Embed Size (px)
Citation preview
T.C.
SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ
FENBİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
TÜRKİYE’DEKİ BAZI KÖMÜRLERİN GAZLAŞTIRILMASI
İLE HİDROJEN ÜRETİMİNİN EKSERJİ ANALİZİ
Yunus Emre YÜKSEL
Danışman: Prof. Dr. Nuri ÖZEK
YÜKSEK LİSANS TEZİ
FİZİK ANABİLİMDALI
ISPARTA-2010
ii
TEZ ONAYI
Yunus Emre YÜKSEL tarafından hazırlanan “Türkiye’de ki Bazı Kömürlerin
Gazlaştırılması ile Hidrojen Üretiminin Ekserji Analizi” adlı tez çalıĢması
aĢağıdaki jüri tarafından oy birliği ile Süleyman Demirel Üniversitesi Fizik Anabilim
Dalı‟nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiĢtir.
DanıĢman : Prof. Dr. Nuri ÖZEK
Süleyman Demirel Üniversitesi Fizik Anabilim Dalı
Jüri Üyeleri :
Doç. Dr. A. Hakan AKTAġ
Süleyman Demirel Üniversitesi Kimya Anabilim Dalı
Doç. Dr. Ġskender AKKURT
Süleyman Demirel Üniversitesi Fizik Anabilim Dalı
Prof. Dr. Mustafa KUŞCU
Enstitü Müdürü
Not: Bu tezde kullanılan özgün ve baĢka kaynaktan yapılan bildiriĢlerin, çizelge, Ģekil ve fotoğrafların
kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.
iii
İÇİNDEKİLER
ĠÇĠNDEKĠLER………………………………………………………………………..i
ÖZET ………………………………………………………………………………..iv
ABSTRACT ………………………………………………………………………….v
TEġEKKÜR …………………………………………………………………………vi
ġEKĠLLER DĠZĠNĠ ………………………………………………………………...vii
ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ ……………………………………………………………...ix
SĠMGELER DĠZĠNĠ ………………………………………………………………...xi
1. GĠRĠġ ……………………………………………………………………………...1
2. KURAMSAL TEMELLER ……………………………………………………….5
2.1. Enerji Analizi ……………………………………………………………………5
2.1.1. Enerji Terimleri ………………………………………………………………..5
2.1.2 Enerji verimi …………………………………………………………………...7
2.2. GazlaĢtırma Tesisinin Enerji Dengesi …………………………………………...7
2.3. Ekserji Analizi …………………………………………………………………..8
2.4. Ekserji Terimleri ……………………………………………………………….12
2.5. Ekserji OluĢturan Faktörler …………………………………………………….17
2.5.1. ĠĢ Transferine Bağlı Ekserji ………………………………………………….17
2.5.2. Isı Transferine Bağlı Ekserji …………………………………………………17
2.5.3 Maddenin Kararlı AkıĢına Bağlı Ekserji ……………………………………...17
2.6. Ekserji Verimlilikleri …………………………………………………………..18
2.6.1. Ekserji verimliliğini artırmanın yolları ………………………………………19
2.7. Kömür Nedir? ………………………………………………………………….20
2.7.1. Kömürün OluĢumu …………………………………………………………...21
2.7.2. KömürleĢme ………………………………………………………………….22
2.7.3. Kömürlerin Sınıflandırılması ………………………………………………...23
2.7.4. Temel Kömür Analizi ..………………………………………………………23
2.7.5. KömürleĢme AĢaması………………………………………………………...24
2.7.6. Kömür Türü...………………………………………………………………...24
2.7.7. Kömürün Derecesi……………………………………………………………25
2.7.8. Sınıflandırma Sistemleri……………………………………………………...25
iv
2.7.9. Dünyada Kömür Rezervleri ..……………………………………………….25
2.8. Hidrojen ………………………………………………………………………..26
2.8.1. Hidrojenin Genel Özellikleri …………………………………………………27
2.8.2. Hidrojenin Fiziksel Özellikleri ………………………………………………30
2.8.3. Hidrojenin Kimyasal Özellikleri ……………………………………………..30
2.9. Hidrojen Üretimi ……………………………………………………………….31
2.9.1. Elektroliz ile Hidrojen Üretimi ………………………………………………31
2.9.1.1. Elektroliz için Kaynak Olarak GüneĢ Fotovoltaik Gözeleri ……………….32
2.9.1.2. Elektroliz için Kaynak Olarak Rüzgar Gücü ………………………………33
2.9.2. Doğalgazın Buhar-Metan Reformu …………………………………………..35
2.9.3. GazlaĢtırma …………………………………………………………………..36
2.9.3.1. Kömürün GazlaĢtırılması …………………………………………………..36
2.9.3.2. Biyokütlenin GazlaĢtırılması ………………………………………………37
2.9.4. Termokimyasal Üretim ………………………………………………………38
2.9.4.1. GüneĢ Termoliz …………………………………………………………….39
2.9.4.2. GüneĢ Termokimyasal Çevrimler ………………………………………….39
2.9.4.3. GüneĢ Reformasyonu ve GazlaĢtırma ……………………………………...40
2.9.4.4. GüneĢ Parçalama (Kraking) ………………………………………………..40
2.9.5. Fotoelektrokimyasal Hidrojen Üretimi ………………………………………41
2.9.6. Biyokütlenin Prolizi ………………………………………………………….41
2.9.7. Fotobiyolojiksel Üretim ……………………………………………………...42
2.9.8. Nükleer Termokimyasal ……………………………………………………...43
2.9.9. Bor Mineralinden Hidrojen Üretimi …………………………………………44
2.10. Hidrojenin Dağıtımı …………………………………………………………..45
2.10.1. Boru Hattı ile (gaz formunda) Dağıtım ……………………………………..46
2.10.2. ġebeke Hatları ile (elektriğe çevrildikten sonra) Dağıtım …………………46
2.10.3. Kamyonlarla veya Demiryolu ile Dağıtım ………………………………….46
2.11. Hidrojenin Depolanması ……………………………………………………...47
2.11.1. Basınçlı Gaz Tankları ………………………………………………………49
2.11.2. Krojenik Sıvı Silindirler …………………………………………………….49
2.11.3. Materyallerde Depolama ……………………………………………………50
2.12. Son Kullanım ve Standart Yakıtlar …………………………………………...52
v
2.12.1. UlaĢım Sektörü ……………………………………………………………...55
2.12.1.1. Enerji Sürdürülebilirliği …………………………………………………..55
2.12.1.2. UlaĢımdan Kaynaklanan Kirlilik …………………………………………56
3. MATERYAL VE YÖNTEM …………………………………………………….57
3.1. Kömür GazlaĢtırmayı Kullanarak Hidrojen Üretimi …………………………..57
3.2. Kimyasal Reaksiyonlar ………………………………………………………...58
3.3. Kimyasal ekserji ………………………………………………………………..59
3.4. Yakıtların Kimyasal Ekserjisinin Hesaplanması ………………………………60
3.4.1. Katı Yakıtlar ………………………………………………………………….61
3.4.2. Sıvı Yakıtlar ………………………………………………………………….62
3.4.3. Gaz Yakıtlar ………………………………………………………………….63
4. ARAġTIRMA BULGULARI …………………………………………………...64
4.1. Türkiye‟deki Bazı Kömürlerin Ekserji Değerleri ……………………………...64
4.2. Seçilen Bazı Kömürlerin GazlaĢtırılmasının Ekserji Analizi ………………….65
4.3. Seçilen Bazı Kömürlerin GazlaĢtırılmasının Enerji ve Ekserji V. Analizi ….…68
4.4. Su-Gaz DeğiĢim Reaktörünün Enerji ve Ekserji Analizi ………………………73
4.4.1 Su-Gaz dönüĢüm Reaktörünün Enerji Dengesi ………………………………75
4.4.2. Su-Gaz DönüĢüm Reaktörünün Ekserji Dengesi …………………………….77
4.4.2.1. Havanın Ekserjisi …………………………………………………………..78
4.4.2.2. Reaktanların ve Ürünlerin Ekserjileri ……………………………………...78
4.4.3. Su-Gaz DönüĢüm Reaktörünün Ekserji Verimliliği …………………………82
4.5. BirleĢik Sistemin Enerji ve Ekserji Verimliliği ………………………………..84
5. TARTIġMA VE SONUÇ ………………………………………………………..86
5.1. Kömürlerin Kimyasal Ekserjisinin Değerlendirilmesi …………………………86
5.2. Sistemin Ekserji Kaybı ………………………………………………………...87
5.2.1 Kömür GazlaĢtırma Ünitesinin Ekserji Kaybı ………………………………..88
5.2.2 Su-Gaz DeğiĢim Reaktörünün Ekserji Kaybı ………………………………...89
5.2.3 BirleĢik Kömür GazlaĢtırma Hidrojen Üretimi Prosesinin Ekserji Kaybı ……91
5.3. Sonuçlar ………………………………………………………………………..92
6. KAYNAKLAR …………………………………………………………………..94
EKLER …………………………………………………………………………….100
ÖZGEÇMĠġ ……………………………………………………………………….105
vi
ÖZET
Yüksek Lisans Tezi
TÜRKİYE'DEKİ BAZI KÖMÜRLERİN GAZLAŞTIRILMASI İLE
HİDROJEN ÜRETİMİNİN EKSERJİ ANALİZİ
Yunus Emre YÜKSEL
Süleyman Demirel Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Fizik Anabilim Dalı
Danışman: Prof. Dr. Nuri ÖZEK
Ekserji analizi termodinamiğin 2. yasasına bağlı olarak, enerji dönüĢüm sistemlerinin
tasarımı, simülasyonu ve performans değerlendirmesi için yaygın bir Ģekilde
kullanılmaktadır. Ġnceleme altına alınan bir sistem veya bir proses için ekserji analizi,
tersinmezliklerin niceliklerini ve yerlerini belirlemek için kullanılan çok yararlı bir
araç olarak karĢımıza çıkmaktadır. Bu çalıĢmada Türkiye‟deki bazı kömürlerin
gazlaĢtırılması ile hidrojen üretiminin ekserji analizi sunulmuĢtur. Kömürlerin
doğrudan kullanımı çevreye yaydığı emisyonlar bakımından sürdürülebilir ve çevre
dostu olmadığı için, kömürün gazlaĢtırılarak hidrojen üretim yöntemi yakın gelecekte
enerji ihtiyaçlarına bir çözüm olabilecektir.
Anahtar Kelimeler: Ekserji analizi, enerji analizi, kömür gazlaĢtırma, hidrojen
üretim yöntemleri.
2010, 107 sayfa
vii
ABSTRACT
M.Sc. Thesis
EXERGY ANALYSIS OF HYDROGEN PRODUCTION VIA GASIFICATION
OF SOME COALS IN TURKEY
Yunus Emre YÜKSEL
Süleyman Demirel University
Graduate School of Applied and Natural Sciences
Physics Department
Supervisor: Prof. Dr. Nuri ÖZEK
Exergy, according to the second law of thermodynamic, is widely used for designing,
simulation and performance analysis of energy conversion systems. Exergy analysis
is a very useful tool in order to determine the quantity of irreversibility and where it
occurs for an analyzed system or process. In this study, exergy analysis of hydrogen
production via gasification of some coals in Turkey is presented. Since direct usage
of coals (like combustion) is not sustainable and environmental friendly because of
emissions, hydrogen production by coal gasification will be a solution for increasing
energy demands in near future.
Key Words: Exergy analysis, energy analysis, coal gasification, hydrogen
production methods.
2010, 107 pages
viii
TEŞEKKÜR
Bu araĢtırma için beni yönlendiren, karĢılaĢtığım zorlukları bilgi ve tecrübesi ile
aĢmamda yardımcı olan değerli DanıĢman Hocam Prof. Dr. Nuri ÖZEK‟e
teĢekkürlerimi sunarım. Literatür araĢtırmalarında yardımcı olan, bu konu üzerinde
sürekli beni teĢvik eden ve değerli vaktini bana ayırarak emeklerini esirgemeyen
saygıdeğer hocam Dr. Murat ÖZTÜRK‟e ayrıca teĢekkürü bir borç bilirim.
Gerekli verilerin elde edilmesinde ve hesaplamalarda bana yardımcı olan Fizik
Anabilim Dalı Yüksek Lisans öğrencileri Murat KOÇ ve Hece BATUR‟a teĢekkür
ederim.
Tezimin her aĢamasında beni yalnız bırakmayan aileme sonsuz sevgi ve saygılarımı
sunarım.
