlerde bir kaynaktan

elektrik enerjisi üretilirken sistem verimi genellikle %39’dan daha az olmaktadır

(Dincer ve Rosen, 2007).

Trijenerasyon sistemler aynı zamanda kombine soğutma, ısıtma ve enerji

sağladıklarından dolayı elde edilen ısıtma ve soğutmanın son kullanıcıya ulaşma

aşamasında yalıtım gerektirmektedirler. Dolayısıyla son kullanıcıya olan mesafe

azaltılmalı ihtiyacın olduğu yerlerde kullanılmalıdır. Trijenerasyon sistemlerde

proses şu şekilde işlemektedir:

Gaz türbini gibi bir termal enerji üretim ünitesinden mekanik enerji elde

edilir,

Mekanik enerji daha sonra elektrik jeneratörünü çalıştırır ve elektrik

üretilir,

23

Jeneratördeki atık ısı, egzoz gazı ve yağ gibi atıklar geri kazanılarak

ısıtma ve soğutma sağlanır (Al-Sulaiman vd., 2011).

2.5.3. Polijenerasyon

Polijenerasyon sistemler kojenerasyon ve trijenerasyon sistemlerin veriminde elde

edilen başarıdan dolayı bu sistemlerin bir kademe daha geliştirilmesi ile ortaya

çıkan diğerlerine nazaran daha yeni sistemlerdir. Polijenerasyon sistemlerde bir

enerji kaynağından üçten daha fazla ürün elde edilmektedir. Bu ürünler elektrik,

ısıtma, soğutma, sıcak su, hidrojen, kurutma ve bazı diğer kimyasallar

olabilmektedirler. Bu sistemlerde soğutma atık ısıyı kullanabilme yeteneğinden

dolayı absorpsiyonlu soğutma sistemleri ile sağlanmaktadır.

2.6. Entegre Sistemler

Bundan önce bahsedilen konvansiyonel, kojenerasyon, trijenerasyon ve

polijenerasyon sistemlerinde birden fazla ürün elde edilmesine rağmen tek bir

kaynak kullanılmaktaydı. Enerjinin önemi göz önünde bulundurulduğunda bu tür

sistemlerin tek bir kaynağa bağlı olmaları sistemlerin kesintisiz üretimini

zorlamakta ve bunun yanında kullanılan kaynağın fiyatındaki herhangi bir artış

doğrudan ürüne yansımaktadır. Bu zorlukları aşmak içinde bu enerji sistemleri

ikinci bir enerji kaynağı ile desteklenmektedir. Böyle sistemler entegre sistem

olarak bilinmektedirler. Entegre sistemler fosil yakıtları kullanabileceği gibi

yenilenebilir enerji kaynaklarını ya da hem fosil hem de yenilenebilir enerji

kaynağını aynı anda kullanabilmektedirler. Kaynaktaki bu çeşitlilik entegre

sistemlerin kesintisiz enerji üretmesine ve enerji fiyatlarında hızlı yükselişleri

engellemesini sağlamaktadır. Ayrıca yüksek verimi sayesinde son zamanlarda

insanların dikkatini çeken çevresel problemlere de çözüm olarak

gözükmektedirler.

24

2.7. Termodinamik Optimizasyon

Endüstriyel ürünlerde sürekli daha iyinin istenmesi, daha yüksek performans talebi

bunun yanında düşük maliyet beklentisi giderek artmaktadır. Dolayısıyla üreticiler

en yüksek performanslı ürünleri en düşük maliyete üretme yarışındadırlar. Fakat

sadece performans ve maliyet düşünülecek tek kriter değildir. Bunların yanında iş

güvenliği, işletmenin çevre dostu olması, ürünlerin ömrü gibi etkenler de

düşünülmelidir. Sistemlerin ve prosesin optimize edilmesi için minimize ve

maksimize edilecek amaç fonksiyonlarının belirlenmesi gerekmektedir. Örneğin

çıktılar, ürünler, faydalar, ürün kalitesi, ürünlerin performansı ve ömrünün

maksimize edilmeleri gerekirken; maliyetin, yatırımın ve enerji girişinin minimize

edilmeleri gerekmektedir. Endüstriyel işletmelerin başarısı sistemlerini ne kadar

optimize ettikleri ile doğrudan alakalıdır. Bu çalışmada kullanılan polijenerasyon

modellerin en yüksek performans ve en düşük maliyeti verecek şekilde amaç

fonksiyonları seçilmiş ve ideal çözüme en yakın sonuçlar sunulmuştur.

25

3. POLİJENERASYON SİSTEM MODELLERİ VE ANALİZLERİ

3.1. Sistem 1

1 numaralı sistem güneş enerjisini ve biokütleyi kullanan bir polijenerasyon

sistemdir (Yüksel ve Öztürk, 2016). Şekil 3.1’de görülen polijenerasyon sistemde

güneş enerjisini toplayacak parabolik oluk tipi (POT) kolektör ve biokütleyi

kullanan biokütle yakıcı bulunmaktadır. Ayrıca sistemde enerji üretimi için organik

Rankine çevrimi (ORC), ısıtma ve soğutma uygulamaları için çift etkili

absorpsiyonlu çevrim, hidrojen üretimi için proton değişimli membran (PEM)

elektrolizörü ve sıcak su ihtiyacı için sıcak su depolama tankı bulunmaktadır. Güneş

enerjisi dünyada en çok bulunan enerji çeşidi olmasına rağmen süreklilik arz

etmemektedir. Daha önce bahsedildiği üzere güneş ve rüzgar enerjisi gibi kesikli

enerji kaynakları ya termal depolama yöntemleri ile depolanmalı ya da entegre

sistemlerde diğer kaynaklarla desteklenmelidir.

Bu çalışmada polijenerasyon sistemin sürekli enerji üreten bir sisteme dönüşmesi

için güneş enerjisi biokütle enerjisi ile desteklenmektedir. Entegre sistemde

bulunan parabolik oluk tipi kolektörün görevi akışkanı boylere girmeden önce

ısıtmaktır. Bir başka deyişle güneşten elde edilen ısı enerjisi ORC’de ana tahrik

kuvveti olarak kullanılmaktadır. Güneş enerjisinde dalgalanma veya kesilme olduğu

zamanlarda, biokütlenin yakılmasıyla elde edilen enerji ORC, absorpsiyon sistem ve

hidrojen üretimi için kullanılmaktadır. ORC alt sisteminde oluşan atık ısıyı verimli

bir şekilde kullanmak için, organik akışkanın görece yüksek kritik sıcaklığa sahip

olması gerekmektedir (Ahmadi vd., 2012). Çift etkili absorpsiyon çevrimi ise

yoğunlaştırıcı, yüksek sıcaklık jeneratörü, düşük sıcaklık jeneratörü, absorber,

evaporatör, solüsyon pompası ile genleşme ve daralma valflerinden oluşmaktadır.

26

Şekil 3.1. POT kolektör ve biokütleyi kullanan polijenerasyon enerji üretim sistemi

27

Güneş modunda, güneş enerjisi ile elde edilen ısı 1 numaralı akışla boylere giderek

burada ORC için gerekli buharı üretir, buhar da 6 numaralı akış ile ORC türbinine

girerek enerji üretilmesini sağlar. 1 numaralı akış boylerden sonra 2 numaralı akış

ile ısı değiştiricisi (HEX) III’e girerek absorpsiyon çevrimi için gerekli doymuş

buharı üretir ve son olarak 3 numaralı akış ile sıcak su deposuna ulaşır ve evsel

sıcak su üretilmesini sağlar. ORC alt sisteminde 6 numaralı akış ile türbine giren

doymuş buhar buradan çıkarak yoğunlaştırıcı I’e oradan da 8 numaralı akış ile

pompa II’ye girer. Pompada akışkanın basıncı artırılır, yüksek basınçlı ve düşük

sıcaklıklı ORC akışkanı 9 numaralı yoldan boylere girer ve burada ısıtılarak tekrar 6

numaralı akışla türbine dönerek çevrimi tamamlar. ORC türbininden elde edilen

enerji ihtiyacın miktarına göre doğrudan kullanılabilir ve geri kalan kısım ise

hidrojen üretimi için PEM elektrolizörüne gönderilir. 32 numaralı akışkan HEX-IV’e

girerek buradan sıcak su olarak 33 numaralı akışla PEM elektrolizörüne girer ve

hidrojen üretiminde kullanılır. Üretilen hidrojen 34 numaralı hidrojen deposunda

daha sonra kullanılmak üzere depolanır.

Soğutma ihtiyacını gidermek için, doymuş buhar 13 numaralı akış ile çift etkili

absorpsiyonlu soğutma sisteminin jeneratörüne girer. 18 numaradaki zayıf akışkan

solüsyonu pompa-III ile pompalanarak 19 numaralı yoldan sırasıyla HEX-V ve HEX-

VI’yı geçerek absorpsiyonlu soğutma sisteminin jeneratörüne ulaşır. 22 numarada

akışkan solüsyondan su çıkarılır ve güçlü akışkan solüsyonu sırasıyla HEX-VI,

düşük sıcaklık jeneratörü ve HEX-V’i geçerek 31 numaralı yoldan soğutma

sisteminin absorberine döner. Diğer yanda su buharı jeneratör-I’i 25 numaralı

akışla terk eder, düşük sıcaklık jeneratörünü geçtikten sonra yoğunlaştırıcı-II’ye

girer. Akışkan yoğunlaştırıcıdan geçerken soğutma suyuna ısı enerjisi aktarılır.

Akışkan buharı 15 numaralı yoldan genleşme valfine girerek basıncı düşürür ve 16

numaralı yoldan evaporatöre girer. Evaporatörden çıkan doymuş buhar 17

numaralı yoldan absorbere dönerek çevrimi tamamlar.

Biokütle modunda, sıcak baca gazı üretmek için hava ve biokütle yakıtı sırasıyla 39

ve 40 numaralı yoldan biokütle yakıcıya girer. Sıcak baca gazı yanma odasından 41

28

numaralı akışla çıkar ve külden arınmak için siklona girer. Üretilen ısı 42 numaralı

akışla HEX-I’e girerek ORC sistemine buhar üretir. Daha sonra HEX-II’ye girerek

absorpsiyon çevrimi için gerekli doymuş buharı üretir. Biokütle modu için HEX-II

güneş modu için HEX-III’ten çıkan su hala sıcak olduğu için, sıcak su deposunda

depolanacak evsel sıcak su için yeterli enerji bulunmaktadır.

3.1.1. Termodinamik değerlendirme

Bu çalışmada ele alınan güneş ve biokütle destekli entegre polijenerasyon sistemin

durgun hal şartlarında çalıştığı varsayılmıştır. Sistemin enerji ve ekserji verimi,

ekserji yıkım hızı, enerji ve ekserji girdi-çıktı hızlarını analiz etmek için, genel kütle,

enerji ve ekserji denklemleri verilmiştir.

3.1.1.1. Enerji analizi

3.1.1.1.1. Parabolik oluk tipi kolektör

POT kolektör 50-400°C sıcaklıkları arasında faydalı ısı üretimi yaparlar ve ORC alt

sistemini işletmek için kullanılırlar (Kalogirou, 2009). POT kolektörler parabol

şeklinde ve üzerinde yansıtıcı materyaller bulunan alıcının da kolektörün odak

noktasında bulunduğu kolektörlerdir. Yansıtıcı yüzeyden kolektörün alıcısına

yansıyan güneş enerjisi şu şekilde ifade edilmektedir:

��𝑅 = 𝜌𝑟,𝐶𝛼𝑟,𝐶𝐼𝑑𝑠𝐴𝑐 (3.1)

burada 𝜌𝑟,𝐶 ve 𝛼𝑟,𝐶 kolektör yansıtıcı yüzey materyalinin yansıtma ve soğurma

katsayıları, 𝐼𝑑𝑠 direkt güneş radyasyonu ve 𝐴𝑐 kolektör yansıtıcısının alanıdır. POT

kolektörden üretilen faydalı enerji çıkışı şu şekilde hesaplanmaktadır:

��𝑢 = 𝐹𝑅[𝐶𝑜(𝜌𝑟,𝑅𝛼𝑟,𝑅)��𝑅 − 𝑈𝐿(𝑇𝑐 − 𝑇𝑜)𝐴𝑅 − 𝜀𝜎(𝑇𝑅4 − 𝑇𝑜

4)𝐴𝑅] (3.2)

29

burada 𝐹𝑅 ısı çıkış katsayısı, 𝐶𝑜 kolektör konsantrasyon oranı, 𝑈𝐿 POT kolektörü

için toplam ısı kayıp katsayısı, 𝑇𝑐 ve 𝑇𝑅 sırasıyla kolektör ve yansıtıcı sıcaklığı, 𝜀 alıcı

yayma kuvveti ve 𝜎 Stefan-Boltzmann sabitidir.

3.1.1.1.2. Biokütle yakıcı

Bu çalışmada kullanılan biokütle yakıcı bulutlu zamanlarda ya da gece vakitlerinde

enerji üretemeyen POT kolektörü desteklemektedir. Şekil 3,1’den görüldüğü gibi

hava ve biokütle yakıtı sırasıyla ve 39 ve 40 numaralı yoldan biokütle yakıcıya

girmektedir. Çizelge 3.1 bu çalışmada incelenen talaş tozu biokütlesinin içeriğini

vermektedir.

Çizelge 3.1. Talaş tozu biokütlesinin kompozisyon analizi (kuru bazda, ağırlık%)(Ptasinski vd., 2007)

Kompozisyon Değer

Karbon (C) 52.23

Hidrojen (H) 5.20

Oksijen (O) 40.85

Azot (N) 0.47

Kükürt (S) 0.05

Kül 1.20

LHV (kJ/kg) 23,716

Ekserji oranı () 1.041

Biokütle yakıcısı için havayı da hesaplamalara katarak toplam kimyasal reaksiyon

şu şekilde ifade edilmektedir:

𝐶𝑥𝐻𝑦𝑂𝑧 + 𝜔𝐻2𝑂𝑙𝑖𝑔 + 𝜆𝑂2 + 3.761𝑁2 → 𝛼1𝐶𝑂2 + 𝛼2𝐻2𝑂 + 𝛼3𝑁2 (3.3)

30

burada 𝜔 kimyasal reaksiyondaki biokütle kaynağının nem içerik faktörüdür ve şu

şekilde ifade edilir:

𝜔 =𝑀𝑚𝑀𝐶𝑥𝐻𝑦𝑂𝑧

1−𝑀𝑚𝑀𝐻2𝑂 (3.4)

burada 𝑀𝑚 biokütle kaynağındaki nem miktarıdır. Biokütle yakıtının yanma

odasına molar kütle akış hızı şu şekilde ifade edilmektedir:

��𝐶𝑥𝐻𝑦𝑂𝑧=

��𝑏𝑖𝑜𝑘ü𝑡𝑙𝑒

𝑀𝐶𝑥𝐻𝑦𝑂𝑧

(3.5)

burada 𝑀𝐶𝑥𝐻𝑦𝑂𝑧 biokütle kaynağının moleküler ağırlığıdır. Kimyasal element

denkleminden faydalanarak, 𝛼1, 𝛼2, 𝛼3 ve 𝜆 şu şekilde bulunmaktadır:

𝛼1 = 𝑥 (3.6)

𝛼2 =𝑦+𝜔

2 (3.7)

𝛼3 = 3.761𝜆 (3.8)

𝜆 =2𝛼1+𝛼2−𝜔−𝑧

2 (3.9)

Biokütle yakıcıdan çıkan egzoz gazı sıcaklığını analiz etmek için, biokütle yakıcı

kontrol hacmi için enerji denklemi şu şekildedir:

𝜔ℎ𝐻2𝑂,39 + 𝜆ℎ𝑂2,39 + 3.761ℎ𝑁2,39 + ℎ𝐶𝑥𝐻𝑦𝑂𝑧,40 = 𝛼1ℎ𝐶𝑂2,41 + 𝛼2ℎ𝐻2𝑂,41 + 𝛼3ℎ𝑁2,41

(3.10)

burada ℎ𝐶𝑥𝐻𝑦𝑂𝑧,40 şu şekilde tanımlanmaktadır:

31

ℎ𝐶𝑥𝐻𝑦𝑂𝑧,40 =𝑦

2ℎ𝐻2𝑂,39 + 𝑥ℎ𝐶𝑂2,40 + 𝐻𝐻𝑉𝑏𝑀𝐶𝑥𝐻𝑦𝑂𝑧

(3.11)

Burada 𝐻𝐻𝑉𝑏 biokütle yakıtının üst ısıl değeridir ve kompozisyon analizden şu

şekilde hesaplanmaktadır (Gaur ve Reed, 1998):

𝐻𝐻𝑉𝑏 = 0.3491𝐶 + 1.1783𝐻 − 0.1034𝑂[0.1005𝑆 − 0.0151𝑁 − 0.0211𝐾ü𝑙] (3.12)

3.1.1.1.3. ORC alt-sistemi

ORC alt-sistemi için kütle balans denklemi şu şekildedir:

��6 = ��7 = ��8 = ��9 = ��10 = ��𝑂𝑅𝐶 (3.13)

ORC alt-sisteminin dört adet bileşeni bulunmaktadır, bunlar: ORC boyleri ya da

HEX-I, ORC türbini, ORC yoğunlaştırıcısı ve ORC pompasıdır. ORC boyleri ve HEX-I

için enerji balans denklemleri sırasıyla şöyledir:

��1ℎ1 + ��9ℎ9 = ��2ℎ2 + ��10ℎ10 (3.14)

��42ℎ42 + ��10ℎ10 = ��43ℎ43 + ��6ℎ6 (3.15)

HEX-I ve boylerdeki sıkışma noktası sıcaklığı ısıtma ve soğutma uygulamalarında

önemli bir parametredir ve boyler ve HEX-I’den çıkan egzoz gazı sıcaklığını

incelemek için de önemlidir:

𝑇𝑠𝑛,𝑏 = 𝑇2 − 𝑇9 (3.16)

𝑇𝑠𝑛,ℎ = 𝑇43 − 𝑇10 (3.17)

32

burada 𝑇𝑠𝑛,𝑏 ve 𝑇𝑠𝑛,ℎ sırasıyla boyler ve HEX-I’in sıkışma noktası sıcaklık farklarıdır.

ORC türbini için enerji balans denklemi şu şekilde ifade edilmektedir:

��𝑂𝑅𝐶,𝑇 = ��6ℎ6 − ��7ℎ7 (3.18)

ve ORC türbininin enerji verimi aktüel enerji çıktısı (��𝑂𝑅𝐶,𝑎𝑐𝑡) ve izentropik türbin

enerji çıktısı (��𝑂𝑅𝐶,𝑖𝑠) üzerinden aşağıdaki şekilde hesaplanmaktadır:

𝜂𝑂𝑅𝐶,𝑇 =��𝑂𝑅𝐶,𝑎𝑐𝑡

��𝑂𝑅𝐶,𝑖𝑠 (3.19)

ORC yoğunlaştırıcısı ya da yoğunlaştırıcı-I için enerji balans denklemi şu şekilde

yazılmaktadır:

��𝑂𝑅𝐶,𝑌 = ��7ℎ7 − ��8ℎ8 (3.20)

ORC pompası için enerji balans denklemi şöyledir:

��𝑂𝑅𝐶,𝑃 = ��8ℎ8 − ��9ℎ9 (3.21)

3.1.1.1.4. Çift etkili absorpsiyonlu soğutma sistemi

Çift etkili absorpsiyonlu sistem iklimlendirme ve soğutma uygulamalarında

kullanılmaktadır. Konvansiyonel termal destekli buhar sıkıştırmalı soğutma

sistemlerine kıyasla bu sistem enerji tüketimini azaltmaktadır. Güneş modunda 2

numaralı akıştaki boylerden elde edilen doymuş su buharından ya da biokütle

modunda 43 numaralı akıştaki HEX-I’den çıkan egzoz gazından elde edilen ısı

soğurgan maddeden soğutucunun ayrıştırılmasını sağlamaktadır. Bu çalışmada çift

etkili absorpsiyonlu soğutma sistemi için soğurgan olarak LiBr çözeltisi, soğutucu

olarak su seçilmiştir. LiBr-su karışımı kullanan çift etkili absorpsiyonlu sistemi

33

analiz etmek için kütlenin korunumu ve enerji uygulamaları alt bileşenlere

uygulanmıştır. Absorber birimi için kütle ve enerji balans denklemleri sırasıyla

verilmiştir:

��18 = ��17 + ��31 (3.22)

��𝑎𝑏𝑠 = ��17ℎ17 + ��31ℎ31 − ��18ℎ18 (3.23)

Yüksek sıcaklık jeneratörünün analizi için, aşağıdaki kütle ve enerji balans

denklemleri kullanılmalıdır:

��21 = ��22 + ��25 (3.24)

��21𝑥21 = ��22𝑥22 (3.25)

(��13ℎ13 − ��14ℎ14) + ��21ℎ21 = ��22ℎ22 + ��25ℎ25 (3.26)

ℎ25 = ℎ(𝑃22, 𝑥 = 1) (3.27)

Düşük sıcaklık jeneratörü ya da jeneratör-II için kütle ve enerji balans denklemleri

sırasıyla şu şekildedir:

��24 = ��28 + ��29 (3.28)

��24𝑥24 = ��29𝑥29 (3.29)

(��25ℎ25 − ��26ℎ26) + ��24ℎ24 = ��28ℎ28 + ��29ℎ29 (3.30)

ℎ28 = ℎ(𝑃29, 𝑥 = 1) (3.31)

34

Yoğunlaştırıcı birimi için kütle ve ekserji balans denklemleri şu şekilde ifade

edilmektedir:

��27 + ��28 = ��15 (3.32)

��𝑦𝑜𝑔 = ��27ℎ27 + ��28ℎ28 − ��15ℎ15 (3.33)

Evaporatör biriminin kütle ve enerji balans denklemleri şu şekildedir:

��16 = ��17 (3.34)

��𝑒𝑣𝑎 = ��17ℎ17 − ��16ℎ16 (3.35)

ℎ17 = ℎ(𝑇𝑒𝑣𝑎, 𝑥 = 1) (3.36)

3.1.1.1.5. Evsel su ısıtma alt-sistemi

Güneş modunda 3 numaralı akış ile HEX-III’ü ya da biokütle modunda 44 numaralı

akışla HEX-II’yi terk eden sıcak su evsel su ısıtma sistemine girer. Burada 36

numaralı akıştaki su 55°C’ye kadar ısıtılır. 37 numaralı akış ile 1,5 bar basınçta 25°C

sıcaklıkta su sisteme girer. Güneş ve biokütle modu için evsel su ısıtma alt-

sisteminin enerji balans denklemleri şu şekildedir:

��3(ℎ3 − ℎ4) = ��38(ℎ38 − ℎ37) (3.37)

��44𝐶𝑝𝑔(𝑇44 − 𝑇45) = ��38(ℎ38 − ℎ37) (3.38)

35

3.1.1.1.6. PEM elektrolizörü alt-sistemi

Saf suyun elektroliz ile parçalanarak hidrojen üretilmesi oldukça basit, güvenilir ve

temiz bir yöntem olmakla birlikte bu yöntem ile yüksek saflıkta hidrojen elde

edilmektedir. Elektroliz suyun parçalanması için elektrik ve ısı enerjisinin

kullanıldığı bir elektrokimyasal reaksiyondur. PEM ya da katı polimer elektrolit

sisteminde suyun elektrolizinde katı elektrolit olarak polimerik proton değişimli

membran kullanılmaktadır. Elektroliz suyu oluşturan hidrojen ve oksijen

atomlarını ayrıştırmaktadır. Elektrik akımı pozitif yüklere sahip hidrojenin negatif

katota yönelmesini sağlayarak indirgenme reaksiyonu oluşturur ve hidrojen gazı

meydana gelir. Aynı zamanda negatif oksijen iyonları da pozitif anotta toplanmakta

ve burada yükseltgenme reaksiyonu ile oksijen gazı meydana gelmektedir. Şekil

3.1’de görülen PEM elektrolizör sisteminde meydana gelen tüm reaksiyonlar

aşağıdaki şekilde ifade edilmektedir:

𝐻2𝑂(𝑙) + 𝐼𝑠𝚤 + 𝐸𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖𝑘 → 𝐻2(𝑔) +1

2𝑂2(𝑔) (3.39)

Aşağıdaki reaksiyonlar sırasıyla anot ve katot tarafında oluşmaktadır:

𝐻2𝑂(𝑙) → 1

2𝑂2(𝑔) + 2𝐻(𝑎𝑞)

+ + 2𝑒(𝑎𝑞)− (3.40)

2𝐻(𝑎𝑞)+ + 2𝑒(𝑎𝑞)

− → 𝐻2(𝑔) (3.41)

Elektrolitik hidrojen üretimi için toplam enerji talebi ∆𝐻 elektrik enerjisi ihtiyacı

∆𝐺 ve termal enerji ihtiyacının 𝑇∆𝑆 toplamı ile hesaplanmaktadır:

∆𝐻 = ∆𝐺 + 𝑇∆𝑆 (3.42)

36

burada ∆𝐺 Gibbs serbest enerjisidir. H2, O2 ve H2O için ∆𝐻, ∆𝑆 ve ∆𝐺 ifadeleri sabit

basınç ve farklı sıcaklık değerleri altında farklı değerlere sahiptirler. Şekil 3.1’de 34

numaralı akıştaki H2 için kütle akış hızı şu şekilde ifade edilmektedir:

��𝐻2,ç =𝐽

2𝐹= ��𝐻2𝑂 (3.43)

burada 𝐽 akım yoğunluğu, 𝐹 Faraday sabiti ve ��𝐻2𝑂 PEM elektrolizöründe tüketilen

su miktarıdır. Şekil 3.1’de 35 numaralı O2 ve H2O için kütle akış hızları sırasıyla şu

şekildedir:

��𝑂2,ç =𝐽

4𝐹 (3.44)

��𝐻2𝑂,ç = ��𝐻2𝑂,𝑔 −𝐽

2𝐹 (3.45)

burada ��𝐻2𝑂,𝑔 PEM elektrolizör girişindeki suyun kütle akış hızıdır (Şekil 3.1, 33

numaralı akış). PEM elektrolizörün elektrik enerjisi giriş hızı şu şekilde ifade

edilmektedir:

��𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖𝑘 = 𝐽𝑉 (3.46)

burada 𝑉 elektrolizörün gerilim değeridir ve şu şekilde açılmaktadır:

𝑉 = 𝑉𝑜 + 𝜂𝑎𝑘𝑡,𝑎 + 𝜂𝑎𝑘𝑡,𝑐 + 𝜂𝑜ℎ𝑚 (3.47)

burada 𝑉𝑜 tersinir potansiyeldir ve girdiler ve çıktılar arasındaki serbest enerji

farkıdır. 𝑉𝑜 Nerst denklemi kullanılarak hesaplanmaktadır:

𝑉𝑜 = 1.229 − 8.5𝑥10−4(𝑇𝑃𝐸𝑀 − 298.15) (3.48)

37

burada 𝑇𝑃𝐸𝑀 PEM elektrolizörünün sıcaklığıdır. Denklem (3.47)’de eşitliğin sağ

tarafında bulunan 𝜂𝑎𝑘𝑡,𝑎, 𝜂𝑎𝑘𝑡,𝑐 ve 𝜂𝑜ℎ𝑚 sırasıyla elektrolizör elektrolitinin anot

tarafının aktivasyon aşırı potansiyeli, katot tarafının aktivasyon aşırı potansiyeli ve

omik aşırı potansiyelidir. Bu çalışmada anot ve katot aktivasyon aşırı potansiyelleri

akım yoğunluğunun 10,000 A/m2’den düşük olması nedeniyle ihmal edilmişlerdir.

PEM elektrolizörünün omik aşırı potansiyeli ise Ohm kanunu yardımıyla

hesaplanmaktadır (Gurau vd., 2000):

𝑉𝑜ℎ𝑚 = 𝐽𝑅𝑃𝐸𝑀 (3.49)

burada 𝑅𝑃𝐸𝑀 toplam omik dirençtir ve şu şekilde ifade edilmektedir:

𝑅𝑃𝐸𝑀 = ∫𝑑𝑥

𝜎[𝜆(𝑥)]

𝐿

0 (3.50)

burada 𝜎[𝜆(𝑥)] PEM elektrolizörünün lokal iyonik iletkenliğidir ve bu değer şu

şekilde yazılmaktadır (Gurau vd., 2000; Ni vd., 2008):

𝜎[𝜆(𝑥)] = [0.5139𝜆(𝑥) − 0.326]𝑒𝑥𝑝 [1268 (1

303−

1

𝑇𝑃𝐸𝑀)] (3.51)

burada 𝑥 katot membran ara yüzünde ölçülen membran mesafesidir ve 𝜆(𝑥)

membrandaki 𝑥 bölgesindeki su içeriğidir. 𝜆(𝑥) membran elektrot sınırlarındaki su

içeriği olarak ifade edilmektedir (Gurau vd., 2000):

𝜆(𝑥) =𝜆𝑎−𝜆𝑘

𝐿𝑚𝑥 + 𝜆𝑘 (3.52)

burada 𝐿𝑚 membran kalınlığı, 𝜆𝑎 ve 𝜆𝑘 sırasıyla anot ve katot membran ara

yüzlerindeki su içeriğidir. Denklem (3.49)’deki elektrot aktivasyon aşırı potansiyeli

Butter-Volmer denklemi ile ifade edilmektedir (Hamann vd., 2007):

38

𝐽 = 𝐽𝑜,𝑖 [𝑒𝑥𝑝 (𝛼𝑧𝐹𝜂𝑎𝑘𝑡,𝑖

𝑅𝑇) − 𝑒𝑥𝑝 (

(1−𝛼)𝑧𝐹𝜂𝑎𝑘𝑡,𝑖

𝑅𝑇)] , 𝑖 = 𝑎, 𝑘 (3.53)

burada 𝐽𝑜 değişimdir. Alt indis 𝑖 sırasıyla anot (𝑎) ve katot (𝑘) için kullanılmaktadır.

𝛼 yük transfer katsayısı ve 𝑧 her bir reaksiyonda bulunan elektron sayısıdır. Bu

çalışmada 𝛼 ve 𝑧 sırasıyla 0,5 ve 2 olarak alınmıştır. 𝜂𝑎𝑐𝑡,𝑖 PEM elektrotunun

aktivasyon aşırı potansiyeli şu şekildedir:

𝜂𝑎𝑐𝑡,𝑖 =𝑅𝑇

𝐹𝑠𝑖𝑛ℎ−1 (

𝐽

2𝐽𝑜,𝑖) , 𝑖 = 𝑎, 𝑘 (3.54)

burada 𝐽𝑜,𝑖 elektrolizör için değişim akım yoğunluğudur ve şu şekilde ifade

edilmektedir (Thampan vd., 2001):

𝐽𝑜,𝑖 = 𝐽𝑖𝑟𝑒𝑓

𝑒𝑥𝑝 (−𝐸𝑎𝑘𝑡,𝑖

𝑅𝑇) , 𝑖 = 𝑎, 𝑘 (3.55)

burada 𝐽𝑖𝑟𝑒𝑓

üssel faktördür ve 𝐸𝑎𝑘𝑡,𝑖 anot ve katot tarafları için aktivasyon

enerjisidir.

