Gemilerde atık ısı kullanılarak deniz suyundan hidrojen eldesinin araştırılması, enerji ve ekserji analizi

Abstract

Artan nüfus ve taleplerle birlikte taşımacılık sektörünün yüksek hacimli kullanımı, alternatif enerji kaynaklarının önemini günden güne arttırmaktadır. Dünya ticaretinde ön planda bulunan ve yüksek kullanım alanına sahip taşımacılık araçlarından biri olan deniz araçları daha yeşil bir çevre için yenilenebilir enerji kaynakları konusunda birçok araştırmaya konu olmuştur. Bu çalışmaların en önemlilerinden biri ise deniz araçlarında bulunan yüksek egzoz gazı sıcaklığına sahip dizel motorlardaki atık ısıdan elektrik üretimidir. Atık ısı geri kazanım sistemi genelde motor verimliliğini arttırmak, CO2 miktarını azaltmak için uygulanmaktadır. Bu tez çalışmasında, bir yük gemisinin dizel motorunun egzozundan çıkan atık ısıdan üretilen elektrik kullanılarak hidrojen eldesi sağlanmıştır. Elektrik üretimi rankine çevrimi ile sağlanırken, hidrojen üretimi ise deniz suyunun elektrolizi ile sağlanmaktadır. Deniz suyu elektroliz öncesi ters ozmos ile saflaştırılmakta ve hidrojene çevrilmektedir. Sistemin konsept tasarımı yapıldıktan sonra enerji ve ekserji analizi uygulanmıştır. Deniz suyundan hidrojen üretimi sistemi için bileşenlerin ekserji yıkımlarının yüzdelik oranları büyükten küçüğe olmak üzere şu şekilde hesaplanmıştır: %55 elektrolizör, %21 kompresör, %9 yüksek basınç pompası (5-6 arası), %7 ters ozmos (4-5 arası), %4 yüksek basınç pompası, %3 düşük basınç pompası (3-4 arası), %1 ters ozmos (6-7 arası). Sediment filtre, ince film membran ve karışık yataklı reçinede ekserji yıkımı çok düşük olduğu için % 0 olarak kabul edilmiştir. Rankine çevrimi için ise ekserji yıkımlarının yüzdelik oranları büyükten küçüğe olmak üzere şu şekilde sonuçlanmıştır: %86 türbin, %12 ekonomizer,%1 pompa, %1 kondenser. Sonuç olarak, bu çalışma özelinde hem atık ısıdan yararlanılmış hemde deniz suyundan elektroliz yoluyla hidrojen elde edilebilirliğinin enerjitik açıdan imkanı ortaya koyulmuştur.

Increasing population and demands, as well as high-volume use of the transportation sector, increases the importance of alternative energy sources day by day. Maritime vehicles, which are one of the prominent and highly used transportation vehicles in world trade, have been the subject of many researches on renewable energy sources for a greener environment. One of the most important of these studies is the production of electricity from the waste heat of diesel engines with high exhaust gas temperatures in marine vehicles. Waste heat recovery system is generally applied to increase engine efficiency and reduce the amount of CO2. In this thesis study, hydrogen production was achieved by using electricity produced from the waste heat from the exhaust of a cargo ship's diesel engine. While electricity production is provided by the rankine cycle (RC), hydrogen production is provided by the electrolysis of sea water. Seawater is purified by reverse osmosis before electrolysis and converted into hydrogen. After the concept design of the system was made, energy and exergy analysis was applied. For the hydrogen production system from seawater, the percentage rates of exergy destruction of the components were calculated from largest to smallest as follows: 55% electrolyzer, 21% compressor, 9% high pressure pump (5-6), 7% reverse osmosis (4-5), 4% high pressure pump, 3% low pressure pump (between 3-4), 1% reverse osmosis (between 6-7). Since exergy destruction in sediment filter, thin film membrane and mixed bed resin is very low, it is accepted as 0%. For the Rankine cycle, the percentage rates of exergy destruction are as follows, from largest to smallest: 86% turbine, 12% economizer, 1% pump, 1% condenser. As a result, in this study, both waste heat was utilized and the energetic possibility of obtaining hydrogen from seawater through electrolysis was demonstrated.