Yunus Emre YÜKSEL
ISPARTA, 2010
ix
ŞEKİLLER DİZİNİ
ġekil 2.1. GüneĢ hidrojen üretimi için beĢ termokimyasal çevrim …………………39
ġekil 4.1. Kömür gazlaĢtırıcısının Ģematiksel diyagramı ……………...……………66
ġekil 4.2. Ġncelemesi yapılan taĢkömürü ve linyitlerin gazlaĢtırılması proseslerinin
enerji verimlilikleri …………………………………………………………69
ġekil 4.3. Ġncelemesi yapılan tersiyer kömürlerin gazlaĢtırılması prosesinin enerji
verimliliği……………………………………….…………………………...69
ġekil 4.4. Ġncelemesi yapılan taĢkömürü ve linyitlerin gazlaĢtırılmasının ekserji
verimlilikleri ………………………………………………………………..72
ġekil 4.5. Ġncelemesi yapılan tersiyer kömürlerin gazlaĢtırılmasının ekserji
verimlilikleri ………………………………………………………………..73
ġekil 4.6. Su-gaz dönüĢüm reaktörünün Ģematik gösterimi ………………………...74
ġekil 4.7. TaĢ kömürü ve linyit yatakları için gazlaĢtırma reaktörüne giren ve çıkan
ekserji ve reaktörde oluĢan tersinmezlik ……………………………………81
ġekil 4.8. Tersiyer kömür yatakları için gazlaĢtırma reaktörüne giren ve çıkan ekserji
ve reaktörde oluĢan tersinmezlik …………………………………………...82
ġekil 4.9. TaĢkömürü ve linyit kömürlerinden üretilen sentez gazının su-gaz
dönüĢüm reaktöründeki ekserji verimliliği …………………………………83
ġekil 4.10. Tersiyer kömürlerinden üretilen sentez gazının su-gaz dönüĢüm
reaktöründeki ekserji verimliliği ……………………………………………83
ġekil 4.11. TaĢkömürü ve linyit kömürlerinin gazlaĢtırılarak hidrojen üretilmesi
prosesinin enerji ve ekserji verimliliği ………………………………...……85
ġekil 4.12. Tersiyer kömürlerinin gazlaĢtırılarak hidrojen üretilmesi prosesinin enerji
ve ekserji verimliliği ………………………………………………………..85
ġekil 5.1. Ġncelemesi yapılan taĢkömürü ve linyitlerin H:bch oranlarına karĢı enerji ve
ekserji verimlilikleri ………………………………………………………...86
ġekil 5.2. Ġncelemesi yapılan tersiyer kömürlerinin H/bch oranlarına karĢı enerji ve
ekserji verimlilikleri ………………………………………………………...87
ġekil 5.3. TaĢkömürü ve linyitlerin gazlaĢtırılması prosesinin eks. kayıp yüzdeleri .88
ġekil 5.4. Tersiyer kömürlerinin gazlaĢtırılması prosesinin ekserji kayıp yüzdeleri .89
x
ġekil 5.5. TaĢkömürü ve linyitlerin gaz ürünlerinin su-gaz değiĢim prosesinin ekserji
kayıp yüzdeleri ……………………………………………………………...90
ġekil 5.6. Tersiyer kömürleri gaz ürünlerinin su-gaz değiĢim prosesinin ekserji kayıp
yüzdeleri …………………………………………………………………….90
ġekil 5.7. TaĢkömürü ve linyit kömürlerinin gazlaĢtırılarak hidrojen üretimi
prosesinin ekserji kayıp yüzdeleri …………………………………………..91
ġekil 5.8. Tersiyer kömürlerinin gazlaĢtırılarak hidrojen üretimi prosesinin ekserji
kayıp yüzdeleri ……………………………………………………………...92
xi
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge 2.1. Enerji ve ekserji kavramlarının karĢılaĢtırılması ……………………...11
Çizelge 2.2. Entropi ve ekserji kavramlarının karĢılaĢtırılması …………………….12
Çizelge 2.3. 1998 Yılı Ġtibariyle Dünya Kömür Rezervleri ………………………..26
Çizelge 2.4. Hidrojenin Genel Özellikleri ………………………………………….28
Çizelge 2.5. Hidrojenin diğer yakıtlarla karĢılaĢtırılması …………………………..29
Çizelge 2.6. Hidrojen üretim opsiyonlarının sınıflandırılması ……………………..32
Çizelge 3.1. Organik yakıtların alt ısıl ve üst ısıl değerlerinin standart kimyasal
ekserjilerine oranı …………………………………………………………...62
Çizelge 4.1. Türkiye‟de bulunan bazı taĢkömürü ve linyitlerin kompozisyonları ….64
Çizelge 4.2. Ġncelemesi yapılan taĢkömürü ve linyitlerin ekserji değerleri ………...65
Çizelge 4.3. Türkiye‟de ki bazı tersiyer kömürlerinin nitelikleri …………………101
Çizelge 4.4. Ġncelemesi yapılan taĢkömürü ve linyitlerin kütle yüzdeleri ………….67
Çizelge 4.5 Ġncelemesi yapılan tersiyer kömürlerin kütle yüzdeleri ………………..67
Çizelge 4.6 Ġncelemesi yapılan taĢkömürü ve linyitlerin gazlaĢtırılması prosesinden
elde edilen ürün gazının mol ve kütle kesirleri ……………………………102
Çizelge 4.7. Ġncelemesi yapılan tersiyer kömürlerinin gazlaĢtırılması prosesinden
elde edilen ürün gazının mol ve kütle kesirleri ……………………..……..103
Çizelge 4.8. Reaktanların ve ürünlerin oluĢum entalpileri …………………………75
Çizelge 4.9. Reaktanların ve ürünlerin ortalama izobarik ısı kapasiteleri ………….76
Çizelge 4.10. Su-gaz dönüĢüm reaktörüne giren sıcak havanın mol kesri …………77
Çizelge 4.11. Reaktanların ve ürünlerin ortalama izobarik ekserjileri ……………..79
Çizelge 4.12. Ġncelemesi yapılan taĢkömürü ve linyitlerin gazlaĢtırma ünitesinden
çıkan gazların su-gaz dönüĢüm prosesinden elde edilen ürün gazının mol ve
kütle yüzdeleri ………………………………………………………………79
xii
Çizelge 4.13. Ġncelemesi yapılan tersiyer kömürlerinin gazlaĢtırma ünitesinden çıkan
gazların su-gaz dönüĢüm prosesinden elde edilen ürün gazının mol ve kütle
yüzdeleri….………………………………………………………………….80
Çizelge 4.14. Gazların standart kimyasal ekserjileri ……………………………….80
xiii
SİMGELER DİZİNİ
e Enerji
V Sürat
u Ġç enerji
h Entalpi
T Sıcaklık
LH Alt ısıl değer
HH Üst ısıl değer
Enerji verimliliği
W Net güç
E Yakıt enerjisi akımı
m Kütle akıĢ değeri
Q Üretilen ısı
xE Ekserji
P Basınç
s Entropi
, II Ekserji verimliliği
chb , Standart kimyasal ekserji
z Kütle fraksiyonu
k Kimyasal potansiyel
.
N Molar akıĢ oranı
ph Ortalama izobarik ekserji kapasitesi
pC Ortalama izobarik ekserji
1
1. GİRİŞ
Ülkelerin endüstriyel ve sosyoekonomik yapılarının geliĢmesinde enerji faktörü
önemli bir yere sahiptir. GeliĢmiĢliğin ve kalkınmanın bir göstergesi olan kiĢi baĢı
enerji tüketimi önemli bir indikatör olarak görülmektedir. Bir cismin veya bir
sistemin iĢ yapabilme yeteneği “enerji” olarak tanımlanabilir. Dünyada yaĢanan
enerji krizleri, artan lüks yaĢamdan kaynaklanan enerji ihtiyacının ve sanayileĢmenin
giderek artması sebebi ile çevre kirliliğinin üst seviyelere ulaĢması gibi nedenlerden
dolayı, yenilenebilir enerji kaynaklarına olan yönelim giderek artmaktadır.
Yenilenebilir enerji kaynakları veya ileride bulunabilecek farklı enerji kaynakları
tahta geçene kadar, gereksiz enerji sarfiyatının minimuma çekilebilmesi için
insanların bilinçlendirilmesinin yanı sıra, mevcut sistem ve ekipmanların da
iyileĢtirilmesi ve verimliliklerinin artırılması gerekliliği ortaya çıkmıĢtır. Örneğin
kojenerasyon adı verilen sistemde, elektrik enerjisi üretilirken ısı olarak çevreye
atılan enerjinin çok büyük bir kısmı, ikinci bir çevrimle geri kazanılır ve sistemin
yaklaĢık %40 olan elektriksel verimliliğinin yanına, yaklaĢık %50 oranında ısıl
verimlilik ilave edilmiĢ ve böylece toplam sistem verimi %90‟lara çıkartılmıĢ olur
(Yücelay, 2000).
ĠĢte bu iyileĢtirme ve verim artırımı noktasına gelindiğinde, son yıllarda geliĢtirilen
ve kullanılmaya baĢlanan ekserji kavramı devreye girmektedir. Enerjinin iĢe
çevrilebilme potansiyeli olarak tanımlanan ekserji, sıcaklık, basınç, kimyasal yapı ve
çevre koĢullarına göre elde edilebilen en fazla yararlı iĢi ifade eder. Bir enerji
dönüĢümü sırasında kaybedilen iĢ potansiyeli ise ekserji kaybı olarak adlandırılır. Bu
ekserji kayıpları ile elde edilen iĢ birbiriyle ters orantılıdır. Eğer bir sistemin
performansı artırılmak isteniyorsa, kayıplarının en aza indirilmesi gerekir (Çengel ve
Boles, 2008).
Ekserji analizi, enerji dönüĢüm sistemlerinin en uygun Ģekilde değerlendirilmesini
sağlar. Ġkinci kanun verimliliği olarak da ifade edilen ekserji, ekserji analizinin
sonucunda elde edilir ve sistemdeki termodinamik kayıplar hakkında bilgi verir.
2
Ekserji analizi; sistemdeki enerji kayıplarının yerini ve miktarını, verimsiz kullanılan
enerji kaynaklarını ve sistemde var olan tersinmezlikleri belirler. Bu nedenle sistemin
gerçek veriminin tayininde hesaplamaları ekserji verimine göre yapmak sistemdeki
kayıpları ve iyileĢtirme yerlerini ortaya koymak bakımından oldukça önemlidir.
Termodinamiğin ikinci kanununun ıĢığında mühendislik aygıtlarının performansının
belirlenmesi için; kullanılabilirlik; tersinir iĢ, tersinmezlik ve ikinci kanun veriminin
tanımlanmaları ile iĢe baĢlanmıĢtır. Buna göre "kullanılabilirlik", verilen bir
durumdaki sistemden elde edilebilen maksimum faydalı iĢ miktarıdır. Tersinir iĢ ise,
belirli iki durum arasında bir proses geçiren sistemden elde edilebilen maksimum
faydalı iĢtir. Ayrıca tersinmezlik bir proses sırasında kaybedilen iĢ potansiyelidir ve
bu kayıp iĢ potansiyeli, tersinmezliklerin sonucu olarak meydana gelir. Yukarıdaki
tanımlar ıĢığında ikinci kanun verimi tanımlandıktan sonra bu kavramlar kapalı
sistemlere ve kontrol hacimlerine uygulanır.
Rosen ve Dincer (1997) çevresel problemlerin ekserjiyle iliĢkisini ortaya
koymuĢlardır. ÇalıĢmada enerji ve çevre iliĢkisinden bahsedilerek, enerji
verimliliğinin, enerji kaybını azaltmasıyla çevreye olan etkileri azalttığı belirtilmiĢtir.
Ekserji metotlarının da kullanılarak pratik uygulamalarda ekserji verimliliğinin
arttırılmasının çevre için büyük önem taĢıdığı belirtilmiĢtir. ÇalıĢmada atık ekserji
emisyonları, kaynak kullanımı ve çevre iliĢkileri ortaya koyulmuĢtur. ÇalıĢmada
belirtilen örneklerde ekserji analizinin çevreyle ilgili problemlerin ortaya
koyulmasında ve çözümünde önemli bir rol oynadığı belirtilmiĢtir.
Bisio (1998) çalıĢmasında düĢük seviyede enerji üreten sistemlerin verimliliklerinin
artırılması için neler yapılabileceğini ele almıĢtır. Jeotermal ve güneĢ enerjisi gibi
düĢük entalpili sistemlerin verimliliklerinin nasıl artırılabileceği üzerinde durmuĢtur.
Bu sistemlerde ısının absorbe edilmesi veya ısı dönüĢtürücüler ve bunların
kombinasyonlarının, düĢük seviyeli enerji sistemlerinde geliĢtirilebilecek noktalardan
bazıları olduğunu ifade etmiĢtir.
3
Wall ve Gong (2001) sürdürülebilir geliĢim ve ekserji iliĢkisini ele almıĢlardır. Ġki
bölümden oluĢan çalıĢmanın ilk kısmında Ģartlar ve konseptler, ikinci kısmında ise
gösterge ve metotlar ele alınmıĢtır. Çevrimin emisyonlar ve kirlilikten etkilenmesinin
ortaya koyulmasında ekserji analizinin yararlı bir metot olduğu belirtilmiĢtir.
Sürdürülebilirlik kavramı dünya üzerindeki ekserji akıĢıyla iliĢkili olarak
açıklanmıĢtır.
Koroneos vd. (2003) var olan günümüz teknolojisine rağmen yenilenebilir enerji
kaynaklarının fosil yakıt kullanımına göre daha düĢük olduğunu belirtmiĢler fakat
petrol krizlerinin insanları yeni enerji kaynaklarına yönlendirdiğini ortaya
koymuĢlardır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından güneĢ, rüzgar ve jeotermal enerjiyi
en önemli kaynaklar olarak görmüĢ ve bu sistemlere ait ekserji analizlerini
yapmıĢlardır.
Rosen ve Dincer (2003) termal sistemlerdeki enerji, ekserji ve maliyet analizleri
bakımından sistemler incelemiĢ olup modern bir kömür yakıtlı elektrik güç santrali
için uygulama yapmıĢlardır. ÇalıĢma hem genel santral bakımından hem de türbin,
jeneratör, buhar kazanları, ısıtıcılar ve yoğuĢturucular için tek tek ele alınmıĢtır.
Buradaki en önemli noktalardan birisi termodinamik kayıpların maliyetle olan
iliĢkisidir. Elde edilen sonuçlar göstermiĢtir ki enerji kayıplarıyla birim maliyetler
arasında kurulamayan sistematik bağıntı, ekserji kaybıyla kurulabilmektedir. Elde
edilen sonuçlar sistemlerin tasarımında termodinamik kayıplar ve birim maliyetler
hakkında bilgi edinilmesi bakımından yararlı olmaktadır.
Rosen ve Dincer (2004) kömür yakıtlı bir güç santralinin enerji ve ekserji analizinde
ölü hal özelliklerinin farklı seçilmesiyle elde edilen sonuçları incelemiĢlerdir. Sistem
hem genel anlamda hem de türbin, kazan, yoğuĢturucu, ısıtıcılar için ayrı ayrı
incelenmiĢtir. ÇalıĢma iki farklı zemin üzerine oturtulmuĢtur. Birincisi farklı ölü hal
özellikleri seçilerek elde edilen enerji ve ekserji değerleri, ikincisi ise farklı ölü hal
değerleri seçimiyle tüm sistemin enerji ve ekserji sonuçlarının analiz edilmesidir.
4
Günümüzün temiz kömür teknolojisi olarak görülen kömür gazlaĢtırma tesislerinin
iĢletim prensiplerinin en iyi Ģekilde anlaĢılabilmesi için enerji ve ekserji analizlerinin
beraber uygulanması gerekir.
5
2. KURAMSAL TEMELLER
2.1. Enerji Analizi
Enerji; bir cisim ya da sistemin iĢ yapabilme yeteneği olarak tanımlanabilir. Sözcük,
Eski Yunan dilindeki “” (içinde) ve “” (iĢ) kelimelerinden türemiĢtir. Bir
anlamda “iĢe dönüĢtürülebilen” Ģeklinde nitelendirilebilir. Enerji; bir fiziksel
sistemin ne kadar iĢ ya da ısı alıĢveriĢi yapabileceğini belirleyen bir durum
fonksiyonudur. Enerji korunumludur; evrende var olan enerji yok olmaz, sadece
biçim değiĢtirebilir. Toplamda 8 ana enerji çeĢidinden söz edilebilir Bunlar
potansiyel, kinetik, ısı, ıĢık, elektrik, kimyasal, nükleer ve ses enerjisidir.
Termodinamiğin birinci kanunu, enerjinin termodinamik bir kavram olduğunu ve
enerjinin korunumunu ve dönüĢümünü ifade etmektedir. Aynı zamanda bu kanuna
göre enerji varken yok edilemez ve yoktan var edilemez, ancak baĢka bir enerji
formuna dönüĢebilir.
2.1.1. Enerji Terimleri
Dinçer ve diğerlerine (2004) göre: “Elektrik, manyetik alan, yüzey gerilimi ve
nükleer reaksiyonun bulunmadığı termal sistemlerde toplam enerji miktarı; kinetik,
potansiyel, fiziksel ve kimyasal enerjinin toplamından oluĢur”. Cengel ve Boles‟e
(1996) göre enerji terimleri aĢağıdaki Ģekilde verilmektedir:
kimfizpotkin eeeee (2.1)
Bu denklemdeki ekin kinetik enerjiyi, epot potansiyel enerjiyi, efiz fiziksel enerjiyi ve
ekim kimyasal enerjiyi belirtmektedir. Birim kütle için (m=1 kg);
Mekanik enerjinin bir Ģekli olan ve enerji akımının hızından kaynaklanan
“kinetik enerji”, enerjinin bir Ģeklidir.