3.1.1.2. Ekserji analizi

Bu çalışmada kinetik ve potansiyel ekserji değişimleri ihmal edilmiştir. Fiziksel

ekserji şu şekilde ifade edilmektedir:

𝑒𝑥𝑓𝑖𝑧,𝑖 = (ℎ𝑖 − ℎ𝑜) − 𝑇𝑜(𝑠𝑖 − 𝑠𝑜) (3.56)

İdeal gazların kimyasal ekserji içerikleri şu şekilde ifade edilmektedir:

𝑒𝑥𝑘𝑖𝑚 = 𝑒𝑥𝑘𝑖𝑚𝑜 + 𝑅𝑢𝑇𝑜𝑙𝑛𝑧𝑖 (3.57)

39

burada 𝑧𝑖 i numaralı bileşenin mol fraksiyonudur ve 𝑒𝑥𝑘𝑖𝑚𝑜 verilen referans sıcaklık

ve basınç şartlarında molar kimyasal ekserjidir ve şu şekilde ifade edilir:

𝑒𝑥𝑘𝑖𝑚𝑜 =

𝑇𝑜

𝑇𝑒𝑥𝑜,𝑖

𝑘𝑖𝑚 − ℎ𝑓𝑜 𝑇−𝑇𝑜

𝑇 (3.58)

burada 𝑒𝑥𝑜,𝑖𝑘𝑖𝑚, ℎ𝑓

𝑜 ve 𝑇 sırasıyla 𝑖 numaralı bileşenin standart molar kimyasal

ekserjisi, formasyon entalpisi ve gazlaştırıcı sıcaklığıdır. Materyal akışının ekserji

hızı şu şekilde ifade edilmektedir;

𝐸��𝑖 = ��𝑒𝑥𝑖 (3.59)

Güneş ve biokütle destekli entegre sistemin ve bileşenlerinin ekserji yıkım

denklemleri yukarıdaki tanımlardan yararlanılarak hesaplanmış ve Çizelge 3.2’de

verilmiştir.

Çizelge 3.2. Entegre polijenerasyon sistemin ekserji yıkım hızı ve ekserji verim denklemleri

Sistem üniteleri Ekserji yıkım hızı ifadeleri Ekserji verimleri

Parabolik oluk tipi kolektör

𝐸��𝑌,𝑃𝑂𝑇−𝐼 = (𝐸��5 − 𝐸��1

+ 𝐸��𝐶𝑄

)(∆𝑡ℎ,𝑔ü𝑛𝑒ş)

24 𝑠𝑎⁄

𝜓𝑃𝑂𝑇−𝐼 =𝐸��1 − 𝐸��5

𝐸��𝑔ü𝑛𝑒ş𝑄

Boyler 𝐸��𝑌,𝐵𝑜𝑦𝑙𝑒𝑟−𝐼 = 𝐸��1 + 𝐸��9 − 𝐸��2 − 𝐸��10 𝜓𝐵𝑜𝑦𝑙𝑒𝑟−𝐼 =𝐸��10 − 𝐸��9

𝐸��1 − 𝐸��2

HEX-I 𝐸��𝑌,𝐻𝐸𝑋−𝐼 = 𝐸��36 + 𝐸��10 − 𝐸��37 − 𝐸��6 𝜓𝐻𝐸𝑋−𝐼 =𝐸��6 − 𝐸��10

𝐸��36 − 𝐸��37

Sıcak su tankı 𝐸��𝑌,𝑆𝑆𝑇 = 𝐸��3 + 𝐸��37 − 𝐸��4 − 𝐸��38 𝜓𝑆𝑆𝑇 =𝐸��38 − 𝐸��37

𝐸��3 − 𝐸��4

Pompa-I 𝐸��𝑌,𝑃−𝐼 = 𝐸��4 − 𝐸��5 + ��𝑃−𝐼 𝜓𝑃−𝐼 =𝐸��5 − 𝐸��4

��𝑃−𝐼

Yüksek basınçlı türbin

𝐸��𝑌,𝑌𝐵𝑇 = 𝐸��6 − 𝐸��7 − ��𝑌𝐵𝑇 𝜓𝑌𝐵𝑇 =��𝑌𝐵𝑇

𝐸��6 − 𝐸��7

Kondenser-I 𝐸��𝑌,𝐾𝑜𝑛−𝐼 = 𝐸��7 − 𝐸��8 − 𝐸��𝐾𝑜𝑛−𝐼𝑄 𝜓𝐾𝑜𝑛−𝐼 =

𝐸��𝐾𝑜𝑛−𝐼𝑄

𝐸��7 − 𝐸��8

40

Çizelge 3.3. Entegre polijenerasyon sistemin ekserji yıkım hızı ve ekserji verim denklemleri (Devam)

Pompa-II 𝐸��𝑌,𝑃−𝐼𝐼 = 𝐸��8 − 𝐸��9 + ��𝑃−𝐼𝐼 𝜓𝑃−𝐼𝐼 =𝐸��9 − 𝐸��8

��𝑃−𝐼𝐼

PEM elektroliz

sistemi

𝐸��𝑌,𝑃𝐸𝑀 = 𝐸��33 − 𝐸��𝑃𝐸𝑀𝑄 − 𝐸��34,𝐻2

− 𝐸��35,𝑂2+ ��𝑃𝐸𝑀

𝜓𝑃𝐸𝑀 =��𝐻2

𝐿𝐻𝑉𝐻2

𝐸��33 + ��𝑃𝐸𝑀

Jeneratör-I 𝐸��𝑌,𝐽𝑒𝑛−𝐼 = 𝐸��13 + 𝐸��21 − 𝐸��14 − 𝐸��25

− 𝐸��22

𝜓𝐽𝑒𝑛−𝐼

=𝐸��25 + 𝐸��22 − 𝐸��21

𝐸��13 − 𝐸��14

Jeneratör-II 𝐸��𝑌,𝐽𝑒𝑛−𝐼𝐼 = 𝐸��26 + 𝐸��28 + 𝐸��29

− 𝐸��24 − 𝐸��25

𝜓𝐽𝑒𝑛−𝐼𝐼

=𝐸��25 − 𝐸��26

𝐸��28 + 𝐸��29 − 𝐸��24

Kondenser-II 𝐸��𝑌,𝐾𝑜𝑛−𝐼𝐼 = 𝐸��27 − 𝐸��28 − 𝐸��15

− 𝐸��𝐾𝑜𝑛−𝐼𝐼𝑄

𝜓𝐾𝑜𝑛−𝐼𝐼

=𝐸��𝐾𝑜𝑛−𝐼𝐼

𝑄

𝐸��27 + 𝐸��28 − 𝐸��15

Genleşme valfi-I 𝐸��𝑌,𝐺𝑒𝑉−𝐼 = 𝐸��23 − 𝐸��24 𝜓𝐺𝑒𝑉−𝐼 =𝐸��24

𝐸��23

Evaporatör 𝐸��𝑌,𝐸𝑣 = 𝐸��16 − 𝐸��17 + 𝐸��𝐸𝑣𝑄 𝜓𝐸𝑣 =

𝐸��𝑠𝑜𝑔𝑄

𝐸��17 − 𝐸��16

Absorber 𝐸��𝑌,𝐴𝑏 = 𝐸��17 + 𝐸��31 − 𝐸��18 − 𝐸��𝐴𝑏𝑄

𝜓𝐴𝑏

=𝐸��𝐴𝑏

𝑄

𝐸��17 + 𝐸��31 − 𝐸��18

3.1.1.3. Enerji verimi

Sistemin enerji verimi sistem proseslerinden elde edilen net faydalı enerjinin

sistem sınırlarındaki toplam enerji girdisine bölünmesi ile hesaplanmaktadır

(Szargut, 2005). Bu çalışmada kullanılan beş alt sistemin (parabolik oluk tipi

kolektör, biokütle yakıcı alt sistem, organik Rankine çevrimi, hidrojen üretimi ve

absorpsiyonlu soğutma ve ısıtma alt sistemi) enerji verimleri şu şekilde ifade

edilmektedir:

41

𝜂𝑃𝑂𝑇 =��1−��5

��𝑔ü𝑛𝑒ş (3.60)

𝜂𝑏𝑖𝑜𝑘ü𝑡𝑙𝑒 𝑦𝑎𝑘𝚤𝑐𝚤 =��𝑏𝑖𝑜𝑘ü𝑡𝑙𝑒

��𝑏𝑖𝑜𝑘ü𝑡𝑙𝑒𝐿𝐻𝑉𝑏𝑖𝑜𝑘ü𝑡𝑙𝑒 (3.61)

𝜂𝑜𝑟𝑔−𝑅𝑎𝑛𝑘𝑖𝑛𝑒 =��𝑛𝑒𝑡,𝑂𝑅𝐶

��𝑏𝑜𝑦𝑙𝑒𝑟 (3.62)

𝜂ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑗𝑒𝑛 =��𝐻2𝐿𝐻𝑉𝐻2

��𝐽𝑒𝑛+��𝑇ü𝑟𝑏𝑖𝑛 (3.63)

𝜂𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑝𝑠𝑖𝑦𝑜𝑛 =��𝑠𝑜ğ𝑢𝑡𝑚𝑎+��𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎

��𝐻𝐸𝑋−𝐼+��𝑃−𝐼𝐼𝐼 (3.64)

𝜂𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚 =��𝑂𝑅𝐶+��𝐻2𝐿𝐻𝑉𝐻2+��𝑠𝑜ğ𝑢𝑡𝑚𝑎+��𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎+��𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑠𝑢

��𝑃𝑂𝑇 (3.65)

Absorpsiyon alt sisteminin enerjetik performansını analiz etmek için, performans

katsayısı (Coefficient of performance, COPen) şu şekilde kullanılmaktadır:

𝐶𝑂𝑃𝑒𝑛 =��𝑠𝑜ğ𝑢𝑡𝑚𝑎

��𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎−𝐼𝐼𝐼+��𝑗𝑒𝑛 (3.66)

burada ��𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎−𝐼𝐼𝐼 pompanın elektrik tüketimidir ve çok düşük enerji ihtiyacı

olduğundan dolayı bu çalışmada ihmal edilmektedir. ��𝑗𝑒𝑛 ise jeneratöre giden ısı

transfer hızıdır.

3.1.1.4. Ekserji verimi

Ekserji verimi sistem bileşenlerinden çıkan net ekserji çıkışının sistem sınırlarına

giren toplam ekserjiye oranı olarak ifade edilmektedir. Daha önce bahsedilen alt

sistemlere ve sistemin tamamına uygulandığında aşağıdaki verimler elde

edilmiştir:

42

𝜓𝑃𝑂𝑇 =𝐸��1

𝑄−𝐸��2

𝑄

𝐸��𝑔ü𝑛𝑒ş𝑄 (3.67)

𝜓𝑏𝑖𝑜𝑘ü𝑡𝑙𝑒 𝑦𝑎𝑘𝚤𝑐𝚤 =𝐸��𝑏𝑖𝑜𝑘ü𝑡𝑙𝑒

𝑄

��𝑏𝑖𝑜𝑘ü𝑡𝑙𝑒𝑒𝑥𝑏𝑖𝑜𝑘ü𝑡𝑙𝑒 (3.68)

𝜓𝑂𝑅𝐶 =��𝑂𝑅𝐶

𝐸��𝑏𝑜𝑦𝑙𝑒𝑟𝑄 (3.69)

𝜓ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑗𝑒𝑛 =𝐸��𝐻2

𝐸��𝐽𝑒𝑛𝑄

+��𝑇ü𝑟𝑏𝑖𝑛

(3.70)

𝜓𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑝𝑠𝑖𝑦𝑜𝑛 =𝐸��𝑠𝑜ğ𝑢𝑡𝑚𝑎

𝑄+𝐸��𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎

𝑄

𝐸��𝐻𝐸𝑋−𝐼𝑄

+��𝑃−𝐼𝐼𝐼 (3.71)

𝜓𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚 =��𝑂𝑅𝐶+𝐸��𝐻2+𝐸��𝑠𝑜ğ𝑢𝑡𝑚𝑎

𝑄+𝐸��𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎

𝑄+𝐸��𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑠𝑢

𝑄

𝐸��𝑃𝑂𝑇𝑄 (3.72)

Termodinamik değerlendirmelerde önemli olan ekserjetik performans katsayısı

(Coefficient of Performans, COPex) absorpsiyonlu sistem için şu şekilde ifade

edilmektedir:

𝐶𝑂𝑃𝑒𝑥 =𝐸��𝑠𝑜ğ𝑢𝑡𝑚𝑎

𝑄

��𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎−𝐼𝐼𝐼+𝐸��𝑗𝑒𝑛𝑄 (3.73)

3.1.2. Çevresel etki değerlendirmesi

Güneş ve biokütle destekli entegre polijenerasyon sisteme çevresel etki

değerlendirmesi yapmak için, üç durum verilmiştir ve entegre sistem ve

bileşenlerinin çevreye saldığı CO2 miktarları analiz edilmiştir. Birinci durumda POT

kolektör ya da biokütle yakıcı birincil güç kaynağıdır ve ORC alt sistemi güç

43

üretmek için kullanılmaktadır. İkinci durumda POT kolektör ve biokütle yakıcı

birincil güç kaynağı, ORC alt sistemi güç üretmekte ve absorpsiyonlu soğutma ile

sıcak su tankı soğutma ve evsel sıcak su sağlamaktadır. Üçüncü durumda ise

entegre sistem güç, ısıtma, soğutma, sıcak su ve hidrojen üretmektedir. Her bir

durum için CO2 emisyon miktarları şu şekilde verilmektedir;

𝜖𝑔üç =��𝐶𝑂2

��𝑛𝑒𝑡 (3.74)

𝜖𝑡𝑟𝑖−𝑗𝑒𝑛 =��𝐶𝑂2

��𝑛𝑒𝑡+��𝑠𝑜ğ𝑢𝑡𝑚𝑎+��𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑠𝑢 (3.75)

𝜖𝑝𝑜𝑙𝑖−𝑗𝑒𝑛 =��𝐶𝑂2

��𝑛𝑒𝑡+��𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎+��𝑠𝑜ğ𝑢𝑡𝑚𝑎+��𝐻2+��𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑠𝑢 (3.76)

3.2. Sistem 2

2 numaralı entegre polijenerasyon sistemin şematik gösterimi Şekil 3.2’de

verilmiştir. Bu entegre polijenerasyon sistem yoğunlaştırıcı kolektör, kömür

gazlaştırma, Rankine çevrimi, çift etkili absorpsiyonlu soğutma sistemi ve metanol

üretimi olmak üzere beş alt sistemden oluşmaktadır (Yüksel ve Öztürk, 2015).

Yoğunlaştırıcı kolektörün tasarımdaki önemi açıklık alanına nazaran güneş

radyasyonu alıcısının alanını minimize etmektir. Bu yöntemin kullanılmasının

nedeni kullanışlı ısı akışına göre radyasyon yoluyla ısı kayıplarını en aza indirmek,

güneş kolektör verimini artırmak ve daha yüksek sıcaklıklara çıkmaktır.

Gazlaştırma teknolojileri kömür ve biokütle gibi katı yakıtları ürün gaza

dönüştürerek çeşitli teknolojilerde enerji kaynağı olarak kullanılmasına olanak

sağlamaktadır. Ürün gaz başlıca CO, CO2, CH4 ve H2’den oluşmakta ve ısı ve iş

üretmek için yakılabilmektedir. Aynı zamanda sentez gaz, sıvı yakıt ve

kimyasalların üretilmesinde de kullanılabilmektedirler. Sentez gazın alt ısıl değeri

44

(LHV) gazın bileşenlerinin verisi kullanılarak hesaplanabilmektedir. Gazlaştırıcıdan

ayrıca partiküller, katran, amonyak ve hidrojen sülfit çıkmaktadır.

LiBr-su absorpsiyonlu sistemin konvansiyonel soğutma sistemi yerine tercih

edilmesinin nedeni sistemdeki atık ısıyı kullanmaktır. Bu çalışmada çift etkili

absorpsiyonlu soğutma ve ısıtma alt sistemi için gerekli olan ısının termal kolektör

alt sisteminden karşılandığı varsayılmıştır. Şekil 3.2’den görüldüğü üzere, çift etkili

absorpsiyonlu sistemin bileşenleri yüksek ve düşük basınçlı jeneratör, yüksek ve

düşük sıcaklık ısı değiştiricisi, çözelti ve soğutucu pompası, absorber, kondenser ve

evaporatördür. Bu sistem üç farklı basınçta çalışmaktadır: yüksek, orta ve düşük.

Yüksek basınç jeneratörü yüksek basınç ve sıcaklıkta çalışmakta buna karşın düşük

basınç jeneratörü ve kondenser orta basınçta çalışmakta, evaporatör ve absorber

ise düşük basınçta çalışmaktadır. Bu sistemde entegre sistemin çalışma

parametreleri çift etkili absorpsiyonlu sistemin optimum çalışma parametrelerine

göre belirlenmiştir.

Entegre sistemin en önemli amacı ise atık enerjiyi en aza indirmek ve faydalı

ürünlerin sürdürülebilirliğini geliştirmektir. Yüksek sıcaklık proseslerinden elde

edilen ısı en yüksek verimi Carnot çevrimi verimi ile sınırlanmış bir ısı motoru ile

mekanik işe dönüştürülmektedir. Isı motorları ürettikleri atık ısının sisteme tekrar

kazandırılmasını sağlayan başka bir sistemin entegresi ile daha yüksek verimlere

ulaşmaktadırlar. Isı değiştiriciler akışkanları birbirine karıştırmadan aralarında ısı

transferi gerçekleşmesini sağlayan cihazlardır. Isı değişiminin gerçekleştiği ortam

farklı sıcaklıktaki sıvı-sıvı, sıvı-katı ya da katı-katı olabilmektedir. Burada ortamda

ısı değişimi doğrudan temas ile gerçekleşebileceği gibi başka bir ısı iletkeni

materyal ile de sağlanabilmektedir. Proses ve uygulamanın türüne göre ısı

değiştiricileri verimli ısı değiştirme için tasarlanmaktadırlar.

45

Şekil 3.2. Güneş ve kömür kullanan polijenerasyon enerji üretim sisteminin şematik gösterimi

Termodinamik sistemlerde çok fazla değişken olduğundan ve değişkenlerin

bazılarının sonuca katkısı çok küçük olduğundan bir takım ön kabuller belirlemek

sistem analizini daha kolay hale getirmektedir. Bu çalışmada yapılan ön kabuller

aşağıda listelenmiştir:

Tüm bileşenler durgun hal şartlarında çalışmaktadır.

Boru tesisatında gerçekleşen ısı kayıpları ihmal edilmiştir.

Tüm gazlar ideal gaz şartlarındadır.

Hava hacimce %79 azot ve %21 oksijenden oluşmaktadır.

Referans çevrenin sıcaklığı ve basıncı sırasıyla 25°C ve 1,013 bardır.

46

Buhar çevrimindeki tüm bileşenler adyabatik sınırlar içindedir.

Basınç düşüşleri, kinetik enerji ve potansiyel enerji değişimleri ihmal

edilmiştir.

Gerçek buhar türbinlerinin izentropik verimleri %60-90 arasındadır.

Pompaların izentropik verimleri %75-100 arasındadır. Çalışmadaki her

bir türbinin izentropik verimi %85, her bir pompanın izentropik verimi

%88 olarak kabul edilmiştir.

Türbinlerin mekanik verimleri %95-99 arasındadır. Bu çalışmadaki

türbinlerin mekanik verimleri %99 olarak kabul edilmiştir.

Jeneratör verimleri %98-99 civarındadır. Bu çalışmada jeneratör

verimleri %98 alınmıştır.

PEM elektrolizörü 30 barda ve %65 verimle çalışmaktadır.

Elektrolizörden üretilen hidrojen mevsimsel şartlarda 25 barda

depolanmaktadır.

Depolama tankının hacmi mevsimsel ihtiyaca göre belirlenmektedir.

3.2.1. Yakıt karakteristiği

Entegre polijenerasyon sistemin kömür gazlaştırma ünitesinde kullanılmak üzere

linyit kömürü seçilmiştir. Kömürün alt ısıl değeri (LHV) Ghamarian ve Cambel

(1982) tarafından önerilen aşağıdaki formül ile hesaplanmaktadır:

𝐿𝐻𝑉𝑘 = 427.0382𝑛𝐶 + 90.88110𝑛𝐻 − 207.46424𝑛𝑂 + 297.0116𝑛𝑆 (3.77)

burada alt indis 𝑘 ve 𝑛 kömür ve molekül sayısını ifade etmektedir. 𝐶, 𝐻, 𝑂 ve 𝑆

sırasıyla kömürde bulunan karbon, hidrojen, oksijen ve kükürttür. Verilen kömür

türü için üst ısıl değeri (HHV) şu şekilde hesaplanmaktadır:

𝐻𝐻𝑉 = 𝐿𝐻𝑉 + 21.978𝑛𝐻 (3.78)

47

3.2.2. Termodinamik Değerlendirme

2 numaralı entegre sistemin iyileştirme potansiyelini bulmak için genel kütle, enerji

ve ekserji balans denklemleri ile birlikte enerji ve ekserji verimleri de verilmiştir.

Genel bakış açısı ile bir proses için balans denklemi Denklem (2.1)’de verilmiştir.

Entegre polijenerasyon sistemin analizi için yukarıda bahsedilen analizler hem

sistemin tamamına hem de alt sistemlere uygulanmıştır. Faydalı yakıtların spesifik

kimyasal ekserjileri aşağıdaki basitleştirilmiş kimyasal ekserji denklemi

kullanılarak hesaplanmaktadır:

��𝑥𝑘𝑖𝑚𝑓

= 𝜉𝑖𝐿𝐻𝑉𝑓 (3.79)

burada 𝜉𝑖 faktörü 𝑖 adlı yakıtın kimyasal ekserjisinin alt ısıl değerine bölümünü

vermektedir. 𝜉𝑖 faktörü CxHy formasyonundaki gaz yakıtlar için şu şekilde

hesaplanmaktadır (Mansouri vd., 2012):

𝜉𝑖 = 1.22 + 0.0169𝑦

𝑥−

0.0698

𝑥 (3.80)

Literatürde (Szargut ve Styrylska, 1964) biokütle temelli yakıtlar için 𝜉 faktörünün

numerik korelasyonu şu şekilde verilmiştir:

𝜉 =1.044+0.016

𝑋𝐻2𝑋𝐶

−0.34493𝑋𝑂2𝑋𝐶

(1+0.053𝑋𝐻2𝑋𝐶

)

1−0.4124𝑋𝑂2𝑋𝐶

(3.81)

İçinde kükürtün serbest element olarak bulunduğu kuru kömür için spesifik

kimyasal ekserji şu şekilde verilmiştir (Szargut, 2005):

𝐸��𝑘𝑖𝑚𝑘ö𝑚ü𝑟 = (𝐿𝐻𝑉𝑘ö𝑚ü𝑟 + ℎ𝑊)𝜉𝑘ö𝑚ü𝑟 + (𝐸��𝑘𝑖𝑚

𝑆 − ℎ𝑆)𝑋𝑆 + 𝐸��𝑘𝑖𝑚𝐴 𝑋𝐴 + ��𝑘𝑖𝑚

𝑊 𝑋𝑊 (3.82)

48

burada 𝑊, 𝑆 ve 𝐴 sırasıyla su, kükürt ve külü ifade etmektedir. 𝜉𝑘ö𝑚ü𝑟 seçilen

kömür türü için kimyasal ekserji katsayısıdır ve şu şekilde ifade edilmektedir:

𝜉𝑘ö𝑚ü𝑟 =(𝐿𝐻𝑉𝑘ö𝑚ü𝑟+2442𝑋𝑊)𝜉𝑘𝑢𝑟𝑢+941𝑋𝑆2

𝐿𝐻𝑉𝑘ö𝑚ü𝑟 (3.83)

burada 𝜉𝑘𝑢𝑟𝑢 kimyasal ekserji katsayısıdır (Szargut, 2005). Elementlerin, organik ve

inorganik maddelerin kimyasal ekserjilerini hesaplamak için birçok araştırmacı

yöntemler sunmuşlardır, bu çalışmada kullanılan kimyasal değerler Szargut’tan

(2005) alınmıştır. Bu modelde verilen değerler standart sıcaklık 25°C baz alınarak

hesaplanmıştır. Değerleri referans sıcaklığa göre değiştirebilmek için aşağıdaki

denklemden faydalanılmıştır (Kotas, 1980):

𝑒𝑥𝑖𝑘𝑖𝑚 =

𝑇𝑜

𝑇𝑠 𝑒𝑥𝑘𝑖𝑚𝑖 − ℎ𝑓

𝑜 𝑇𝑠−𝑇𝑜

𝑇𝑠 (3.84)

burada 𝑒𝑥𝑖𝑘𝑖𝑚, ℎ𝑓

𝑜 , 𝑇𝑠 ve 𝑇𝑜 sırasıyla standart molar kimyasal ekserji, formasyon

entalpisi, standart sıcaklık ve referans sıcaklıktır. Bu çalışmada kullanılan

maddelerin standart molar ekserji değerleri Çizelge 3.3’de verilmiştir.

Çizelge 3.4. Maddelerin standart molar ekserji değerleri (Szargut, 2005)

Maddeler Standart Entalpi

(MJ/mol)

Standart Ekserji

(MJ/mol)

O2(g) 0 3,97

N2(g) 0 0,72

CO2(g) -393,52 19,87

H2O(g) -241,82 9,5

H2O(l) -285,83 0,9

SO2(g) -297,10 313,40

NO(g) 90,59 88,90

NO2(g) 33,72 55,60

49

3.3. Sistem 3

3 numaralı sistem jeotermal enerjiyi kaynak olarak kullanıp elektrik, soğutma,

evsel sıcak su ve hidrojen üreten bir polijenerasyon sistemdir (Yuksel ve Ozturk,

2016). Jeotermal enerjiyi üretim kuyularından alıp flaş ayırıcılar ile su ve buharını

ayıran bir jeotermal güç tesisi bulunmaktadır. Elektrik üretimi için de ORC

kullanılmıştır. ORC’den elektrik üretiminden sonra kalan atık ısı dört etkili

absorpsiyonlu soğutma sisteminde(DEASS) değerlendirilir. Daha sonra ise PEM

elektrolizörde suyun ayrıştırılması ile hidrojen üretilmektedir. Son olarak atık ısı

evsel sıcak su sisteminde sıcak su üretiminde kullanılır ve akışkan enjeksiyon

kuyusuna gönderilir.

Elektroliz yoluyla hidrojen üretiminde hem elektrik hem de ısı enerjisi gerekli

olduğu için jeotermal enerji kullanımı oldukça faydalıdır. Çünkü jeotermal enerji

kaynağı organik Rankine çevrimi ile gerekli elektriği sağlarken bir yandan da ısı

enerjisi sağlamaktadır. Hidrojen oldukça temiz bir enerji taşıyıcısıdır fakat üretim

opsiyonları önemlidir.

50

Şekil 3.3. Jeotermal enerjiyi kaynak olarak kullanan polijenerasyon enerji üreti sisteminin şematik gösterimi

Şekil 3.3’den görüldüğü üzere jeotermal temelli polijenerasyon enerji üretim

sistemi 5 alt sistemden oluşmaktadır: jeotermal güç tesisi, organik Rankine çevrimi,

dört etkili absorpsiyonlu soğutma, hidrojen üretimi ve evsel sıcak su alt sistemi.

Şekilde görülen 1 ve 4 numaralı akış jeotermal kaynaktan gelen sıcak suyu temsil

etmektedir. 1 ve 4 numaralı akışta bulunan suların yeraltını terk etme basınçları

sırasıyla 570 kPa ve 687 kPa’dır. Flaşlama odalarını geçtikten sonra jeotermal su

flaş ayırıcılarına girerek su ve buhar birbirinden ayrıştırılır. Flaşlama odaları

suların basınçlarını bir miktar düşüreceğinden 2 ve 5 numaralı akıştaki suların

basınçları başlangıçta çıkarılan sulara göre daha azdır. Flaş ayırıcıdan çıktıktan

51

sonra doymuş buharlar 3 ve 6 numaralı yolu izlerken, doymuş sıvılar da 8 ve 10

numaralı yolları izleyerek flaş ayırıcıyı terk ederler. Doymuş sıvılar pompadan

geçerek 9 ve 11 numaralı yolları izlerler, buradan çıkan 3, 6, 9 ve 11 numaralı

akışlar birleşerek 7 ve 12 numaralı akış ile buharlaştırıcıya girerler. ORC’de

genellikle akışkan olarak izobütan kullanılmaktadır. Burada kullanılan akışkan

jeotermal suyun ısısı sayesinde tamamen buharlaştırılır ve süper ısıtılmış seviyeye

gelir. Buharlaştırıcıdan çıkan akışkan 18 numaralı yolu izleyerek ORC türbinine

gelir ve burada türbin vasıtasıyla elektrik üretilmesini sağlar. Burada üretilen

elektrik doğrudan kullanılabildiği gibi PEM elektrolizöre de gönderilebilir.

Türbinde genleşen akışkan 19 numaralı akış ile HEX-II’yi geçerek 20 numaralı

yoldan kondensere girer. Kondenserden çıkan akışkan pompaya girer ve daha

yüksek basınç ile 22 numaralı akış üzerinden HEX-II’ye girer. 23 numaralı akış ile

HEX-I’e giren akışkan burada 13 numaralı akış ile karışarak 14 numaralı yoldan

dört etkili absorpsiyonlu soğutma sisteminin jeneratörüne girer.

Dört etkili absorpsiyonlu soğutma sistemi başlıca dört adet jeneratör, dört adet ısı

değiştirici, kondenser, evaporatör ve absorberden oluşmaktadır. Absorpsiyonlu

soğutma sisteminde amonyak su karışımı akışkan olarak kullanılmaktadır. Soğutma

sistemi için gerekli ısı jeotermal kaynağın 14 numaralı akışından sağlanmaktadır.

Yüksek sıcaklıklı jeotermal su 14 numaralı yoldan dört etkili absorpsiyonlu

soğutma sisteminin çok yüksek sıcaklık jeneratörüne girer, burada absorberden

gelen güçlü solüsyon ısıtılır. Çok yüksek sıcaklık jeneratöründen çıkan zayıf

solüsyon 40 numaralı akış ile ısısını çok yüksek sıcaklık ısı değiştiricisine aktarır.

Çok yüksek sıcaklık ısı değiştiricisinden çıkan solüsyon 44 numaralı akıştaki zayıf

solüsyon ile karışır ve 59 numaralı akışı oluşturur. Bu zayıf solüsyon ısısının bir

kısmını yüksek sıcaklık ısı değiştiricisine aktarır ve buradan 60 numaralı yol ile

çıkar. 48 numaralı akıştaki orta sıcaklık jeneratöründen gelen zayıf solüsyon 60

numaralı solüsyon ile karışarak 61 numaralı akışı oluşturur. 61 numaradaki zayıf

akış ısısını orta sıcaklık ısı değiştiricisine aktarır ve 62 numaralı akış olarak çıkar.

Daha sonra düşük sıcaklık jeneratöründen gelen 53 numaralı akış ile birleşerek 63

numaralı akışı oluşturur. 63 numaralı zayıf akış düşük sıcaklık ısı değiştiricisine

52

girer ve burada ısısının bir kısmını aktararak 64 numaralı yoldan çıkar. Isısını

aktardıktan sonra 64 numaralı zayıf akış genleşme valfi-I’e girer ve burada sıcaklığı

ve basıncı düşer. Daha sonra solüsyon 65 numaralı yoldan absorbere girer. Diğer

yandan, çok yüksek sıcaklık jeneratöründen 39 numaralı akışla çıkan soğutma

buharı yüksek sıcaklık jeneratörüne girerek 36 numaralı akışla yüksek sıcaklık ısı

değiştiricisinden gelen güçlü solüsyonu ısıtır. Yüksek sıcaklık jeneratöründen çıkan

41 ve 42 numaralı akış 43 numaralı akışta birleşerek orta sıcaklık jeneratörüne

girer. 33 numaralı akış ile orta sıcaklık ısı değiştiriciden gelen güçlü solüsyon orta

sıcaklık jeneratöründe ısıtılır. Daha sonra orta sıcaklık jeneratöründen çıkan 45 ve

46 numaralı akışlar 47 numaralı akışta birleşirler. Bu akış daha sonra düşük

sıcaklık jeneratörüne girer ve ısısını 52 numaralı akıştaki güçlü solüsyona aktarır.