6
2
2Vekin (2.2)
Yerçekimine ve enerji akımının yüksekliğine bağlı olan “potansiyel enerji”,
mekanik enerjinin bir Ģeklidir.
gzepot (2.3)
Sistem sınırındaki iĢ ile iç enerjinin toplamı olan ve enerji akımının entalpisinden
kaynaklanan “fiziksel enerji” aĢağıdaki Ģekilde tanımlanır;
)()( TTPfiz hTcPvue (2.4)
DeğiĢken özgül ısılar ile entalpi ve iç enerji;
2
1
12)()()(
T
T
PTT dTTchh (2.5)
2
1
12)()()(
T
T
VTT dTTcuu (2.6)
Sabit özgül ısılar ile entalpi ve iç enerji;
)( 12)()( 12TTchh PTT (2.7)
)( 12)()( 12TTcuu VTT (2.8)
denklemleri kullanılabilir (Çengel ve Boles, 1996).
Yakıtlar için kimyasal enerji, yakıtın fiziksel enerjisi ile alt ısıl değerinin (HL)
veya üst ısıl değerinin (HH) toplamına eĢittir.
ooFPiiFPLTLkim TcTcHhHe ,,,,)( (2.9)
7
ooFPiiFPHTHkim TcTcHhHe ,,,,)( (2.10)
YanmıĢ gazlar için kimyasal enerji, gazın fiziksel enerjisi ve oluĢum entalpisinin
toplamına eĢittir.
hhhhhe o
FPTPTFkim oo ),(),(
0 (2.11)
hhhhhe o
FPTPTFkim oo ),(),(
0 (2.12)
2.1.2 Enerji verimi
Bir sistem için enerji dengesi;
outindepolanan eee (2.13)
Burada edepolanan sistemde depolanan enerjiyi, ein siteme giren enerjileri ve eout
sistemden çıkan enerjileri göstermektedir. Sistemden çıkanların enerjisi ise;
kuout eee (2.14)
Ģeklinde yazılabilir. Burada eu ürünlerin enerjisini ve ek enerji kaybını
göstermektedir. Sistem bileĢenlerinin çıkısındaki enerji miktarlarının, giriĢindeki
enerji miktarlarına oranına “enerji verimi” denir.
E
W
(2.15)
Burada; W net gücü, E yakıt enerjisi akımı ve η enerji verimini ifade eder.
2.2. Gazlaştırma Tesisinin Enerji Dengesi
Termodinamik sistem için, kontrol hacmindeki kütle ve enerji dengesi aĢağıdaki
formüllerle açıklanabilir;
outin mm (2.16)
ininoutout hmhmWQ (2.17)
8
Burada in ve out sırasıyla sisteme giriĢ ve sistemden çıkıĢ durumlarını, Q üretilen
ısı, W üretilen net gücü, m kütle akıĢ değerini ve h özgül entalpiyi ifade etmektedir.
Kontrol hacmindeki termal verim ise, net güç W ile enerji akımı giriĢ değeri yakitE
oranına eĢittir.
yakitE
W
(2.18)
2.3. Ekserji Analizi
Termodinamiğin birinci kanunu enerjinin korunmasını tanımlarken niceliği ön plana
çıkartır. Sistemlerde hal değiĢimi sırasında enerji her zaman için korunur fakat
niteliği azalır. 19. yüzyılın sonlarına doğru, termodinamiğin II. kanunu, entropi ve
tersinirlik ile ilgili bir ifade olarak ortaya çıkmıĢtır. Termodinamiğin ikinci yasası
sistemlerdeki enerjinin azalan niteliğini, hal değiĢimleri boyunca üretilen entropi ile
ortaya koyar. Entropi kısaca moleküler düzensizlik olarak tanımlanabilir. Sistemin
bir termodinamik özelliği olan entropi; ilk kez 1865 yılında Clausius tarafından
bulunmuĢtur. Yunancada “entrope” (bozulma) kelimesinden türetilmiĢtir. Entropi,
sistemde kendiliğinden meydana gelen değiĢmelerin yönü hakkında bilgi verir.
Termodinamik problemlerin çözümü için sadece I. kanun yeterli olmadığından,
ekserji ya da entropi kavramlarını içeren II. kanunun da I. kanun ile birlikte
kullanılmalıdır. Hesaplama kolaylığı, daha sağlıklı sonuçlar verme gibi nedenler,
ekserji analizinin tercih edilme sebepleri olarak gösterilebilir. Ekserji kavramı, bazı
bilim adamları tarafından aĢağıdaki Ģekillerde tanımlanmıĢtır:
Belirli bir haldeki sistemin yapabileceği en çok iĢ (Çengel).
Ekserji, tersinmez sistemler veya süreçlerde, entropi üretiminin neden olduğu
kullanılabilir enerji kaybını belirleyen bir ifadedir (HepbaĢlı, 2008)
Bir termodinamik sistemin ekserjisi, sistemin sadece çevresiyle etkileĢimi
durumunda, sistemin çevresiyle tümüyle termodinamik denge haline gelirken, elde
edilebilecek maksimum teorik yararlı iĢ (mekanik veya elektrik iĢi) olarak tanımlanır
(Tsatsaronis, 2008).
9
Bir enerji Ģeklinin ya da maddenin ekserjisi, onun çevre üzerinde değiĢim
yapabilme potansiyeli, kalitesi ya da kullanıĢlılığının bir ölçüsüdür (Dincer, 2002).
Ekserji, sistemin çevresiyle etkileĢimi sonucu, ısı transferinin sadece çevreyle
olması durumunda elde edilebilecek maksimum teorik yararlı iĢtir (Bejan, 2006).
Ekserji, herhangi bir maddenin, çevresiyle tersinir anlamda termodinamik denge
haline gelmesi esnasında elde edilebilecek maksimum iĢtir (Szargut, 2005).
Ekserji, gazlarda, sıvılarda ya da bir kütlede, herhangi bir referans ortama göre
var olan dengesizliğin neden olduğu iĢ potansiyelidir (Ahem, 1980).
Ekserji, enerjinin tamamen diğer enerji Ģekillerine dönüĢebilen kısmıdır (Rant,
1964).
Bir sistemin, çevresiyle termodinamik dengede bulunması, o sistemin ölü halde
olduğunu ifade etmektedir. Sistemin, çevre sıcaklığında (25 oC) ve basıncında
(101,23 kPa) olduğu durumuna “ölü hal” denir. Bir diğer tanım da sadece basınç ve
sıcaklığın dengede olduğu “sınırlandırılmıĢ ölü hal”dir. Çok büyük miktarda enerji
içeren atmosferden, ölü halde bulunmasından dolayı iĢ elde edilemez.
Eğer bir sistem bulunduğu koĢullardan, çevrenin bulunduğu ölü hale getirilirse,
maksimum iĢ elde edilir. Bu maksimum değere “ekserji” denir. Son hal “ölü hal” ise,
tersinir iĢ, ekserjiye eĢittir ve tersinir iĢ ile yararlı iĢ arasındaki fark, tersinmezlikleri
verir (Karakoç, 2008).
Rosen ve Dincer‟e (2001) göre ise ekserji; “Enerji, çevre ve sürdürülebilir
geliĢmenin bir karıĢımı olarak karĢımıza çıkar. Enerji, hareket veya hareket üretme
yeteneğidir. Ekserji ise, iĢ ya da iĢ üretebilme kabiliyetidir” Ģeklinde tanımlanır.
Ekserji analizlerini içeren hesaplamalarda kolaylık sağlaması bakımından aĢağıda
verilen bazı kabuller ve basitleĢtirmelerin yapılması gerekebilmektedir;
Herhangi bir sistem, bir çevre ortamı içinde çalıĢır.
10
Ekserji hesaplamalarında, çevrenin öneminin yanında, çevre ile sistem arasındaki
sınırın belirlenmesi de büyük önem taĢır.
Buna göre çevre basitçe, sistem içerisinde olmayan diğer her Ģey olarak
tanımlanabilir.
Ekserji, mühendislik biliminde iki temel konuyu kapsamaktadır. Bunlar çevre ve
ekonomidir. Ekoteknolojik bakımdan ise ekserji aĢağıdaki üç temel konsept
kapsamında ele alınmaktadır:
1) En az çevresel etki, en fazla enerji ve enerji kaynaklarının ideal koĢullarda
iĢletileceği teknolojiler.
2) Çevreyi kirletme potansiyelleri yüksek olan maddelerin çevresel davranıĢları.
3) Çevresel değerlendirme, enerji ve toplum güvenliği.
Yukarıdaki temel ekserji konseptlerine bakarak ekserjinin termodinamik bir
potansiyel olduğu, iĢ yapabilme ve kullanılabilir enerjinin bir ölçütü olduğu
söylenebilir. Ekserji, aynı zamanda teknik iĢ yapma kapasitesi olarak da
tanımlanabilir. Ekserji sadece faydalı enerji düĢüncesinden oluĢmayan, aynı zamanda
çevreyi kirleten enerji kaynaklarının tüketiminin azaltılması ve yeni çevre dostu
enerji kaynaklarının kullanıma sunulması gibi konuları da kapsayan çok önemli bir
mühendislik yaklaĢımıdır (Çengel ve Boles 1996).
Ekserji analizi aĢağıdaki nedenlerden dolayı sanayi uygulamalarında kullanım
alanlarına sahiptir.
Ekserji analizi sistemin veya prosesin kütle ve farklı Ģekillerdeki enerji
akıĢlarının faydalı miktarlarını gösterdiği için etkin bir maliyet analizinin
yapılmasına olanak vermektedir.
Sistemden veya prosesten kullanım ömrü boyunca elde edilebilecek yararlı iĢ
miktarı belirlenebileceği için iĢletimi yapılan sistemin bu süre boyunca çevreye
verdiği zararlar, kaynak kullanımları net bir Ģekilde belirlenebileceği için maliyet
analizinin yanında etkin bir çevresel analizi yapmak için ekserji analizi gereklidir.
11
Sistem ve prosesin ekserji kaybı açısından küçük olanın tespit edilerek daha iyi
proses veya sistemin bileĢenleri oluĢturulabilir.
Ekserji analizi ile enerji açısından atık veya kaybın meydana geldiği yerin ve
gerçek değerinin tespit edilerek gerekli iyileĢtirmeler yapılabilir.
Geleneksel üniteler veya tesisler üzerindeki tasarım dıĢı koĢulların gerçek etkisini
belirlemede ekserji analizi önemli bir yere sahiptir.
Ġncelemeye alınan prosese bağlı tersinmezliklerin nicel olarak hesaplanması
önemlidir.
Dinçer (2002) tarafından ekserji ve enerji kavramları, Çizelge 2.1‟de ayrıntılı olarak
karĢılaĢtırılmıĢtır.
Çizelge 2.1. Enerji ve ekserji kavramlarının karĢılaĢtırılması (Dinçer, 2002)
Enerji Ekserji
Çevresel değiĢkenlere değil, sadece
madde veya enerji akıĢ değiĢkenlerine
bağlıdır.
Madde ve enerji akımının her ikisine de
bağlıdır.
Sıfırdan farklı değere sahiptir.
(Einstein‟nın E=m.c2
bağıntısına göre).
Sıfıra sahip değeri vardır (Çevre ile
dengede olduğu ölü durumda sıfırdır).
Tüm proseslerde termodinamiğin I.
kanunu ile ifade edilir.
Sadece tersinir prosesler için
termodinamiğin I. kanunuyla gösterilir.
Tersinmez proseslerde kısmen veya
tamamen yok olur.
Hareket veya hareketi üretme
kabiliyetidir.
ĠĢ yada iĢ üretme kabiliyetidir.
Bir proseste her zaman korunur. Yoktan
var ya da vardan yok olmaz.
Tersinir proseslerde her zaman korunur.
Tersinmez proseslerde ise her zaman
tüketilir.
Niceliğin (miktarın) bir ölçüsüdür. Niceliğin ve entropi nedeniyle niteliğin
(kalitenin) bir ölçüsüdür.
Dinçer‟e (2002) göre ekserji analizi yapmanın önemi aĢağıdaki Ģekilde sıralanabilir:
Enerji kullanımının çevreye etkilerini en iyi Ģekilde belirler.
12
Enerji sistemlerinin daha iyi analiz ve dizayn edilebilmesi için kullanılan etkin
bir yöntemdir.
Verimi yüksek kaynakların kullanımını destekler. Kayıpların, yeri ve büyüklüğü
hakkında bilgi verir.
Daha verimli enerji sistemleri tasarlamayı mümkün kılar.
Sürdürülebilir geliĢmeye ulaĢmada ve enerji politikalarını belirleme de önemli bir
etkendir.
Kay (2002) tarafından ekserji ve entropi arasındaki farklılıklar Çizelge 2.2‟de
gösterilmiĢtir. KarĢılaĢtırmaya göre ekserji ve entropi zıt değildir. Ekserji, enerji
dönüĢümü sırasında, kazanılan enerji hakkında elde edilen yararlı bilgidir. Entropi
artıĢı ise, enerji dönüĢümü sırasında, enerji hakkında ortaya konulan belirsizliktir.
Çizelge 2.2. Entropi ve ekserji kavramlarının karĢılaĢtırılması (Kay, 2002)
Entropi Ekserji
Enerjinin ne kadar tersinmezlik ve
belirsizlik ürettiğini açıklar.
Enerjiyle neler yapılabildiğini açıklar.
Enerjinin ne olduğu hakkında bilgi verir. Enerjiyle bir Ģey yapmanın potansiyeli
hakkındadır.
Bir prosesteteki tersinmezliği açıklar. Durumun, dengenin ne kadar dıĢında
olduğunu, bu durumla yararlı bir Ģey
yapılıp yapılamayacağını belirtir.
Entropi artısı, enerji dönüĢümü sırasında
ortaya çıkan belirsizliktir.
Ekserji, enerji dönüĢümü sırasında, elde
edilen enerji hakkında bilgi verir.
2.4. Ekserji Terimleri
Ekserji dengesi; enerji kaynaklarının atıklarının gerçek büyüklüğünü, türünü ve
meydana geldiği yerin tespit edilmesinde kullanılabilir ve bundan dolayı da ekserji
dengesi, etkin yakıt kullanımı için geliĢtirilen stratejiler içinde önemli bir rol oynar.
Ekserji analizinde, sisteme giren ( inxE ) ve sistemden çıkan ( outxE ) ekserji akımları
birbirine eĢittir ve bu eĢitlikten yararlanılarak ekserji analizine baĢlanır.
outin xExE (2.19)
13
Birim kütle için toplam ekserji miktarı, kinetik, potansiyel, fiziksel ve kimyasal
ekserjilerinin toplamından oluĢur.
kmfzptkn xExExExExE (2.20)
Burada; knxE kinetik ekserjiyi, ptxE potansiyel ekserjiyi, fzxE fiziksel ekserjiyi ve
kmxE kimyasal ekserjiyi belirtmektedir. Kimyasal ekserjinin akıĢ ekserjisinin
içerisinde bulunabilmesi için akıĢ sırasında sistemde bir kimyasal tepkime doğması
gerekir. AkıĢ halindeki ekserji; potansiyel, kinetik, fiziksel ve kimyasal (fiziksel ve
kimyasal ekserji aynı zamanda termal ekserji olarak da adlandırılır) ekserji olarak 4‟e
ayrılır.
Kinetik ekserji akımı; düzenli bir enerji formudur, tamamen iĢe dönüĢtürülebilir.
Kinetik enerji, çevresel referans düzeyine göre hesaplanırsa kinetik ekserji akımına
eĢit olur.