Düşük sıcaklık jeneratöründen çıkan 50 numaralı akış kondensere girerken, 49

numaralı akış ısısının bir kısmını 27 numaralı akıştaki sıvıya aktarmak üzere

kondenser ısı değiştiricisine girer. Genleşme valfi-II’yi geçtikten sonra, akış 56

numaralı yoldan evaporatöre girer. Evaporatörde, sistemde bulunan ısı enerjisi

evsel ısıtma uygulamaları için ortama aktarılır. Isıtılan karışım 57 numaralı yoldan

absorbere girer. Absorberden çıktıktan sonra, 25 numaralı akış ile pompaya girer.

Son olarak, 15 numaralı jeotermal su PEM elektrolizör alt sisteminin su ısıtıcısına

girerek elektroliz suyunu ısıtır. Buradan HEX-III’i geçen jeotermal su kaynağa geri

enjekte edilir.

3.3.1. Enerji verimi

Genel enerji verimi denklemleri Bölüm 2.3.2’de tanımlanmıştır. Buradan yola

çıkarak jeotermal temelli entegre sistemin ve alt sistemlerin enerji verimleri şu

şekildedir:

𝜂𝐽𝐺𝑇 =��𝑇

��𝑛𝐽𝐺𝑇−𝑔 (3.85)

ηORC =W𝑇

E𝑛ORC−g (3.86)

53

ηDEASS =Qsoğutma+Qısıtma

E𝑛AS−g (3.87)

𝜂𝑃𝐸𝑀−𝐸𝑙𝑒𝑘 =��𝐻2𝐻𝐻𝑉𝐻2

��𝑃𝐸𝑀−𝑒𝑙𝑒𝑘+��𝑠𝑎𝑓 𝑠𝑢+��𝑃𝐸𝑀−𝑒𝑙𝑒𝑘 (3.88)

ηESI =E𝑛ç

E𝑛g (3.89)

ηsistem =WT+Qsoğutma+Qısıtma−SM+��70(ℎ𝑤,72−ℎ𝑤,71)

E𝑛𝐽𝐺𝑇−𝑔 (3.90)

DEASS’ın enerjetik performans katsayısı şu şekilde hesaplanmaktadır:

𝐶𝑂𝑃𝑒𝑛 =��𝐸𝑣𝑎+��𝐾𝑜𝑛

��𝑃−𝑉+��𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼𝐼 (3.91)

3.3.2. Ekserji verimi

Jeotermal temelli entegre sistemin ve alt sistemlerin ekserji verimleri aşağıdaki

denklemlerle hesaplanmaktadır:

𝛹𝐽𝐺𝑇 =��𝑇

��𝑥𝐽𝐺𝑇−𝑔 (3.92)

𝛹ORC =W𝑇

E𝑥ORC−g (3.93)

Ψabsorpsiyon-SM =Qsoğutma-SM+Qısıtma-SM

QHEX-4+Wpompa-2 (3.94)

𝛹DEASS =E𝑥soğutma+E𝑥ısıtma

E𝑥AS−g (3.95)

54

𝛹𝑃𝐸𝑀−𝐸𝑙𝑒𝑘 =��𝐻2𝑒𝑥𝐻2

��𝑃𝐸𝑀−𝑒𝑙𝑒𝑘+��𝑥𝑠𝑎𝑓 𝑠𝑢𝑄

+��𝑥𝑃𝐸𝑀−𝑒𝑙𝑒𝑘𝑄 (3.96)

𝛹ESI =E𝑥ç

E𝑥g (3.97)

𝛹sistem =WT+E𝑥soğutma+E𝑥ısıtma+��70(𝑒𝑥𝑤𝑡𝑟,72−𝑒𝑥𝑤𝑡𝑟,71)

E𝑥𝐽𝐺𝑇−𝑔 (3.98)

DEASS’ın ekserjetik performans katsayısı şu şekildedir:

𝐶𝑂𝑃𝑒𝑘𝑠 =��𝑥𝐸𝑣𝑎

𝑄+��𝑥𝐾𝑜𝑛

𝑄

��𝑃−𝑉+��𝑥𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼𝐼𝑄 (3.99)

3.3.2.1. Jeotermal Güç Çevriminin Termodinamik Analizi

Şekil 3.3’de gösterilen jeotermal güç çevrimine ve alt sistemlerine ait analiz

denklemleri şu şekilde verilmiştir.

Çizelge 3.5. Jeotermal güç çevrimine ve alt sistemlerine ait analiz denklemleri

Flaşlama odası-I Enerji denge denklemi ��1ℎ1 = ��2ℎ2 Ekserji denge denklemi ��1𝑒𝑥1 = ��2𝑒𝑥2 + ��𝑥𝑌,𝑓𝑜−𝐼

Ekserji verimi 𝜓𝐹𝐶−𝐼 = ��2𝑒𝑥2 ��1𝑒𝑥1⁄ Flaşlama odası-II Enerji denge denklemi ��4ℎ4 = ��5ℎ5 Ekserji denge denklemi ��4𝑒𝑥4 = ��5𝑒𝑥5 + ��𝑥𝑌,𝑓𝑜−𝐼𝐼

Ekserji verimi 𝜓𝐹𝑂−𝐼𝐼 = ��5𝑒𝑥5 ��4𝑒𝑥4⁄ Flaş ayırıcı-I Enerji denge denklemi ��2ℎ2 = ��3ℎ3 + ��8ℎ8 + ��𝑓𝑠−𝐼

Ekserji denge denklemi ��2𝑒𝑥2 = ��3𝑒𝑥3 + ��8𝑒𝑥8 + ��𝑓𝑠−𝐼 (1 −

𝑇𝑜

𝑇𝑓𝑠−𝐼)

+ ��𝑥𝑌,𝑓𝑠−𝐼

Ekserji verimi 𝜓𝐹𝑆−𝐼 = (��3𝑒𝑥3 + ��8𝑒𝑥8) ��2𝑒𝑥2⁄ Flaş ayırıcı-II Enerji denge denklemi ��5ℎ5 = ��6ℎ6 + ��10ℎ10 + ��𝑓𝑎−𝐼

55

Çizelge 3.6. Jeotermal güç çevrimine ve alt sistemlerine ait analiz denklemleri (Devam)

Ekserji denge denklemi ��5𝑒𝑥5 = ��6𝑒𝑥6 + ��10𝑒𝑥10 + ��𝑓𝑎−𝐼𝐼 (1 −

𝑇𝑜

𝑇𝑓𝑎−𝐼𝐼)

+ ��𝑥𝑌,𝑓𝑎−𝐼𝐼

Ekserji verimi 𝜓𝐹𝐴−𝐼𝐼 = (��6𝑒𝑥6 + ��10𝑒𝑥10) ��5𝑒𝑥5⁄

3.3.2.2. Organik Rankine Çevrimi

Organik Rankine çevriminin her bir noktasında kütle akış oranı, sıcaklık, basınç,

entalpi ve ekserji denklemleri hesaplanmıştır.

Çizelge 3.7. ORC alt sistemi için denge denklemleri ve ekserji verimi denklemleri

Buharlaştırıcı Enerji denge denklemi ��7ℎ7 + ��12ℎ12 + ��24ℎ24 = ��13ℎ13 + ��18ℎ18 + ��𝑏𝑢ℎ Ekserji denge denklemi ��7𝑒𝑥7 + ��12𝑒𝑥12 + ��24𝑒𝑥24

= ��13𝑒𝑥13 + ��18𝑒𝑥18 + ��𝑏𝑢ℎ (1 −𝑇𝑜

𝑇𝑣𝑎)

+ ��𝑥𝑌,𝑏𝑢ℎ

Ekserji verimi 𝛹𝑏𝑢ℎ

= (��13𝑒𝑥13 + ��18𝑒𝑥18) (��7𝑒𝑥7 + ��12𝑒𝑥12 + ��24𝑒𝑥24⁄ ) Türbin Enerji denge denklemi ��18ℎ18 = ��19ℎ19 + ��𝑇 Ekserji denge denklemi ��18𝑒𝑥18 = ��19𝑒𝑥19 + ��𝑇 + ��𝑥𝑌,𝑇

Ekserji verimi 𝛹𝑇 = ��𝑇 (��18𝑒𝑥18 − ��19𝑒𝑥19⁄ ) Isı değiştirici-I Enerji denge denklemi ��13ℎ13 + ��23ℎ23 = ��14ℎ14 + ��24ℎ24 + ��𝐻𝐸𝑋−𝐼 Ekserji denge denklemi ��13𝑒𝑥13 + ��23𝑒𝑥23

= ��14𝑒𝑥14 + ��24𝑒𝑥24

+ ��𝐻𝐸𝑋−𝐼 (1 −𝑇𝑜

𝑇𝐻𝐸𝑋−𝐼) + ��𝑥𝑌,𝐻𝐸𝑋−𝐼

Ekserji verimi 𝛹𝐻𝐸𝑋−𝐼 = (��14𝑒𝑥14 + ��24𝑒𝑥24) (��13𝑒𝑥13 + ��23𝑒𝑥23⁄ ) Isı değiştirici-II Enerji denge denklemi ��19ℎ19 + ��22ℎ22 = ��20ℎ20 + ��23ℎ23 + ��𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼

56

Çizelge 3.8. ORC alt sistemi için denge denklemleri ve ekserji verimi denklemleri (Devam)

Ekserji denge denklemi ��19𝑒𝑥19 + ��22𝑒𝑥22

= ��20𝑒𝑥20 + ��23𝑒𝑥23

+ ��𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼 (1 −𝑇𝑜

𝑇𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼) + ��𝑥𝑌,𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼

Ekserji verimi 𝛹𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼 = (��20𝑒𝑥20 + ��23𝑒𝑥23) (��19𝑒𝑥19 + ��22𝑒𝑥22⁄ )

Kondenser-I

Enerji denge denklemi ��20ℎ20 = ��21ℎ21 + ��𝑘𝑜𝑛−𝐼

Ekserji denge denklemi ��20𝑒𝑥20 = ��21𝑒𝑥21 + ��𝑘𝑜𝑛−𝐼 (1 −

𝑇𝑜

𝑇𝑘𝑜𝑛−𝐼) + ��𝑥𝑌,𝑘𝑜𝑛−𝐼

Ekserji verimi 𝛹𝐾𝑜𝑛−𝐼 = (��𝑥𝐾𝑜𝑛−𝐼𝑄 ) (��20𝑒𝑥20 − ��21𝑒𝑥21⁄ )

3.3.2.3. Dört Etkili Absorpsiyonlu Soğutma Sistemi

Şekil 3.3’de verilen dört etkili absorpsiyonlu soğutma sisteminin başlıca parçaları

için kütle, enerji ve ekserji denge denklemleri ve ekserji verimleri hesaplanmıştır.

Enerji, ekserji denge denklemleri ve ekserji verimleri şu şekildedir.

57

Çizelge 3.9. Dört etkili absorpsiyonlu soğutma sistemi için denge denklemleri ve ekserji verimi denklemi

Çok Yüksek Sıcaklık Jeneratörü Enerji denge denklemi

��14ℎ14 + ��38ℎ38 = ��15ℎ15 + ��39ℎ39 + ��40ℎ40

Ekserji denge denklemi

��14𝑒𝑥14 + ��38𝑒𝑥38 = ��31𝑒𝑥31 + ��53𝑒𝑥53 + ��54𝑒𝑥54 + ��𝑥𝑌,Ç𝑌𝑆𝐽

Ekserji verimi

𝛹Ç𝑌𝑆𝐽 = (��39𝑒𝑥39 + ��40𝑒𝑥40 − ��38𝑒𝑥38) (��14𝑒𝑥14 − ��15𝑒𝑥15)⁄

Çok Yüksek Sıcaklık Isı Değiştirici Enerji denge denklemi

��37ℎ37 + ��40ℎ40 = ��38ℎ38 + ��58ℎ58

Ekserji denge denklemi

��37𝑒𝑥37 + ��40𝑒𝑥40 = ��38𝑒𝑥38 + ��58𝑒𝑥58 + ��𝑥𝑌,Ç𝑌𝑆−𝐻𝐸𝑋

Ekserji verimi

𝛹Ç𝑌𝑆−𝐻𝐸𝑋 = (��58𝑒𝑥58 − ��40𝑒𝑥40) (��37𝑒𝑥37 − ��38𝑒𝑥38)⁄

Kondenser-II Enerji denge denklemi

��55ℎ55 + ��𝑘𝑜𝑛−𝐼𝐼 = ��50ℎ50 + ��51ℎ51

Ekserji denge denklemi

��55𝑒𝑥55 + ��𝐾𝑜𝑛(1 − 𝑇𝑜 𝑇𝐾𝑜𝑛−𝐼𝐼⁄ ) = ��50𝑒𝑥50 + ��51𝑒𝑥51 + ��𝑥𝑌,𝐾𝑜𝑛−𝐼𝐼

Ekserji verimi 𝛹𝐾𝑜𝑛−𝐼𝐼 =

��𝑘𝑜𝑛−𝐼𝐼(1 − 𝑇0 𝑇𝑘𝑜𝑛−𝐼𝐼⁄ )

(��50𝑒𝑥50 + ��51𝑒𝑥51 − ��55𝑒𝑥55)

Buharlaştırıcı Enerji denge denklemi

��56ℎ56 + ��𝑏𝑢ℎ = ��57ℎ57

Ekserji denge denklemi

��56𝑒𝑥56 + ��𝑏𝑢ℎ(1 − 𝑇𝑜 𝑇𝑏𝑢ℎ⁄ ) = ��57𝑒𝑥57 + ��𝑥𝑌,𝑏𝑢ℎ

Ekserji verimi

𝛹𝑏𝑢ℎ = ��𝑏𝑢ℎ(1 − 𝑇𝑜 𝑇𝑏𝑢ℎ⁄ ) (��57𝑒𝑥57 − ��56𝑒𝑥56)⁄

Absorber Enerji denge denklemi

��57ℎ57 + ��65ℎ65 = ��25ℎ25 + ��𝑎𝑏𝑠

Ekserji denge denklemi

��𝑥𝑌,𝐴𝑏 = ��57𝑒𝑥57 + ��65𝑒𝑥65 − ��25𝑒𝑥25 − ��𝐴𝑏(1 − 𝑇𝑜 𝑇𝐴𝑏⁄ )

Ekserji verimi

𝛹𝐴𝑏 = ��𝐴𝑏(1 − 𝑇𝑜 𝑇𝐴𝑏⁄ ) (��57𝑒𝑥57 + ��65𝑒𝑥65 − ��25𝑒𝑥25)⁄

Yüksek, orta ve düşük sıcaklık jeneratörler için gerekli denklemler çok yüksek

sıcaklık jeneratörü ile aynı mantıktadır. Diğer ısı değiştiriciler için de çok yüksek

sıcaklık ısı değiştiricisine ait denklemlere benzer şekildedir.

58

3.3.2.4. Hidrojen Üretim Çevrimi

Hidrojen üretimi için kullanılan PEM elektrolizör Şekil 3.3’de gösterilmiştir. Su ön

ısıtıcısı ve PEM elektrolizörü için enerji ve ekserji denge denklemi ve ekserji verimi

verilmiştir.

Çizelge 3.10. Hidrojen üretim alt sistemi için denge denklemleri ve ekserji verimi denklemleri

Su ön ısıtıcısı Enerji denge denklemi ��15ℎ15 + ��66ℎ66 = ��16ℎ16 + ��67ℎ67 + ��𝑆Ö𝐼 Ekserji denge denklemi ��15𝑒𝑥15 + ��66𝑒𝑥66

= ��16𝑒𝑥16 + ��67𝑒𝑥67

+ ��𝑆Ö𝐼 (1 −𝑇𝑜

𝑇𝑆Ö𝐼) + ��𝑥𝑌,𝑆Ö𝐼

Ekserji verimi 𝛹𝑆Ö𝐼 = (��16𝑒𝑥16 + ��67𝑒𝑥67) (��15𝑒𝑥15 + ��66𝑒𝑥66⁄ ) PEM elektrolizör Enerji denge denklemi ��67ℎ67 + ��𝑇 = ��68ℎ68 + ��69ℎ69 Ekserji denge denklemi ��67𝑒𝑥67 + ��𝑇 = ��68𝑒𝑥68 + ��69𝑒𝑥69 + ��𝑥𝑌,𝑃𝐸𝑀

Ekserji verimi 𝛹𝑃𝐸𝑀 = (��68𝑒𝑥68 + ��69𝑒𝑥69) (��𝑇 + ��67𝑒𝑥67⁄ )

3.3.2.5. Evsel Sıcak Su

Entegre sistemin evsel sıcak su kısmı için enerji ve ekserji denge denklemleri ve

ekserji verimi aşağıdaki şekildedir.

Çizelge 3.11. Evsel sıcak su sistemi için denge denklemleri ve ekserji verimi denklemleri

Isı değiştirici-III Enerji denge denklemi ��16ℎ16 + ��71ℎ71 = ��17ℎ17 + ��72ℎ72 + ��𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼𝐼 Ekserji denge denklemi ��16𝑒𝑥16 + ��71𝑒𝑥71

= ��17𝑒𝑥17 + ��72𝑒𝑥72

+ ��𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼𝐼 (1 −𝑇0

𝑇𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼𝐼) + ��𝑥𝑌,𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼𝐼

Ekserji verimi 𝛹𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼𝐼

= (��17𝑒𝑥17 + ��72𝑒𝑥72) (��16𝑒𝑥16 + ��71𝑒𝑥71⁄ )

59

3.3.3. Eksergo-Ekonomik analiz

Ekserji analizini ve ekonomik analizi bir arada kullanmak özellikle entegre

sistemlerin optimizasyonu ve sürdürülebilirliği için faydalı bir araç sağlamaktadır.

Eksergo-ekonomik analiz ekserji temelli termodinamik analizi ekonomik verilerle

destekleme prensibine dayanmaktadır (Dincer ve Rosen, 2013). Ekserji analizi

entegre sistemin tüm proseslerinin her bir durumu için ekserji içeriğini

vermektedir. Diğer yandan ekonomik model kullanılarak başlangıç sermaye

maliyeti, işletme ve bakım maliyetleri de hesaplanmaktadır. Ekserji akışının

maliyeti şu şekilde ifade edilmektedir:

�� = 𝑐��𝑥 (3.100)

burada 𝑐 ekserji başına maliyettir ve birimi $/kWh’dir. Herhangi bir bileşen için

termo-ekonomik denge denklemi şu şekilde yazılmaktadır:

∑ ��𝑔 + ��𝑄 + �� = ∑ ��ç + ��𝑊 (3.101)

burada ∑ ��𝑔 ve ∑ ��ç sırasıyla sistem sınırlarına giren ve çıkan ekserji akışlarına

ilişkin toplam maliyettir. �� yatırım, işletme ve bakım maliyetini ifade etmektedir.

��𝑄 ve ��𝑊 sırasıyla termal ekserji ve iş ekserjisine ilişkin toplam maliyeti temsil

etmektedir. İş ekserjisine ilişkin maliyet şu şekilde ifade edilmektedir:

��𝑊 = (𝑐��𝑥)𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖𝑘

= (𝑐��)𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖𝑘

(3.102)

Bu bölümde incelenen sistemde polijenerasyon çıktıları olarak güç, hidrojen,

oksijen, ısıtma, soğutma ve sıcak su maliyeti jeotermal su ve sermaye maliyetine

eşittir ve şu şekilde ifade edilmektedir:

60

��𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖𝑘 + ��𝐻2+ ��𝑂2

+ ��𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎 + ��𝑠𝑜ğ𝑢𝑡𝑚𝑎 + ��𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑠𝑢 + ��𝑘𝑎𝑦𝚤𝑝𝑙𝑎𝑟 = ��𝑗𝑒𝑜𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 𝚤𝑠𝚤 + ��

(3.103)

Eksergo-ekonomi kısmında maliyet analizi yapılarak başlangıç sermaye maliyeti ve

işletme ve bakım maliyeti incelenmek hedeflenmektedir. Anaparanın geri kazanım

faktörü (AGKF) 𝑖 faiz oranı ile 𝑛 yıl boyunca başlangıç sermayesini ve işletme ve

bakım maliyetlerini amortisman etmek için kullanılmıştır (Bejan vd., 1995):

𝐴𝐺𝐾𝐹 =𝑖(𝑖+1)𝑛

(1+𝑖)𝑛−1 (3.104)

�� ile ifade edilen entegre sistem bileşenlerinin maliyeti $/h şeklinde ifade edilir ve

bu sayede maliyet oranı denge denklemlerinde kullanılır. Her bir sistem bileşeni

için maliyet oranı şu şekilde hesaplanmaktadır:

�� =𝑍𝑖𝐴𝐺𝐾𝐹𝜙

3600𝑁 (3.105)

burada 𝑍𝑖𝑖 ile ifade edilen sistem bileşenin satın alma maliyeti, 𝜙 bakım faktörüdür

ve genellikle 1,06 olarak kullanılmaktadır (Bejan vd., 1995). Entegre sistemin her

bir bileşeni için satın alma maliyetleri aşağıda verilmiştir.

3.3.3.1. Jeotermal güç tesisi

Jeotermal güç tesisinin üretim maliyeti genellikle jeotermal kaynağın çıkarılması ve

jeotermal sistemin kurulmasından ibarettir. Jeotermal güç tesisinin sermaye

maliyeti tesis kapasitesinin bir fonksiyonu olarak ifade edilir ve şu şekildedir (Klein

vd., 2004):

��𝐽𝐺𝑇($) = 2500exp [−0,0025(𝑇𝐾 − 5)] (3.106)

61

burada 𝑇𝐾 tesis kapasitesini ifade eder ve birimi MW’dır.

3.3.3.2. Buharlaştırıcı

Buharlaştırıcının satın alma maliyeti şu şekilde ifade edilmektedir (Misra vd.,

2006):

��𝑏𝑢ℎ𝑎𝑟𝑙𝑎ş𝑡𝚤𝑟𝚤𝑐𝚤($) = 130 (𝐴𝑏𝑢ℎ𝑎𝑟𝑙𝑎ş𝑡𝚤𝑟𝚤𝑐𝚤

0,093)

0,83

(3.107)

burada 𝐴𝑏𝑢ℎ𝑎𝑟𝑙𝑎ş𝑡𝚤𝑟𝚤𝑐𝚤 şu şekilde hesaplanmaktadır:

𝐴𝑏𝑢ℎ𝑎𝑟𝑙𝑎ş𝑡𝚤𝑟𝚤𝑐𝚤=

��𝑏𝑢ℎ𝑎𝑟𝑙𝑎ş𝑡𝚤𝑟𝚤𝑐𝚤

𝑈𝑏𝑢ℎ𝑎𝑟𝑙𝑎ş𝑡𝚤𝑟𝚤𝑐𝚤{[(𝑇7+𝑇12)−𝑇18]−(𝑇13−𝑇24)

𝑙𝑛([(𝑇7+𝑇12)−𝑇18]

(𝑇13−𝑇24))

}

(3.108)

burada 𝑈𝑏𝑢ℎ𝑎𝑟𝑙𝑎ş𝑡𝚤𝑟𝚤𝑐𝚤 buharlaştırıcının toplam ısı transfer oranı katsayısıdır. Bu

sistem tasarımında 𝑈𝑏𝑢ℎ𝑎𝑟𝑙𝑎ş𝚤𝑟𝚤𝑐𝚤 2,2 kW/m2K olarak hesaplanmıştır.

3.3.3.3. Türbin

Türbinin satın alma maliyeti türbinin giriş sıcaklığı, türbinin izentropik verimi ve

üretilen işe bağlı fonksiyon olarak hesaplanmıştır (Zare vd., 2012):

��𝑡ü𝑟𝑏𝑖𝑛($) = 3880,5(��𝑡ü𝑟)0,7

[1 + (0,05

1−ç𝑡ü𝑟)

3

] [1 − 𝑒𝑥𝑝 (𝑇18−866𝐾

10,42𝐾)] (3.109)

3.3.3.4. Kondenser

Kondenserin satın alma maliyeti şu şekildedir (Misra vd., 2006):

62

��𝑘𝑜𝑛($) = 280,74��𝑘𝑜𝑛

2200{(𝑇20−𝑇𝐵)−(𝑇21−𝑇𝐴)

𝑙𝑛((𝑇20−𝑇𝐵)

(𝑇21−𝑇𝐴))

}

+ 746��20 (3.110)

3.3.3.5. Pompalar

Sistemde kullanılan pompaların maliyeti pompaların güçleri ve verimlerinden

yararlanılarak hesaplanmaktadır (Misra vd., 2006):

��𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎($) = 705,48(��𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎)0,71

[1 + (0,2

1−𝜂𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎)] (3.111)

3.3.3.6. Isı değiştiriciler

Isı değiştirici-I’in satın alma maliyeti şu şekildedir (Misra vd., 2006):

��𝐻𝐸𝑋−𝐼($) = 130 (𝐴𝐻𝐸𝑋−𝐼

0,093)

0.83

(3.112)

burada 𝐴𝐻𝐸𝑋−𝐼 şöyle ifade edilmektedir:

𝐴𝐻𝐸𝑋−𝐼 =��𝐻𝐸𝑋−𝐼

𝑈𝐻𝐸𝑋−𝐼{(𝑇13−𝑇24)−(𝑇14−𝑇23)

𝑙𝑛((𝑇13−𝑇24)(𝑇14−𝑇23)

)}

(3.113)

burada 𝑈𝐻𝐸𝑋−𝐼 ısı değiştirici-I’in toplam ısı transfer oranı katsayısıdır. Bu sistemde,

𝑈𝐻𝐸𝑋−𝐼 2,1 kW/m2K olarak hesaplanmıştır. Benzer denklemlerle diğer ısı

değiştiriciler de hesaplanmıştır.

63

3.3.3.7. DEASS

DEASS’ın satın alma maliyeti tasarım parametrelerine bağlı olarak şu şekilde ifade

edilmektedir (Lian vd., 2010):

��𝐷𝐸𝐴𝑆𝑆($) = 1144,3(��𝑏𝑢ℎ)0,67

(3.114)

burada ��𝑏𝑢ℎ DEASS’ın soğutma yüküdür ve birimi kW’dır.

3.3.3.8. Su ön ısıtıcısı

Su ön ısıtıcısının satın alma maliyeti şu şekildedir (Misra vd., 2006):

��𝑆Ö𝐼($) = 130 (𝐴𝑆Ö𝐼

0,093)

0,83

(3.115)

burada 𝐴𝑆Ö𝐼 şu şekilde ifade edilmektedir:

𝐴𝑆Ö𝐼 =��𝑆Ö𝐼

𝑈𝑆Ö𝐼{(𝑇15−𝑇67)−(𝑇16−𝑇66)

𝑙𝑛((𝑇15−𝑇67)(𝑇16−𝑇66)

)}

(3.116)

burada 𝑈𝑆Ö𝐼 su ön ısıtıcısının toplam ısı transfer oranı katsayısıdır ve 2,1 kW/m2K

olarak hesaplanmıştır.

3.3.3.9. PEM elektrolizörü

PEM elektrolizörün maliyeti suyu parçalamak için gerekli güç fonksiyonu olarak

hesaplanmaktadır (Misra vd., 2006):

��𝑃𝐸𝑀−𝑒𝑙𝑒𝑘($) = 1000��𝑒𝑙𝑒𝑘 (3.117)

64

3.4. Sistem 4

4 numaralı sistem güneş enerjisini POT kolektörle toplayıp daha sonra elektrik,

hidrojen, sıcak su, ısıtma ve soğutma sağlayan polijenerasyon bir enerji sistemidir

(Yuksel vd., 2016). 4 numaralı sistemin alt sistemleri POT kolektör, çift basamaklı

organik Rankine çevrimi (DS-ORC), PEM elektrolizörü, PEM yakıt hücresi ve

DEASS’dır. Sistemin performansını etkileyen anahtar etkenler için parametrik

çalışmalar da yapılıp Engineering Equation Software (EES) programı ile

hesaplamaları yapılmıştır.

4 numaralı polijenerasyon enerji üretim sistemi Şekil 3.4’de gösterilmiştir.

Sistemde bulunan POT kolektörün görevi polijenerasyon sistemde kullanılan

akışkan Therminol-59 sıvısını ısıtmaktır. Isıtılan akışkan 1 numaralı yoldan POT

kolektörü terk ederken iki yola ayrılır. 2 numaralı yoldan giden akışkan depolama

alt sisteminin ısı değiştiricisi-I’ine girerken 4 numaralı yoldan giden akışkan DS-

ORC çevrimine HEX-II’den girer. Depolama alt sistemine giren akışkan HEX-I’de

ısısını depolama sistemine aktardıktan sonra, 3 numaralı yoldan valfe girer ve daha

sonra 7 ve 8 numaralı yolları izleyerek kolektöre geri döner. Depolama alt

sisteminin polijenerasyon sistemdeki görevi güneş radyasyonunun az olduğu

zamanlarda ve gece vakitlerinde POT kolektörde ısı enerjisi üretilmeyecek

durumlarda üretimin kesintisiz olması için ısı enerjisini depolamaktır. POT

kolektörünün ısı üretemediği durumlarda depolama alt sistemi 9 numaralı yoldan

sıcak akışkanı gönderir ve pompayı geçerek 10 numaralı yoldan HEX-II’ye girer.

Buradan çıkan akışkan 11 numaralı yolu izleyerek HEX-III’e ve oradan da 12

numaralı yoldan soğuk depolama tankına geri döner.

65

Şekil 3.4. Güneş enerjisini kaynak olarak kullanan polijenerasyon enerji üretim sisteminin şematik gösterimi

DS-ORC alt sisteminde kullanılan akışkan amonyak su (NH3-H2O) karışımıdır. HEX-

II’de kolektörden gelen sıcak akışkan ısısını amonyak su karışımına aktarmaktadır.

HEX’den çıkan akışkan 16 numaralı yoldan genleştiriciye girerek elektrik

üretmektedir. Amonyak su karışımı 17 numaralı akış ile ayrıştırıcıya girer buradan

buhar fazdaki karışım 18 numaralı yoldan, sıvı fazdaki karışım 21 numaralı yoldan

çıkarlar. Buhar daha sonra elektrik üretmek üzere 18 numaralı yoldan türbine

girer. Türbinden çıkan sıvı 19 numaralı yoldan geri emiciye girerek ısı enerjisi

sağlar. Ayrıştırıcıdan 21 numaralı yolla çıkan sıvı karışım genleştiricide elektrik

üretmektedir. Geri emiciden gelen 20 numaralı akış genleştiriciden gelen 22

numaralı akış ile birleşerek karışım odasına girerler. Buradan geri emici II’ye

66

girerek evsel sıcak su üretirler. Düşük basınçlı sıvı 24 numaralı yoldan pompayı

geçerek 25 numaralı akışla HEX-II’ye girer.

DS-ORC çevriminde üretilen elektriğin bir kısmı PEM elektrolizörde hidrojen

üretimi için kullanılmaktadır. 33 numaralı akışla soğuk su, hidrojen üretim ve

kullanım alt sisteminin su ön ısıtıcısı birimine girer. Burada su PEM elektrolizör

için uygun sıcaklık olan 80 °C’ye kadar ısıtılır. Sıcak su 34 numaralı akışla ön

ısıtıcıdan çıkarak PEM elektrolizöre girer. PEM elektrolizörden 35 ve 36 numaralı

akışlarla sırasıyla oksijen ve su çıkar. 37 numaralı akışta ise hidrojen gazı çıkar ve

hidrojen sıkıştırma ve depolama sistemine girer. İhtiyaç olduğunda hidrojen

depolama biriminden çıkarak PEM yakıt hücresine girerek elektrik üretimi

sağlanır.

Çok yüksek sıcaklık jeneratörü için gerekli olan ısı enerjisi HEX-III üzerinden POT

kolektörden sağlanmaktadır. Yüksek sıcaklıktaki akışkan 30 numaralı noktadan çok

yüksek sıcaklık jeneratörüne girer, burada absorberden gelen güçlü solüsyon

ısıtılır. Buradan 54 numaralı akışla çıkan zayıf solüsyon ısısını çok yüksek sıcaklık

ısı değiştiricisine aktarır. 72 numaralı akışla çok yüksek sıcaklık ısı

değiştiricisinden çıkan solüsyon 58 numaralı zayıf solüsyonla birleşerek 73

numaralı akışı oluştururlar. 73 numaralı zayıf solüsyon ısısını yüksek sıcaklık ısı

değiştiricisine aktarır ve 62 numaralı akışla orta sıcaklık jeneratöründen gelen

solüsyonla birleşir. Bunun sonucunda oluşan 75 numaralı zayıf solüsyon orta

sıcaklık ısı değiştiricisinden gelen solüsyonu ısıtır. Buradan çıkan 76 numaralı akış

ile düşük sıcaklık jeneratöründen gelen 67 numaralı akış birleşerek 77 numaralı

yoldan düşük sıcaklık ısı değiştiricisine girerler. Bu solüsyon ısı değiştiricide

pompadan 42 numaralı akışla gelen solüsyonu ısıtır ve 78 numaralı zayıf solüsyon

genleşme valfi-I’e girer. Burada solüsyonun sıcaklığı ve basıncı düşürülür. Daha

sonra solüsyon 79 numaralı yoldan absorbere girer. Çok yüksek sıcaklık

jeneratöründen 53 numaralı yoldan çıkan soğutucu buhar yüksek sıcaklık

jeneratörüne girerek 50 numaralı akışla gelen güçlü solüsyonu ısıtır. Yüksek

sıcaklık jeneratöründen 55 ve 56 numaralı akışla çıkan amonyak su karışımı buharı

67

57 numaralı akışta birleşerek orta sıcaklık jeneratörüne girerler. Orta sıcaklık ısı

değiştiriciden gelen 47 numaralı güçlü solüsyon orta sıcaklık jeneratöründe ısıtılır

ve amonyak su buharı 59 ve 60 numaralı akışla orta sıcaklık jeneratörüne girer.

Karışımlar 61 numaralı akışla birleşerek düşük sıcaklık jeneratörüne girer ve 66

numaralı akışla gelen güçlü solüsyonu ısıtır. Düşük sıcaklık jeneratöründen 64

numaralı yoldan çıkan akışkan kondensere girer. Diğer yandan düşük sıcaklık

jeneratöründen çıkan 63 numaralı akış kondenser ısı değiştiricisine girer ve ısısının

bir miktarını 41 numaralı sıvıya aktarır. Burada ısınan sıvı 68 numaralı akışla

düşük sıcaklık jeneratörüne girer. Kondenser ısı değiştiricisinden çıkan amonyak

su buharı 65 numaralı yoldan kondensere girer. Burada sıcaklığı düştükten sonra

69 numaralı genleşme valfi-II’ye daha sonra 70 numaralı akışla buharlaştırıcıya

girer. Buharlaştırıcıda sistem tarafından elde edilen ısı evsel ısıtma uygulamaları

için çevreye verilebilir. Daha sonra 71 numaralı yoldan absorbere girerek 39

numaralı akış üzerinden çevrimi tamamlar.

3.4.1. Enerji verimi

Bu bölümde polijenerasyon sistemin tamamının ve alt sistemlerinin enerji verim

denklemleri verilmiştir. Enerji verimi genel anlamda sistemde elde edilen faydalı

enerjinin sisteme giren enerjiye oranı olarak ifade edilmektedir. Alt sistemler ve

polijenerasyon sistemin enerji verimleri şu şekildedir:

𝜂𝐷𝑆−𝑂𝑅𝐶 =��𝑂𝑅𝐶+��𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎+��𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑠𝑢

��𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼 (3.118)

𝜂𝑑𝑒𝑝𝑜𝑙𝑎𝑚𝑎 =��𝑆𝐷𝑇

��𝐻𝐸𝑋−𝐼 (3.119)

𝜂ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛 =��𝑃𝐸𝑀

��𝑆Ö𝐼+��𝑃𝐸𝑀−𝑒𝑙𝑒𝑘 (3.120)

𝜂𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑝𝑠𝑖𝑦𝑜𝑛 =��𝑠𝑜ğ𝑢𝑡𝑚𝑎+��𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎

��𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼𝐼+��𝑃−𝑉 (3.121)

68

𝜂𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚 =��𝑂𝑅𝐶+��𝑃𝐸𝑀+��𝑠𝑜ğ𝑢𝑡𝑚𝑎+��𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎+��𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑠𝑢

��𝑃𝑂𝑇 (3.122)

Dört etkili absorpsiyonlu soğutma sisteminin enerjetik performans katsayısı

(COPen) şu şekilde bulunmaktadır:

𝐶𝑂𝑃𝑒𝑛 =��𝐸𝑣𝑎+��𝐾𝑜𝑛

��𝑃−𝑉+��𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼𝐼 (3.123)

3.4.2. Ekserji verimi

Polijenerasyon sistemin ekserji verimi üzerine yapılan analizler sistemin

iyileştirme potansiyeli ve kayıpları hakkında bilgi verdiği için oldukça önemlidir.

Ekserji verimi de enerji verimi gibi tüm sistem ve alt sistemler aşağıdaki

denklemlerle hesaplanmıştır:

𝛹𝐷𝑆−𝑂𝑅𝐶 =��𝑂𝑅𝐶+��𝑥𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎

𝑄+��𝑥𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑠𝑢

𝑄

��𝑥𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼𝑄 (3.124)

𝛹𝑑𝑒𝑝𝑜𝑙𝑎𝑚𝑎 =��𝑥𝑆𝐷𝑇

𝑄

��𝑥𝐻𝐸𝑋−𝐼𝑄 (3.125)

𝛹ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛 =��𝑃𝐸𝑀

��𝑥𝑆Ö𝐼

𝑄+��𝑃𝐸𝑀−𝑒𝑙𝑒𝑘

(3.126)

𝛹𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑝𝑠𝑖𝑦𝑜𝑛 =��𝑥𝑠𝑜ğ𝑢𝑡𝑚𝑎

𝑄+��𝑥𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎

𝑄

��𝑥𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼𝐼𝑄

+��𝑃−𝑉 (3.127)

𝛹𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚 =��𝑂𝑅𝐶+��𝑃𝐸𝑀+��𝑥𝑠𝑜ğ𝑢𝑡𝑚𝑎

𝑄+��𝑥𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎

𝑄+��𝑥𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑠𝑢

𝑄

��𝑥𝑃𝑂𝑇𝐾𝑄 (3.128)

69

Dört etkili absorpsiyonlu soğutma sisteminin ekserjetik performans katsayısı

(COPex) şu şekilde hesaplanmaktadır:

𝐶𝑂𝑃𝑒𝑥 =��𝑥𝐸𝑣𝑎

𝑄+��𝑥𝐾𝑜𝑛

𝑄

��𝑃−𝑉+��𝑥𝐻𝐸𝑋−𝐼𝐼𝐼𝑄 (3.129)

3.5. Sistem 5

5 numaralı sistem güneş enerjisini kullanan bir parabolik kolektör ile biokütle

yakıcının entegre edilmesiyle oluşmuş elektrik, sıcak su, ısıtma ve soğutma

sağlayan bir polijenerasyon sistemdir (Yuksel ve Ozturk, 2016). Sisteme biokütle

kaynağının entegre edilme nedeni enerji üretiminin kesintisiz olarak sağlanması

içindir. Yenilenebilir enerji kaynaklı entegre polijenerasyon sistemi 5 alt sistemden

oluşmaktadır. Bunlar parabolik çanak kolektör (PÇK), biokütle yakıcı, Rankine

çevrimi, çift etkili absorpsiyonlu soğutma (ÇEASS)ve sıcak su depolama tankıdır.

Sistemin şematik gösterimi Şekil 3.5’de verilmiştir. Tasarlanan sistemin kesintisiz

güç üretmesi için iki farklı modda çalışması düşünülmüştür. Güneş enerjisi yeterli

iken sistem güneş modunda çalışmaktadır. Güneş enerjisinin yetersiz olduğu

zamanlarda veya gece vakitlerinde sistem biokütle modunda çalışmaktadır. Bu

entegre polijenerasyon sistemin kalbi PÇK ve biokütle yakıcıdır ve buralarda

üretilen ısı enerjisi ile Rankine çevrimi elektrik üretimi yapmaktadır. Rankine

çevriminin atık ısısı sıcak su tankında değerlendirilerek sıcak su üretilmekte, yine

Rankine çevriminin atık ısısıyla ÇEASS ısıtma ve soğutma sağlamaktadır. EES

yazılımı ile entegre polijenerasyon sistemin enerji ve ekserji analizleri yapılmış,

sistemde meydana gelen ekserji yıkımları belirlenmiştir. Ayrıca sistemin

performansını etkileyen etkenler için parametrik çalışmalar da yapılmıştır. Son

olarak yapılan iş miktarına bağlı olarak üretilen karbondioksit miktarı

değerlendirilerek çevresel etki analiz de yapılmıştır.

70

Şekil 3.5. PÇK ve biokütleyi kullanan polijenerasyon enerji üretim sistemin şematik gösterimi

Şekil 3.5’de gösterilen entegre polijenerasyon sistemde PÇK’nın görevi güneş

enerjisini ısı enerjisine dönüştürmektir. Burada ısıtılan akışkan 1 numaralı akış ile

HEX-I’e girmektedir. HEX-I’in sıkışma noktası sıcaklığı 20K olarak kabul edilmiştir.

HEX-I akışkanı Rankine çevrimi için ısıtmakla görevlidir. Bu sayede yüksek

sıcaklığa ulaşmış 6 numaralı akışkan Rankine çevrimi ile elektrik üretimi

sağlamaktadır. Rankine çeviriminde Rankine türbini, kondenser, pompa ve ısı

değiştirici bulunmaktadır. Türbinden çıkan 7 numaralı akış kondenserde

soğutularak doymuş sıvı halde kondenserden çıkar. Daha sonra 8 numaralı yoldan

pompaya ulaşır, burada sıvının basıncı artırılır. Pompadan çıkan yüksek basınçlı

sıvı 9 ve 10 numaralı yoldan geçerek HEX-I’e girer buradan 6 numaralı yoldan

buhar olarak çıkar. PÇK için gerekli akışkan 2 numaralı yoldan HEX-IV’ü geçerek

71

geri döner. HEX-IV’ten çıkan buhar atık ısının değerlendirilmesi amacıyla 19

numaralı yoldan ÇEASS alt sistemine girer. Absorpsiyonlu soğutma sistemlerinde

en yaygın kullanılan iki akışkan LiBr-H2O ve NH3-H2O karışımlarıdır. Bu bölümde

ÇEASS akışkanı olarak, atık ısının yüksekliğine daha uygun görülmesinden dolayı

LiBr-H2O çifti seçilmiştir. ÇEASS alt sistemi kondenser ve evaporatörler sayesinde

ısıtma ve soğutma sağlamaktadır. HEX-IV’ten çıkan 3 numaralı akış atık ısının

depolama tankından değerlendirilmesi için sıcak su tankına girmektedir. Burada

atık ısı sayesinde evsel sıcak su sağlanmaktadır. PÇK’nın ısı enerjisi üretemediği

zamanlarda devreye girecek sistem biokütle temelli yanma sistemidir. Gece

vakitlerinde ya da güneş radyasyonunun hiç olmadığı zamanlarda biokütle yanma

sistemi tek başına çalışmaktadır. Gündüz vakitlerinde güneş enerjisinin yetersiz

olduğu zamanlarda ise biokütle yanma sistemi güneş sistemi ile birlikte çalışarak

sistemi beslemektedir. Biokütle sisteminin yakıt kaynağı olarak çam talaşı

seçilmiştir. Çam talaşının yakıt karakteristikleri Çizelge 3.9’da verilmiştir. Şekil

3.5’den görüldüğü üzere 11 ve 12 numaralı akışlarda sırasıyla biokütle ve hava

atmosferik şartlarda (25°C ve 101,325 kPa) girmektedir. Biokütle yakıcısından

çıkan sıcak sentez gazın ideal gaz olduğu varsayılmıştır. Buradan çıkan sıcak sentez

gazı sırasıyla 13, 14 ve 15 numaralı yolları izleyerek HEX-II ve HEX-III’ten geçerler.

HEX-II’de ısısını Rankine çevirimi akışkanına aktararak elektrik üretimi

sağlamaktadır. Buradaki atık ısı, 14 numaralı yoldan HEX-III’e geçerek ÇEASS

sistemine girmektedir. HEX-III’te hala faydalı ısı bulunduğundan, akışkan 15

numaralı yoldan sıcak su tankına girerek evsel sıcak su için ısı enerjisi

sağlamaktadır.

Çizelge 3.12. Çam talaşının yakıt karakteristiği (Lv vd., 2004)

Bileşen Yüzde (%)

Nem içeriği (%wt) 10

Elemanter analiz (%ağırlık kuru bazda) Yüzde (%)

Karbon (C) 50,54

Hidrojen (H) 7,08

Oksijen (O) 41,11

Kükürt (S) 0,57

72

Entegre polijenerasyon sistemin ve alt bileşenlerinin termodinamik analizi

yapılırken kütle, enerji ve ekserji denge denklemleri yazılmalıdır. Termodinamik

analiz ve parametrik çalışmalar EES yazılımı ile yapılmıştır. Bu hesaplamaların

yapılabilmesi için bazı ön kabuller gerekmektedir, bunlar:

Biokütle yakıcısına giren hava ideal gazdır ve %78 N2 ve %21 O2’den

oluşmaktadır.

Akışlar boyunca basınç kayıpları olmamıştır.

Çevre sıcaklığı ve basıncı proses boyunca değişmemiştir.

Her bir bileşen durgun hal şartlarındadır.

Pompalar, kompresörler, ısı değiştiriciler ve türbin adyabatiktir.

Yanma odasında çam talaşı tam olarak yanmaktadır. Bu yüzden atık gaz

sadece CO2’dir.

3.5.1. Parabolik çanak kolektör

Parabolik çanak kolektörde yansıtıcıdan alıcıya giden güneş enerjisi şu şekilde

hesaplanmaktadır;

��𝑅 = 𝜌𝑅,𝑟𝑒𝑓𝛼𝑅,𝑟𝑒𝑓𝐼𝑠𝐴𝑟𝑒𝑓 (3.130)

burada 𝜌𝑅,𝑟𝑒𝑓 ve 𝛼𝑅,𝑟𝑒𝑓 sırasıyla reflektörün yansıtma ve soğurma katsayılarıdır.

𝐼𝑠güneş radyasyonu yoğunluğudur (W/m2) ve 𝐴𝑟𝑒𝑓 yansıtıcı yüzey alanıdır (m2). Bu

bölümde reflektörün yansıtma ve soğurma miktarları eşit olarak 0,9 olarak kabul

edilmiş ve yüzey alanı 80 m2 alınmıştır. Parabolik çanak kolektör sisteminden

sağlanan faydalı enerji Hottler Whiller bakış açısı ile şu şekilde hesaplanmaktadır

(Tyagi vd., 2007);

��𝑢 = 𝐹𝑅𝐴𝑟𝑒𝑐[𝐶(𝜌𝑅,𝑟𝑒𝑐𝛼𝑅,𝑟𝑒𝑐)��𝑅 − 𝑈𝐿(𝑇𝑟 − 𝑇𝑜) − 𝜀𝜎(𝑇𝑟4 − 𝑇𝑜

4)] (3.131)

73

burada 𝐹𝑅 ısı alma faktörü, 𝐴𝑟𝑒𝑐 alıcının yüzey alanı (m2), 𝐶 konsantrasyon oranı,

𝜌𝑅,𝑟𝑒𝑐 ve 𝛼𝑅,𝑟𝑒𝑐 sırasıyla alıcının yansıtma ve soğurma katsayılarıdır. 𝑈𝐿 alıcı

yüzeyden çevreye ısı transfer katsayısıdır (Wm-2K-1), 𝑇𝑟 alıcı yüzeyin soğurma

sıcaklığı, 𝜀 soğurucu yüzeyin yayıcılığı, 𝜎 Stefan-Boltzmann sabitidir (5,67 x 10-8 W-

2K-4). Bu bölümde, kolektörün soğurucu yüzeyinin yansıtma ve soğurma

katsayılarının eşit olarak 0,8 olduğu kabul edilmiştir. Bunun yanında literatürden

yararlanılarak 𝐴𝑟𝑒𝑐, 𝐶, 𝐹𝑅 , 𝜀 ve 𝑈𝐿 sırasıyla 0,8 m2, 100, 0,9, 0,2 ve 8 W/m2K olarak

alınmıştır (Tyagi vd., 2007).

3.5.2. Rankine çevrimi

HEX-I: HEX-I için enerji denge denklemi şu şekildedir:

��1ℎ1 + ��10ℎ10 = ��2ℎ2 + ��6ℎ6 (3.132)

HEX-I’de sıkışma noktası sıcaklığı (𝑇𝑠𝑛) HEX-I’den çıkan akışkan sıcaklığını analiz

etmek için kullanılır ve şöyledir:

𝑇𝑠𝑛 = 𝑇2 − 𝑇10 (3.133)

Rankine türbini: Rankine türbini için enerji denge denklemi ve enerji verimi

sırasıyla şu şekilde yazılabilir:

��6ℎ6 = ��𝑅𝑇 + ��7ℎ7 (3.134)

𝜂𝑅𝑇 =��𝑅𝑇,𝑎

��𝑅𝑇,𝑖 (3.135)

burada ��𝑅𝑇,𝑎 ve ��𝑅𝑇,𝑖 sırasıyla gerçek ve izentropik Rankine türbin güç çıkışlarıdır.

Kondenser: Kondenser-I için enerji denge denklemi aşağıdaki şekildedir:

74

��7ℎ7 = ��8ℎ8 + ��𝑅𝐶 (3.136)

Pompa-I: Pompa-I için iş denklemi şu şekildedir:

��𝑅𝑃 = ��8ℎ9 − ��9ℎ9 (3.137)

3.5.3. Sıcak su tankı

Sıcak su tankına 17 numaralı akış ile soğuk su 25 °C’de ve 101,3 kPa basınçla

girmektedir. Sıcak su tankı için enerji denge denklemi güneş ve biokütle modu için

sırasıyla şu şekilde ifade edilmektedir:

��𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛(ℎ3 − ℎ4) = ��𝑆𝑆𝑇(ℎ17 − ℎ18) (3.138)

��𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛(ℎ15 − ℎ16) = ��𝑆𝑆𝑇(ℎ17 − ℎ18) (3.139)

burada ��𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛, ve ��𝑆𝑆𝑇 sırasıyla akışkan sıvının kütle akış oranı ve sıcak su

tankına ait kütle akış oranıdır.

3.5.4. Enerji verimi

Entegre polijenerasyon sistemin güneş modu (GM) için enerji verim denklemleri şu

şekildedir:

ηkolektör−GM =QPÇK

Qgüneş+WKFan (3.140)

ηRankine−GM =Wnet−Rankine−SM

QHEX−I+Wpompa−I (3.141)

75

ηtank−GM =Qdepolama tankı

QHEX−IV (3.142)

ηabsorber−GM =Qsoğutma−GM+Qısıtma−GM

QHEX−IV+Wpompa−II (3.143)

ηsistem−GM =Wnet−Rankine−GM+Qsoğutma−GM+Qısıtma−GM

Qgüneş+Wpompa−I+Wpompa−II+WKFan (3.144)

Entegre polijenerasyon sistemin biokütle modu (BM) için enerji verimleri şu

şekildedir;

ηyakıcı−BM =Qbiokütle

m𝑏𝑖𝑜𝑘ü𝑡𝑙𝑒𝐿𝐻𝑉𝑏𝑖𝑜𝑘ü𝑡𝑙𝑒 (3.145)

ηRankine−BM =Wnet−Rankine−BM

QHEX−II+Wpompa−I (3.146)

ηtank−BM =Qdepolama−tank

QHEX−III (3.147)

ηabsorber−BM =Qsoğutma−BM+Qısıtma−BM

QHEX−III+Wpompa−II (3.148)

ηsistem−BM =Wnet−Rankine−BM+Qsoğutma−BM+Qısıtma−BM

m𝑏𝑖𝑜𝑘ü𝑡𝑙𝑒𝐿𝐻𝑉𝑏𝑖𝑜𝑘ü𝑡𝑙𝑒+Wpompa−I+Wpompa−II+WKF (3.149)

Enerjetik performans katsayısı (COPen) çift etkili absorpsiyonlu soğutma sisteminin

performans ölçümünde kullanılmaktadır ve şu şekildedir;

𝐶𝑂𝑃𝑒𝑛 =Qsoğutma

Wpompa−II+Qjen−I (3.150)

76

3.5.5. Ekserji verimi

Güneş ve biokütle temelli entegre polijenerasyon sistemin ve alt sistemlerinin

güneş modu (GM) için ekserji verimleri şu şekildedir;

ψkolektör−GM =ExPÇK

Q

ExgüneşQ

+WKF (3.151)

ψRankine−GM =Wnet−Rankine−GM

ExHEX−IQ

+Wpompa−I (3.152)

ψtank−GM =Exdepolama tankı

Q

ExHEX−IVQ (3.153)

ψabsorber−GM =Exsoğutma−GM

Q+Exısıtma−GM

Q

ExHEX−IVQ

+Wpompa−II (3.154)

ψsistem−GM =Wnet−Rankine−GM+Exsoğutma−GM

Q+Exısıtma−GM

Q

ExgüneşQ

+Wpompa−I+Wpompa−II+WKF (3.155)

Biokütle modu (BM) için entegre polijenerasyon sisteme ait ekserji verimleri şu

şekildedir;

ψyakıcı−BM =Exbiokütle

Q

mbiokütle𝑒𝑥𝑏𝑖𝑜𝑘ü𝑡𝑙𝑒 (3.156)

ψRankine−BM =Wnet−Rankine−BM

ExHEX−IIQ

+Wpompa−I (3.157)

ψtank−BM =Exdepolama tankı

Q

ExHEX−IIIQ (3.158)

77

ψabsorber−BM =Exsoğutma−BM

Q+Exısıtma−BM

Q

ExHEX−IIIQ

+Wpompa−II (3.159)

ψsistem−BM =Wnet−Rankine−BM+Exsoğutma−BM

Q+Exısıtma−BM

Q

mbiokütle𝑒𝑥𝑏𝑖𝑜𝑘ü𝑡𝑙𝑒+Wpompa−I+Wpompa−II+WKF (3.160)

Çift etkili absorpsiyonlu soğutma sisteminin ekserjetik performans katsayısı

(COPex) şu şekilde ifade edilmektedir;

COPex =Exsoğutma

Q

Wpompa−II+Exjen−IQ (3.161)

3.5.6. Çevresel etki değerlendirmesi

Tüm sistem ve alt bileşenlerinden üretilen karbondioksit emisyon miktarlarının

değerlendirilmesi için dört farklı sistem olarak ele alınıp incelenmiştir. Birinci

sistem sadece elektrik üreten bir sistem, ikinci sistem ısı ve elektrik üreten

kojenerasyon, üçüncü sistem ısıtma, soğutma ve elektrik üreten bir tri-jenerasyon

ve son olarak ısıtma, soğutma, elektrik ve sıcak su sağlayan polijenerasyon sistem

olarak değerlendirilmiştir. Üretilen karbondioksit miktarları kaynak kullanımı,

elektrik tüketimi ve materyal üretimi ile doğrudan alakalıdır. Her bir üretim şekli

için CO2 emisyon miktarları aşağıdaki şekilde verilmiştir;

𝜀𝑡𝑒𝑘−𝑗𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑠𝑦𝑜𝑛 =��𝐶𝑂2

��𝑛𝑒𝑡 (3.162)

𝜀𝑘𝑜−𝑗𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑠𝑦𝑜𝑛 =��𝐶𝑂2

��𝑛𝑒𝑡+��𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎 (3.163)

𝜀𝑡𝑟𝑖−𝑗𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑠𝑦𝑜𝑛 =��𝐶𝑂2

��𝑛𝑒𝑡+��𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎+��𝑠𝑜ğ𝑢𝑡𝑚𝑎 (3.164)

78

𝜀𝑝𝑜𝑙𝑖−𝑗𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑠𝑦𝑜𝑛 =��𝐶𝑂2

��𝑛𝑒𝑡+∑ ��𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎+∑ ��Ķ𝑜ğ𝑢𝑡𝑚𝑎+��𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑠𝑢 (3.165)

79

4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA

Bu bölümde çalışmada kullanılan 5 adet polijenerasyon enerji üretim sistemi için

yapılan analizlerin sonuçları verilmiştir. Polijenerasyon sistemin tamamına ve alt

ünitelerine uygulanan termodinamik değerlendirmeler ve parametrik çalışmalar

sunulmuştur.

4.1. Sistem 1 Bulguları ve Tartışma

Engineering Equation Solver (EES) adlı yazılım kullanılarak bir termodinamik

model oluşturulmuştur. Bu modele ait termodinamik analizde Çizelge 3.2’de verilen

ekserji yıkım denklemleri ve ekserji verimlikleri kullanılmıştır. Entegre sistem

tasarımında kullanılan girdi parametreleri Çizelge 4.1’de verilmiştir. Bu çalışmada,

ORC alt sisteminde organik akışkan olarak yüksek kritik sıcaklığından (Tc=569K)

dolayı n-oktan seçilmiştir. Çift etkili absorpsiyonlu soğutma ve ısıtma sistemi

akışkanı olarak Li-Br ve su çifti seçilmiştir.

Sistem tasarımı ve analizi için yapılan bazı ön kabuller aşağıda listelenmiştir.

Polijenerasyon sistemin tüm bileşenlerinde durgun hal şartları olduğu ve

kimyasal reaksiyon gerçekleşmediği kabul edilmiştir.

Sistem bileşenlerinden çevreye ısı kaybı ve pompa işleri ihmal edilmiştir.

Kinetik ve potansiyel enerji değişimleri ihmal edilmiştir.

Genleşme ve sıkışma valflerinin izentropik oldukları kabul edilmiştir.

Alt sistemleri bağlayan bağlantı borularında gerçekleşen ısı kayıpları ve

basınç düşüşleri düşük miktarda olduklarından göz ardı edilmişlerdir.

80

Çizelge 4.1. Entegre sistem girdi verileri (Ahmadi vd., 2015; Ahmadi vd., 2012)

Organik Rankine Çevrimi (ORC) Değer ORC pompa verimi 80% ORC türbin verimi 85% Kütle akış oranı 7,2 kgs-1

ORC boylerinin temel hattının sıkışma noktası sıcaklığı

20 K

ORC türbin giriş basıncı 2 MPa ORC türbin giriş sıcaklığı 550 K Parabolik oluk tipi kolektör Değer Bir kolektörün genişliği 5,76 m Bir kolektörün uzunluğu 12,27 m Alıcı iç çapı 0,066 m Alıcı dış çapı 0,07 m Kapak iç çapı 0,115 m Kapak dış çapı 0,121 m Kolektör kapağının yayıcılığı 0,86 Kolektör alıcısının yayıcılığı 0,15 Kolektör aynasının yansıtıcılığı 0,94 Cam kapağın geçirgenliği 0,96 Alıcının soğuruculuğu 0,96 Sistemde bulunan yoğunlaştırıcı kolektör sayısı 20 Çift etkili absorpsiyonlu soğutma sistemi Değer Absorber ısı transfer katsayısı 75 kWK-1

Evaporatör ısı transfer katsayısı 95 kWK-1

Kondenser ısı transfer katsayısı 80 kWK-1

Yüksek sıcaklık jeneratörü ısı transfer katsayısı 80 kWK-1

Düşük sıcaklık jeneratörü ısı transfer katsayısı 70 kWK-1

Biokütle yakıcı Değer Biokütle akış oranı 80 kgs-1

Biokütle yakıcı sıcaklığı 2073,15 K Standartkimyasal ekserji Değer

𝑒𝑥 𝐻2𝑂𝑘𝑖𝑚,𝑜 9,5 kJ/mol

𝑒𝑥 𝑂2

𝑘𝑖𝑚,𝑜 3,97 kJ/mol

𝑒𝑥 𝑁2

𝑘𝑖𝑚,𝑜 0,72 kJ/mol

𝑒𝑥 𝐶𝑂2

𝑘𝑖𝑚,𝑜 19,87 kJ/mol

Referans şartlar Değer Referans sıcaklık 298,15 K Referans basınç 101,3 kPa

81

EES yazılımı kullanılarak entegre polijenerasyon sistemin güneş ve biokütle modu

için ekserji yıkım miktarları (kW), ekserji yıkım yüzdeleri (%), ekserji verimleri

(%) ve ısı ve güç transferleri hesaplanmış ve sonuçlar Çizelge 4.2 ve 4.3’de

verilmiştir.

Çizelge 4.2. Güneş modu için entegre polijenerasyon sistemin termodinamik değerlendirme sonuçları

Sistem Bileşenleri

Ekserji yıkım miktarı (kW)

Ekserji yıkım yüzdesi

(%)

Ekserji verimi

(%)

Güç veya ısı transfer

miktarı (kW) Parabolik oluk kolektör 1982 36,71 20,21 18987 Boyler 848,1 15,71 90,92 8898 HEX-III 505,8 9,37 89,24 5168 Sıcak su tankı 321,3 5,95 28,19 2984 Pompa-I 62,52 1,16 56,03 740 Türbin 401,3 7,43 93,6 3997 Kondenser-I 261,6 4,85 25,71 2734 Pompa-II 114,7 2,12 58,77 1755 PEM elektroliz sistemi 244,4 4,53 37,03 2310 Hidrojen depolama 182,1 3,37 25,34 1142 Oksijen ayrıştırma 41,7 0,77 82,84 458 Jeneratör-I 97,03 1,80 75,42 1075 Jeneratör-II 74,85 1,39 54,65 809 Kondenser-II 19,91 0,37 21,94 201 Evaporatör 56,31 1,04 40,84 571 Absorber 98,25 1,82 21,42 1096 Pompa-III 8,24 0,15 34,41 92 HEX-IV 6,72 0,12 66,53 69 HEX-V 5,46 0,10 72,85 61 HEX-VI 66,7 1,24 54,87 704

82

Çizelge 4.3. Biokütle modu için entegre polijenerasyon sistemin termodinamik

değerlendirme sonuçları

Sistem Bileşenleri Ekserji yıkım miktarı (kW)

Ekserji yıkım yüzdesi

(%)

Ekserji verimi

(%)

Güç veya ısı transfer

miktarı (kW) Biokütle yakıcı 2098 35,41 38,26 19879 Siklon 148,8 2,51 82,91 1201 HEX-I 957,6 16,16 88,12 9108 HEX-II 528,1 8,91 90,47 5414 Sıcak su tankı 350,8 5,92 29,42 3184 Türbin 443,7 7,49 92,3 4098 Kondenser-I 284,9 4,81 24,83 2896 Pompa-II 128,4 2,17 59,08 1805 PEM elektroliz sistemi 278,7 4,70 36,18 2608 Hidrojen depolama 180,4 3,04 24,47 1329 Oksijen ayrıştırma 43,9 0,74 80,57 462 Jeneratör-I 122,64 2,07 78,18 1209 Jeneratör-II 80,57 1,36 52,72 811 Kondenser-II 21,84 0,37 23,14 218 Evaporatör 62,52 1,06 41,26 618 Absorber 101,57 1,71 24,85 1081 Pompa-III 9,41 0,16 37,06 93 HEX-IV 7,28 0,12 65,42 71 HEX-V 6,68 0,11 71,28 62 HEX-VI 69,4 1,17 58,08 714

Tablolardan görüldüğü üzere güneş ve biokütle modu için en yüksek ekserji yıkım

miktarları sırasıyla parabolik oluk kolektör ve biokütle yakıcıda gerçekleşmektedir.