2
2VmxE kn (2.21)
Burada, m akıĢkanın kütlesel debisini (kg/s) ve V akıĢkanın kütle hızını (m/s)
göstermektedir.
Potansiyel ekserji akımı; potansiyel enerji, çevresel referans düzeyine göre
hesaplanırsa potansiyel ekserji akımına eĢit olur. Tamamen iĢe dönüĢtürülebilir.
opt gzmxE (2.22)
Burada oz deniz seviyesinden olan kot farkını (m), g yerçekimi ivmesini (m/s2) ve
m akıĢ halindeki akıĢkanın kütlesel debisini (kg/s) göstermektedir.
Fiziksel ekserji akımı; akıĢ halindeki bir madde, tersinir fiziksel prosesler ile ilk
koĢullarından, P0, T0 ile belirli çevre koĢullarına getirildiğinde elde edilebilen
14
maksimum iĢ miktarına eĢittir (YılbaĢı, 2007). Moran ve Sciubba‟ya (1994) göre, h
ve s terimleri entalpi ve entropi olmak üzere birim kütle için fiziksel ekserji
ooofz ssThhxE (2.23)
formülünden hesaplanır. Buradaki ( ohh ) terimi, enerji dengesi terimleri
kısmındaki değiĢken veya sabit ısılar ile entalpi formülünden bulunabilir. ( oss )
terimi ise değiĢken özgül ısılar yardımı ile;
T
T o
PPTPT
o
oo P
PRdT
T
Tcss ln,, (2.24)
ve
T
T o
v
PTPT
o
oo v
vRdT
T
Tcss ln,, (2.25)
Sabit özgül ısılar yardımı ile
oo
poP
PR
T
Tcss lnln (2.26)
ve
oo
vov
vR
T
Tcss lnln (2.27)
formüllerinden bulunur (Cengel ve Boles, 2006).
Ġdeal gaz kabul edilen, sabit basınçta özgül ısıya sahip hava ve yanmıĢ gazların
fiziksel ekserjisi, birim kütle için;
o
o
o
ooTPfzP
PRT
T
TTTTc lnln)( (2.28)
15
denkleminden bulunabilir (Kotas, 1995; Ebadi ve Gorji-Bandby, 2005). Bu
denklemdeki pc sabit basınçta özgül ısıyı, R evrensel gaz sabitini, T sıcaklığı ve P
basıncı göstermektedir.
Kimyasal ekserji akımı; Kimyasal ekserji (çevreden sistemin kimyasal
kompozisyonunun farkı ile iliĢkili ekserji bileĢeni) değerlendirilmediği zaman,
sistemi oluĢturan materyaller çevresel materyallerden kurulu uygunca seçilmiĢ
özellikleri belirtmelidir. Çevrenin bölümleri arasındaki fiziksel veya kimyasal
etkileĢimlerden geliĢtirilen iĢin olasılığını kapsamada, bu referans maddeleri
karĢılıklı denge halinde olması gereklidir. Doğal çevremiz denge halinde değildir.
Fiziksel realite ve termodinamik teorinin gereklilikleri arasında iliĢki kurma
önemlidir.
Standart Kimyasal Ekserji; Standart kimyasal ekserjiler 0T çevre sıcaklığı ve 0p
çevre basıncının, mesela sırasıyla 298,15 K ve 1 atm standart değerlerine bağlıdır.
Standart çevre doğal çevreyi tamamlayan mümkün kimyasal kadar yakından yansıtan
standart konsantrasyonlarla referans maddenin kurulmasının oluĢtuğu gözü ile
bakılır. Referans maddeler aĢağıda belirtildiği gibi genellikle 3 gruba ayrılır:
1. Atmosferin gaz bileĢenleri
2. Litosferden katı maddeler
3. Okyanuslardan iyonik veya iyonik olmayan maddeler.
Ġki alternatif standart ekserji referans çevresi mühendislik uygulamaları için
mevcuttur. Bunlar, burada Model 1 ve Model 2 olarak verilmiĢtir. Literatürde
(Ahrendts, 1980) verilen Model 1 için referans maddeleri nitrik asit ve nitratlar için
sınırlı kimyasal denge ve atmosfer, okyanuslar ve litosfer parçasının tüm diğer
kimyasal bileĢenleri için sınırsız termodinamik denge olduğu kabul edilerek
belirlenir. Yine literatürde (Szargut vd, 1988) verilen farklı bir yaklaĢım Model 2
olarak kullanılmıĢtır. Referans maddesi inceleme yapılan elementi içeren maddeler
arasından her bir kimyasal element için seçilir. Standart kimyasal ekserjilerin
tablosunun kullanılması ekserji prensiplerinin uygulanmasını kolaylaĢtırır. Standart
terimi biraz yanlıĢ olsa da, tüm uygulamalar için yeterli olan çevrenin bir özelliği
16
değildir. Yine de, çevrenin alternatif özellikleriyle iliĢkili olan hesaplanmıĢ kimyasal
ekserjiler genellikle uyum içindedir (Bejan, 1996).
Gaz karışımlarının kimyasal ekserjileri; Gaz karıĢımlarının ekserjilerinin
bilinmesi önem arz eder zira termal sistemlerin çoğu, gaz karıĢımları içermektedir.
Özellikle yanma ve kimyasal proseslerin ekserji analizlerinde gaz karıĢımları ön
plana çıkmaktadır. N adet gazdan oluĢan bir gaz karıĢımının kimyasal ekserjisi;
N
i
N
i
iioioigaz xxRTbxxE1 1
, ln (2.29)
Ģeklinde hesaplanır.
Yakıtların kimyasal ekserjileri; Yakıtların kimyasal ekserjileri, yakıtı oluĢturan
bileĢenlerden hareketle hesaplanabilir. Bundan dolayı Szargut ve Stryrlska (1964);
yakıt ekserjisinin yakıtın ısıl değerine oranını ifade eden değerini geliĢtirmiĢlerdir.
L
yk
H
xE (2.30)
olarak belirtilmiĢtir ve katı yakıtlar için aĢağıdaki Ģekilde hesaplanır.
c
n
c
o
c
hkt 0404.00610.01882.00437.1 (2.31)
Yukarıdaki ifadede su buharının ekserjisi dikkate alınmamıĢtır. Su buharı dikkate
alındığında katı yakıtlar için kimyasal ekserji aĢağıda belirtilen denklemdeki gibi
hesaplanır.
)(,0 fgLktkt whHxE (2.32)
Sıvı yakıtlar için kimyasal ekserji oranı sv ise kükürtün etkisi de dikkate alınarak
aĢağıdaki gibi hesaplanır. Burada kullanılan s yakıt içerisindeki kükürtün kütlesel
oranıdır.
c
h
c
s
c
o
c
hsv 068.212169.00432.01728.00401.1 (2.33)
17
buradan da sıvı yakıtların kimyasal ekserjisi,
svLsvsvo HEx , (2.34)
Ģeklinde hesaplanır.
2.5. Ekserji Oluşturan Faktörler
2.5.1. İş Transferine Bağlı Ekserji
Verilen bir enerji formunun eĢdeğer iĢi, onun ekserjisinin bir ölçüsü olarak
tanımlandığından, iĢ her durumda ekserjiye eĢittir. Bundan dolayı ekserji transferi
büyüklük ve doğrultu olarak iĢ transferi ile aynı büyüklük ve doğrultuya sahiptir.
xEW (2.35)
2.5.2. Isı Transferine Bağlı Ekserji
Isı transferinden dolayı meydana gelen ekserji, aĢağıdaki bağıntı ile hesaplanır
(Moran, 1994).
A
iQ dAQT
TTxE 0 (2.36)
Eğer bir sistemde düzenli sıcaklık dağılımı varsa, ısı transferinden dolayı oluĢan
ekserji;
T
TQxE AQ
01 (2.37)
Ģeklinde hesaplanmaktadır.
2.5.3 Maddenin Kararlı Akışına Bağlı Ekserji
Kararlı akıĢ halindeki bir maddenin ekserjisi, sadece çevreyle etkileĢebilen akıĢ
sırasında akıĢın prosesler vasıtasıyla baĢlangıç durumundan çevrenin ölü durumuna
18
getirildiği zaman elde edilen iĢ miktarına denir. Maddenin akıĢ halinin spesifik
ekserjisi aĢağıdaki gibi ifade edilebilir.
chapk ExSTHExExEx )( (2.38)
Burada kEx kinetik ekserjiyi, pEx potansiyel ekserjiyi, H entalpideki değiĢimi, aT
çevre sıcaklığını, S entropideki değiĢimi ve chEx kimyasal ekserjiyi
göstermektedir.
2.6. Ekserji Verimlilikleri
Termokimyasal çevirimler ve enerji santralleri gibi kimyasal reaksiyonlar sayesinde
iĢ yapacak Ģekilde tasarlanmıĢ sistemler veya araçlar çalıĢmalarına bağlı olarak
tersinmezlik ve kayıplara sahip olmaktadırlar. Buna bağlı olarak gerçek araçlar ideal
Ģartlardaki değerlere sahip olduğu kabul edilip hesaplanan maksimum teorik değerin
sadece bir bölümüne eĢdeğer iĢ üretilebilmektedir. Termal bir sistemdeki asıl
termodinamik verimsizlik ekserji kaybı ve yıkımı ile alakalıdır. Ekserji analizi en
yüksek ekserji yıkımına sahip bileĢenleri ve buna neden olan etkenleri
tanımlamaktadır. Fakat ekserji yıkımının sadece bir bölümünden kaçınılabilir. Her
bir sistem bileĢeni için minimum ekserji yıkım oranı fiziksel, teknoloji ve ekonomik
sınırlamalarla karĢılaĢmaktadır. Toplam ve kaçınılmayan ekserji yıkımı arasındaki
fark kaçınılabilir ekserji yıkımını ifade etmektedir. Buda bir bileĢenin termodinamik
verimliliğini geliĢtirmede daha gerçekçi bir ölçüm sağlamaktadır.
Artan enerji talebini karĢılama planlarında önemli bir etkende enerjinin verimli
kullanılmasıdır. Bu yüzden, üretim aĢamasındaki enerji ve ekserji verimlilikleri
açısından nükleer hidrojen üretimine alternatif teknolojiler sunmak gerekmektedir.
Bu amaçla nükleer enerjiyi kullanmak için alternatif rotaların toplam verimliliği
çalıĢma sıcaklığına, prosesin dönüĢüm verimliliğine ve tesisin kompleksliğine bağlı
olmaktadır. Son seçim verimliliğin yanında maliyete de bağlı olmaktadır. Dolayısıyla
verimlilik teknolojinin maliyetini etkileyen bir faktördür.
19
ĠĢ yapacak sistemin performansı üretilen gerçek iĢin maksimum teorik iĢe oranından
elde edilir. Bu oran ekserjetik verimliliktir (ikinci yasa analizi). Köktürk (1999) ve
YılbaĢı (2007) tarafından yapılan analizlerde; enerji ve ekserji değerleri, bir referans
çevreye göre hesaplanmaktadır. Bu referans çevre, normal Ģartlar altında 25 °C
sıcaklıkta ve 1 atm basınçtadır. Kullanılan referans çevresinin entalpisi ise, o
çevrenin ekserjisine eĢittir ve bu değer sıfırdır (Gündüz, 1991).
ykxE
W
(2.39)
Burada, ykxE sisteme giren yakıtın ekserji akımıdır (kW).
2.6.1. Ekserji verimliliğini artırmanın yolları
Sistemlerde verimliliği yükseltmeye ve ekserji kaybını azaltmaya yönelik yapılacak
analizlerin temel kuralları Ģöyle sıralamıĢlardır (HepbaĢlı, 2008);
Ekserji kaybına neden olan temel noktalar belirlenir. Ekserji kaybı, genellikle ısı
transferi, kimyasal reaksiyon, karıĢım, sürtünme ve gazların genleĢmesini içerir.
Basit kabullerle yapılan uygulamalar belirlenir.
KolaylaĢtırılmıĢ ekserji hesapları kullanılır (ideal gaz, sıkıĢtırılmazlık).
Kojenerasyon kullanılarak, sistemlerde ekserji kaybı azaltılır.
Kimyasal reaksiyon için yanmanın kullanımı, aĢırı hava en aza indirilir ve
reaksiyona girenler ön ısıtılmaya tabi tutulur.
Isı transferinin direkt havaya, soğutma suyuna ve soğutucuya transferini
engellemek gerekir.
Isı transferinin meydana geldiği düĢük sıcaklıklarda (T<T0 için) hava ya da ısı
akıĢı ile doğrudan ısı transferi önlenmelidir.
DüĢük sıcaklıklarda, ısı değiĢimi uygulandığı zaman, akıĢlar arasındaki sıcaklık
farklılıkları en aza indirilmelidir.
Ġki akıĢ arasında, ısı transferi yolu ile enerji değiĢiminde, akıĢkanların ısı transferi
ortalamasının kullanımından sakınılmalıdır.
20
Gazların genleĢmesinden dolayı ortaya çıkan tersinmezlikler, yanma ve ısı
transferinde ikinci derece öneme sahiptir.
AĢırı yoğun termodinamik sistemlerden, sıcaklık, basınç gibi farklılıklardan
dolayı kaçınılmalıdır.
AkıĢkan karıĢımlarının, sıcaklık, basınç gibi farklılıkları en aza indirilmelidir.
Büyük kütle akıĢı, kütle ya da akıĢkanın ekserjisinin daha verimli kullanımını
gerektirir
Ekserji kavramının önemli boyutları aĢağıda verilmiĢtir.
Ekserji, ölü durumdaki çevreyle dengede olan sistemden elde edilebilecek
maksimum iĢ miktarıdır.
Ekserji, sıfıra eĢit veya sıfırdan büyüktür.
Bir T sıcaklığı ile çevrenin T0 sıcaklığı arasındaki fark büyürse ekserji de büyür.
Sistemin potansiyel ve kinetik enerjilerinin tamamı ekserjiye katılır.
Ekserji, kimyasal ve termomekaniksel (fiziksel, kinetik ve potansiyel) ekserjilerin
toplamı olarak anlatılabilir.
Ekserji, transfer edilebilir ve tersinmezlikler yüzünden tahrip edilebilir ve ekserji
dengesiyle tanımlanabilir (YılbaĢı, 2007).
2.7. Kömür Nedir?
Kömür organik ve inorganik madde içeren, kimyasal ve fiziksel olarak heterojen
yapıda, yanıcı fosil bir taĢtır. Organik olarak kömür baĢlıca karbon, hidrojen ve
oksijenden az miktarda da kükürt ve azottan oluĢmaktadır. Ġnorganik olarak kömüre
dağılmıĢ farklı türlerde kül bileĢenleri bulunmaktadır. Ġnorganik bileĢenlerin değeri
yüzde birlerden milyarda birlere kadar değiĢiklik gösterebilir. Kömür bütün dünyada
olduğu gibi BirleĢik Devletlerde de en yaygın bulunan fosil yakıttır. Dünyadaki
toplam kömür rezervi miktarı 1083 milyar ton civarındadır (DOE,2001). Petrole
oranla incelenirse, kömür miktarı petrol ve doğalgazın yaklaĢık iki katıdır (USEA,
2002). Sonuç olarak kömür daha önceden de olduğu gibi gelecekte de baĢlıca
ekonomik enerji kaynağı olacaktır.