Çevresel değişken olarak ortam sıcaklığının sistem performansı üzerine etkisi

oldukça önemlidir. Şekil 4.1 referans sıcaklığın çift etkili absorpsiyonlu sistemin

verimine etkisini göstermektedir. Şekilden görüldüğü üzere COPen değeri referans

sıcaklığın artışına rağmen değişmemektedir. Bunun nedeni COPen değeri

hesaplanırken sistemden çevreye gerçekleşen ısı kayıplarının ihmal edilmesidir.

COPex değeri ise referans sıcaklığın 0°C’den 35°C’ye artmasıyla birlikte artmaktadır.

Bunun sebebi de sıcaklığın artması ile referans çevre ve soğutma sistemi arasındaki

sıcaklık farkının azalmasıdır. Bir diğer ifade ile prosesteki ekserji içeriği referans

çevre ile doğrudan ilintilidir.

83

Şekil 4.1. Referans sıcaklığın artışına bağlı olarak çift etkili absorpsiyonlu sistemin enerjetik ve ekserjetik COP değerlerindeki değişim

Ekserji yıkım oranı faydalı enerjideki azalmayı göstermektedir, fakat entegre

sistem bileşenlerinin enerji ve ekserji verimlerini göstermemektedir. Genellikle

entegre sistemin ekserji verimi değeri çevreye salınan ekserji kayıplarını analiz

etmede daha pratiktir. Entegre polijenerasyon sistemin referans sıcaklığa göre

ekserji yıkım oranları ve ekserji verimi güneş ve biokütle modu için sırasıyla Şekil

4.2 ve 4.3’de verilmiştir. Şekillerden görüldüğü üzere, çevre sıcaklığı arttıkça her iki

sistem modu için ekserji yıkım oranı azalmakta, ekserji verimi artmaktadır. Bu

parametrik çalışma sonucu beklenen bir sonuçtur çünkü ekserji yıkım oranı ve

ekserji verimi ters orantılı bir büyüklüktür.

0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

T0 (oC)

CO

Pen

CO

Pex

COPen

COPex

84

Şekil 4.2. Güneş modu için, referans sıcaklığa göre entegre sistemin ekserji yıkım oranındaki ve ekserji verimindeki değişim

Şekil 4.3. Biokütle modu için, referans sıcaklığa göre entegre sistemin ekserji yıkım oranındaki ve ekserji verimindeki değişim

0 5 10 15 20 25 30 35 405200

5400

5600

5800

6000

6200

0,574

0,576

0,578

0,58

0,582

0,584

0,586

0,588

0,59

T0 ( 0C )

Ex

Y,s

iste

m (

kW

)

sis

tem

ExY,sistem (kW)

sistemsistem

0 5 10 15 20 25 30 35 405500

5700

5900

6100

6300

6500

0,638

0,64

0,642

0,644

0,646

0,648

0,65

0,652

0,654

0,656

T0 ( 0C )

Ex

Y,s

iste

m (

kW

)

sis

tem

sistemsistem

ExY,sistem ExY,sistem

85

Entegre sistemin ve alt bileşenlerinin farklı çalışma şartlarında ve çevresel

durumlarda nasıl davrandığını görmek için bazı analizler yapılmış ve sonuçları

verilmiştir. Referans sıcaklığın tüm sistemin ve alt bileşenlerinin enerji ve ekserji

verimlerine etkisi güneş ve biokütle modu için sırasıyla Şekil 4.4 ve 4.5’de

verilmiştir. ORC alt sisteminin enerji verimi artan referans sıcaklığa rağmen

değişmemekte fakat ekserji verimi 0°C’de %18.5’den 35°C’de %20’ye kadar

artmaktadır. Buna ek olarak, hem güneş hem de biokütle modunda absorpsiyonlu

soğutma sistemi dışındaki tüm alt sistemler ve sistemin tamamı için enerji ve

ekserji verimleri artan referans sıcaklıkla birlikte artmaktadır. Bu iki şekilden

görüldüğü üzere, biokütle temelli sistemin hidrojen üretim performansı güneş

temelli sisteme göre az da olsa yüksektir. Bunun sebebi de biokütle temelli

sistemde enerji üretim oranının daha yüksek olmasıdır.

Küresel güneş radyasyonunun polijenerasyon sistemin elektriksel güç ve hidrojen

üretimine etkisi Şekil 4.6’da gösterilmiştir. Bu sonuç küresel güneş radyasyonuna

dair olduğu için sadece güneş modu için gösterilmiştir. Şekil 4.6’nın sol tarafı ORC

alt sisteminin güç üretimini, sağ tarafı ise PEM elektrolizör alt sisteminin hidrojen

üretim hızını göstermektedir. Elektrik güç üretim miktarı 500 Wm-2’de 255 kW

iken 1000 Wm-2’de 308 kW’a kadar çıkmaktadır. Benzer olarak hidrojen üretim hızı

aynı radyasyon değerlerinde 3.5 kgs-1’den 5.3 kgs-1 değerine çıkmaktadır. Bu

artışlar boylerin çıkış sıcaklığının, T2, artışıyla alakalıdır. Bu şekilden de görüldüğü

üzere, entegre sistemin elektrik üretimi öğlen vaktinde en yüksektir. Bu yüksek

miktarda üretilen elektrik PEM elektrolizör kullanılarak depolanabilmektedir.

86

Şekil 4.4. Güneş modu için, güneş ve biokütle temelli entegre sistemin alt

bileşenlerinin referans sıcaklığa bağlı olarak enerji ve ekserji verimlerinin değişimi

Şekil 4.5. Biokütle modu için, güneş ve biokütle temelli entegre sistemin alt bileşenlerinin referans sıcaklığa bağlı olarak enerji ve ekserji verimlerinin değişimi

87

Şekil 4.6. Güneş modu için küresel güneş radyasyonunun elektrik ve hidrojen

üretimine etkisi

ORC alt sisteminin ısı değiştiricisinin sıkışma noktası sıcaklığının elektrik ve

hidrojen üretimine etkisi hem güneş hem de biokütle modu için analiz edilmiştir.

Teorik analiz sonuçları Şekil 4.7’de gösterilmiştir. Şekilden görüldüğü gibi, sıkışma

noktası sıcaklığı 20K’den 70K’e arttıkça elektrik üretimi 580 kW’dan 390 kW’a

düşmektedir. Benzer şekilde hidrojen üretim hızı aynı sıcaklık değişimi için 8 kgs-

1’den 6 kgs-1’e düşmektedir. Bu beklendik bir sonuçtur, çünkü ORC ısı

değiştiricisinin sıkışma noktası sıcaklığı arttıkça ORC alt sistemine ısı girişi

azalmaktadır. Bu yüzden ORC sistemi ve PEM elektrolizörü için daha az faydalı

enerji kalmaktadır.

88

Şekil 4.7. Her iki mod için, ORC ısı değiştiricisinin sıkışma noktası sıcaklığındaki değişimin elektrik ve hidrojen üretimine etkisi

ORC türbin giriş basıncının değişmesinin hidrojen ve elektrik üretimine etkisi Şekil

4.8’de gösterilmiştir. Giriş basıncı 2000 kPa’dan 6000 kPa’a çıkarıldığında, entegre

sistemin elektrik üretimi 520 kW’dan 482 kW’a düşmektedir. PEM elektrolizörün

hidrojen üretim hızı da 7,02 kgs-1’den 5,88 kgs-1’e düşmektedir. Bunun nedeni diğer

termodinamik değişkenler sabit iken, giriş basıncının artması akışkan sıvının çıkış

entalpilerini değiştirmezken giriş entalpisini azaltıyor olmasıdır.

89

Şekil 4.8. ORC türbin giriş basıncının elektrik ve hidrojen üretimine etkisi

ORC ısı değiştiricisinin sıkışma noktası sıcaklığına bağlı olarak CO2

emisyonlarındaki değişim Şekil 4.9’da verilmiştir. Sıkışma noktası sıcaklığının

artması konvansiyonel sistemlerde, kojenerasyonda, trijenerasyonda ve

polijenerasyonda CO2 emisyonunu artırmaktadır. Konvansiyonel sistemlerdeki CO2

emisyonu diğer sistemlere göre daha fazladır. ORC ısı değiştiricisi sıkışma noktası

sıcaklığındaki artış akış entalpisinin düşmesinden dolayı ORC türbin gücünde her

zaman azalmaya neden olmaktadır. Buna ek olarak Şekil 4.7’de görüldüğü gibi

sıkışma noktası sıcaklığındaki artış hidrojen üretiminde azalmaya neden

olmaktadır. Fakat sıkışma noktası sıcaklığındaki artış ısıtma ve soğutma yükü ile

evsel sıcak su üretimini kapsamadığından, trijenerasyon ve polijenerasyon

sistemlerinde CO2 emisyonu az da olsa artmaktadır.

90

Şekil 4.9. Sıkışma noktasının artışına bağlı olarak farklı sistemlerde CO2 emisyonundaki değişim

ORC türbininin giriş basıncındaki değişimin CO2 emisyonlarına etkisi Şekil 4.10’da

gösterilmiştir. Şekilden görüldüğü üzere, sadece elektrik üreten sistemde CO2

emisyonları görece yüksektir. Entegre sistemin sadece elektrik üreten durumunda

karbondioksit emisyonları 2000 kPa’da 3100 kg-MWh iken 6000 kPa’da 3400 kg-

MWh’dır. Diğer yandan, trijenerasyon ve polijenerasyon durumlarında CO2

emisyonları 2000 kPa için 610 kg-MWh ve 6000 kPa için 490 kg-MWh’dır.

91

Şekil 4.10. Türbin giriş basıncının değişimine bağlı olarak sistemlerin karbondioksit emisyonları

4.2. Sistem 2 Bulguları ve Tartışma

2 numaralı sistemin analizlerinde her bir bileşen için ekserji yıkım oranları

hesaplanmış ve sistem bileşenlerinin verimleri değerlendirilmiştir. Prosesler

boyunca bileşenlerden termal enerji kayıplarının gerçekleştiği birçok çalışma ile

gösterilmiştir. Ekserjinin tanımından yola çıkarak, entropi oluşumu ekserji yıkımını

tetiklemektedir. Çünkü entropi oluşumu ile faydalı iş miktarı azalmakta ve geri

kazanılmamaktadır. Sıcaklık farkından kaynaklanan ısı transferi, kompresör işi,

genleşme işi, kimyasal reaksiyon gibi olaylar daima entropi üretimine neden

oldukları için, ekserji yıkımı tersinmezlik olarak da ifade edilmektedir. Toplam

sistem performansını değerlendirmek için, ekserji analizinden yararlanmak

oldukça mantıklıdır. Çünkü ekserji analizi sayesinde ekserji yıkımının en fazla

nerelerde gerçekleştiği görülür ve bu sayede sistemde olası bir iyileştirme

yapılmak istendiğinde bu bileşenler iyileştirilir.

92

Bu sistem için enerji ve ekserji verimlerini içeren enerji ve ekserji analizlerinin yanı

sıra bileşenler için ekserji yıkım oranları da verilmiştir. Sonuçlardan görüldüğü

üzere kömür gazlaştırma ünitesinin giriş ve çıkış ekserji akışları kullanılan

kömürün ve havanın enerji ve ekserji girdileriyle doğrudan alakalıdır. Buna ek

olarak, başta gazlaştırma olmak üzere bir takım kimyasal olaylardan kaynaklanan

ekserji kayıpları da hesaplanmıştır.

Ayrıca işletme şartlarındaki değişikliklere bağlı olarak enerji ve ekserji

verimlerinde meydana gelen değişiklikler termodinamik analiz şeklinde ele

alınmıştır. Termodinamik analiz enerji ve ekserji verimleri ile birlikte parametrik

çalışmalar da içererek iş çıktısı ve proses ısısı hakkında da bilgi verir. Entegre

sistemin tasarımında enerji ve ekserji verimini birçok faktör etkileyebilmektedir.

Şekil 4.11. Ortam sıcaklığına bağlı olarak kolektörde meydana gelen ekserji yıkım

miktarı ve ekserji verimi

Şekil 4.11 ortam sıcaklığının 0°C’den 40°C’ye artmasının kolektör üzerindeki

etkisini göstermektedir. Sıcaklık artışı kolektörün ekserji yıkım oranın yaklaşık 248

0 5 10 15 20 25 30 35 40215

220

225

230

235

240

245

250

0,2475

0,248

0,2485

0,249

0,2495

0,25

0,2505

0,251

T0 ( 0C)

Ex

Y, kole

ktö

r (M

W)

kole

ktö

r

ExY, kolektör (MW)ExY, kolektör (MW)

kolektör kolektör

93

MW düzeylerinden 215 MW seviyelerine kadar düşürmektedir. Ortam sıcaklığının

artışı kolektörde ısınan akışkan sıcaklığı ile çevre sıcaklığı arasındaki farkı

azalttığından ekserji yıkım oranı azalmaktadır. Buna bağlı olarak, ekserji verimi de

çok az olsa da artış göstermiştir.

Şekil 4.12. Ortam sıcaklığına bağlı olarak gazlaştırıcıda meydana gelen ekserji yıkım

miktarı ve ekserji verimi

Şekil 4.12 kömür gazlaştırma ünitesinin sıcaklığa bağlı olarak ekserji yıkım miktarı

ve ekserji verimindeki değişimi göstermektedir. Ortam sıcaklığı 0°C’den 40°C’ye arttıkça, ekserji yıkım miktarı az miktarda azalmaktadır. Ekserji yıkım miktarının azalmasıyla birlikte kömür gazlaştırma ünitesinin ekserji verimi artmaktadır.

Şekil 4.13 Rankine çevriminin ortam sıcaklığına bağlı olarak ekserji yıkım

miktarındaki ve ekserji verimindeki değişimi göstermektedir. Ortam sıcaklığı

arttıkça ekserji yıkım miktarı azalmakta ekserji verimi artmaktadır.

0 5 10 15 20 25 30 35 40337,5

338

338,5

339

339,5

340

340,5

341

341,5

342

0,4604

0,4606

0,4608

0,461

0,4612

0,4614

0,4616

0,4618

0,462

0,4622

T0 ( 0C)

Ex

Y, gazla

stirici (

MW

)

gazla

stirici

ExY, gazlastirici ExY, gazlastirici

gazlastirici gazlastirici

94

Şekil 4.13. Ortam sıcaklığına bağlı olarak Rankine çevriminde meydana gelen

ekserji yıkım miktarı ve ekserji verimi

Şekil 4.14. Ortam sıcaklığına bağlı olarak absorpsiyonlu sistemde meydana gelen

ekserji yıkım miktarı ve ekserji verimi

0 5 10 15 20 25 30 35 4020

25

30

35

40

45

50

0,38

0,39

0,4

0,41

0,42

0,43

0,44

0,45

T0 ( 0C)

Ex

Y, R

anki

ne (

MW

)

Ranki

ne

Ex Y, Rankine Ex Y, Rankine

Rankine Rankine

0 5 10 15 20 25 30 35 4028,5

29

29,5

30

30,5

31

31,5

32

32,5

29

29,5

30

30,5

31

31,5

32

32,5

T0 ( 0C)

Ex

Y, A

bsor

psiy

on (

MW

)

Abs

orps

iyon

Absorpsiyon Absorpsiyon

Ex Y, AbsorpsiyonEx Y, Absorpsiyon

95

Şekil 4.14’den görüldüğü üzere ortam sıcaklığının 0°C’den 40°C’ye çıkması,

absorpsiyonlu soğutma sisteminin ekserji yıkım miktarını artırmakta ve ekserji

verimini azaltmaktadır. Bunun nedeni ortam sıcaklığı arttıkça absorpsiyonlu

soğutma sisteminin soğutma yükü artmaktadır.

Şekil 4.15. Ortam sıcaklığına bağlı olarak metanol üretim alt sisteminde meydana

gelen ekserji yıkım miktarı ve ekserji verimi

Şekil 4.15 metanol üretim alt sisteminin sıcaklığa bağlı olarak ekserji yıkım

miktarını ve ekserji verimini göstermektedir. Dış ortam sıcaklığının artışı metanol

üretim sisteminin ekserji verimini artırmaktadır.

Son olarak Şekil 4.16 tüm sistemin sıcaklığa bağlı olarak ekserji yıkım miktarını ve ekserji

verimini göstermektedir. Sıcaklık artışı tüm sistemin ekserji yıkım oranını büyük

ölçüde artırmaktadır bu da ekserji veriminin %60 seviyelerinden %55 seviyelerine

düşmesine neden olmaktadır.

0 5 10 15 20 25 30 35 4061,4

61,5

61,6

61,7

61,8

61,9

62

62,1

0,14

0,141

0,142

0,143

0,144

0,145

0,146

0,147

0,148

T0 ( 0C)

Ex Y

,meta

nol (

MW

)

meta

nol

metanol metanol

Ex Y,metanol Ex Y,metanol

96

Şekil 4.16. Ortam sıcaklığına bağlı olarak polijenerasyon enerji üretim sisteminde

meydana gelen ekserji yıkım miktarı ve ekserji verimi

Burada önerilen sistemde yenilenebilir enerji kaynağı olarak güneş enerjisi ve onu

destekleyecek kömür gazlaştırma ünitesi sunulmuştur. Türkiye’deki kömür

rezervlerinin büyük çoğunluğu linyit kömürüdür. Linyit kömürü taşkömürüne

kıyasla yüksek oranda kül, uçucu madde ve kükürt içermektedir. Yani enerji içeriği

taşkömüründen azdır. Dolayısıyla doğrudan yakarak kullanılması hem verimsiz

hem de çevreye oldukça zararlıdır. Önerilen sistemde kömür gazlaştırılarak

kullanılır ise bu atık maddeler çevreye salınmaz ve üretilen sentez gaz sayesinde

nispeten temiz olan elektrik enerjisi üretilir. Önerilen sistemin termodinamik

analizlerinden başlıca şu sonuçlar çıkarılabilir;

Entegre polijenerasyon sistemin kapasite ve performansı güneşlenme

verilerine ve sistemin tasarım parametrelerine bağlı olarak değişmektedir.

0 5 10 15 20 25 30 35 400

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0,54

0,55

0,56

0,57

0,58

0,59

0,6

0,61

T0 ( 0C)

Ex

Y,s

iste

m (

MW

)

sis

tem

sistem sistem

Ex Y,sistem Ex Y,sistem

97

Entegre polijenerasyon sistemde meydana gelen ekserji yıkım oranının

%18’ünden kömür gazlaştırma ünitesi sorumludur.

Entegre sistemin toplam enerji ve ekserji verimleri sırasıyla %67 ve %58

olarak hesaplanmıştır.

Polijenerasyon amaçlı entegre sistemler elektrik, hidrojen, kimyasal, sıcak

su, ısıtma ve soğutma sağlamak amaçlı umut veren teknolojilerdir.

Uygulama örnekleri bulunsa da yeni teknoloji olmalarından dolayı

araştırmalar devam etmektedir.

4.3. Sistem 3 Bulguları ve Tartışma

Bu bölümde jeotermal ısıyı kaynak olarak kullanan polijenerasyon enerji üretim

sistemi termodinamik ve termoekonomik bakış açısıyla değerlendirilmiştir.

Polijenerasyon enerji üretim sistemi jeotermal güç tesisi, organik Rankine çevrimi,

dört etkili absorpsiyonlu soğutma sistemi, PEM elektrolizörü ve evsel sıcak su alt

sistemleri olmak üzere beş adet alt sistemden oluşmaktadır. Bu alt sistemlerin ve

tüm sistemin enerji verimleri, ekserji verimleri ve ekserji yıkım oranları analiz

edilmiştir. Bunlara ek olarak polijenerasyon sistemin farklı çalışma şartlarında

performansının nasıl etkilendiğini tespit etmek için, bazı performans

değerlendirmeleri ve parametrik çalışmalar yapılmıştır. Herhangi bir

polijenerasyon enerji üretim tesisi tasarımında bu değişkenler önemli rol

oynamaktadır. Bu sistemde tasarlanan polijenerasyon sistemin önemli çıktıları

hidrojen ve elektrik olduğundan, hidrojen üretimini ve elektrik üretimin etkileyen

çevre sıcaklığı, jeotermal su giriş basıncı, jeotermal su kütle akış oranı, jeotermal su

sıcaklığı, elektrolizör sıcaklığı, ORC türbin giriş basıncı, buharlaştırıcı sıkışma

noktası sıcaklığı, kondenser sıcaklığı ve türbin giriş ve çıkış sıcaklıkları analiz

edilmiştir. Ayrıca jeotermal su sıcaklığının ve çok yüksek sıcaklık jeneratörünün

sıcaklığının maliyetleri nasıl etkilediğini görmek için termoekonomik analiz

yapılmıştır. Polijenerasyon sistemin termodinamik hesaplamaları EES yazılımı ile

yapılmıştır. Entegre proseslerin tersinmezliklerinin incelenmesi için, tüm sistem

98

elemanları için ekserji yıkım miktarları (kW) hesaplanmış, ekserji yıkım yüzdeleri

(%) ve ekserji verimleri (%) ile Çizelge 4.4’de verilmiştir.

Çizelge 4.4. Sistem elemanlarının ekserji yıkım miktarları, ekserji yıkım yüzdeleri ve ekserji verimleri

Sistem Cihazı Ekserji Yıkım Miktarı (kW)

Ekserji Yıkım Yüzdesi (%)

Ekserji Verimi (%)

Flaş odası-I 710,8 8,81 98,64 Flaş odası -II 727,7 9,02 96,06 Flaş ayırıcı-I 218,9 2,71 97,35 Flaş ayırıcı -II 216,04 2,68 99,78 Buharlaştırıcı 1590 19,7 66,16 Türbin 673 8,34 80,62 HEX-I 405,4 5,02 75,06 HEX-II 260,1 3,22 46,38 Kondenser-I 150,7 1,87 62,61 Su ön ısıtıcı 18,861 0,23 99,53 PEM elektrolizör 239,39 2,97 41,65 Evsel su ısıtıcı 486,4 6,03 35,41 Çok yüksek sıcaklık jeneratörü 576 7,14 46,62 Yüksek sıcaklık jeneratörü 288,5 3,57 54,42 Orta sıcaklık jeneratörü 208,45 2,58 84,52 Düşük sıcaklık jeneratörü 152,8 1,89 76,52 Genleşme valfi-I 6,85 0,08 96,72 Genleşme valfi -II 7,84 0,1 97,04 Çok yüksek sıcaklık HEX 249,4 3,09 59,08 Yüksek sıcaklık HEX 197,53 2,45 67,42 Orta sıcaklık HEX 86,82 1,08 68,21 Düşük sıcaklık HEX 74,5 0,92 66,86 Kondenser HEX 46,82 0,58 42,81 Kondenser-II 275,45 3,41 65,24 Evaporatör 78,82 0,98 48,42 Absorber 124,42 1,54 24,56

En yüksek ekserji yıkım miktarı buharlaştırıcıda (1590 kW) gerçekleşmiştir. Ayrıca

flaş odası-I ve flaş odası-II (218,9 kW ve 216,04 kW) diğer bileşenlere kıyasla

yüksek ekserji yıkım miktarlarına sahiptir. HEX-III ve su ön ısıtıcının ekserji yıkım

99

miktarları sırasıyla 8,961 kW ve 18,861 kW’dır. Alt sistemler ve tüm sistemin enerji

ve ekserji verimleri Çizelge 4.5’de verilmiştir.

Çizelge 4.5. Alt sistemler ve tüm sistemin enerji ve ekserji verimleri

Alt Sistem Enerji verimi Ekserji verimi

Jeotermal güç tesisi 0,474 0,1461

ORC 0,368 0,4442

Absorpsiyonlu soğutma 0,533 0,1648

Hidrojen üretimi 0,6287 0,5819

Evsel sıcak su 0,5075 0,2768

Tüm sistem 0,4704 0,3215

Çizelge 4.5’den görüldüğü üzere en düşük ekserji verimi jeotermal güç tesisinde

iken (%14,61) en yüksek ekserji verimi hidrojen üretim biriminde (%58,19)

gözlemlenmiştir. Fakat enerji verimi bakış açısıyla bakılırsa, en düşük enerji verimi

ORC alt sisteminde (%36,8), en yüksek enerji verimi hidrojen üretim alt

sistemindedir (%62,87).

Referans çevre sıcaklığının, jeotermal su giriş basıncının, jeotermal su kütle akış oranının, jeotermal su sıcaklığının, elektrolizör sıcaklığının, ORC türbin giriş basıncının, buharlaştırıcı sıkışma noktası sıcaklığının, ORC türbin giriş ve çıkış sıcaklığının ve kondenser sıcaklığının elektrik üretimine, hidrojen üretimine, enerji ve ekserji verimine etkisi parametrik çalışmalarla analiz edilmiştir. Ekserji veriminin hesaplanmasında referans çevre değişkenleri oldukça önemlidir çünkü polijenerasyon sistemin tersinmezliklerinin belirlenmesi bu değişkenlere bağlıdır.

Şekil 4.17 artan referans çevre sıcaklığına bağlı olarak alt sistemler ve tüm

sistemde meydana gelen ekserji verimini göstermektedir.

100

Şekil 4.17. Referans sıcaklığa bağlı olarak tüm sistem ve alt sistemlerde meydana

gelen ekserji değişikliği

Referans çevre sıcaklığı 0°C’den 35°C’ye yükseldikçe, DEASS hariç alt sistemlerin ve tüm sistemlerin ekserji verimi artmaktadır. DEASS’ın ekserji verimi ise %21,12’den

%12,18’e düşmektedir. Bunun nedeni referans çevre sıcaklığının artması absorpsiyonlu soğutma sisteminin soğutma yükünü de artırmasıdır. Diğer alt

sistemlerin ve tüm sistemin ekserji veriminin artmasının nedeni de jeotermal su sıcaklığı ile referans çevre sıcaklığı arasındaki farkın azalmasıdır. Entegre

polijenerasyon sistemin veriminin iyi ya da kötü olduğunu görmek için ekserji yıkım miktarı önemli bir göstergedir. Bir diğer ifadeyle, ekserji yıkımının nerede

gerçekleştiğini bilmek entegre prosesin verimini artırmak için hangi sistemle ilgilenilmesi gerektiğini göstermektedir. Alt sistemlerin ve tüm sistemin ekserji

yıkım miktarları Şekil 4.18’de gösterilmiştir.

101

Şekil 4.18. Tüm sistemin ve alt sistemlerin ekserji yıkım miktarları

Şekle göre en yüksek ekserji yıkım miktarı jeotermal güç tesisinde en düşük ekserji

yıkım miktarı ise absorpsiyonlu soğutma sisteminde gözlemlenmektedir.

Absorpsiyonlu soğutma sistemlerinin daha detaylı analizi için performans katsayısı

(COP) kullanılması oldukça faydalıdır.

Şekil 4.19’dan görüldüğü üzere, absorpsiyonlu soğutma sisteminin enerjetik

performans katsayısı (COPen) artan sıcaklığı rağmen neredeyse değişmeden

kalmıştır. Ekserjetik performans katsayısı ise (COPex) artan sıcaklıkla birlikte

artmıştır. Bunun nedeni de artan referans çevre sıcaklığı evaporatör sıcaklığı ile

arasındaki farkın artmasına neden olur böylece soğutma amaçlı kullanılmak üzere

daha fazla faydalı enerji elde edilmiş olur.

Flaş ayırıcıların kullanıldığı sistemlerde, jeotermal su giriş basıncı sistemin

performansını etkileyen önemli bir faktördür. Çünkü flaşlama yoluyla üretilen

102

toplam buhar miktarı flaş odasından çıkan jeotermal suyun basıncı ile doğrudan

alakalıdır.

Şekil 4.19. Referans sıcaklığa bağlı olarak absorpsiyonlu soğutma sisteminin

performans katsayılarındaki değişim

Şekil 4.20. Jeotermal su giriş basıncına bağlı olarak alt sistemler ve entegre

sistemde meydana gelen ekserji değişiklikleri

0 5 10 15 20 25 30 35 400,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,16

0,18

0,2

0,22

0,24

0,26

0,28

0,3

0,32

0,34

T0 ( 0C)

CO

Pen

CO

Pex

COPenCOPen

COPexCOPex

103

Şekil 4.21. Jeotermal su giriş basıncına bağlı olarak sistemden üretilen elektrik ve

hidrojen miktarındaki değişim

1 ve 4 numaralı akışlarda gösterilen jeotermal suyun giriş basıncının 500 kPa’dan 1000 kPa’a artması tüm alt sistemlerin ve ana sistemin ekserji verimini azaltmaktadır. ORC türbininde üretilen elektriğin bir kısmı daha önce de belirtildiği üzere PEM elektrolizörde kullanılmaktadır. Dolayısıyla elektrik üretimi ve hidrojen üretimi arasında doğru orantılı bir ilişki bulunmaktadır.

Şekil 4.21’den görüldüğü üzere, jeotermal su giriş basıncı arttıkça hem elektrik hem

de hidrojen üretimi azalmaktadır. ORC türbininde üretilen elektrik miktarının

azalması, PEM elektrolizörüne daha az elektriğin gelmesi anlamına gelir. Bu yüzden

PEM elektrolizörün bağ ayırma kapasitesi azalır ve sonuç olarak daha az hidrojen

gazı üretilir.

Bir diğer parametrik çalışma jeotermal suyun kütle akış hızının alt sistemlerin ve

ana sistemin ekserji verimini nasıl etkilediği üzerine yapılmıştır.

104

Şekil 4.22. Jeotermal su kütle akış oranına bağlı olarak ekserji verimlerindeki

değişimler

Şekil 4.22 jeotermal suyun kütle akış hızının 100 kg/s’den 200 kg/s’e yükseldikçe,

absorpsiyonlu soğutma sistemi dışında tüm alt sistemlerin ve ana sistemin ekserji

veriminin arttığını göstermektedir. Bunun arkasındaki mantık şudur: jeotermal

suyun kütle akış hızının artması ile jeotermal güç tesisinin verimi artar bu sayede

buna bağlı olan absorpsiyonlu soğutma sistemi dışındaki diğer alt sistemlerin de

verimi artar.

105

Şekil 4.23. Jeotermal su kütle akış hızına bağlı olarak elektrik ve hidrojen

üretimindeki değişim

Şekil 4.23 jeotermal suyun kütle akış hızındaki değişimin üretilen elektrik ve

hidrojen miktarına etkisini göstermektedir. Kütle akış hızının artması üretilen

elektrik miktarını dolayısıyla hidrojen miktarını da artırmaktadır. Çünkü jeotermal

suyun kütle akış hızının artması ORC türbininden daha fazla buhar geçmesini

sağlamakta bu sayede net elektrik enerjisinin artmasını sağlamaktadır. Jeotermal

su kütle akış hızının 100 kg/s’den 200 kg/s’e artması, net elektrik miktarını 6 MW

seviyelerinden yaklaşık 10 MW’a, üretilen hidrojen gazı miktarını da 0,054

kg/s’den 0,086 kg/s’a çıkarmaktadır.