21
2.7.1. Kömürün oluşumu
Kömür fiziksel ve kimyasal değiĢim geçirmiĢ bitkisel atıkların zamanla
dönüĢümünden kaynaklanan yatak adı verilen yerlerde bulunur. Bu değiĢimler
bitkilerin çürümesi, fosilleĢme sayesinde çökelme ve birikme, birleĢme ve organik
kayaların içinde bulunan bitkilerin dönüĢümü gibi prosesleri içermektedir. Kömür
içinde bulunan bitkinin türüne (kömür türü), baĢkalaĢım ve kömürleĢme derecesine
(kömürleĢme aĢaması) ve içeriğinin saflık oranına göre farklılık göstermektedir.
Bitkisel atıkların kömür oluĢumuna dair iki temel teori vardır (EIA, 2002). Birincisi
ve en fazla kabul göreni kömürün bulunduğu yerde oluĢtuğudur. Yani bitkinin
geliĢip, öldüğü yerde kömürleĢmesidir. Böyle bir tortullaĢma da „yerli‟ olarak
adlandırılır. Birçok kömür tortulunun baĢlangıcı suyun neredeyse hareketsiz olduğu
ve bitki atıklarının bulunduğu yerde kalın turba bataklıkları ile oluĢur. Bitkilerin
bataklığın dibine batmaya ve mikrobiyolojik olaylarla turbalaĢmaya ayak uydurduğu
zaman, bitkileĢme hızı da birçok jenerasyon için artmaktadır. Belli bir süre sonra, bu
bataklıklar dibe batmaya baĢlar ve üzeri çöküntü tortulları ile kaplanır. Böylece
gelecekte yeni bir kömür yatağı oluĢur. Bu döngü devam ettikçe, (yüzlerce ya da
binlerce yılda) yeni kömür yatakları oluĢur. Bu tortullaĢma ve birikme döngülerini
sıcaklık, zaman ve uygulanan kuvvete bağlı olarak diyagnetik (biyolojik) ya da
tektonik (jeolojik) olaylar takip eder.
Çoğu kömürün oluĢumu bu yolla açıklanabilirken, bazı tortullaĢmalar bu yolla
kolayca ifade edilememektedir. Bazı kömürlerin su tarafından taĢınan bitkisel
atıkların birikmesiyle oluĢtuğu görülmektedir. Bu teoriye göre “yabancı kökenli”
bitki parçaları su akıĢları ile yer değiĢtirir ve deniz ya da göl tabanında tortullaĢır ve
daha sonra sert kaya oluĢturacak Ģekilde sıkıĢır.
Ġlk karbon döneminden beri yani 350-270 milyon yıl öncesinden beri her jeolojik
dönemde baĢlıca kömür tortulları oluĢmuĢtur. ÇeĢitli kömürlerin muazzam
değiĢikliği jeofiziksel olayların ve farklı iklim ve botanik koĢullarının bulunmasından
kaynaklanır.
22
2.7.2. Kömürleşme
Bitkisel materyalleri kömüre dönüĢtüren jeokimyasal proses kömürleĢme adı verilir
ve genellikle aĢağıdaki Ģekilde ifade edilir.
Turba- Linyit – Alt bitümlü kömür – Bitümlü kömür – Antrasit
Jeokimyasal proses üç alt baĢlıkta incelenebilir; bitkisel selülozun mikrobiyolojiksel
yıkımı, bitkilerin odun özünün humik maddeye dönüĢümü ve bu humik maddenin
daha büyük kömür moleküllerine dönüĢümü (DOE, 2003). Bitkisel çürümenin türü,
çürüme Ģartları, tortullaĢma ortamı ve yeryüzünün hareketi kömür yataklarının
pozisyonu, kalitesini ve doğasını belirleyen önemli faktörlerdir (EIA, 2003).
Bunların içinde, tortullara uygulanan fiziksel kuvvetler kömürleĢme sürecinde en
önemli rolü oynamaktadır. Orijinal bitkinin kimyasal bileĢenindeki çeĢitlilik de
kömür bileĢendeki çeĢitliliğe katkıda bulunmaktadır (EIA, 2003; Kripowicz, 2001).
ÇeĢitli jeolojik dönemlerdeki bitkiselleĢme biyolojik ve kimyasal olarak farklılık
göstermektedir. Bitkinin çürüdüğü Ģartlar da ayrıca önemlidir. Derinlik, sıcaklık, asit
oranı ve bataklıktaki suyun doğal hareketi kömür oluĢumunda önemli etkenlerdir
(EIA, 2002; Caylor, 2001).
KömürleĢme prosesin jeokimyasal safhası milyonlarca yıl boyunca sıcaklık ve
basıncın uygulanması olup kömürleĢme prosesinin en önemli etkenidir. Kimyasal ve
fiziksel değiĢiklerin oluĢmasında hangisinin daha önemli olduğu konusunda bazı
anlaĢmazlıklar vardır – tabakalar tarafından uygulanan yüksek basınç veya zaman-
sıcaklık faktörleri – gözenekliğinin azalması ve jelleĢme ve camlaĢmanın artıĢı gibi
değiĢiklikler fiziksel olarak adlandırılmaktadır (NEPD Group, 2001). Kimyasal
olarak da, nem ve uçucu maddede (örneğin metan,karbondioksit) azalma ve karbon
yüzdesinde artıĢ buna bağlı olarak oksijen yüzdesinde azalıĢ, antrasit sürecinin
yaklaĢması ve hidrojen miktarında önemli azalıĢ örnek gösterebilir (Kripowicz,
2001, NEPD Group, 2001).
Örneğin; karbon miktarı otsu bitkilerde %50 oranındadır. Bu oran odunsu bitkilerde
turbada %60‟a linyit de %70‟e, alt bitümlü kömürde %75‟e, bitümlü kömürde %80-
23
90‟a ve antrasitte >%90‟a kadar çıkmaktadır (Kripowicz, 2001; Abraham, 2003;
EIA, 2002). Karbon oranındaki bu değiĢim karbonifikasyon olarak bilinmektedir.
2.7.3. Kömürlerin Sınıflandırılması
Kömür sınıflandırma çalıĢmaları 175 yıl önce baĢlamıĢtır ve farklı kömürler için bir
sınıflandırma kurmak gerekli olmuĢtur. Ġki çeĢit sınıflandırma ortaya çıkmıĢtır. Bazı
Ģemalar bilime yardımcı olmak amacıyla, bazıları da kömür üreticileri ve
kullanıcılarına faydalı olmak amacıyla yapılmıĢtır. Bilimsel sistemli sınıflandırmalar
köken, bileĢen ve kömürün temel özellikleri ile ilgilenirken; ticari sistemler ticaret ve
pazar konularını, faydalanmayı, teknolojik özellikleri ve belirli son kullanım için
uygunluğu ele almaktadır.
2.7.4. Temel Kömür Analizi
Daha önceki kömürün sıralama, tür, derece ve sınıflandırma sistemlerine ek olarak
temel kömür analizi için ayrıntılı bir tanım sağlanmıĢtır. Bu analizler kömür yapısı
hakkında herhangi bir bilgi içermemektedir. Fakat kömürün davranıĢı ve kömürün
pazarlanması hakkında önemli bilgiler sağlamaktadır. Kömür sınıflandırmada üç
çeĢit analiz kullanılmaktadır, bunlardan ikisi kimyasal bir tanesi de kalorifik
belirlemedir. Kimyasal analiz yaklaĢık ve kesin analizden oluĢmaktadır. YaklaĢık
analiz nemin, uçucu maddenin, külün görece miktarını ve dolaylı olarak kömürün
sabit karbon içeriğini vermektedir. Kesin analiz ise kömürü oluĢturan karbon,
hidrojen, azot, kükürt ve oksijen miktarını vermektedir. Oksijen miktarı diğerlerinin
farkından hesaplanmaktadır. Yani karbon, hidrojen, azot ve kükürdün toplam yüzdesi
yüzden çıkarılarak bulunur. Çünkü oksijeni direk olarak belirlemek oldukça
karmaĢıktır. Fakat bu tekniğin de zayıf yanı diğer elementlerin yüzdesi belirlenirken
yapılan hata oksijen miktarında da hataya neden olmasıdır. Üçüncü önemli analiz ise
kalorifik değerdir. Ayrıca ısıl değer olarak da bilinir. Bu analizde belli bir miktar
kömürün yanacağı zaman vereceği enerji miktarı ölçülür.
Nem ve mineral miktarı (veya kül) kömür miktarında ikincil olduğu için analitik
bileĢenleri yansıtmak için çeĢitli temellerde yapılır. Bunlar elde edildiği gibi, havada
24
kuru ya da tamamen suyla doyurulmuĢ kuru, külsüz (daf) ya da kuru mineralsiz
(dmmf) kömürleri için yapılır. En çok kullanılan yöntemler de aĢağıda verilmiĢtir
(EIA, 2003);
Elde edildiği gibi- nem değeri ile birlikte kömürün verileri yüzde olarak
verilmiĢtir. Genelde yanmalarda kullanılır.
Kuru kömür-nem atıldıktan sonra kömür yüzdeleri verilir.
Kuru, külsüz-nem ve kül atıldıktan sonra yüzdeleri verilir.
Kuru, mineral maddesiz-kömürün nem ve mineral madde içermediği varsayılır.
Veriler sadece kömürün organik oranını ifade eder.
Nemli, külsüz- kömürün külsüz ama nemli olduğu varsayılır.
Nemli, mineral maddesiz- kömürün mineral maddesiz ama nemli olduğu
varsayılır.
2.7.5. Kömürleşme Aşaması
Kömürün olgunlaĢma derecesi kömürleĢme aĢaması olarak bilinir ve değiĢim geçiren
kömürün göstergesidir. AĢama aynı zamanda değiĢim arttıkça sabit karbon yüzdesi
olarak karbon miktarının bir ölçümüdür. Isıl değer normalde yüksek aĢamalarda
artmaktadır fakat yarı-antrasit ve daha yüksek aĢamalı kömürlere gelince düĢmeye
baĢlar. Bunun nedeni uçucu maddenin önemli oranda azalmasıdır (Svec, 2003).
2.7.6. Kömür Türü
Kömürün asıl mikroskobik bileĢenleri maseral olarak adlandırılır. Sınıflandırmada üç
temel öğe vardır; görünüĢ, kimyasal bileĢen ve optik özellikler. Birçok durumda,
bileĢenlerin kökeni kömürün oluĢtuğu bitki kalıntılarının özel yapısına bakılarak
bulunabilir (Abraham, 2003). Üç maseral grup vardır, bunlar vitrinit, eksinit (liptinit)
ve inertinittir. Bunlar daha sonra alt baĢlıklara ayrılabilir.
Vitrinit türü maseraller odunsal dokuların humuslaĢması ile elde edilir ve atık hücre
yapılarına sahip olabilir (Caylor, 2001). Vitrinit diğer maserallerden daha fazla
oksijen içerir. Eksinit türü maseraller bitki reçinelerinden, sporlardan, kutikulalardan
25
ve alg atıklarından oluĢur. Eksinit türü maseraller diğer maserallerden daha fazla
hidrojen barındırır. Ġnertinit türü maseraller çoğunlukla odunsal dokulardan, bitkisel
parçalanmalardan veya mantarsal atıklardan oluĢur.
2.7.7. Kömürün Derecesi
Kömürün derecesi kömürde bulunan mineral madde miktarını ifade eder ve kömürün
kalite ölçütüdür. Kükürt içeriği, kül füzyon sıcaklığı (yüksek sıcaklıklardaki külün
davranıĢı) ve kalıntı elementlerin miktarı da kömürü derecelendirmek için kullanılır.
2.7.8. Sınıflandırma Sistemleri
van Krevelen tarafından hem bilimsel hem ticari sınıflandırmalar verilmiĢtir (EIA,
2003). Ticari sistemler iki ana sistemden oluĢmaktadır. Materyal testi için Amerikan
Toplumu (ASTM) sistemi BirleĢik Devletlerde ve Kuzey Amerika‟da; Uluslar arası
Avrupa Ekonomik Komisyonu (ECE) sistemi de Avrupa‟da kullanılmaktadır.
2.7.9. Kömür Dağıtımı ve Kaynaklar
Kömür birikintileri kaynak ve rezerv olarak ikiye ayrılır. Kaynaklar bir birikintileri
kömür miktarını ifade eder ve kömürün madene dönüĢtürülmesinin fizibilitesini
hesaba katmaz. Rezerv ise kömürün çıkarılabilmesine bağlı olarak ölçülmüĢ veya
ispatlanmıĢ miktarı belirler. Bunun için farklı kategoriler sunulmuĢtur.
Toplam kaynak: Mevcut veya potansiyel çıkarılabilecek kömür,
Ölçülen kaynak: Yüksek derecede jeolojik özelliğe sahip kömür miktarı,
Görünür kaynak: Orta derecede jeolojik özelliğe sahip kömür miktarı,
AnlaĢılan kaynak: DüĢük derecede jeolojik özelliğe sahip kömür miktarı,
Çıkarılabilen Rezervleri: Yakın gelecekte veya Ģimdi ekonomik olarak elde
edilebilecek kömür miktarı.
2.7.10. Dünyada Kömür Rezervleri
Kömür dünyadaki en bol fosil yakıttır. Ayrıca kömür rezervleri dünyada daha yaygın
olarak dağılmıĢtır. Orta Doğu ve Eski Sovyetler Birliği dıĢında kömür bulunmayan
26
yer yoktur (USEA, 2002). 1998 yılı itibariyle dünya kömür rezervleri Çizelge 2.3‟de
verilmiĢtir.
Çizelge 2.3. 1998 Yılı Ġtibariyle Dünya Kömür Rezervleri (Milyon Ton) (BP
Statistical Review of World Energy, 1999)
ÜLKELER Antrasit ve Bitümlü
Kömürler
Alt-Bitümlü
Kömürler ve Linyit TOPLAM
AVRUPA 41.643 88.190 129.833
TÜRKĠYE 428 8.442 8.870
KUZEY AMERĠKA 116.707 139.770 256.477
ORTA ve GÜNEY
AMERĠKA 7.839 13.735 21.574
ESKĠ SSCB 97.476 132.702 230.178
AFRĠKA ve ORTA
DOĞU 61.355 250 61.605
ASYA PASĠFĠK
ÜLKELERĠ 184.450 107.895 292.345
DÜNYA 509.470 482.542 992.012
2.8. Hidrojen
Hidrojen 1500'lü yıllarda keĢfedilmiĢ, 1700'lü yıllarda yanabilme özelliğinin farkına
varılmıĢ, evrenin en basit ve en çok bulunan elementi olup, renksiz, kokusuz,
havadan 14.4 kez daha hafif ve tamamen zehirsiz bir gazdır. GüneĢ ve diğer
yıldızların termonükleer tepkimeye vermiĢ olduğu ısının yakıtı hidrojen olup, evrenin
temel enerji kaynağıdır.
Dünyanın giderek artan enerji gereksinimini çevreyi kirletmeden ve sürdürülebilir
olarak sağlayabilecek en ileri teknolojinin hidrojen enerji sistemi olduğu bugün
bütün bilim adamlarınca kabul edilmektedir. Hidrojen enerjisinin insan ve çevre
sağlığını tehdit edecek bir etkisi yoktur. Kömür, doğalgaz gibi fosil kaynakların yanı
sıra sudan ve biyokütleden de elde edilen hidrojen, enerji kaynağından çok bir enerji
taĢıyıcısı olarak düĢünülmektedir. Elektriğe 20. yüzyılın enerji taĢıyıcısı, hidrojene
21. yüzyılın enerji taĢıyıcısı diyen çevreler vardır. Hidrojen yerel olarak üretimi
mümkün, kolayca ve güvenli olarak her yere taĢınabilen, taĢınması sırasında az enerji
kaybı olan, ulaĢım araçlarından ısınmaya, sanayiden mutfaklarımıza kadar her alanda
yararlanacağımız bir enerji sistemidir.
27
Hidrojen içten yanmalı motorlarda doğrudan kullanımının yanı sıra katalitik
yüzeylerde alevsiz yanmaya da uygun bir yakıttır. Ancak dünyadaki geliĢim
hidrojeninin yakıt olarak kullanıldığı yakıt pili teknolojisi doğrultusundadır.
1950'lerin sonlarında, NASA tarafından uzay çalıĢmalarında kullanılmaya baĢlayan
yakıt pilleri, son yıllarda özellikle ulaĢtırma sektörü baĢta olmak üzere sanayi ve
hizmet sektörlerinde baĢarı ile kullanıma sunulmuĢtur. Yakıt pilleri, taĢınabilir
bilgisayarlar, cep telefonları gibi mobil uygulamalar için kullanılabildiği gibi elektrik
santralleri için de uygun güç sağlayıcılardır. Yüksek verimlilikleri ve düĢük
emisyonları nedeniyle, ulaĢım sektöründe de geniĢ kullanım alanı bulmuĢlardır.
Endüstriyel olarak da kullanılan hidrojen temel olarak aĢağıdaki katalitik
hidrojenleme tepkimelerinde kullanılır:
1. Amonyak (NH3) birleĢimi,
2. Metanol (CH3OH) birleĢimi,
3. Bitkisel yağları doyurma,
4. Petrokimyada hidrojenle isleme,
5. Rafineride desülfürizasyon iĢlemlerinde,
6. Düz cam üretiminde,
7. Isıl iĢlemlerde koruyucu ve reaktif atmosfer bileĢeni olarak,
8. Enerji santral ekipmanlarının soğutulmasında,
9. Bitkisel yağların katılaĢtırılmasında,
10. Roket yakıt karıĢımlarında.
2.8.1. Hidrojenin Genel Özellikleri
Kokusuz, renksiz, tatsız ve saydam bir yapıya sahip olan hidrojen, doğadaki en hafif
kimyasal elementtir. Sıvı hidrojenin birim kütlesinin ısıl değeri 141,9 MJ/kg olup,
petrolden 3,2 kat daha fazladır. Sıvı hidrojenin birim hacminin ısıl değeri ise 10,2
MJ/m3 tür ve petrolün % 28'i kadardır. Gaz hidrojenin birim kütlesinin ısıl değeri sıvı
hidrojenle aynı olup, doğal gazın 2,8 katı kadarken, birim hacminin ısıl değeri 0.013
MJ/m³ ile doğal gazın % 32,5'i olmaktadır. Metal hidritlerin kütlesel enerji içeriği 2–
10 MJ/kg ile sıvı hidrojene göre çok küçükken, hidritlerin hacimsel enerji içeriği
12,6–14,3 MJ/m³ ile gaz ve sıvı hidrojenden büyüktür.
28
Dünya nüfusundaki ve uygarlık düzeyindeki artıĢlarla birlikte toplam enerji
gereksiniminin artmasına karĢın günümüzde kullanılmakta olan enerji kaynaklarının
hızla tükenmekte olması alternatif enerji kaynaklarına olan gereksinimi zorunlu
kılmaktadır. Petrol krizinin ve çevre sorunlarının etkisi altında yakın gelecekte içten
yanmalı motorlarda kullanılan benzin, mazot gibi petrol kökenli konvansiyonel
yakıtlarında yerini alacak alternatif yakıtlarında bulunması gerekmektedir.
Hidrojenin yakıt olarak kullanılmasında yarar sağlayacak en önemli özelliklerinden
biri farklı hava hidrokarbon karıĢım oranları için hava fazlalık katsayısının 0,3–1,7
değerleri arasında tutuĢma sağlanabilmekte iken hidrojen için bu sınır 0,15–4,35
değerlerine ulaĢmaktadır. Hidrojen-hava karıĢımlarını ateĢlemek için gerekli enerji
miktarı da diğer yakıtlara oranla çok düĢüktür. Bu durum tutuĢma garantisi sağlaması
açısından Otto ilkesi ile çalıĢan motorlarda avantaj sağlamakla birlikte erken tutuĢma
ve geri yanma gibi sorunları da beraberinde getirmektedir.
Çizelge 2.4. Hidrojenin Genel Özellikleri (Veziroğlu ve Barbir, 1998)
Molekül Ağırlığı 2,016 Kg/kmol
Yoğunluğu 0,0838 Kg/m3
Üst ısıl değer (Kütlesel) 141,9 MJ/kg
Üst ısıl değer (Hacimsel) 11,89 MJ/m3
Alt ısıl değer (Kütlesel) 119,9 MJ/kg
Alt ısıl değer (Hacimsel) 10,05 MJ/m3
Kaynama sıcaklığı 20,3 K
Sıvı yoğunluğu 70,8 Kg/m3
Kritik noktadaki sıcaklık 32,94 K
Kritik noktadaki Basınç 12,84 Bar
Kritik noktadaki Yoğunluk 31,40 Kg/m3
Kendiliğinden tutuĢma sıcaklığı 858 K
Havada tutuĢma limitleri 4-75 %hacimsel
Havada stokiyometrik karıĢım 29,53 %hacimsel
Havada alev sıcaklığı 2318 K
Difüzyon katsayısı 0,61 Cm2/s
Özgül ısısı 14,89 KJ/kgK
Hidrojenin kendi kendine tutuĢma sıcaklığının oldukça yüksek olması (1 Atm.
Basınçta 847–867 K) ve oktan sayısının yüksek olması, hidrojenin dizel motorlardan
çok Otto ilkesi ile çalıĢan motorlar için daha uygun bir yakıt olacağını
göstermektedir. Dizel motorlarda hidrojen tek baĢına veya mazotla birlikte
29
kullanımının gerçekleĢtirildiği örneklerde bulunmaktadır. Hidrojenin yanması sonucu
elde edilen alev hızı da oldukça yüksektir. Bu değer stokiyometrik karıĢımlar için
benzin- hava karıĢımlarındaki alev hızının yaklaĢık dört katı düzeyindedir. Hidrojen
diğer mevcut içten yanmalı motor yakıtlarından çok yüksek ısıl değerlere sahiptir
(Alt ısıl değer 119,9 MJ/kg, Üst ısıl değer 141,86 MJ/kg). Ancak hacimsel olarak ele
alındığında hidrojenin ısıl değerinin öteki yakıtlardan çok daha düĢük olduğu
görülecektir. Bu duruma bazı çözümler sağlanmaması halinde motorun maksimum
gücü açısından eĢdeğer özellikteki benzin motorlarına göre bazı kısıtlamalar
getirecektir. Hidrojenin difüzyon katsayısı da öteki yakıtlardan daha fazladır. Ayrıca
gaz halindeki hidrojen; kağıt, kumaĢ, kauçuk vb. malzemelerden ve platin, demir,
çelik gibi bazı metallerden difüzyon yolu ile geçebilmektedir. Hidrojenin bu özelliği
depolanmasında bazı sorunlar oluĢturmaktadır. Renksiz, kokusuz, tatsız ve saydam
bir yapı sergileyen hidrojen periyodik tabloda "H" sembolü ile ifade edilir. Atom
ağırlığı 1,00797 kg/kmol ve atom sayısı 1 olan elementtir. Hafif olması nedeniyle (0
°C ve atmosfer Ģartlarında 1 litre hidrojen 0,0898 gr kütlededir.) yeryüzünde serbest
halde çok az bulunur. Hidrojen sıvılaĢtırılması oldukça güç olan bir elementtir.
YaklaĢık olarak 20 K sıcaklık ve 2 bar basınçta sıvı faza geçer (Aydemir, 1998).
Oldukça iyi bir ısıl iletkendir.
Çizelge 2.5. Hidrojenin diğer yakıtlarla karĢılaĢtırılması (Aydemir, 1998)
Özellik Benzin Metan Hidrojen
Yoğunluk (kg/m3) 4,4 0,65 0,0838
Hava içindeki difüzyonu a,(cm
2/s) 0.05 0.16 0.61
Sabit basınçtaki özgül ısısı a, (kJ/kg.K) 1.20 2.22 14.89
Havada ateĢlenme sınırı, (% hacim) 1.0–7,6 5.3–15,0 4–75
Havada ateĢlenme enerjisi, (mJ) 0.24 0.29 0.02
AteĢlenme sıcaklığı, (oC) 228-471 540 585
Havada alev sıcaklığı, (oC) 2197 1875 2045
Alev yayılması (emisivitesi), (%) 34-43
25-33 17–25
Isıl kapasitesi, (MJ/kg)
(MJ/m3)
45.5
38.65
50
23
141.9
11.89
Patlama enerjisi b, (gr TNT/kJ) 0.19 0.17
a Normal basınç ve sıcaklıkta
b Maksimum teorik; gerçek, teoriğin %10‟u
30
2.8.2. Hidrojenin Fiziksel Özellikleri
Yoğunluğu: 0,0899 kg/m3
Erime noktası: -259,14 °C (14.01K)
Kaynama noktası: -252,87°C (20.28K)
Molar hacmi: 11,42 ml/mol
Isı iletkenliği(300): 0.1815 W m-1
K-1
Özgül ısı: 14,304 J g-1
K-1
BuharlaĢma Entalpisi: 0,452 kJ mol-1
AtomlaĢma Entalpisi: 218 kJ mol-1
2.8.3. Hidrojenin Kimyasal Özellikleri
Elektronik konfigürasyonu: 1s1
Kabuk yapısı: 1
Elektron ilgisi: 72,8 kJmol-1
Elektronegatiflik: 2,20 (Pauling birimine göre)
2,59 (Sanderson elektronegatifliğine göre)
Atomik Yarıçapı: 25 pm (53 pm hesaplama ile)
Ametal
s-blok elementi
Hidrojen ilk olarak 1776 yılında Henry Cavendish tarafından keĢfedilmiĢtir. Hidrojen
ismi ise Antoine Lavoisier tarafından verilmiĢtir.
Yıldızlardan yayılan ıĢıkların analizi sonucunda yıldızların yapısında, güneĢ
sisteminin %90‟nında hidrojen olduğu düĢünülmektedir. IA grubu elementleri, Ca,
Sr, Ba gibi aktif metallerin su ile reaksiyonu sonucunda hidrojen gazı elde edilir.
31
2.9. Hidrojen Üretimi
Hidrojen doğada saf halde bulunmayıp bileĢikler halinde bulunmaktadır. Hidrojen
çoğunlukla suda, çeĢitli hidrokarbon formlarında ve diğer kimyasal bileĢikler içinde
mevcuttur. Bundan dolayı, hidrojenin enerji amacıyla kullanılabilmesi için bir takım
dönüĢüm proseslerinden geçmesi gereklidir.
Hidrojenin üretim kaynakları bol ve çeĢitlidir. Fosil yakıtlardan elde edilebildiği gibi
güneĢ, rüzgar, hidrolik enerji gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması ile
suyun elektrolizi yolu ile üretimi, biyokütleden üretimi ve biyolojik proseslerle
üretimi mümkündür. Günümüzde hidrojen ağırlıklı olarak doğalgazdan buhar
reformasyonu sonucu elde edilmektedir. Suyun elektrolizi bilinen bir yöntem
olmakla beraber ekonomik hale getirilmesi konusunda çalıĢmalar, gene benzer
Ģekilde güneĢ enerjisinden biyoteknolojik yöntemlerle hidrojen üretimi konusunda
araĢtırma-geliĢtirme çalıĢmaları devam etmektedir (http://www.youthforhab.org.tr ).
Hidrojen sentetik bir yakıt olup üretim kaynakları son derece bol ve çeĢitlidir.
Hidrojen fosil yakıtlar (kömür, doğalgaz vb.) yardımıyla olabildiği gibi güneĢ,
rüzgar, dalga enerjileri, jeotermal ve biyokütle gibi birincil enerji kaynaklarının hepsi
ile aĢağıda tanımlanan yöntemlerin herhangi biri ile üretilebilir. Çizelge 2.6‟da
hidrojen üretim ve dağıtım opsiyonları detaylı bir Ģekilde verilmiĢtir.
2.9.1. Elektroliz ile Hidrojen Üretimi
Elektrolizde, iki elektrot (bir tanesi pozitif yüklü ve diğeri negatif yüklü) elektrolitli
su çözeltisine yerleĢtirilmiĢtir. Elektroliz hücresine doğru akım voltajı uygulandığı
için, hidrojen gazı katotta (negatif yüklü elektrot) ve oksijen gazı anotta (pozitif
yüklü elektrot) birikir. Çözeltideki elektrolit asit (pozitif hidrojen iyonlarına sahip)
veya alkalin (negatif hidroksil iyonlarına sahip) olabilir (Cassedy, 2000). Elektroliz
50 yıldan fazla süredir kullanılan basit ve verimli bir teknolojidir (Veziroğlu ve
Barbir, 1998). Avantajları hareketli parçasının olmaması, genellikle yenilenebilir
enerji ile birleĢik, geniĢ aralıktaki kapasitede çalıĢma yeteneği ve doğru akım
elektriği ile kullanılabilmesidir. Fakat mevcut elektroliz sistemlerinin maliyeti, düĢük
32
maliyetli materyaller üreterek ve bakım-onarım maliyetlerini azaltıp sistemi optimize
ederek aĢağıya çekilmelidir (USDOE–HFC&ITP, 2003). Ömür boyu perspektifinden
bakıldığında, eğer mevcut Ģebeke elektriği elektroliz için kullanılırsa (genellikle
büyük ölçekli sistemlerde) ve elektrolizde kullanılan elektrik birincil enerji
kaynaklarından üretiliyorsa önemli miktarda sera gazı emisyonu üretilir.
Çizelge 2.6. Hidrojen üretim opsiyonlarının sınıflandırılması (USDOE, 2004).