Jeotermal temelli polijenerasyon enerji üretim sisteminin verimini etkileyen bir diğer önemli değişken de jeotermal su sıcaklığıdır.

Şekil 4.24’den görüldüğü üzere, jeotermal su sıcaklığı 130°C’den 200°C’ye kadar

yükseldikçe, üretilen elektrik yaklaşık 4 MW’dan yaklaşık 8 MW’a kadar, hidrojen

üretim hızı ise yaklaşık 0,04 kg/s’den yaklaşık 0,07 kg’s’ye kadar artmaktadır.

Bunun nedeni jeotermal su sıcaklığının artması 1 ve 4 numaralı akışlarda daha

106

fazla faydalı enerjiye sahip jeotermal suya neden olmaktadır. Bu yüzden daha sıcak

jeotermal su tüm sistemin daha yüksek verimde olmasını sağlamaktadır.

Şekil 4.24. Jeotermal su sıcaklığının elektrik ve hidrojen üretimine etkisi

Şekil 4.25. Jeotermal su sıcaklığının enerji ve ekserji verimine etkisi

107

Şekil 4.25 jeotermal su sıcaklığının artışının tüm sistemin enerji verimini

%46,12’den %65,81’e, ekserji veriminin de %30,52’den %32,53’e arttığını

göstermektedir. Sistemin enerji veriminin ekserji verimine nazaran daha yüksek

olması aynı zamanda ekserji veriminin daha temiz ve gerçekçi bir gösterge

olduğunu belirtmektedir.

Bu polijenerasyon sistemin iki önemli çıktısından biri hidrojendir ve hidrojen PEM

elektrolizöründe üretilmektedir. Bu yüzden PEM elektrolizör sıcaklığının

elektrolizör alt sistemin enerji ve ekserji verimine etkisi analiz edilmiştir.

Şekil 4.26. Elektrolizör sıcaklığının enerji ve ekserji verimine etkisi

Şekil 4.26’dan görüldüğü üzere, PEM elektrolizör sıcaklığı 60°C’den 120°C’ye kadar

arttıkça elektrolizör sisteminin enerji ve ekserji verimi sırasıyla %60,62’den

%67,24’e ve %60,14’den %62,26’ya kadar artmaktadır. Bunun nedeni PEM

elektrolizör sisteminin sıcaklığının artması elektrik talebini düşürmesidir.

108

PEM elektrolizör alt sisteminin çalışmasını etkileyen bir diğer önemli faktör de

referans çevre sıcaklığıdır. Şekil 4.27 referans çevre sıcaklığı 0°C’den 40°C’ye kadar

çıktıkça, PEM elektrolizörünün ekserji yıkımının azaldığını buna bağlı olarak ekserji

veriminin arttığını göstermektedir.

Şekil 4.27. Referans çevre sıcaklığının PEM elektrolizörünün ekserji verimi ve ekserji yıkımına etkisi

Şekil 4.28 ise ORC alt sisteminin elektrik üretiminin ve sistemin hidrojen

üretiminin farklı ORC türbin giriş basınçlarında nasıl değiştiğini göstermektedir.

Şekilden görüldüğü üzere türbin giriş basıncı arttıkça hem elektrik üretimi hem de

hidrojen üretimi azalmaktadır. Bunun sebebi ORC türbin çıkışında azalma olmakta

ve bu yüzden ekserji yıkım miktarı artmaktadır. Elektrik enerjisi azalması artan

basınçla birlikte jeotermal sudan aktarılan ısı enerjisinin azalması ile alakalıdır.

0 5 10 15 20 25 30 35 40210

220

230

240

250

260

270

280

290

0,36

0,37

0,38

0,39

0,4

0,41

0,42

0,43

0,44

0,45

T0 ( 0C)

Ex Y

,PE

M e

lek (

KW

)

PE

M

Ex Y,PEM elekEx Y,PEM elek

PEM PEM

109

Şekil 4.28. ORC türbin giriş basıncının üretilen hidrojen ve elektrik miktarına etkisi

Şekil 4.29. Buharlaştırıcının sıkışma noktasının üretilen elektrik ve hidrojen

miktarına etkisi

110

Buharlaştırıcının sıkışma noktası sıcaklığındaki değişimin elektrik ve hidrojen üretimi üzerine etkisi

Şekil 4.29’de gösterilmiştir. Şekilden görüldüğü üzere buharlaştırıcının sıkışma

noktası sıcaklığı 20K’den 70K’e kadar arttıkça, elektrik üretimi 6125 kW

değerinden 5140 kW değerine, üretilen hidrojen hızı ise 0,0536 kg/s’den 0,0448

kg/s’e azalmaktadır. Bunun sebebi buharlaştırıcı sıkışma noktasının artışı izobütan

tarafından jeotermal sudan ORC alt sistemine aktarılan ısı enerjisinin azalmasına

neden olmasıdır.

Şekil 4.30. ORC türbine giren akışkanın sıcaklığının üretilen elektrik ve hidrojen

miktarına etkisi

Elektrik ve hidrojen üretimini etkileyen bir diğer önemli parametre ORC türbine giren akışın sıcaklığıdır.

Şekil 4.30’dan görüldüğü üzere giren akışkanın sıcaklığı arttıkça üretilen hidrojen

ve elektrik miktarı artmaktadır. Bu sıcaklık artışının hidrojen ve elektrik

üretiminde artışa yol açmasının nedeni ORC türbine daha fazla ısı enerjisinin giriş

yapmasıdır. Bu da türbinde üretilen elektriği buna bağlı olarak da hidrojen

üretimini artırmaktadır.

111

Şekil 4.31. ORC türbinden çıkan akışkan sıcaklığının üretilen elektrik ve hidrojen

miktarına etkisi

ORC türbine giren akışın sıcaklığının incelenmesinden sonra türbinden çıkan akışın sıcaklığının da elektrik ve hidrojen üretimine etkisi incelenmiştir.

Şekil 4.31 türbin çıkış sıcaklığının 60°C’den 100°C’ye kadar çıktıkça, elektrik

üretiminin 6362 kW’tan 5906 kW’a hidrojen üretim hızının da 0,0568 kg/s’den

0,0527 kg/s’ye azaldığını göstermektedir.

Şekil 4.32 kondenser sıcaklığındaki değişimin elektrik ve hidrojen üretimini nasıl

etkilediğini göstermektedir. Kondenser sıcaklığındaki yaklaşık 10°C’lik artış

elektrik üretiminde yaklaşık 500 kW, hidrojen üretiminde ise 0,005 kg/s’lik

azalmaya yol açmaktadır. Diğer nicelikler sabit kalıp kondenser çıkış sıcaklığı

arttığı zaman kondenserden çıkan akışkanın daha düşük entalpi içeriğine sahip

olmasına neden olmaktadır.

112

Şekil 4.32. Kondenser sıcaklığının üretilen elektrik ve hidrojen miktarına etkisi

İncelenen bu 3 numaralı sistem için termoekonomik analiz de yapılmıştır. Şekil 4.33 enerji üretim hızının ekserji verimine ve toplam maliyete etkisini

göstermektedir.

Şekil 4.33. Enerji üretim hızının ekserji verimine ve toplam maliyete etkisi

113

Enerji üretim hızı 3000 kW değerinden 7000 kW değerine kadar arttıkça, toplam

yatırım maliyeti yaklaşık 8 M$’dan 16 M$’a kadar, ekserji verimi de %26’dan %34’e

kadar artmaktadır.

Şekil 4.34. Jeotermal su sıcaklığının ORC alt sistemi maliyetine ve ekserji verimine

etkisi

Şekil 4.34 jeotermal su sıcaklığının ORC alt sisteminin birim maliyetine ve ORC

sisteminin ekserji verimine etkisini sunmaktadır. Şekilden görüldüğü gibi jeotermal

su sıcaklığının 130°C’den 200°C’ye artması ORC sisteminin ekserji verimini

artırmakta verimin artışıyla birlikte ORC alt sisteminin birim maliyeti de 2500

$/kW değerlerinden 1800 $/kW değerlerine azalmaktadır.

114

Şekil 4.35. Çok yüksek sıcaklık jeneratörünün (VHTG) sıcaklığının DEASS birim

maliyetine ve DEASS verimine etkisi

DEASS’ın ilk kaynağının çok yüksek sıcaklık jeneratörü olmasından dolayı bu bileşenin sıcaklığı DEASS’ın verimi ve maliyeti açısından önem arz etmektedir.

Şekil 4.35 çok yüksek sıcaklık jeneratörüne giren akışkan sıcaklığının 100°C’den

160°C’ye çıkmasının DEASS birim maliyetini 4800 $’dan 2100 $’a azaldığını

göstermektedir. Ayrıca DEASS alt sisteminin ekserji verimi sıcaklık artışına bağlı

olarak yaklaşık olarak %6 artmıştır.

3 numaralı sistemin en önemli ürünlerinden biri hidrojendir ve hidrojenin üretim maliyeti uygulanabilirliği açısından oldukça önemlidir. Hidrojenin birim maliyetini

etkileyen başlıca faktör jeotermal su sıcaklığıdır. Şekil 4.36 jeotermal sıcaklığının 130°C’den 200°C’ye artmasının hidrojenin birim

maliyetini 4,8 $/kg H2 seviyesinden 1,1 $/kg H2 seviyesine azalttığını

göstermektedir.

115

Şekil 4.36. Jeotermal su sıcaklığının hidrojen maliyetine etkisi

4.4. Sistem 4 Bulguları ve Tartışma

Bu kısımda güneş enerjisi temelli entegre polijenerasyon sistemin termodinamik analiz ve parametrik çalışmalarının sonuçları verilmiştir. 4 numaralı sistemde kullanılan parabolik oluk tipi kolektörün tasarım parametreleri Çizelge 4.6’da verilmiştir.

Çizelge 4.6. POTK alt sisteminin tasarım parametreleri (Yüksel vd., 2016)

Akışkanın spesifik 𝐶𝑝,𝑐 2314 J/kg °C

Alıcı dış çapı 𝐷𝑜,𝑟 0,07 m

Alıcı iç çapı 𝐷𝑖,𝑟 0,066 m

Kolektör ısı kaybı katsayısı 𝑈𝐿 3,82 W/m2 °C

Alıcı iç sıcaklığı 𝑇𝑟𝑖 300 °C

Alıcı iç çeperinde ısı transfer katsayısı ℎ𝑓𝑖

300 W/m2 °C

116

Çizelge 4.7. POTK alt sisteminin tasarım parametreleri (Yüksel vd., 2016) (Devam)

Toplam güneş radyasyonu 𝐺𝑡 850 W/m2

Cam kapağın geçirgenlik değeri ô𝑐𝑜𝑣𝑒𝑟

0,90

POTK efektif geçirgenliği ô𝑃𝐷𝐶 0,94

Alıcının soğurma katsayısı á𝑟 0,87

Dağılan radyasyon için düzeltme

katsayısı ã

0,95

Bir kolektörün genişliği 𝑤 5,76 m

Bir kolektörün uzunluğu 𝐿𝑐 15 m

Seri kolektör sayısı 𝑛𝑐𝑠 10

Paralel kolektör sayısı 𝑛𝑐𝑝 5

Entegre polijenerasyon sistemin ekserji yıkım miktarları ve ekserji verimleri

Çizelge 4.7 ve Çizelge 4.10’deki denklemlerden yararlanılarak hesaplanmıştır.

Çizelge 4.8. Entegre sistemin alt sistemleri için enerji denge denklemleri

POTK POTK ��8ℎ8 + ��𝑢 = ��1ℎ1 Pompa-III ��7ℎ7 + ��𝑝−𝐼𝐼𝐼 = ��8ℎ8

Valf-I ��1ℎ1 = ��2ℎ2 + ��4ℎ4 Valf-II ��3ℎ3 + ��6ℎ6 = ��7ℎ7 Depolama tankı (Ziapour vd., 2014) Şarj periyodu için sıcak depolama tankı ��ℎ𝑠𝑡,𝑒 = ��15ℎ15 − ��ℎ𝑠𝑡,𝑙

��ℎ𝑠𝑡,𝑙,𝑐 = 𝑈ℎ𝑠𝑡𝐴ℎ𝑠𝑡(𝑇ℎ𝑠𝑡 − 𝑇𝑜)

∑ ��ℎ𝑠𝑡,𝑒 = ��ℎ𝑠𝑡,𝑒∆𝑡ℎ

Depolama periyodu için sıcak depolama tankı

��ℎ𝑠𝑡,𝑙,𝑠 = 𝑀ℎ𝑠𝑡𝐶𝑝,ℎ𝑠𝑡∆𝑇ℎ𝑠𝑡

117

Çizelge 4.9. Entegre sistemin alt sistemleri için enerji denge denklemleri (Devam)

Deşarj periyodu için sıcak depolama tankı ��9 = ∑ ��ℎ𝑠𝑡,𝑒 − ��ℎ𝑠𝑡,𝑙,𝑠

Depolama periyodu için soğuk depolama

tankı

��𝑐𝑠𝑡,𝑡𝑙𝑜𝑠𝑡 = 𝑀𝑐𝑠𝑡𝐶𝑝,䥎𝑠𝑡∆𝑇𝑐𝑠𝑡

Deşarj periyodu için soğuk depolama tankı ��13 = ∑ ��𝑐𝑠𝑡 − 𝑄𝑐𝑠𝑡,𝑡𝑙𝑜𝑠𝑡

DS-ORC

Genleştirici-I ��16ℎ16 = ��17ℎ17 + ��𝑒𝑥−𝐼

Ayrıştırıcı ��17ℎ17 = ��18ℎ18 + ��21ℎ21

Türbin ��18ℎ18 = ��19ℎ19 + ��𝑇

Geri emici-I ��19ℎ19 + ��26ℎ26

= ��20ℎ20 + ��27ℎ27

Genleştirici-II ��21ℎ21 = ��22ℎ22 + ��𝑒𝑥−𝐼𝐼

Karışım odası ��20ℎ20 + ��22ℎ22 = ��23ℎ23

Geri emici-II ��23ℎ23 + ��28ℎ28

= ��24ℎ24 + ��29ℎ29

Pompa-IV ��24ℎ24 + ��𝑃−𝐼𝑉 = ��25ℎ25

HEX-II ��4ℎ4 + ��25ℎ25 = ��5ℎ5 + ��16ℎ16

DEASS

Çok yüksek sıcaklık jeneratörü ��52ℎ52 + ��30ℎ30

= ��53ℎ53 + ��54ℎ54

+ ��31ℎ31

Çok yüksek sıcaklık-HEX ��51ℎ51 + ��54ℎ54

= ��52ℎ52 + ��72ℎ72

Kondenser ��69ℎ69 + ��𝑐𝑜𝑛 = ��64ℎ64 + ��65ℎ65

Evaporatör ��70ℎ70 + ��𝑒𝑣𝑎 = ��71ℎ71

Absorber ��71ℎ71 + ��79ℎ79 = ��39ℎ39 + ��𝑎𝑏𝑠

118

Çizelge 4.10. POT, PEM elektrolizör ve PEM yakıt hücresi için termodinamik analiz denklemleri

POTK Üretilen faydalı enerji ��𝑢 = 𝑛𝑐𝑝𝑛𝑐𝑠𝐹𝑅[𝑆𝐴𝑎 − 𝐴𝑟𝑈𝐿(𝑇𝑟𝑖 − 𝑇𝑜)]

Isı çıkarım faktörü 𝐹𝑅 =

��𝑐𝐶𝑝,𝑐

𝐴𝑟𝑈𝐿[1 − 𝑒𝑥𝑝 (−

𝑈𝐿𝐹′𝐴𝑟

��𝑐𝐶𝑝,𝑐)]

Kolektör verim faktörü 𝐹′ =

1 𝑈𝐿⁄

1𝑈𝐿

+𝐷𝑜,𝑟

ℎ𝑓𝑖𝐷𝑖,𝑟+ (

𝐷𝑜,𝑟

2𝑘𝑙𝑛

𝐷𝑜,𝑟

𝐷𝑖 , 𝑟)

Soğurulan güneş radyasyonu 𝑆 = 𝐺𝑡ô𝑐𝑜𝑣𝑒𝑟ô𝑃𝐷𝐶á𝑟ã Açma yüzeyi 𝐴𝑎 = (𝑤 − 𝐷𝑜,𝑟)𝐿𝑐

PEM elektrolizörü Elektrolizör için enerji talebi Δ𝐺 = Δ𝐻 − 𝑇𝑟Δ𝑆 Hidrojen kütle akış oranı

��𝐻2,ç =𝐽

2𝐹= ��𝐻2𝑂,𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖𝑦𝑜𝑛

Elektrolizörün elektroliz voltajı 𝑉 = 𝑉𝑜 + 𝑉𝑎𝑐𝑡,〱 + 𝑉𝑎𝑐𝑡,𝑐 + 𝑉𝑜ℎ𝑚

Nernst denklemi 𝑉𝑜 = 1.229 − 8.5𝑥10−4(𝑇𝑃𝑒 − 298) Elektrolizör iyonik iletkenliği ó𝑃𝐸𝑀[ë(𝑥)] = [0.5139ë(𝑥)

− 0.326]𝑒𝑥𝑝 [1268 (1

303−

1

𝑇)]

PEM elektrotundaki su içeriği ë(𝑥) =

ë𝑎 − ë𝑐

𝐷𝑥 + ë𝑐

PEM elektrolizörün toplam omik direnci 𝑅𝑃𝐸𝑀 = ∫

𝑑𝑥

ó𝑃𝐸𝑀[ë(𝑥)]

𝐷

0

PEM omik aşırı potansiyeli 𝑉𝑜ℎ𝑚,𝑃𝐸𝑀 = 𝐽𝑅𝑃𝐸𝑀

Elektrolizör aktivasyon aşırı potansiyeli 𝑉𝑎𝑐𝑡,𝑖 =

𝑅𝑇

𝐹𝑠𝑖𝑛ℎ−1 (

𝐽

2𝐽𝑜,𝑖) , 𝑖 = 𝑎, 𝑐

PEM elektrolizörün akım yoğunluğu 𝐽0,𝑖 = 𝐽𝑖

𝑟𝑒𝑓𝑒𝑥𝑝 (−

𝑉𝑎𝑐𝑡,𝑖

𝑅𝑇) , 𝑖 = 𝑎, 𝑐

PEM yakıt hücresi PEM yakıt hücresi yığınının çıkış voltajı (Kalogirou, 2009)

𝑉(𝐼) = 𝑉𝑟 − 𝑉𝑖𝑟

Yakıt hücresi yığınının tersinir voltajı 𝑉𝑟

= 1.229 + 0.85𝑥10−3(𝑇𝐻ü𝑐𝑟𝑒 − 295.15)

+ 4.31𝑥10−5𝑇𝐻ü𝑐𝑟𝑒𝑙𝑛 [(𝐶𝐻2

22.22) (

𝐶𝑂2

7.033)

12

]

Tersinmez hücre voltajı 𝑉𝑖𝑟 = ç𝑎𝑐𝑡 + ç𝑜𝑚𝑖𝑘 + ç𝑘𝑜𝑛𝑠 Aktivasyon aşırı potansiyeli ç𝑎𝑐𝑡 = ç𝑎𝑐𝑡

𝑎 + ç𝑎𝑐𝑡𝑐

Omikaşırı potansiyeli ç𝑜𝑚𝑖𝑘 = ç𝑏𝑝𝑎 + ç𝑏𝑝

𝑐 + ç𝑒𝑎 + ç𝑒

𝑐 + ç𝑚

Konsantrasyonaşırı potansiyeli ç𝑘𝑜𝑛𝑠 = ç𝑘𝑜𝑛𝑠𝑎 + ç𝑘𝑜𝑛𝑠

𝑐 Bir adet PEM yakıt hücresinden üretilen elektrik gücü

��ℎü𝑐𝑟𝑒 = 𝑉(𝐼)𝑥𝐼𝑥𝐴ℎü𝑐𝑟𝑒

PEM yakıt hücresi yığınının ürettiği elektrik gücü

��𝑃𝐸𝑀−𝑓𝑐 = 𝑛𝑓𝑐𝑥��ℎü𝑐𝑟𝑒

119

POT kolektör alt sisteminde akışkan olarak terminol-59, DS-ORC ve DEASS alt

sistemlerinde ise akışkan olarak amonyak-su (NH3-H2O) karışımı kullanılmıştır.

Çizelge 4.9. Entegre sistem bileşenlerinin ekserji yıkım denklemleri

Sistem bileşenleri Ekserji yıkım denklemleri POTK ��𝑥𝑌,𝑃𝑂𝑇𝐾 = ��1𝑒𝑥1 − ��8𝑒𝑥8 + ��𝑔ü𝑛𝑒ş(1 − 𝑇𝑜 𝑇𝑃𝑂𝑇𝐾⁄ )

HEX-I ��𝑥𝑌,𝐻𝐸𝑋−𝐼 = ��2𝑒𝑥2 + ��14𝑒𝑥14 − ��3𝑒𝑥3 − ��15𝑒𝑥15

Valf-I ��𝑥𝑌,𝑉𝑎𝑙−𝐼 = ��1𝑒𝑥1 − ��2𝑒𝑥2 − ��4𝑒𝑥4

Sıcak depolama tankı (HST)

��𝑥𝑌,𝐻𝑆𝑇 = ��15𝑒𝑥15 − ��9𝑒𝑥9 − ��𝐿,𝐻𝑆𝑇(1 − 𝑇𝑜 𝑇𝐻𝑆𝑇⁄ )

Soğuk depolama tankı (CST)

��𝑥𝑌,𝐶𝑆𝑇 = ��12𝑒𝑥12 − ��13𝑒𝑥13 − ��𝐿,𝐶𝑆𝑇(1 − 𝑇𝑜 𝑇𝐶𝑆𝑇⁄ )

Pompa-I ��𝑥𝑌,𝑃𝑜𝑚−𝐼 = ��10𝑒𝑥10 − ��9𝑒𝑥9 + ��𝑃𝑜𝑚−𝐼

Genleştirici-I (Gen-I) ��𝑥𝑌,𝐺𝑒𝑛−𝐼 = ��16𝑒𝑥16 − ��17𝑒𝑥17 − ��𝐺𝑒𝑛−𝐼

Ayrıştırıcı (Ayr) ��𝑥𝑌,𝐴𝑦𝑟 = ��17𝑒𝑥17 − ��18𝑒𝑥18 − ��21𝑒𝑥21

Türbin (Tur) ��𝑥𝑌,𝑇𝑢𝑟 = ��18𝑒𝑥18 − ��19𝑒𝑥19 − ��𝑇𝑢𝑟

Geri emici-I (Gem-I) ��𝑥𝑌,𝐺𝑒𝑚−𝐼 = ��19𝑒𝑥19 + ��26𝑒𝑥26 − ��20𝑒𝑥20

− ��27𝑒𝑥27 Karıştırma odası (KO) ��𝑥𝑌,𝐾𝑂 = ��20𝑒𝑥20 + ��22𝑒𝑥22 − ��23𝑒𝑥23

Su ön ısıtıcı (SÖI) ��𝑥𝑌,𝑆Ö𝐼 = ��31𝑒𝑥31 + ��33𝑒𝑥33 − ��32𝑒𝑥32 − ��34𝑒𝑥34

PEM-Elek ��𝑥𝑌,𝑃𝐸𝑀−𝑒𝑙𝑒𝑘 = ��34𝑒𝑥34 − ��35𝑒𝑥35 − ��36𝑒𝑥36

− ��37𝑒𝑥37 + ��𝑃𝐸𝑀−𝑒𝑙𝑒𝑘 Hidrojen sıkıştırma/depolama (HSD)

��𝑥𝑌,𝐻𝑆𝐷 = ��37𝑒𝑥37 − ��38𝑒𝑥38 + ��𝐻𝑆𝐷

PEM yakıt hücresi (PEMFC)

��𝑥𝑌,𝑃𝐸𝑀𝐹𝐶 = ��38𝑒𝑥38 − ��𝑃𝐸𝑀𝐹𝐶

Çok yüksek sıcaklık jeneratörü (VHTG)

��𝑥𝑌,𝑉𝐻𝑇𝐺 = ��30𝑒𝑥30 + ��52𝑒𝑥52 − ��31𝑒𝑥31 − ��53𝑒𝑥53

− ��54𝑒𝑥54 Genleşme valfi-I (GeV-I) ��𝑥𝑌,𝐺𝑒𝑉−𝐼 = ��78𝑒𝑥78 − ��79𝑒𝑥79

Çok yüksek sıcaklık ısı değiştirici (VHT-HEX)

��𝑥𝑌,𝑉𝐻𝑇−𝐻𝐸𝑋 = ��51𝑒𝑥51 + ��54𝑒𝑥54 − ��52𝑒𝑥52

− ��72𝑒𝑥72 Kondenser ısı değiştirici(Kon-HEX)

��𝑥𝑌,𝐾𝑜𝑛−𝐻𝐸𝑋 = ��63𝑒𝑥63 + ��41𝑒𝑥41 − ��65𝑒𝑥65

− ��68𝑒𝑥68 Kondenser (Kon) ��𝑥𝑌,𝐾𝑜𝑛 = ��64𝑒𝑥64 + ��65𝑒𝑥65 − ��69𝑒𝑥69

− ��𝐾𝑜𝑛(1 − 𝑇𝑜 𝑇𝐾𝑜𝑛⁄ ) Evaporatör (Eva) ��𝑥𝑌,𝐸𝑣𝑎 = ��70𝑒𝑥70 − ��71𝑒𝑥71 + ��𝐸𝑣𝑎(1 − 𝑇𝑜 𝑇𝐸𝑣𝑎⁄ )

Absorber (Ab) ��𝑥𝑌,𝐴𝑏 = ��71𝑒𝑥71 + ��79𝑒𝑥79 − ��39𝑒𝑥39

− ��𝐴𝑏(1 − 𝑇𝑜 𝑇𝐴𝑏⁄ )

120

Entegre sistem bileşenleri için ekserji verim denklemleri Çizelge 4.11’de

verilmiştir.

Çizelge 4.10. Entegre sistem bileşenlerinin ekserji verimleri

Sistem bileşenleri

Ekserji verim denklemleri

POTK 𝜓𝑃𝑂𝑇𝐾 = (��1𝑒𝑥1 − ��8𝑒𝑥8) ��𝑔ü𝑛𝑒ş(1 − 𝑇𝑜 𝑇𝑃𝑂𝑇𝐾⁄ )⁄

HEX-I 𝜓𝐻𝐸𝑋−𝐼 = (��15𝑒𝑥15 − ��14𝑒𝑥14) (��2𝑒𝑥2 − ��3𝑒𝑥3)⁄ Valf-I (Val-I) 𝜓𝑉𝑎𝑙−𝐼 = (��2𝑒𝑥2 + ��4𝑒𝑥4) ��1𝑒𝑥1⁄ Sıcak depolama tankı (HST)

𝜓𝐻𝑆𝑇 = (��9𝑒𝑥9 − ��𝐿,𝐻𝑆𝑇(1 − 𝑇𝑜 𝑇𝐻𝑆𝑇⁄ )) ��15𝑒𝑥15⁄

Soğuk depolama tankı (CST)

𝜓𝐶𝑆𝑇 = (��12𝑒𝑥12 − ��𝐿,𝐶𝑆𝑇(1 − 𝑇𝑜 𝑇𝐶𝑆𝑇⁄ )) ��13𝑒𝑥13⁄

Pompa-I (Pom-I)

𝜓𝑃𝑜𝑚−𝐼 = (��10𝑒𝑥10 − ��9𝑒𝑥9) ��𝑃𝑜𝑚−𝐼⁄

Genleştirici-I (Gen-I)

𝜓𝐺𝑒𝑛−𝐼 = ��𝐺𝑒𝑛−𝐼 (��16𝑒𝑥16 − ��17𝑒𝑥17)⁄

Ayrıştırıcı (Ayr) 𝜓𝐴𝑦𝑟 = (��18𝑒𝑥18 + ��21𝑒𝑥21) ��17𝑒𝑥17⁄

Türbin (Tur) 𝜓𝑇𝑢𝑟 = ��𝑇𝑢𝑟 (��18𝑒𝑥18 − ��19𝑒𝑥19)⁄ Geri emici-I (Gem-I)

𝜓𝐺𝑒𝑚−𝐼 = (��27𝑒𝑥27 − ��26𝑒𝑥26) (��19𝑒𝑥19 − ��20𝑒𝑥20)⁄

Karıştırma odası (KO)

𝜓𝐾𝑂 = ��23𝑒𝑥23 (��20𝑒𝑥20 + ��22𝑒𝑥22)⁄

Su ön ısıtıcı (SÖI)

𝜓𝑆Ö𝐼 = (��34𝑒𝑥34 − ��33𝑒𝑥33) (��31𝑒𝑥31 − ��32𝑒𝑥32)⁄

PEM-elek 𝜓𝑃𝐸𝑀−𝑒𝑙𝑒𝑘

= (��35𝑒𝑥35 + ��36𝑒𝑥36 + ��37𝑒𝑥37) (��34𝑒𝑥34 + ��𝑃𝐸𝑀−𝑒𝑙𝑒𝑘)⁄

Hidrojen sıkıştırma/depolama (HSD)

𝜓𝐻𝑆𝐷 = ��38𝑒𝑥38 (��37𝑒𝑥37 + ��𝐻𝑆𝐷)⁄

PEMFC 𝜓𝑃𝐸𝑀𝐹𝐶 = ��𝑃𝐸𝑀𝐹𝐶 ��38𝑒𝑥38⁄ VHTG 𝜓𝑉𝐻𝑇𝐺

= (��53𝑒𝑥53 + ��54𝑒𝑥54 − ��52𝑒𝑥52) (��30𝑒𝑥30 − ��31𝑒𝑥31)⁄ Genleşme valfi-I (GeV-I)

𝜓𝐺𝑒𝑉−𝐼 = ��79𝑒𝑥79 ��78𝑒𝑥78⁄

Çok yüksek sıcaklık ısı değiştirici (VHT-HEX)

𝜓𝑉𝐻𝑇−𝐻𝐸𝑋 = (��72𝑒𝑥72 − ��54𝑒𝑥54) (��51𝑒𝑥51 − ��52𝑒𝑥52)⁄

Kondenser ısı değiştirici (Kon-HEX)

𝜓𝐾𝑜𝑛−𝐻𝐸𝑋 = (��65𝑒𝑥65 − ��63𝑒𝑥63) (��41𝑒𝑥41 − ��68𝑒𝑥68)⁄

121

Çizelge 4.10. Entegre sistem bileşenlerinin ekserji verimleri (Devam)

Kondenser

(Kon)

𝑣𝐾𝑜𝑛 = ��𝐾𝑜𝑛(1 − 𝑇𝑜 𝑇𝐾𝑜𝑛⁄ ) (��64𝑒𝑥64 + ��65𝑒𝑥65 − ��69𝑒𝑥69)⁄

Evaporatör

(Eva)

𝜓𝐸𝑣𝑎 = ��𝐸𝑣𝑎(1 − 𝑇𝑜 𝑇𝐸𝑣癬⁄ ) (��71𝑒𝑥71 − ��70𝑒𝑥70)⁄

Absorber (Ab) 𝜓𝐴𝑏 = ��𝐴𝑏(1 − 𝑇𝑜 𝑇𝐴𝑏⁄ ) (��71𝑒𝑥71 + ��79𝑒𝑥79 − ��39𝑒𝑥39)⁄

Bu çalışma için ortam sıcaklığı ve basıncı sırasıyla 25°C ve 101,3 kPa olarak

alınmıştır. Bu kabuller ve verilen tablolardaki veriler ve denklemler kullanılarak

sistem bileşenleri için ekserji yıkım miktarı, ekserji yıkım yüzdesi ve ekserji

verimleri hesaplanmış ve Çizelge 4.12’de verilmiştir.