Ham Geri
besleme
Prosesli Geri
besleme
Üretim Prosesleri Proses Enerji
Kaynakları
Üretim
Stratejileri
Dağıtım
opsiyonları
Fosil Yakıtlar:
-Kömür
-Doğalgaz -Petrol
-Sentez gazı -Gazolin
-Dizel yakıtı
-Metanol -Amonyak
-Ham materyalin
direkt kullanımı
Termal: -Refarmasyon
- Buhar
Reformasyonu - Kısmi
oksidasyon
- GazlaĢtırma - Proliz
Elektrokimyasal - Elektroliz
- Foto-
elektrokimyasal
Biyolojiksel:
- Foto-biyolojiksel
- Aerobik
fermantasyon -Anerobik
fermantasyon
Termal: - Fosil
- Yenilenebilir
- Nükleer
Elektrik: - Fosil
-Yenilenebilir
- Nükleer
Fotolitik: - GüneĢ
DağıtılmıĢ: -Yakıt istasyonları
-KiĢisel binalar
-Araç üzerinde
Yarı-dağıtılmıĢ: -Market odaklı
Merkezi:
-Kaynak merkezli
Hidrojen: - Gaz:
- Boru hattı
- Demiryolu - Tanker
- Sıvı: - Tanker
- Demiryolu
- Hidritler:
-Diğer (mesela Karbon
nanotübler)
-Gaz taĢıyıcıları:
- Doğalgaz
- Amonyak
-Sıvı TaĢıyıcıları:
- Etanol - Metanol
-Diğer organik
sıvılar
Biyokütle
-Etanol -Metanol
-Biyo-dizel
-Biyo-gaz -ġekerler
-Ham materyalin
direkt kullanımı
Atık Materyal -Ham materyalin
direkt kullanımı
Su
-Ham materyalin direkt kullanımı
2.9.1.1. Elektroliz için Kaynak Olarak Güneş Fotovoltaik Gözeleri
Su moleküllerinin elektrolizi için gerekli olan enerjiyi sağlamada güneĢ enerjisinin
kullanımı yenilenebilir elektroliz metotlarından bir tanesidir. Hidrojen teknolojileri
yenilenebilir enerjinin geleceği ile sıkı sıkıya bağlı iken, bu bağlılık bu teknolojilerin
suyun elektrolizinde ne kadar verimli olduğu ile doğru orantılıdır. Bu üretim
perspektifinde, fotovoltaik (PV) teknoloji güneĢten elektrik üretmede kullanılır.
Fotovoltaik silikon hücreler fotovoltaik etki ile güneĢ ıĢığını doğru akıma (DC)
çeviren elektriksel yarıiletkenlerdir. Ġlk olarak 1950‟lerin sonlarında üretilmiĢ ve
uydular için enerji kaynağı olarak kullanılmıĢtır. Maliyetlerin düĢmesi ile
telekomünikasyon ve denizcilik ekipmanları gibi uzak uygulamaların enerji
ihtiyaçları için PV‟lerin kullanımı ile birlikte 1970‟lerde geliĢtirmeler baĢlamıĢtır.
1970‟lerin enerji krizi hem Ģebekeye bağlı hem de Ģebekeden bağımsız bireysel ve
33
resmi uygulamalarda PV kullanımı artmıĢtır. Üretim evresinde, PV hücreler
modüllerde (veya panellerde) birleĢir. Daha sonra bunlar istenilen yere monte
edilerek PV tanzimleri oluĢturulur. Yeterli enerjiye sahip olan foton, silikonun
atomuna çarptığı zaman elektronun valans bandı kabuğundan, elektrik akımının
oluĢtuğu iletkenlik bandına hareket ettirir. Bu serbest elektronlar bir noktada birikir
ki burası elektriksel akımın oluĢmasına yol açar. Bu elektriksel akım hücreye
dönmeden önce iĢi destekleyebilir. PV tanzimindeki seri ve paralel bağlantıların
tercih edilen kombinasyonu bu iĢ için gerekli olan gücü sağlar. GüneĢ enerjisinin
elektriğe dönüĢümündeki akım verimlilikleri laboratuar Ģartları altında yaklaĢık
%18‟dir. Enerjinin ana kaynağı olarak güneĢ enerjinin kullanımında verimli bir
Ģekilde depolama ve kolay taĢınım önemlidir. Bu depolama ve taĢınımda hidrojen
yüksek potansiyel sağlar. Hidrojen farklı yollarda depolanabilir, kolaylıkla taĢınabilir
ve termal enerji sağlayıcısı olarak direk yakılabilir veya yakıt hücreleri ile elektriğe
dönüĢtürülebilir. PV sistemlerinin avantajı modüler olmasıdır, gerekli güç çıkıĢı için
ayarlanabilmeleri ve konum bakımından (dağılmıĢ veya merkezi) esneklik
kapasitesine sahiptir. PV sistemleri hareketli parçalara sahip olmamalarından dolayı,
çalıĢma esnasında ses çıkarmazlar ve sistemlerin bakımı çok kolaydır. Fakat Ģu anda
en büyük dezavantaj bu sistemlerin yüksek maliyete sahip olmasıdır. Ayrıca PV
sistemlerinin alan ihtiyaçları bazı bölgelerde sınırlayıcı neden olabilir.
2.9.1.2. Elektroliz için Kaynak Olarak Rüzgar Gücü
Elektroliz için gerekli olan elektrik üretiminin ikinci yenilenebilir elektroliz
teknolojisi rüzgar gücüdür. Rüzgar yeryüzünün güneĢ ile ısıtılmasından dolayı ortaya
çıkan doğal konveksiyonla oluĢan havanın akımıdır (Cox ve Williamson, 1977).
Kutup ve ekvatoral bölgeler arasındaki ısı farkı ve dünyanın hareketi rüzgarı
oluĢturan ana kuvvetlerdir (Cassedy, 2000). Bu hareketin diğer bir sebebi de
dünyanın dönmesinden kaynaklanan kuvvetlerdir. Rüzgar gücü yüzyıllar boyunca
farklı yollarla birçok kültür tarafından kullanılmıĢtır (su pompalamak, buğday
öğütmek gibi iĢlere mekanik enerji sağlamıĢlardır). Rüzgar enerjisini elektrik
enerjisine dönüĢtürme değiĢimi dünyada 1888‟de Charles F. Brush tarafından 12
kW‟lık rüzgar türbini yapması ile baĢlamıĢtır (IEA, 2003). Küçük bağımsız türbinleri
kullanma trendi ise 1930‟larda ilk alternatif akım (AC) türbininin kurulmasına kadar
34
devam etmiĢtir (IEA, 2003). Rüzgar gücü endüstrisi bundan sonra megawattlara
ulaĢarak, çok türbinli rüzgar tarlaları oluĢmasına kadar büyümeye devam etmiĢtir.
Rüzgar yenilenebilir enerjinin maliyeti en düĢük formudur ve tüm dünyada rüzgar
kapasitesi yıllık hidrojen üretiminin %28‟sini karĢılayabilecek durumdadır (Rifkin,
2002). Avrupa Rüzgar Kurumunun (The European Wind Energy Association)
verilerine göre 2020‟de rüzgar enerjisi tüm dünya elektrik üretiminin %10‟nu
karĢılayacak kapasiteye ulaĢacaktır.
Rüzgar türbinlerinin çalıĢma sürecinde zararlı hava emisyonları üretmez. Bu yüzden
ilk bakıĢta rüzgar enerjisi tamamen zararsız görülebilir. Fakat ömür boyu bakıĢ
açısıyla bakıldığında, yapım, taĢıma ve tasfiye aĢamasında atmosfere salınan
emisyonlar vardır. Bu emisyonlar türbin yapımı için gerekli materyallerin üretilmesi
(çelik, bakır, plastik vb.) ve taĢıma prosesi için kullanılan birincil enerjinin türüne
göre değiĢmektedir (IEA, 2003). Bu emisyonlar konvansiyonel güç sistemlerinin
emisyonlarından az olsa bile, düĢünülmesi gerekmektedir. Rüzgar sistemleri ile
alakalı ayrıca çevresel ve sosyal kaygılar bulunmaktadır. Rüzgar tarlaları görüntü
kirliliğinden özellikle yerleĢim birimlerine yakın yerlerde itirazlarla karĢılaĢmaktadır.
Rüzgar türbinlerinin gürültü ve iletiĢim paraziti problemleri genelde yereldir, sadece
tesisten 400 metre yarıçaplı bölgeyi etkilemektedir (IEA, 2003). Türbinlerin
çalıĢmasından kaynaklanan gürültü mekanik ve aero-akustik bileĢenlere sahip
olabilir. Mekanik gürültü mühendislik yöntemleri ile baĢa çıkılabilir ve aero-akustik
gürültüye kıyasla modern türbinlerde böyle bir problem olmamaktadır. Rüzgar
türbinleri ayrıca kuĢ popülasyonlarını da etkilemektedir. Eski tasarımlar kuĢlara daha
uygun konma yüzeyi sağlayan daha köĢeli türbin yapılarından dolayı daha çok
probleme yol açmıĢlardır. Fakat yeni tasarımlar bu problemi göz önüne almıĢlardır
ve kuĢların kolay eriĢimini engellemek amacıyla daha silindirik Ģekillerde
üretilmiĢlerdir. Rüzgar tarlalarının kurulması için gerekli alan 0.06‟dan 0.08
km2/MW (12-16 MW/km
2)‟ye kadar değiĢiklik gösterir. Fakat Ģöyle bir avantaj
karĢımıza çıkmaktadır, türbinler bu alanın %1‟ini kaplamakta geri kalan alan tarım
gibi diğer amaçlar için kullanılabilmektedir (IEA, 2003). Ek olarak, rüzgar türbinleri
telekomünikasyon sistemlerinden dağılan elektro-manyetik dalgalara etkisi vardır.
Fakat bu konu ileri araĢtırmalara açıktır ve ilk incelemeler problemin aĢılabilir
olduğunu göstermektedir. Rüzgar tarlaları dünyada bir bölgede sınırlandırılmamıĢtır.
35
Uygun rüzgar Ģartları ve tesis özellikleri karĢılandığı sürece, rüzgar tarlası üretmek
mümkün olmaktadır. Rüzgar gücünün avantajları yenilenebilir doğası ve mekaniksel
gücün direk kullanımıdır. Dezavantajları güneĢ enerjisi iliĢkili olanlara benzerdir:
düĢük güç yoğunluğu ve kesikli güç kaynağı olmasıdır. GüneĢ enerjisine benzer
olarak, eğer rüzgar gücü geleceğin en önemli enerji kaynağı olacaksa, bu
yetersizlikler verimli enerji depolama sistemi ile çözülmelidir.
2.9.2. Doğalgazın Buhar-Metan Reformu
Günümüzde dünyada üretilen hidrojenin hemen hemen yarısı doğalgazın buhar
reformasyonundan sağlanmaktadır (Rifkin, 2002). Hem test edilmiĢ olmasından ve
hem de doğalgazın düĢük maliyetinden, bulunabilirliğinden dolayı teknoloji düĢük
maliyette olup en uygun yakın dönem seçeneği olarak görülmektedir. Fakat bu
teknolojiye ana engel doğalgazın sonsuz bir kaynak olmaması ve dönüĢüm
prosesinin azda olsa çevreye verdiği zararlar gelmektedir. Doğalgaz ilk olarak
desülfürize edilir (katalizör ile iletiĢimi engellemek için) ve daha sonra reformatöre
gönderilir. Burada, doğalgaz katalitik konvertörde buhar ile reaksiyona girer ortaya
çıkan hidrojen ortamdan alınır ve yan ürün olarak karbonmonoksit oluĢur.
Doğalgazın buhar reformasyonu ile hidrojen üretiminde ısı dolaylı kaynak olarak
kullanılır (Dicks, 1996). Reformasyon reaksiyonları endotermiktik ve yakıtın bir
kısmı reaktör tüpünün dıĢında hava ile yakılmalıdır. ĠĢleme tabii tutulmamıĢ
doğalgazın kimyasal bileĢimi uygulanacak iĢlemlerin tasarımında önem taĢır.
Doğalgaz reformerlerinde hidrojen yaklaĢık olarak %72-85 arasındaki verim ile
üretilir. Geriye kalan %15-28‟lik kesim yakıt kaynağı olarak kullanılır (Lovins,
2004). AĢağıdaki kimyasal reaksiyonlar metanın buhar reformasyon prosesinde
kullanılır.
224 3HCOOHCH (2.40)
Su-gaz değiĢim reaksiyonu:
222 HCOOHCO (2.41)
Denklem (2.40)‟de gösterildiği gibi, reaktörden çıkan ürünler CO ve H2‟dir. Bu
prosesi CO2 ve %95-99 saflıkta üretilen H2‟nin ortaya çıktığı su-gaz değiĢim
reaksiyonu takip eder. Teorisel olarak, üretilen hidrojenin %50‟si metandan ve geriye
36
kalan kısımda sudan gelmektedir. Reaksiyonda üretilen CO daha sonra su ile
reaksiyona girerek CO2 ve H2‟ni oluĢturur. Reaksiyondan çıkan gaz birçok dönüĢüm
reaksiyonuna gereksinime ihtiyaç kalmaksızın oldukça yüksek miktarda H2 ihtiva
eder. Sonuç olarak, buhar reformasyonunda yüksek saflıkta hidrojen üretmenin
önemli bir adımı CO2‟nin ortamdan uzaklaĢtırılmasıdır. Ticari prosesler bu gazı su,
amonyak çözeltileri, etonolamin çözeltileri, potasyum karbonat çözeltileri ve metanol
gibi sıvıları kullanarak counter-current absorbsiyonundan yararlanarak
ayırmaktadırlar (Shiozawa, 2000).
2.9.3. Gazlaştırma
Hidrojen, doğalgazdan baĢka fosil yakıtlarla da (kömür veya petrol) veya gazlaĢtırma
denilen prosesle biyokütleden üretilmektedir. Hammadde yaklaĢık 1400 oC‟ye kadar
hava ve oksijenle ısıtılmalıdır. Sonuç ürün olarak H2, CO ve atık karıĢımı
üretilmektedir (IEA-GHGP, 2005).
2.9.3.1. Kömürün Gazlaştırılması
Kömür gazlaĢtırma veya kömürün kısmi oksidasyonu hidrojen üretimi için diğer bir
mümkün olan teknolojidir. Günümüzde dünya hidrojen üretiminin %18‟i kömürden
sağlanmaktadır (Doctor ve Molburg, 2004). Dolayısıyla bu yöntemin üzerinde
düĢünülmesi gerekmektedir. Doğalgazdan elde edilen hidrojene göre daha fazla
maliyetli olmasına rağmen, kömürü çıkartma-taĢıma maliyetleri daha düĢüktür (ve
kömür uçucu değildir) ve kaynak miktarı daha fazladır. Kömür gazlaĢtırmada, kömür
ilk olarak öğütülerek toz haline getirilir ve su ile karıĢtırılarak çamur oluĢturulur
(IEA-GHGP, 2005). Çamur daha sonra saf oksijenle gazlaĢtırmaya gönderilir. Elde
edilen bu gaz doğalgaza benzer ve kimya sanayisinde, gübre yapımında veya enerji
üretiminde kullanılabilir. Kömürü direk olarak yakmak yerine, gazlaĢtırma ile kömür
(veya karbon esaslı yapıya sahip maddeler) temel kimyasal bileĢenlerine
dönüĢtürülebilir. GazlaĢtırma ile kömürden; oksijen aynı zamanda buhardan oluĢan
sülfür ve civa gibi kirleticiler temizlenerek sentez gaz elde edilir. Hidrojeni üretmede
sentez gaz üretilen hidrojenin miktarını arttırmak için Denklem (2.41) ile verilen su-
gaz dönüĢüm reaktör teknolojisini kullanarak daha ileri iĢleme tabi tutulur (Hydrogen
37
from Coal Research, 2004). Temiz gaz daha sonra hidrojeni ortamdan almak üzere
ayrıĢtırma sistemine gönderilir.