Sonuçlara göre, en yüksek üç ekserji yıkım miktarı POTK, PEM yakıt hücresi ve

türbinde sırasıyla 1955 kW, 524,4 kW ve 417,6 kW olarak gerçekleşmiştir. Buna ek

olarak bu alt sistemlerin ekserji yıkım yüzdeleri sırasıyla %18,97, %5,09 ve

%4,05’dir. Bu çalışmada termodinamik analiz dışında ortam sıcaklığı, güneş

yoğunluğu, absorber boru iç yüzey sıcaklığı ve amonyak-su konsantrasyonunun

sistem performansına etkisi incelenmiştir.

Çizelge 4.11. Sistem bileşenleri için ekserji yıkım miktarı, ekserji yıkım yüzdesi ve ekserji verimleri

Sistem bileşenleri Ekserji yıkım miktarı (kW)

Ekserji yıkım yüzdesi (%)

Ekserji verimi (%)

POTK 1955 18,97 43,14 HEX-I 210,9 2,046 85,19 HEX-II 476 4,619 76,01 HEX-III 142,1 1,379 75,45 Valf-I 12,27 0,119 96,3 Valf-II 22,82 0,221 97,8 HST 589 5,715 40,43 CST 317,9 3,085 44,66 Pompa-I 59,85 0,581 85

122

Çizelge 4.11. Sistem bileşenleri için ekserji yıkım miktarı, ekserji yıkım yüzdesi ve ekserji verimleri (Devam)

Pompa-II 99,66 0,967 74,29

Pompa-III 54,4 0,528 86,2

Pompa-IV 60,14 0,584 88,3

Pompa-V 56,92 0,552 70,41

Genleştirici-I 116,1 1,127 92,42

Genleştirici-II 126,7 1,229 90,74

Ayrıştırıcı 109,7 1,064 78,48

Türbin 417,6 4,052 91,24

Geri emici-I 88,47 0,858 42,3

Geri emici-II 41,93 0,407 50,48

Karıştırma odası 80 0,776 84,27

Su ön ısıtıcı 1839 1,784 86,97

PEM elektrolizör 835 8,102 74

Hidrojen sıkıştırma/dep. 963 9,344 28,49

PEM yakıt hücresi 524,4 5,088 35,14

Çok yüksek sıcaklık jen. 876 8,5 47,87

Yüksek sıcaklık jeneratörü 312,8 3,035 57,86

Orta sıcaklık jeneratörü 213,3 2,07 88,56

Düşük sıcaklık jeneratörü 163,1 1,583 75,85

Genleşme valfi-I 4,24 0,041 98,84

Genleşme valfi-II 7,911 0,077 97,51

Çok yüksek sıcaklık HEX 252,1 2,446 57,78

Yüksek sıcaklık HEX 209,8 2,036 65,17

Orta sıcaklık HEX 99,2 0,963 66,07

Düşük sıcaklık HEX 73,3 0,711 67,82

Kondenser HEX 43,69 0,424 44,54

Kondenser 291,8 2,831 63,09

Evaporatör 76,4 0,741 45,92

Absorber 138,8 1,347 23,84

123

4.4.1. Ortam sıcaklığının etkisi

Genellikle enerji ve ekserji miktarları ortam sıcaklığı ve basıncı gibi referans

durumlardan etkilenmektedir. Dolayısıyla enerji ve ekserji analizleri bu şartlara

bağlı olarak değişmektedir. Bu çalışmada basıncın enerji ve ekserji miktarlarına çok

az etkisi olduğu gözlenmiştir. Buna karşın ortam sıcaklığı enerji ve ekserji

verimlerinde etkili olmaktadır.

Performans katsayısı (COP) soğutma sistemlerinin performansını değerlendirmede kullanılan klasik ve faydalı bir yoldur (Dincer ve Rosen, 2013). Enerjetik performans katsayısı (COPen) soğutma etkisinin enerji girdisine bölünmesiyle hesaplanırken, ekserjetik performans katsayısı da (COPex) soğutma etkisinin ekserji girdisine bölünmesiyle bulunmaktadır.

Şekil 4.37 DEASS alt sisteminin değişen çevre sıcaklığına bağlı olarak COPen ve

COPex değerlerini göstermektedir.

Şekil 4.37. Çevre sıcaklığına bağlı olarak DEASS alt sisteminin performans

katsayılarındaki değişim

0 5 10 15 20 25 30 35 401

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

T0 ( 0C)

CO

Pen

CO

Pex

COPexCOPex

COPenCOPen

124

Şekil 4.37’den görüldüğü üzere ortam sıcaklığı 0°C’den 40°C’ye çıktıkça COPen

neredeyse aynı kalmaktadır. Fakat ortam sıcaklığı aynı miktarda arttıkça COPex

yaklaşık %30 oranında artmaktadır. Bunun sebebi de ekserjinin tanımında

yatmaktadır. Ekserji miktarı hem sistemin hem de çevrenin durumuna bağlı olarak

değişmektedir. Ortam sıcaklığının artmasıyla DEASS alt sisteminin evaporatör

sıcaklığı ile ortam sıcaklığı arasındaki fark artmakta böylece entegre sistem için

faydalı enerji miktarı artmaktadır.

Tüm sistemin ve alt sistemlerin ortam sıcaklığına bağlı olarak enerji ve ekserji verimlerindeki değişim sırasıyla

Şekil 4.38 ve Şekil 4.39’de verilmiştir.

Şekil 4.38. Ortam sıcaklığının enerji verimine etkisi

125

Şekil 4.39. Ortam sıcaklığının ekserji verimine etkisi

Şekil 4.38’den görüldüğü üzere ortam sıcaklığındaki artış depolama alt sisteminin

enerji veriminde gözle görülür bir artışa neden olmuştur. Bunun nedeni depolama

alt sisteminin ortama kaybettiği ısı miktarı azalmaktadır. Fakat ortam sıcaklığı

arttıkça DS-ORC alt sisteminin ve tüm entegre sisteminin enerji verimi

azalmaktadır. Ortam sıcaklığının 5°C’den 40°C’ye artmasıyla entegre sistemin

enerji verimi %2 oranında azalırken ekserji verimi yaklaşık %1 olarak

azalmaktadır. Şekil 4.39 ortam sıcaklığına bağlı olarak ekserji verimindeki değişimi

göstermektedir. Ortam sıcaklığı arttıkça depolama sisteminin ekserji verimi

artmakta, DS-ORC ve tüm entegre sistemin ekserji verimi azalmakta ve diğer alt

sistemler neredeyse aynı kalmaktadır.

4.4.2. Güneş radyasyon yoğunluğunun etkisi

Güneş radyasyon yoğunluğu 400-1000 W/m2 arasında değişmektedir. Parabolik

oluk tipi kolektörün yansıtıcılarının büyük yüzey alanı nedeniyle güneş radyasyonu

126

oldukça önemli etki bırakmaktadır. Yansıtıcılar güneş radyasyonunu

yoğunlaştırarak POTK alt sisteminin alıcı tüplerine göndermektedir. Bu entegre

sistemin tek kaynağı güneş olduğu için, güneş radyasyonu elektrik ve hidrojen

üretmede oldukça etkilidir.

Şekil 4.40. Güneş radyasyonuna bağlı olarak alt sistemlerin ve tüm sistemin enerji

ve ekserji verimleri

Şekil 4.40 güneş radyasyonuna bağlı olarak kolektör alt sistemi ve tüm sistemin

enerji ve ekserji verimini göstermektedir. Güneş radyasyon yoğunluğu 400

W/m2’den 1000 W/m2’ye yükseldikçe, hem kolektör alt sisteminin hem de tüm

sistemin enerji ve ekserji verimi artmaktadır. Güneş radyasyonunun artması bariz

bir şekilde akışkan sıvıya aktarılan ısı enerjisini artırmaktadır. Böylece üretilen

elektrik ve hidrojen miktarları da artmaktadır.

Güneş radyasyonu 400 W/m2’den 1000 W/m2’ye kadar arttıkça üretilen elektrik

miktarı 170 kW değerinden yaklaşık 350 kW değerine kadar artmaktadır.

127

Şekil 4.41. Güneş radyasyon yoğunluğunun üretilen elektrik miktarına ve

soğutmaya etkisi

Şekil 4.42. Güneş radyasyon yoğunluğunun ekserji yıkım miktarına ve hidrojen

üretimine etkisi

128

Şekil 4.42’den görüldüğü üzere güneş radyasyonundaki değişim ekserji yıkım

miktarında 7000 kW değerinden 11500 kW değerine ulaşmasına neden olmuştur.

Aynı radyasyon artışı aynı zamanda hidrojen üretiminde 0,1016 kg/h değerinden

0,1028 kg/h değerine çıkmasını sağlamıştır. Bu ekserji yıkım miktarındaki ve

hidrojen üretimindeki artışın sebebi güneş radyasyonundaki artış POTK alt

sistemindeki akışkanın çıkış sıcaklığını artırmaktadır. Bu artış daha yüksek elektrik

enerjisine dolayısıyla PEM elektrolizör alt sisteminde daha fazla hidrojen

üretilmektedir. Güneş radyasyonunun bu denli önemli olması sistemin nereye

kurulacağını da önemli kılmaktadır.

4.4.3. Absorber boru iç yüzey sıcaklığı

Absorber boru iç yüzey sıcaklığı sistem performansını etkileyen bir başka

faktördür.

129

Şekil 4.43. Absorber iç yüzey sıcaklığının alt sistemler ve entegre sistemin enerji verimine etkisi

Şekil 4.43 ve Şekil 4.44 absorber iç yüzey sıcaklığının alt sistemler ve entegre sistemin enerji ve

ekserji verimine etkisini göstermektedir. Şekillerden görüldüğü üzere absorber

giriş yüzey sıcaklığındaki artışın DS-ORC alt sistemi, depolama alt sistemi ve tüm

sistemin enerji ve ekserji verimi üzerinde pozitif etkisi vardır. Hidrojen üretim ve

kullanım alt sistemi ile absorpsiyon sisteminin enerji ve ekserji verimi hemen

hemen hiç değişmemiştir.

Şekil 4.44. Absorber giriş yüzey sıcaklığının alt sistemler ve entegre sistemin

ekserji verimine etkisi

Şekil 4.45 ise absorber iç yüzey sıcaklığının güç üretimine ve hidrojen üretimine

etkisini göstermektedir. Şekle göre, absorber iç yüzey sıcaklığı 175°C’den 265°C’ye

kadar arttıkça, güç üretimi 175 kW değerinden yaklaşık 350 kW değerine

130

çıkmaktadır. Diğer yandan, hidrojen üretimi aynı değer aralığında 0,1012 kg/h

değerinden 0,1030 kg/h değerine yükselmektedir.

Şekil 4.45. Absorber iç yüzey sıcaklığının güç ve hidrojen üretimine etkisi

4.4.4. Amonyak-su karışımının konsantrasyonunun etkisi

Güç ve soğutma çevrimlerinde doğru akışkan seçimi oldukça önem arz etmektedir. Bu çalışmada DS-ORC alt sistemi ve DEASS için akışkan olarak amonyak-su karışımı seçilmiştir. Amonyak-su karışımının artı yanlarından birisi istenilen duruma göre konsantrasyonunu değiştirilebilmesidir. Parametrik çalışmanın son değişkeni olarak amonyak-su karışımının konsantrasyonu ele alınmıştır. DS-ORC alt sisteminin enerji ve ekserji verimleri iki farklı çalışma durumunda incelenmiştir. Birincisi i) sıcak su ve ısıtmanın entegre edildiği, ikinci durum ii) sıcak su üretiminin ve ısıtmanın olmadığı durumdur. Bu durum incelenmesinin sonuçları

Şekil 4.46 ve Şekil 4.47’de görülmektedir.

131

Şekil 4.46. Sıcak su üretimi ve ısıtma ile birlikte, DS-ORC alt sistemi için amonyak-

su konsantrasyonun enerji ve ekserji verimine etkisi

Şekil 4.47. Sıcak su ve ısıtma olmadan, DS-ORC alt sistemi için amonyak-su

konsantrasyonun enerji ve ekserji verimine etkisi

132

Şekillerden görüldüğü üzere amonyak-su karışımının kütle yüzdesi 0,2’den 0,3’e

çıktıkça her iki durum için de DS-ORC sisteminin hem enerji hem de ekserji verimi

artmaktadır.

Şekil 4.48. Amonyak-su konsantrasyonunun DEASS alt sistemi için enerji ve ekserji

verimine etkisi

Şekil 4.48 53 numaralı DEASS alt sistemine giren amonyak-su akışkanının

konsantrasyon değişiminin DEASS için enerji ve ekserji verimine etkisini

göstermektedir. Amonyak konsantrasyonunun artışı DEASS alt sisteminin hem

enerji hem de ekserji verimini yaklaşık olarak %8 oranında artırmaktadır.

Şekil 4.49 amonyak kütle yüzdesinin artışının ekserji yıkım oranında 1500 kW

değerinden 2700 kW değerine bir artış olduğunu göstermektedir. Şeklin sağ

tarafındaki değişken ise DEASS için ekserjetik performans katsayısını

göstermektedir. Amonyak kütle yüzdesi arttıkça COPex 1,7 değerinden 3,8 değerine

arttığı görülmektedir. Bu sonuçların elde edilme sebebi, 16 numaralı akıştaki

133

amonyak kütle yüzdesinin artışı genleştiricide iş üretmek için daha fazla amonyak

bulunmasını sağlamaktadır. Benzer şekilde 53 numaralı akıştaki amonyak

konsantrasyonunun artışı soğutma yükünü çekecek daha fazla amonyak bulunduğu

anlamına gelmektedir.

Şekil 4.49. Amonyak-su konsantrasyonunun DEASS alt sistemi için ekserji yıkımına

ve ekserjetik performans katsayısına etkisi

4.5. Sistem 5 Bulguları ve Tartışma

5 numaralı sistem parabolik çanak kolektör ile güneş enerjisini ısı enerjisine

dönüştürüp biokütle alt sistemi ile entegre edilmiş elektrik, sıcak su, ısıtma ve

soğutma sağlayan bir polijenerasyon sistemdir. Bu entegre polijenerasyon sistemin

daha iyi kavranması ve performansının incelenmesi için termodinamik analiz

uygulanmıştır. Termodinamik analiz sonuçları sistemdeki ekserji yıkımının

miktarını ve nerelerde olduğunu göstermiştir. Buna ek olarak sistemin farklı şartlar

altında nasıl çalıştığını ve performansının nasıl değiştiğini görmek için parametrik

134

çalışmalar yapılmış ve sonuçları çizelge ve şekillerle sunulmuştur. Entegre

polijenerasyon sistemin değerlendirilmesinde kütle, enerji ve ekserji denge

denklemleri kullanılmıştır. Referans çevre sıcaklığı 20°C ve basınç 101,3 kPa olarak

kabul edilmiştir. Polijenerasyon sistemde kullanılan akışkanların termodinamik

özellikleri EES yazılımı ile elde edilmiştir (Klein, 2007). Aynı zamanda

polijenerasyon sistemin tamamının ve alt sistemlerinin incelenmesi için EES kodu

geliştirilmiştir. Polijenerasyon enerji üretim sisteminin ekserji yıkım miktarları

(kW), ekserji verimleri (%) ve bileşenlerin güç ve ısı transfer miktarları güneş ve

biokütle modu için sırasıyla Çizelge 4.13 ve Çizelge 4.14’de verilmiştir.

Sistemin daha anlaşılabilir bir değerlendirilmesinin yapılması için her bir alt

bileşenin ekserji verimi analiz edilmiştir. Entegre sistemin enerji ve ekserji

verimleri tek başına çalışan sistemler ile kıyaslanınca daha yüksek olarak

bulunmuştur. Entegre polijenerasyon sistemlerin sistemdeki atık ısıları

değerlendiği göz önüne alındığında bu beklenen bir sonuçtur. Çizelge 4.13 ve

Çizelge 4.14’den görüldüğü üzere, güneş ve biokütle modu için en yüksek ekserji

yıkım miktarları sırasıyla parabolik çanak kolektör ve biokütle yanma odasında

gerçekleşmiştir. Bu yüksek ekserji yıkım miktarının sebebi yoğunlaştırıcı kolektör

ile çevre sıcaklığı arasındaki yüksek sıcaklıktan kaynaklanmaktadır. Benzer şekilde

biokütle yanma odasındaki alev sıcaklığı ile biokütle yanma odasına giren hava

sıcaklığı arasındaki yüksek fark ekserji yıkımına neden olmaktadır. Yenilenebilir

kaynakları kullanan entegre polijenerasyon sistemler için yeni tasarımlar ve

optimizasyon çalışmaları performansları artırmada katkıda bulunabilir. Rankine

çevriminde bulunan kondenser bileşeni ikinci en yüksek ekserji yıkımına sahiptir.

Bunun sebebi de akışkan ve soğutucu akışkan arasındaki sıcaklık farkı ve

kondenser boyunca basınç düşmesidir. Çift etkili absorpsiyonlu soğutma sisteminin

de ekserji yıkım miktarı her iki çalışma modu için önemli ölçüde yüksektir. Bunun

sebebi HEX-V ve HEX-VI arasındaki akışkanların sıcaklık farkı ve basınç düşmesidir.

Aynı zamanda çizelgelerden görüldüğü üzere absorpsiyonlu soğutma sistemi diğer

alt sistemlere nazaran hem güneş modu hem biokütle modu için en düşük ekserji

135

verimine sahiptir. Çift etkili absorpsiyonlu sistemde ısı transferinden kaynaklanan

ekserji yıkımından dolayı ekserji verimi de düşük olmaktadır.

Çizelge 4.12. Entegre polijenerasyon sistemin güneş modu için termodinamik değerlendirme sonuçları

Bileşenler Ekserji yıkım miktarı (kW)

Ekserji verimi (%)

Güç veya ısı transfer miktarı (kW)

Parabolik çanak kolektör

4393 36,25 88577

HEX-I 999,6 82,43 81347

HEX-IV 35,44 91,63 1224

HEX-V 36,38 79,67 777,7

HEX-VI 22,39 64,38 462,1

Sıcak su tankı 419,5 34,28 6743

Kolektör fanı 425,5 23,98 1775

Türbin 3324 90,55 31854

Kondenser-I 1392,2 72,99 49904

Kondenser-II 281,7 73,78 662

Pompa-I 57,65 86 411,8

Pompa-II 47,78 74,12 350,7

Jeneratör-I 160,9 58,51 1224

Jeneratör-II 34,64 53,54 219,7

Genleşme valfi-I 2,897 99,31 16,24

Genleşme valfi -II 1,236 84,09 7,284

Genleşme valfi -III 2,062 73,18 9,328

Genleşme valfi -IV 1,263 99,72 14,67

Absorber 8,686 34,28 239

Evaporatör 105,9 44,26 1457

136

Çizelge 4.13. Entegre polijenerasyon sistemin biokütle modu için termodinamik değerlendirme sonuçları

Bileşenler Ekserji yıkım miktarı (kW)

Ekserji verimi (%)

Güç veya ısı transfer miktarı (kW)

Yanma odası 4666 28,47 106346

HEX-II 1087 76,10 85180

HEX-III 37,54 89,75 46572

HEX-V 29,41 79,67 628,7

HEX-VI 18,1 64,38 373,6

Sıcak su tankı 1343 37,58 16486

Türbin 4731 91,21 49111

Kondenser-I 1598 71,41 62479

Kondenser-II 227,8 73,78 535,1

Pompa-I 50,22 81,73 607,6

Pompa-II 38,62 74,12 283,5

Jeneratör-I 145,5 55,77 989,3

Jeneratör-II 28 52,68 177,6

Genleşme valfi-I 2,342 98,24 13,13

Genleşme valfi -II 0,9989 83,41 5,889

Genleşme valfi -III 1,667 72,84 7,541

Genleşme valfi -IV 1,021 97,98 11,86

Absorber 7,022 32,96 193,2

Evaporatör 85,63 44,26 1178

137

Şekil 4.50. Referans çevre sıcaklığının absorpsiyonlu soğutma sisteminin enerjetik

ve ekserjetik performans katsayısına etkisi

Çift etkili absorpsiyonlu sistem için referans çevre sıcaklığındaki değişime bağlı olarak enerjetik ve ekserjetik performans katsayılarının incelenmesi için parametrik çalışma da yapılmıştır.

Şekil 4.50’den görüldüğü üzere, referans çevre sıcaklığı 0°C’den 30°C’ye kadar

arttıkça, COPex artmaktadır. Bunun nedeni çevre sıcaklığı arttıkça evaporatör ile

referans çevre sıcaklığı arasındaki fark artmakta böylece entegre sistemin soğutma

uygulamaları için daha fazla faydalı enerji üretilmektedir. COPen ise neredeyse aynı

kalmaktadır, çünkü referans çevre sıcaklığı enerjetik performans katsayısını

etkileyen bir faktör değildir.

Polijenerasyon enerji üretim sisteminin performansı enerji ve ekserji verimleri,

ekserji yıkım oranı, güç veya ısı transfer oranı, ısıtma ve soğutma oranları gibi farklı

değişkenlerle analiz edilmiştir. Bu göstergeler ortam sıcaklığı, güneş radyasyonu,

Rankine evaporatör sıkışma noktası sıcaklığı, Rankine türbin giriş basıncı ve

biokütlenin kütle akış hızına göre incelenmiştir. Biokütle modu için ekserji

verimleri ve CO2 emisyonları elektrik üretimi, kojenerasyon ve trijenerasyon olmak

138

üzere üç farklı üretim seçeneği için analiz edilmiştir. Tasarım parametrelerinin

sistem performansına etkisini gözlemlemek için parametrik çalışmalar yapılmıştır.

Parabolik çanak kolektörün referans sıcaklığa bağlı olarak ekserji yıkım miktarında

ve ekserji verimlerinde meydana gelen değişiklikler Şekil 4.51’de verilmiştir.

Şekil 4.51. Referans çevre sıcaklığının kolektörün ekserji yıkım miktarına ve ekserji verimine etkisi

Parabolik çanak kolektörün veriminin görece düşük olmasının nedeni kolektörden

geçen akışkanın sıcaklığındaki yüksek değişim miktarıdır. Parabolik çanak

kolektörün 40°C’deki ekserji verimi %14,76’dir. Ayrıca şekilden görüldüğü üzere

sıcaklık arttıkça ekserji verimi de artmaktadır. Bunun nedeni de akışkan sıcaklığı

ile çevre sıcaklığı arasındaki farkın azalması ile faydalı iş miktarının artmasıdır.

Şekil 4.52 ve Şekil 4.53 sırasıyla güneş ve biokütle modu için referans çevre sıcaklığının Rankine

çevrimi alt sisteminin ekserji yıkım miktarı ve ekserji verimine etkisini

göstermektedir.

0 5 10 15 20 25 30 35 404780

4790

4800

4810

4820

4830

4840

4850

4860

0,134

0,136

0,138

0,14

0,142

0,144

0,146

0,148

T0 ( 0C)

Ex Y

,kole

ktö

r (k

W)

kole

ktö

r

kolektör kolektör

Ex Y,kolektörEx Y,kolektör

139

Şekil 4.52. Güneş modu için referans çevre sıcaklığın Rankine çevrimi alt sistemine

etkisi

Şekil 4.53. Biokütle modu için referans çevre sıcaklığın Rankine çevrimi alt

sistemine etkisi

0 5 10 15 20 25 30 35 404730

4740

4750

4760

4770

4780

4790

4800

4810

0,39

0,4

0,41

0,42

0,43

0,44

0,45

T0 ( 0C)

Ex Y

, R

ankin

e (

kW

)

Rankin

e

Rankine Rankine

Ex Y, Rankine Ex Y, Rankine

0 5 10 15 20 25 30 35 404100

4300

4500

4700

4900

5100

0,37

0,38

0,39

0,4

0,41

0,42

0,43

T0 ( 0C)

Ex

Y, R

anki

ne (

kW)

Ranki

ne

Rankine Rankine

Ex Y, Rankine Ex Y, Rankine

140

Şekillerden görüldüğü üzere referans çevre sıcaklığı her iki mod için de Rankine

çevriminin ekserji verimini %10’dan daha az artırmıştır. Referans çevre sıcaklığın

0°C’den 40°C’ye çıkması ile Rankine alt sisteminin ekserji yıkım miktarı azalmıştır.

Şekil 4.54. Güneş modu için referans çevre sıcaklığın çift etkili absorpsiyonlu

soğutma sistemine etkisi

Şekil 4.54 ve Şekil 4.55 sırasıyla güneş ve biokütle modu için değişen referans çevre sıcaklığının

çift etkili absorpsiyonlu soğutma sisteminin ekserji yıkım miktarını ve ekserji

verimini nasıl etkilediğini göstermektedir. Termodinamik analiz sonuçlarına göre

absorpsiyonlu soğutma sistemi ekserji yıkımı oluşturmamaktadır, bunun nedeni

absorpsiyonlu soğutma sistemi üretilen ısı yerine parabolik çanak kolektör ve

biokütle sisteminde oluşan atık ısıyı kullanmaktadır.

0 5 10 15 20 25 30 35 40670

680

690

700

710

720

730

740

750

760

0,14

0,145

0,15

0,155

0,16

0,165

0,17

0,175

0,18

T0 ( 0C)

Ex Y

,absorp

siy

on (

kW

)

absorp

siy

on

absorpsiyon absorpsiyon

Ex Y,absorpsiyon Ex Y,absorpsiyon

141

Şekil 4.55. Biokütle modu için referans çevre sıcaklığın çift etkili absorpsiyonlu

soğutma sistemine etkisi

Şekil 4.56. Güneş modunda referans çevre sıcaklığının sıcak su depolama tankına

etkisi

0 5 10 15 20 25 30 35 40600

610

620

630

640

650

660

670

680

690

0,15

0,155

0,16

0,165

0,17

0,175

T0 ( 0C)

Ex Y

,absorp

siy

on (

kW

)

absorp

siy

on

absorpsiyon absorpsiyon

Ex Y,absorpsiyonEx Y,absorpsiyon

0 5 10 15 20 25 30 35 40390

400

410

420

430

440

450

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0,22

T0 ( 0C)

Ex Y

,dep

olam

a (k

W)

dep

olam

a

depolama depolama

ExY,depolamaExY,depolama

142

Güneş modunda çalışan sıcak su depolama tankının ekserji yıkım miktarındaki ve ekserji verimindeki referans çevre sıcaklığa bağlı değişimi

Şekil 4.56’da gösterilmiştir. Şekilden görüldüğü üzere referans çevre sıcaklığı

arttıkça sıcak su depolama tankının ekserji yıkım miktarı azalmaktadır. Çevre

sıcaklığının artması ile sıcak su depolama tankında depolanan sudan çevreye olan

ısı kaybı azalmaktadır böylece ekserji veriminde artış elde edilmektedir.

Şekil 4.57. Güneş modu için referans çevre sıcaklığın sistemin ekserji yıkım

miktarına ve ekserji verimine etkisi

0 5 10 15 20 25 30 35 4010640

10660

10680

10700

10720

10740

10760

10780

0,5

0,51

0,52

0,53

0,54

0,55

0,56

0,57

0,58

T0 ( 0C)

Ex

Y,s

iste

m (

kW

)

sis

tem

sistem sistem

ExY,sistemExY,sistem

143

Şekil 4.58. Biokütle modu için referans çevre sıcaklığın sistemin ekserji yıkım

miktarına ve ekserji verimine etkisi

Şekil 4.57 ve Şekil 4.58 sırasıyla güneş ve biokütle modu için referans çevre sıcaklığının sistemin

ekserji yıkım miktarına ve ekserji verimine etkisini göstermektedir. Beklendiği

üzere referans çevre sıcaklığındaki artış sistemin ekserjetik performansını

artırmaktadır. Referans çevre sıcaklığı 0°C’den 40°C’ye kadar çıktıkça sistemin

ekserji verimi %2 civarında artmaktadır. Tüm sistemin ekserji yıkım miktarı da %2

civarında azalmaktadır.

0 5 10 15 20 25 30 35 409500

10000

10500

11000

11500

12000

12500

0,49

0,5

0,51

0,52

0,53

0,54

0,55

0,56

0,57

T0 ( 0C)

Ex Y

,sis

tem

(kW

)

sis

tem

sistem sistem

ExY,sistemExY,sistem

144

Şekil 4.59. Referans çevre sıcaklığın biokütle yakıcı performansına etkisi

Şekil 4.59 Referans çevre sıcaklığına bağlı olarak biokütle yakıcının ekserji yıkım

miktarındaki ve ekserji verimindeki değişimi göstermektedir. Referans çevre

sıcaklığı 0°C’den 40°C’ye kadar arttıkça biokütle alt sisteminin ekserji yıkım miktarı

azalmakta böylece sistem için daha fazla faydalı enerji üretilmektedir. Ayrıca

sıcaklığın artışı az miktarda ekserji verimini de artırmaktadır. Diğer değişkenlerin

sabit kalması durumunda referans çevre sıcaklığın artması sistem performansını

olumlu şekilde değiştirmektedir.

Sıkışma noktası sıcaklığı ısı değiştiriciler için önemli bir göstergedir. Sıkışma

noktası sıcaklığının artması ısı değiştiriciden elde edilen faydalı ısı miktarını

azaltacağı için entegre polijenerasyon sistemin performansını da azaltmaktadır.

Her iki sistem çalışma modunda da HEX-I ve HEX-II’nin sıkışma noktası sıcaklığı

artınca ekserji veriminde azalma ekserji yıkımında artış gözlemlenmektedir.

Sıkışma noktası sıcaklığı arttıkça, Rankine türbinine giren akışkanın sıcaklığı

artmakta böylece enerji denge denkleminden yola çıkarak türbin etrafında kontrol

0 5 10 15 20 25 30 35 403750

4050

4350

4650

4950

5250

0,18

0,1825

0,185

0,1875

0,19

0,1925

0,195

0,1975

0,2

0,2025

T0 ( 0C)

Ex

Y,b

iokütle y

ak (

kW

)

bio

kütle y

ak

biokütle yak biokütle yak

ExY,biokütle yakExY,biokütle yak

145

hacmi için entalpi ve kütle akış oranı artmaktadır. Bunun sonucunda daha yüksek

entalpi ve kütle akış oranı elektrik yükünü artırmaktadır. Bir başka ifadeyle

elektrik yükünün artması sistemin ekserji verimini azaltmaktadır. Sonuçlara göre

polijenerasyon sistemin ekserji verimi tek başına elektrik üreten bir sistemin

ekserji veriminden yaklaşık 5 kat daha fazladır. Bunun başlıca nedeni

polijenerasyon enerji üretim sisteminin faydalı ürün sayısının çok sayıda olmasıdır.

Bir diğer önemli tasarım parametresi de Rankine türbinin giriş basıncıdır.

Bulgulara göre, Rankine türbinin giriş basıncının artması Rankine çevriminin

ekserji yıkım miktarını azaltmakta buna karşın Rankine alt sisteminin ekserji

verimini artırmaktadır. Rankine çevrimi için giriş ve çıkış kütle akış miktarları sabit

tutulduğunda, HEX-I ve HEX-II etrafında kontrol hacmi için enerji dengesinden yola

çıkarak artan giriş basıncı türbinin giriş entalpisini artırmaktadır. Rankine türbinin

giriş basıncının ekserji verimine etkisini daha iyi analiz etmek için, entegre

polijenerasyon sistemin net elektrik üretimi, ısıtma ve soğutma üretimi ve sıcak su

üretimi üzerinde durulmuştur. Diğer faktörler sabit tutulup Rankine türbinin giriş

basıncı artırıldığında Rankine çevrimindeki kütle akış miktarı artmaktadır. Daha

önce vurgulandığı gibi kütle akış miktarı Rankine çevriminin verimini doğrudan

etkilemektedir. Rankine türbinin giriş basıncının artması Rankine çevriminin

verimini az miktarda artırmakta bu da sistem verimine artış olarak yansımaktadır.

Sistem performansını etkileyen bir diğer faktör de Rankine pompası giriş

sıcaklığıdır. 1 numaralı pompanın giriş sıcaklığının artması Rankine çevriminin

ekserji verimini artırmakta ve ekserji yıkım miktarını azaltmaktadır. Bunun nedeni

pompanın giriş sıcaklığının artması akışkanın entalpisini artırmasıdır. Entalpinin

artması da türbinden üretilen elektrik miktarını artırmaktadır.

146

Şekil 4.60. Güneş radyasyonu yoğunluğunun kolektör alt sistemine etkisi

Sistemin ana kalbi parabolik çanak kolektör olduğu için kolektör performansı

sistemin performansını doğrudan etkilemektedir. Bu yüzden güneş radyasyon

yoğunluğu oldukça önemli bir parametredir. Şekil 4.60 güneş radyasyonu

yoğunluğunun kolektör alt sisteminin ekserji yıkım miktarına ve ekserji verimine

etkisini göstermektedir. Şekilden görüldüğü üzere güneş radyasyonu

yoğunluğunun artışı kolektör alt sisteminin ekserji yıkım miktarını artırmaktadır.

Bununla birlikte güneş radyasyon yoğunluğunun 200 W/m2 değerinden 900 W/m2

değerine artması kolektör alt sisteminin ekserji verimini de artırmaktadır. Güneş

radyasyonu miktarının artması konsantre kolektörün yansıtıcı ve alıcı yüzeyinin

sıcaklığının artmasına neden olmaktadır. Daha yüksek kolektör yüzey sıcaklığı

parabolik kolektörden üretilen faydalı enerji miktarının artmasını sağlamaktadır.

Böylece entegre polijenerasyon sistemin ürün miktarı da artmaktadır. Bütün

bunlar bir araya geldiğinde sistemin performansı artmaktadır. Güneş radyasyonu

yoğunluğunun artması sistemin ekserji yıkım miktarını ve ekserji verimini

artırmaktadır. Bunun nedeni yüksek miktarda güneş radyasyonu yoğunluğu

parabolik kolektör alt sisteminin akışkan sıcaklığını artırmasıdır.

200 300 400 500 600 700 800 9004100

4200

4300

4400

4500

4600

4700

4800

4900

0,31

0,32

0,33

0,34

0,35

0,36

0,37

0,38

0,39

Günes Radyasyonu (W/m2)

Ex

Y,k

ole

ktö

r (k

W)

kole

ktö

r

kolektör kolektör

ExY,kolektörExY,kolektör

147

Çevresel değerlendirme kısmında, entegre sistemin çevresel etkileri diğer üretim

opsiyonları ile kıyaslanarak analiz edilmiştir. Rankine türbini giriş basıncının

artması tekli üretim, kojenerasyon, trijenerasyon ve polijenerasyon sistemleri için

CO2 emisyonlarını azaltmaktadır. Fakat en fazla azalış tekli üretim sisteminde

gerçekleşmiştir. Bu emisyonların azalması türbin basıncının artışının türbinden

üretilen elektrik miktarının artmasıyla açıklanabilmektedir. Böylece daha fazla

faydalı iş sağlanır bu da emisyonları azaltmaktadır.

Diğer bir parametrik çalışma Rankine çevriminin pompasının giriş sıcaklığı için

uygulanmıştır. Rankine çevrimi pompasının giriş sıcaklığının artmasının farklı

üretim opsiyonları için CO2 emisyon üretiminde negatif etkisi vardır. Çünkü

Rankine pompasının giriş sıcaklığının artması net elektrik çıkışını azaltmakta bu

yüzden emisyon miktarı artmaktadır.

Son olarak, HEX-II’nin sıkışma noktası sıcaklığındaki değişimin CO2 emisyonlarına

etkisi analiz edilmiştir. Sonuç olarak HEX-II’nin sıkışma noktası sıcaklığındaki artış

net elektrik üretimini azalttığından dolayı CO2 emisyonlarında da artışa neden

olmaktadır.

148

5. SONUÇ VE ÖNERİLER

Polijenerasyon üretim için kullanılan entegre enerji üretim sistemleri yüksek

performansları, düşük maliyetleri ve düşük emisyonları nedeniyle güç ve diğer

faydalı ürünlerin üretilmesinde önemli bir alternatif sunmaktadır. Küresel ısınma,

iklim değişiklikleri ve ozon tabakasının tahrip olması gibi çevresel kaygıların

artması, enerjinin giderek daha pahalı olması gibi nedenler entegre polijenerasyon

sistemlerin önemini artırmaktadır. Bu araştırmada 5 farklı enerji üretim opsiyonu

termodinamik açıdan analiz edilmiş ve sistem performansını etkileyen

parametrelerin etkisini ölçmek için parametrik çalışmalar yapılmıştır. Parametrik

çalışmalar çevre sıcaklığının, güneş radyasyonunun, biokütle veya kömürün

besleme miktarının gibi sistemler için önemli olan değişkenlerin etkisini

göstermiştir. Bu bölümde her bir sistem için sonuç ve öneriler ayrı ayrı verilmiştir.

5.1. Sistem 1

Absorpsiyonlu soğutma sisteminin enerjetik performans katsayısı çevresel

sıcaklığın değişmesi ile değişmezken ekserjetik performans katsayısı artan

sıcaklıkla birlikte artmaktadır.

Güneş modu için, POT kolektör, ORC alt sistemi, absorpsiyonlu soğutma

sistemi, hidrojen üretimi alt sistemi ve tüm sistemin enerji verimleri

sırasıyla %24,83, %13,32, %29,96, %19,96 ve %52,27’dir.

Güneş modu için, POT kolektör, ORC alt sistemi, absorpsiyonlu soğutma

sistemi, hidrojen üretimi alt sistemi ve tüm sistemin ekserji verimleri

sırasıyla %20,22, %19,51, %15,21, %20,11 ve %57,16’dır.

Biokütle modu için, biokütle yakıcı, ORC alt sistemi, absorpsiyonlu soğutma

sistemi, hidrojen üretimi alt sistemi ve tüm sistemin enerji verimleri

sırasıyla %42,91, %14,56, %20,08, %30,98 ve %53,28 olarak

hesaplanmıştır.

149

Biokütle modu için, biokütle yakıcı, ORC alt sistemi, absorpsiyonlu soğutma

sistemi, hidrojen üretimi alt sistemi ve tüm sistemin ekserji verimleri

sırasıyla %38,24, %19,37, %16,49, %21,27 ve %57,26 olarak

hesaplanmıştır.

Güneş ve biokütle modu için sırasıyla en yüksek ekserji yıkımı POT

kolektörde ve biokütle yakıcıda gerçekleşmiştir.

Güneş ve biokütle modunda en düşük ekserji yıkım miktarı genleşme

valfinde gerçekleşmiştir.

Güneş modu için, güneş radyasyonunun artışı üretilen net elektrik ve

hidrojen miktarını artırmaktadır.

Polijenerasyon sistemden çıkan CO2 miktarı trijenerasyon ve kojenerasyon

sistemlerinden daha az olmaktadır.

5.2. Sistem 2

Toplam ekserji yıkım miktarının %18’i kömür gazlaştırma, %14’ü kolektör

alt sistemine aittir.

Entegre polijenerasyon sistemin toplam enerji ve ekserji verimleri sırasıyla

%67 ve %58’dir.

Entegre polijenerasyon sistemin kapasite ve performansı güneşlenme

verileri ile doğrudan alakalıdır.

5.3. Sistem 3

Jeotermal alt sistemin ekserji yıkım miktarı diğer sistemlere göre daha

yüksektir.

Artan çevre sıcaklığı absorpsiyonlu soğutma sistemi dışındaki tüm

sistemlerin ekserji yıkım miktarını azaltmaktadır.

150

Artan çevre sıcaklığı absorpsiyonlu soğutma sisteminin ekserjetik

performans katsayısını artırırken enerjetik performans katsayısını

etkilememektedir.

Parametrik çalışmalar kondenser sıcaklığında, türbin giriş basıncında,

buharlaştırıcı sıkışma noktası sıcaklığında veya ORC türbin giriş

sıcaklığındaki artışın net elektrik ve hidrojen üretimine olumsuz etkisi

olduğunu göstermektedir.

Türbin giriş sıcaklığının artması net elektrik ve hidrojen üretimini

artırmaktadır.

Termoekonomik analizlere göre, jeotermal suyun giriş sıcaklığının artması

hidrojen üretim maliyetini düşürmüştür.

5.4. Sistem 4

En yüksek ekserji yıkım miktarı ve ekserji yıkım oranı sırasıyla 1955 kW ve

%18,97 olarak parabolik oluk tipi kolektörde gerçekleşmiştir.

POT kolektörün ekserji verimi %43,14 olarak hesaplanmıştır.

Ortam sıcaklığının artması çift etkili ORC alt sisteminin enerji ve ekserji

verimini azaltmaktadır.

Güneş radyasyonunun artması üretilen net elektrik ve hidrojen miktarını

artırmakta fakat soğutma alt sistemine olumsuz etki etmektedir.

Absorber borusunun iç yüzey sıcaklığının 175°C’den 265°C’ye çıkması,

entegre polijenerasyon sistemin hem enerji hem de ekserji verimini

artırmaktadır.

16 ve 53 numaralı akışlarda amonyak kütle yüzdesinin artışı, DS-ORC ve

DEASS alt sisteminin enerji ve ekserji verimlerini artırmaktadır.

151

5.5. Sistem 5

Güneş modu için parabolik kolektör, biokütle modu için biokütle yakıcı diğer

alt sistemlere nazaran en yüksek ekserji yıkım miktarına sahiptir.

Güneş modu için, güneş enerjisi yoğunluğu arttıkça parabolik kolektörün

ekserji yıkım miktarı azalmakta ve ekserji verimi artırmaktadır.

Parametrik analiz sonuçları Rankine türbin giriş basıncı, Rankine pompası

giriş basıncı ve güneş radyasyon yoğunluğunun artmasının sistem

performansına olumlu etkisi olduğunu göstermektedir.

HEX-I ve HEX-II’nin sıkışma noktası sıcaklığının artması entegre sistemin

ekserji verimini azaltmakta böylece toplam ekserji yıkım miktarını

artırmaktadır.

Ekserji analizi ve çevresel etki değerlendirmesi sonuçlarına göre,

polijenerasyon sistem diğer enerji üretim opsiyonlarına göre daha yüksek

ekserji verimine ve daha düşük CO2 emisyonına sahiptir.

152

KAYNAKLAR

Ahmadi, P., Dincer, I., Rosen, M.A. 2011. Exergy, exergoeconomic and

environmental analyses and evolutionary algorithm based multi-objective

optimization of combined cycle power plants. Energy , 36, 5886-5898.

Ahmadi, P., Dincer, I., Rosen, M.A. 2012. Exergo-environmental analysis of an

integrated organic Rankine cycle for trigeneration. Energy Conversion and

Management , 64, 447-453.

Ahmadi, P., Dincer, I., Rosen M.A. 2015. Performance Assessment of a Novel Solar

and Ocean Thermal Energy Conversion Based Multigeneration System for

Coastal Areas. Journal of Solar Energy Engineering, 137, 1-13.

Al-Sulaiman, F.A., Hamdullahpur, F., Dincer, I. 2011. Trigeneration: A

comprehensive review based on prime movers. Internatıonal Journal Of

Energy Research , 35, 233-258.

Bejan, A. 1982. Entrpy Generation through Heat and Fluid Flow. Toronto: Wiley.

Bejan, A., Tsatsaronis, G., Moran, M. 1995. Thermal design and optimization. Wiley-

Interscience.

Bezir, N., Ozturk, M., Ozek, N. 2009. Renewable Energy Market Conditions and

Barriers in Turkey. Renewable and Sustainable Energy Reviews , 13, 1428-

1436.

BP Statistical Review of World Energy. 2014. Erişim Tarihi: 10.04.2015.

http://www.bp.com/content/dam/bp/pdf/Energy-economics/statistical-

review-2014/BP-statistical-review-of-world-energy-2014-full-report.pdf

153

Çengel, Y. A., Boles, M. A. 2012. Termodinamik Mühendislik Yaklaşımıyla (5. b.).

İzmir: İzmir Güven Kitabevi.

Dincer, I., Rosen, M. 2007. Exergy: Energy, Environment and Sustainable

Development. India: Elsevier.

Dincer, I., Rosen, M. A. 2013. Exergy: Energy, Environment and Sustainable

Development, Second edition . Waltham, USA: Elsevier.

Energy. 2003. Cogeneration or Combined Heat and Power. US Department of

Energy.

ETKB, Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı. 2015. Erişim Tarihi: 10.06.2016

http://www.enerji.gov.tr/tr-TR/Sayfalar/Jeotermal

ETKB, Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı. 2016. Erişim Tarihi: 07.06.2016

http://www.enerji.gov.tr/tr-TR/Sayfalar/Dogal-Gaz

Enerji Verimi Derneği. 2015. Erişim Tarihi: 07.06.2016.

http://www.enver.org.tr/tr/icerik/ulasim/15

Ganjehkaviri, A., Jaafar, M., Lazim, T. 2012. Modeling and multi-objective exergy

based optimization of a combined cycle power plant using a genetic

algorithm. Energy Conversion and Management , 8, 94–103.

Gaur, S., Reed, T. 1998. Thermal Data for Natural and Synthetic Fuels. New York:

Marcel Dekker, Inc.

Ghamarian, A., Cambel, A. 1982. Biomass Exergy analysis of llinois No. 6 Coal.

Energy , 7 (6), 483-488.

154

Gurau, V., Barbir, F., Liu, H. 2000. An analytical solution of a Half-Cell model for PEM

fuel cells. Journal of the Electrochemical Society , 147 (7), 2468-2477.

Hamann, C., Hamnett, A., Vielstich, W. 2007. Electrochemistry. Weinheim: Wiley-

VCH.

IEA, International Energy Agency. 2015. Erişim Tarihi: 14.04.2015.

http://www.iea.org/topics/renewables/subtopics/solar/

IEA, International Energy Agency. 2016. Erişim Tarihi: 14.04.2015.

http://www.iea.org/topics/renewables/subtopics/solar/

Kalogirou, S. 2009. Solar Energy Engineering: processes and systems. London:

Elsevier.

Kaplan, Y. 2015. Overview of wind energy in the world and assessment of current

wind energy policies in Turkey. Renewable and Sustainable Energy Reviews

, 43, 562-568.

Kerk, G., Manuel, A. 2008. A comprehensive index for a sustainable society: The SSI

- the sustainable society index. Ecological Economics , 66, 228-242.

Klein, C., Lovekin, J., Sanyal, S. 2004. New geothermal site identification and

qualification. GeothermEx, Inc.

Klein, S. 2007. Engineering Equation Solver (EES), Academic Commercial. F-Chart

Software, www.fChart.com.

Kone, A., Buke, T. 2007. An analytical network process (ANP) evaluation of

alternative fuels for electricity generation in Turkey. Energy Policy , 35,

5220-5228.

155

Kotas, T. 1980. Exergy Concepts for Thermal Plant: First of Two Papers on Exergy

Techniques in Thermal Plant Analysis. International Journal of Heat and

Fluid Flow , 2 (3), 105-114.

Kotas, T. 1995. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis. Malabar, Florida:

Krieger.

Lian, Z., Chua, K., Chou, S. 2010. A thermoeconomic analysis of biomass energy for

trigeneration. Applied Energy , 87, 84-95.

Lv, P., Xiong, Z., Chang, J., Wu, C., Chen, Y., Zhu. J. 2004. An experimental study on

biomass air-steam gasification in a fluidized bed. Bioresource Technology ,

95 (1), 95-101.

Mansouri, T., Ahmadi, P., Kaviri, A., Jaafar, M. 2012. Exergetic and economic

evaluation of the effect of HRSG configurations on the performance of

combined cycle power plants. Energy Conversion and Management , 58, 47-

58.

Misra, R., Sahoo, P., Gupta, A. 2006. Thermoeconomic evaluation and optimization

of an aqua-ammonia vapor-absorption refrigeration system. International

Journal of Refrigeration , 47-59, 47-59.

Morna, I., Detlef, P. 2009. Modeling globalresidential sector energy demand for

heating and air conditioning in the context of climate change. Energy Policy ,

37, 507-521.

Ni, M., Leung, M., Leung, D. 2008. Energy and exergy analysis of hydrogen

production by a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer plant.

Energy Conversion and Management , 49 (10), 2748-2756.

156

Oyedepo, S. 2012. On Energy for Sustainable Development in Nigeria. Renewable

and Sustainable Energy Reviews , 16 (5), 2538-2598.

Oyedepo, S. 2014. Towards achieving energy for sustainable development in

Nigeria. Renewable and Sustainable Energy Reviews , 34, 255-272.

Özturk, M., Özek, N., Yüksel, Y. 2012. Gasification of various types of tertiary coals: a

sustainability approach. Energy Conversion and Management , 56, 157-165.

Öztürk, M., Yüksel, Y.E. 2016. Energy structure of Turkey for sustainable

development. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 53, 1259-1272.

Petrol İşleri Genel Müdürlüğü. (2014). Erişim Tarihi: 07.06.2016.

http://www.pigm.gov.tr/index.php/component/content/article/26-

icerik/46-sikca-sorulan-sorular

Ptasinski, K., Prins, M., Pierik, A. 2007. Exergetic evaluation of biomass gasification.

Energy , 32 (4), 568-74.

Szargut, J. 2005. Exergy Method: Technical and Ecological Applications. WIT press.

Szargut, J., Styrylska, T. 1964. Approximate evaluation of the exergy of fuels.

Waerme Kraft , 16 (12), 589–596.

Szargut, J., Morris, D., Steward, F. 1988. Exergy Analysis of Thermal, Chemical, and

Metallurgical Processes. New York: Hemisphere.

Thampan, T., Malhotra, S., Zhang, J., Datta, R. 2001. PEM fuel cell as a membrane

reactor. Catalysis Today , 67 (1-3), 15-32.

157

Tsatsaronis, G., Moran, M., Bejan, A. 1996. Thermal Design and Optimization. New

York: Wiley.

Tyagi, S., Wang, S., Singhal, M., Kaushik, S., Park, S. 2007. Exergy analysis and

parametric study of concentrating type solar collectors. International

Journal of Thermal Sciences , 46, 1304-1310.

Uygur, İ., Demirci, R., Saruhan, H., Özkan, A., Belenli, İ. 2006. Batı Karadeniz

Bölgesindeki Dalga Enerjisi Potansiyelinin Araştırılması. Pamukkale

Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Bilimleri dergisi , 12 (1), 7-

13.

Weiss, M., Junginger, M., Patel, M., Blok, K. 2010. A review of experience curve

analyses for energy demand technologies. Technological Forecasting &

Social Change , 77, 411-428.

WCED, World Commission on Environment and Development. 1987. Our common

future. Oxford: Oxford University Press.

Yüksel, Y. E. 2010. Türkiye’deki Bazı Kömürlerin Gazlaştırılması İle Hidrojen

Üretiminin Ekserji Analizi. Isparta: Süleyman Demirel Üniversitesi Fen

Bilimleri Enstitüsü.

Yüksel, Y.E., Öztürk, M. 2015. Thermodynamic modelling of an integrated energy

system for poly-generation design. Dincer, I., Colpan, C.O., Kizilkan, Ö.,

Ezan, M.A. (Eds.), Progress in Clean Energy, Volume 1 (21-39). Springer

International Publishing, 943p. Switzerland.

Yüksel, Y.E., Öztürk, M. 2016. Energy and exergy analyses of an integrated solar and

biomass-assisted multi-generation system with hydrogen production.

International Journal of Exergy, 20 (2), 203-235.

158

Yüksel, Y.E., Öztürk, M. 2016. Thermodynamic and thermoeconomic analyses of a

geothermal energy based integrated system for hydrogen production.

International Journal of Hydrogen Energy, Çevrimiçi erişim: 17 Mayıs 2016.

Baskı aşamasında.

Yüksel, Y.E., Öztürk, M., Dincer, I. 2016. Thermodynamic performance assessment

of a novel environmentally-benign solar energy based integrated system.

Energy Conversion and Management, 119, 109-120.

Yüksel, Y.E., Öztürk, M. 2016. Thermodynamic analysis of an integrated

concentrating collector and biomass combustion system for multi-

generation application. International Journal of Exergy, Basım Aşamasında.

Zare, V., Mahmoudi, S., Yari, M., Amidpour, M. 2012. Thermoeconomic analysis and

optimization of an ammonia-water power/cooling cogeneration cycle.

Energy , 47, 271-283.

Ziapour, B., Palideh, V., Mohammednia, A. 2014. Study of an improved integrated

collector-storage solar water heatercombined with the photovoltaic cells.

Energy Conversion and Management , 86, 587-594.

159

ÖZGEÇMİŞ

Adı Soyadı : Yunus Emre YÜKSEL

Doğum Yeri ve Yılı : Isparta, 1982

Medeni Hali : Bekar

Yabancı Dili : İngilizce

E-posta : yeyuksel@aku.edu.tr

Eğitim Durumu

Lise : Isparta Gönen Anadolu Öğretmen Lisesi, 2000

Lisans : ODTÜ, Eğitim Fakültesi, Fen Bilgisi Öğretmenliği, 2006

Yüksek Lisans : SDÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, Fizik ABD, 2010

Mesleki Deneyim

AKÜ EğitimFakültesi 2012-Halen

160

Yayınları

Yüksel, Y.E., Öztürk, M. 2016. Energy and exergy analyses of an integrated solar and

biomass-assisted multi-generation system with hydrogen production.

International Journal of Exergy, 20(2), 203-235.

Yüksel, Y.E., Öztürk, M., Dincer, I. 2016. Thermodynamic performance assessment

of a novel environmentally-benign solar energy based integrated system.

Energy Conversion and Management, 119, 109-120.

Yüksel Y.E., Öztürk M. 2016. Thermodynamic and thermoeconomic analyses of a

geothermal energy based integrated system for hydrogen production.

International Journal of Hydrogen Energy. Doi:

10.1016/j.ijhydene.2016.04.172.

Yüksel, Y.E., Öztürk, M. 2016. Energy structure of Turkey for sustainable

development. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 53, 1259-1272.

Öztürk, M., Özek, N., Yüksel, Y.E. 2012. Gasification of various types of tertiary

coals: A sustainability approach. Energy Conversion and Management, 56,

157-165.

Öztürk, M., Yüksel, Y.E., Özek, N. 2011. A Bridge between East and West: Turkey's

natural gas policy. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(9),

4286-4294.

Öztürk, M., Özek, N., Yüksel, Y.E. 2011. Energetic and exergetic performance

assessment of some coals in Turkey for gasification process. International

Journal of Exergy, 8(3), 297-309.

161

Öztürk, M., Yüksel, Y.E. 2016. Thermodynamic Analysis of an Integrated

Concentrating Collector and Biomass Combustion System for Multi-

generation. 8TH EGE ENERGY SYMPOSIUM AND EXHIBITION.

Öztürk, M., Yüksel, Y.E. 2016. Thermodynamic analysis of a steam biomass

gasification system for hydrogen production. 8TH EGE ENERGY

SYMPOSIUM AND EXHIBITION.

Yüksel, Y.E., Öztürk, M. 2016. Thermodynamic analysis of an integrated system with

a concentrating collector for multi-generation purposes. 8th International

Exergy, Energy and Environment Symposium

Yüksel, Y.E., Öztürk, M., Dincer, I. 2016. Energy and exergy analyses of a solar

energy driven multigeneration system for green buildings. 8th International

Exergy, Energy and Environment Symposium

Koçer, A.A., Yüksel, Y.E., Öztürk, M. 2014. Investigation of a biomass gasification

system based on energy and exergy analysis. 5. International Symposium on

Sustainable Development, 187-196.

Öztürk, M., Yüksel, Y.E., Koçer, A.A. 2014. Thermodynamic and Environmental

Assessment of a Wind Turbine System. 5. International Symposium on

Sustainable Development, 219-228.

Öztürk, M., Yüksel, Y.E., Özek, N. 2010. Thermodynamic Assessment of Hydrogen

Production via Wind Energy. 5th International Ege Energy Symposium &

Exhibition.

Öztürk, M., Özek, N., Akkurt, İ., Yüksel, Y.E. 2010. Sustainable Development Efforts

in Hydrogen Energy Technologies. 2nd International Symposium on

Sustainable Development, 1(1), 274-284.

162

Öztürk, M., Yüksel, Y.E., Özek, N. 2009. Kömür Gazlaştırmadan Hidrojen Üretimi

İçin Türkiye’de ki Bazı Kömürlerin Ekserji Analizi. Uluslararası Katılımlı

Nükleer ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Kongresi, 1(1), 294-300.

Öztürk, M., Özek, N., Yüksel, Y.E. 2010. Environmental Impacts of Fossil Fuels.

Uluslararası Katılımlı Nükleer ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Kongresi,

1(1), 586-591.

Öztürk, M., Yüksel, Y.E. 2016. Energy structure of Turkey for sustainable

development. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 53, 1259-1272.

Çırak, B.B., Öztürk, M., Özek, N., Yüksel, Y.E. 2009. Yakıt Pillerinin Sınıflandırılması

ve Reaksiyonları. Uluslararası Katılımlı Nükleer ve Yenilenebilir Enerji

Kaynakları Kongresi, 1(1), 168-174.

Öztürk, M., Yüksel, Y.E., Özek, N. 2009. Life Cycle Assessment of Hydrogen

Production from Natural Gas Reforming Process. 26. Uluslararası Fizik

Kongresi, 1(1), 90-90.

Öztürk, M., Yüksel, Y.E., Özek, N. 2009. Türkiye’de Bulunan Bazı Kömürlerin

Gazlaştırılarak Hidrojen Üretiminin Ekserji Analizi. 26. Uluslararası Fizik

Kongresi, 1(1), 91-91.

Öztürk, M., Özek, N., Yüksel, Y.E. 2009. Recommendations for Electricity and

Natural Gas Sectors in Turkey. Uluslararası Davraz Kongresi, 1(1).

Öztürk, M., Çırak, B.B., Yüksel, Y.E., Özek, N. 2008. Analysis of Proton Exchange

Membrane Fuel Cell Performance. 25. Uluslararası Fizik Kongresi, 1(1), 135-

135.

163

Progress in Clean Energy, Volume 1, Bölüm adı :( Thermodynamic Modeling of an

Integrated Energy System for Poly-generation Design). 2015., Yüksel, Y.E.,

Öztürk, M. Springer, Editör: Ibrahim Dincer, C. Ozgur Colpan, Onder

Kizilkan, M. Akif Ezan, Basım sayısı:1, Sayfa Sayısı 945

Energy Science and Technology Volume 2: Coal Energy, Bölüm

adı:(Thermodynamic and Environmental Assesment of a Coal Gasification

System). 2015. Yüksel, Y.E., ÖZTÜRK, M. Studium Press LLC, Editör:J.N.

Govil, Ram Prasad, Sri Sivakumar, Umesh Chandra Sharma, Basım sayısı:1,

Sayfa Sayısı 787, ISBN:1-62699-063-8, İngilizce

Çevrimli, Ü., Yüksel, Y. E., Öztürk, M. 2015. Progress in Clean Energy, Volume 1,

Bölüm adı :( Thermodynamic Evaluation of an Integrated System with

Concentrating Collector)., Springer, Editör: Ibrahim Dincer, C. Ozgur Colpan,

Onder Kizilkan, M. Akif Ezan, Basım sayısı:1, Sayfa Sayısı 945, ISBN:978-3-

319-16708-4, İngilizce

Yüksel, Y.E., Öztürk, M. 2016. Hibrit Enerji Üretim Sisteminin Termodinamik

Analizi. El-Cezerî Journal of Science and Engineering, 3(1), 9-26.

Yüksel, Y.E., Öztürk, M. 2015. Thermodynamic Analysis of an Integrated Solar-based

Chemical Reactor System for Hydrogen Production. El-Cezerî Journal of

Science and Engineering, 2(2), 19-27.

Yüksel, Y.E. 2010. Doğalgazdan Hidrojen Üretilmesi ve Salınan Karbondioksitin

Tutulması. Süleyman Demirel Üniversitesi, International Technologic

Science, 2(3), 1-13.

Yüksel, Y.E., Öztürk, M. 2015. Progress in Clean Energy, Volume 1, Bölüm Adı:

Thermodynamic Modeling of an Integrated Energy System for Poly-

generation Design. Editör: Ibrahim Dincer, C. Ozgur Colpan, Onder Kizilkan,

164

M. Akif Ezan, Basım sayısı:1, Sayfa Sayısı 945, ISBN:978-3-319-16708-4,

İngilizce

Yüksel, Y.E., Ozturk, M. 2015. Kömür Gazlaştirma Yöntemi Ile Hidrojen Üretiminin

Yaşam Döngüsü Analizi. Ulusal Hidrojen Teknolojileri Kongresi.

Yüksel, Y.E., Öztürk, M. 2015. Jeotermal kaynakli çok fonksiyonlu hidrojen üretim

sisteminin termodinamik analizi. Ulusal hidrojen teknolojileri kongresi.

Yüksel, Y.E., Öztürk, M., Özek, N. 2015. Yakıt hücresi sistemlerinin termodinamik

analizi. Adım fizik günleri IV.

Yüksel, Y.E., Öztürk, M., Özek, N. 2015. Entegre polijenerasyon enerji üretim

sisteminin termodinamik analizi. ADIM FİZİK GÜNLERİ IV.

Öztürk, M., Yüksel, Y.E., Özek, N. 2010. Türkiye’deki Bazı Tersiyer Kömürlerin

Kimyasal Ekserji Analizleri. Adım Fizik Günleri I, 1(1), 72.

Çırak, B.B., Öztürk, M., Özek, N., Yüksel, Y.E. 2009. PEM Yakıt Pillerindeki Kütle

Transferinin Matematiksel Modellenmesi. V. Yeni ve Yenilenebilir Enerji

Kaynakları Sempozyumu, 1(1), 395-401.

Öztürk, M., Bezir, N.Ç., Özek, N., Yüksel, Y.E. 2008. Hidrojen Üretmede

Fotoelektrokimyasal Yöntemin İncelenmesi. II. Ulusal Güneş ve Hidrojen

Enerjisi Kongresi, 1(1), 129-140.

Öztürk, M., Özek, N., Yüksel, Y.E. 2008. Nükleer Enerji ile Hidrojen Üretimi için

Yüksek Sıcaklık Elektrolizinin Ömür Boyu Değerlendirilmesi. II. Ulusal

Güneş ve Hidrojen Enerjisi Kongresi, 1(1), 141-147.