2.9.3.2. Biyokütlenin Gazlaştırılması
Biyokütle, fotosentezin ürünü olarak, petrole bağlı olmayan çok yönlü yenilenebilir
enerji kaynağı olduğu için sürdürülebilir hidrojen üretiminde kullanılabilir. Hidrojen
üretimi için biyokütlenin kullanım potansiyeli iki önemli faktörle sınırlandırılmıĢtır.
Bunlar hektar baĢına ürün verimi ve değerlendirmeye tabi tutulan ürünün enerji
içeriğidir. Bu çok geniĢ bir yelpaze sunabilir. GazlaĢtırma boyunca, biyokütle oksijen
ile reaksiyona girerek buhar ve hidrojen üretir.
EnerjiCOHCOOBiyokütle 222 (2.42)
Bu gaz karıĢımının hidrojence zengin gaza dönüĢümü ya gazlaĢtırma (katılar) ya da
reformasyon (gazlar) gibi geri beslemeye bağlı olarak sınıflandırılır. Buharla
hidrokarbonların endotermik reaksiyonları yüksek hidrojen içeren sentetik gazların
ortaya çıkarılması, yani su-gaz değiĢim reaksiyonu [Denklem (2.41)] molar CO/H2
oranını değiĢtirmede kullanılabilir (Zittel, 1996). Su-gaz değiĢimi ile CO‟nin H2‟ne
dönüĢümü katran ve diğer inorganik kirleticileri temizler. Gazın hidrojen içeriği
basınç ve sıcaklık gibi proses parametreleri ile belirlenir. Su-gaz değiĢimi ile iliĢkili
gazlaĢtırma, biyokütleden hidrojen üretimi için oldukça geniĢ pratiksel prosese
sahiptir. Biyokütlenin hidrojene dönüĢümünün ortalama verimi %63‟dür (Adamson,
2004).
Biyokütle gazlaĢtırıcıları kömürü gazlaĢtırmak için geliĢtirilen sisteme benzerler ve
gazlaĢtırma prosesi için ısıya, gazlaĢtırma için beslemeye ihtiyaç vardır. Eğer
biyokütle ve yenilenebilir atık bu ısıyı karĢılamada kullanılırsa, bu teknoloji
tamamen yenilenebilir enerji kaynağına bağlıdır. Kömürün gazlaĢtırılması için
yapılan yaygın deneysel çalıĢmalara bağlı olarak, gelecek 2-3 yıl içinde biyokütlenin
gazlaĢtırılması prosesi ticari olarak kullanılabilir olacaktır. Biyokütlenin
gazlaĢtırılması, doğalgazın konvansiyonel buhar reformasyonundan daha fazla
maliyete sahip olmasına rağmen yenilenebilir enerji kaynaklarından direkt hidrojen
üretimi için önerilen metotlardan bir tanesidir (Cannon, 1997). GeliĢmiĢ ve mevcut
38
teknoloji; hidrojen ve elektriğin kömürden birlikte üretildiği bütünleĢmiĢ gazlaĢtırma
birleĢik döngü (IGCC) sistemidir. GazlaĢtırma kısmında, ana sistem birimi
gazlaĢtırıcıdır. Burada buhar ve oksijen, belli bir ısı ve basınç altında kömürle
birleĢtirilir. Hammaddenin sadece küçük bir kısmı yanar (kısmi oksidasyon da
denilir). Prosesin sonucunda hidrojen, karbonmonoksit ve sentez gaz denilen diğer
gazların karıĢımı üretilir. Hammaddedeki mineraller gazlaĢtırıcının alt kısmından
çıkarılır, sülfür ve amonyak gibi maddeler prosesin ilerleyen aĢamalarında çıkarılır.
Prosesin birleĢik döngü kısmı sistem verimliliğini artıran sentez gazdan elektrik
üretmede kullanılan buhar türbinini takiben yanma türbininin kullanılmasını ifade
etmektedir. Bu entegre sistemin faydası sentez gazı hidrojen kaynağı olarak
kullanmaktır. Buda ulaĢım yakıtı veya yakıt hücreleri sayesinde elektrik olarak
kullanılabilir (US DOE-OFE, 2008).
2.9.4. Termokimyasal Üretim
Termokimyasal hidrojen üretiminde su, ısı ile iĢletilen kimyasal reaksiyonların
kombinasyonuyla hidrojen ve oksijene ayrıĢtırılır. GüneĢ termokimyasal hidrojen
üretiminde, yoğunlaĢtırılmıĢ güneĢ radyasyonu endotermik kimyasal reaksiyon için
gerekli olan yüksek sıcaklık prosesin enerji kaynağıdır. BeĢ adet termokimyasal
hidrojen üretim metodu ġekil 2.1.‟de sunulmuĢtur. Hidrojenin kimyasal kaynağı su
ve fosil kaynaklar ya da her ikisinin birleĢimi olabilir. Bu proseslerin hepsi yüksek
sıcaklılarda yoğunlaĢtırılmıĢ güneĢ enerjisi ile iĢletilen endotermik reaksiyonları
içermektedir.
39
ġekil 2.1. GüneĢ hidrojen üretimi için beĢ termokimyasal çevrim (Steinfeld, 2004)
2.9.4.1. Güneş Termoliz
GüneĢ termolizinde, hidrojen direkt olarak tek bir adımda sudan üretilir.
222 21 OHOH (2.43)
Bu basit reaksiyonun yaygın bir Ģekilde kullanıma ulaĢması zordur. Çünkü kararlı bir
ayrıĢma için yüksek sıcaklık ısı kaynağına (2500 K‟nın üstünde) ve yan ürünlerin
patlamasından sakınmak için hidrojen ve oksijeni ayırmada etkili bir tekniğe ihtiyaç
vardır. YoğunlaĢtırılmıĢ güneĢ enerjisi ve nükleer enerji gibi yüksek sıcaklık ısı
kaynaklarının birçoğu bu proseste kullanılabilir. AraĢtırmalar, ayrıĢma için gerekli
olan ısının, katalistleri kullanarak aĢağıya çekilmesi üzerine yoğunlaĢmıĢtır. Bu
teknoloji hala daha geliĢtirilme fazındadır ve verimlilik faktörü belirsizdir.
2.9.4.2. Güneş Termokimyasal Çevrimler
Su-parçalama termokimyasal çevrimler H2/O2 ayrıĢtırma probleminden kaçınır ve
daha düĢük sıcaklıklarda (yaklaĢık 1200 K) iĢletilir (Steinfeld, 2004). Aslında, bu
Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi
Termoliz
Termo-
kimyasal
Çevrimler Reformasyon Parçalama GazlaĢtırma
H2O H2O
Fosil yakıtlar
H2O
Güneş Hidrojen
CO2/CO
AyrıĢtırılması
40
çevrimler birçok adımı içerir, ısı transferi ile ilgili verimsizliklerden ve ürün
ayrıĢımından etkilenmez. Son zamanlarda yoğunlaĢtırılmıĢ güneĢ kollektörleri için
geliĢtirilen optiksel sistemler 2-adımlı termokimyasal çevrimi daha verimli yapmıĢtır.
Bu daha verimli çevrim metal oksit redoks reaksiyonlarını kullanmaktadır.
1.inci adım (güneĢ): 22
Oy
xMOM yx (2.44)
2.inci adım (güneĢ olmayan): 22 yHOMOyHxM yx (2.45)
Net reaksiyon: 222 21 OHOH (2.46)
Yukarıdaki denklemlerde M metali ve MxOy ise iliĢkili olduğu metal oksidi
bildirmektedir. Ġlk adımda, metal oksit endotermik reaksiyon ile metalden güneĢ-
termal prosesiyle ayrılır. Daha sonra, ekzotermik reaksiyon olan metalin hidrolizi ile
hidrojen ve metal oksit oluĢmasında rol oynar. Net reaksiyon güneĢ termolize
benzerken, yüksek sıcaklık ayrıĢmanın gereksinimi ihmal edilebilir. Çünkü H2 ve O2
farklı adımlarda oluĢur. ġimdiye kadar bildirilen en iyi iki adet güneĢ termokimyasal
çevrimler ZnO/Zn çevrimi ve Mn2O3/MnO çevrimleridir.
2.9.4.3. Güneş Reformasyonu ve Gazlaştırma
Doğalgazın, petrolün ve diğer hidrokarbonların buhar reformasyonu, kömür ve diğer
katı karbon yapılı materyallerin buhar gazlaĢtırılması aĢağıdaki basitleĢtirilmiĢ net
reaksiyon ile verilebilir (Steinfeld, 2004).
xCOHxy
OxHHC yx
22
2 (2.47)
Bu proseslerde, reaksiyon kinetiklerine ve tiplerine, saf materyal içindeki kirliliklerin
miktarına bağlı olarak bazı bileĢiklerde üretilebilir. KarbonsuzlaĢtırma ve karbonu
yakalama tekniklerinin fosil yakıt kullanan teknikler ile kullanılarak çevresel etkiler
azaltılabilir.
2.9.4.4. Güneş Parçalama (Kraking)
GüneĢ parçalama prosesi doğalgazın, petrolün ve diğer hidrokarbonların termal
parçalanmasını ifade eder. Bu metot basitçe aĢağıdaki net reaksiyon ile sunulabilir
(Steinfeld, 2004).
41
22
Hy
grxCHC yx (2.48)
2.9.5. Fotoelektrokimyasal Hidrojen Üretimi
Fotoelektrokimyasal (PEC) proses hidrojeni bir adımda, su içine daldırılan
yarıiletkenin güneĢ enerjisi ile aydınlatılarak suyun parçalanması ile üretir. GüneĢ
ıĢığı fotosentetif yarıiletken ve katalizör ile doldurulmuĢ elektrolitik çözeltiye çarpar.
GüneĢ enerjisi katalist tarafından absorbe edilir. OluĢturulan yerel elektriksel alanlar
suyun, hidrojen ve oksijene elektrolitik parçalanmasını tetikler (Cannon, 1997).
Çoklu eklem hücre teknolojisi PEC ıĢık dönüĢtürücüsü olarak kullanılması, suyun
parçalanması için gerekli voltajın üretilmesi ve su/elektrolit ortamında kullanılması
için uygundur.
Ġkili eklem sisteminin teoriksel verimi %42‟dir. Yalnız pratiksel verimi %7-12
arasındadır. DüĢük maliyetli çoklu eklem amorf silikon (a-Si) sisteminin verimi %7-
12 arasındadır (HFCIT, 2004). Direkt dönüĢümlü hidrojen üretim sistemi
elektrolizörün maliyetini ortadan kaldırır ve aynı zamanda prosesin toplam veriminin
arttırılması yeteneğine sahiptir. PEC su-parçalama sisteminin geliĢtirilmesi üzerine
yapılan araĢtırmaların sonucuna göre güneĢ ıĢığını kullanarak güneĢten-hidrojen
üretim verimi alt ısıl değerine göre %12.4 olmaktadır.
2.9.6. Biyokütlenin Prolizi
Biyoyakıtın karbonhidrat kesimlerinin reformasyonunun hızlı prolizi sayesinde
endotermik reaksiyon ile biyoyakıt olarak adlandırılan sıvı üretilir. Proliz, yakıt
kimyasallarının ve materyallerinin geliĢtirilmesi için kullanılan çeĢitli proseslerin
temelini oluĢturur. Prolizdeki ilk adımda ısı kompleks moleküllerin daha basit
birimlere ayrıĢtırılmasında kullanılır.
Biyokütle + Enerji Biyoyakıt + KömürleĢmiĢ atık + Gaz (2.49)
Daha sonra birinci adım boyunca üretilen reaktif buhar hidrojene dönüĢtürülür. Nikel
esaslı katalizör kullanılarak 750-850 oC‟de biyo-yakıtın katalitik buhar reformasyonu
dönüĢüm reaksiyonunu da içeren iki adımdan oluĢur. Toplam stokiyometriye bağlı
42
olarak maksimum verim 0,172 grH2/grBiyo-yakıt (%11,2 bitkiye bağlı olarak)
olmaktadır.
Biyoyakıt 22 HCOOH (2.50)
222 HCOOHCO (2.51)
2227.09.1 21.226.1 HCOOHOCH (2.52)
2.9.7. Fotobiyolojiksel Üretim
Genel olarak fotobiyolojiksel sistemler hidrojen üretmede bakterilerin doğal
fotosentetik aktivitesini ve yeĢil algleri kullanırlar. Fotosentetik sistemler normalde
CO2‟i karbon hidratlara indirgerken, hidrogenaz veya nitrognaz gibi hidrojen içeren
enzimleri birleĢtiren fotosentetik prosesin sonunda indirgeme gibi değiĢtirme
Ģartlarını barındırması muhtemeldir (Bolton, 1996). Katalistik ve mühendislik
sistemlerinin uygulanmasıyla hidrojen üretim verimi %24‟de ulaĢabilir (HFCIT,
2004). Hidrojen üretimi için biyolojiksel proseslerinin kullanımı teknik sistemlerin
geliĢtirilmesi aĢamasında olup ve cevapları yanıtlanmamıĢ birçok temel sorun
bulunmaktadır. Hidrojen üretimi için en etkili fotobiyolojiksel sistemler yeĢil alg ve
siyano bakteri gibi mikro alglere bağlıdır. Hidrogenaz sentezlenip aktif hale getirme
süresi boyunca, anorobik Ģartlar altında kuluçkadan sonra yeĢil algler hidrojen
üretmeye baĢlar (Bolton, 1996). Karanlığa adapte edilmiĢ algler ıĢığa maruz
bırakıldığında, baĢlangıç olarak %12‟ye ulaĢan verimliliklerle H2 ve O2 üretirler.
Fakat ürünler fotosentezden ayrı olarak ölçülemezler. Azot-bağı bulunan siyano
bakteriler nitrogenaz enziminin varlığında hidrojen üretebilirler. Bu proseste ideal
verimlilikler %10‟na ulaĢır. KarĢımıza çıkan en büyük zorluk alg sistemini 0,03
güneĢ sabitinin üzerinde tutmak için gerekli olan genetik mühendislik ile antenna
krolofillerinin daha yüksek güneĢlenmeyi sağlamak için boyutlarının
küçültülmesidir. Tekniksel açıdan öne çıkan engel ise hidrojen üretimi boyunca
oksijenin de üretilmesidir. Bu da hidrojen-değiĢtirme enzim sistemlerine zarar verir.
AraĢtırmacılar oksijenin varlığını daha da fazla katlanan doğal yolla oluĢturulan
organizmalar üzerine çalıĢmakta ve genetik açıdan organizmanın yeni formunu
oluĢturarak oksijenin varlığında kararlı hidrojen üretimi üzerine çalıĢmaktadırlar.
Yeni geliĢtirilen bir sistem, fotosentetik büyüme fazı ve hidrojen üretim fazı arasında
43
alg hücrelerine metabolik değiĢtirmeyi (kükürt eksikliği) denemektedir (HFCIT,
2004). Siyano bakteri veya alglerden farklı olarak, fotosentetik bakteriler suyu
oksidize etmez, bunun yerine hidrojeni biyokütleden elde eder. Bu bakteriler
hidrojen üretmede birkaç çeĢit enzimatik mekanizmaları kullanırlar.
2.9.8. Nükleer Termokimyasal
Suyun hidrojen ve oksijene ayrıĢmasını sağlayan ısı ile birlikte termokimyasal
prosesleri kullanarak hidrojen direkt olarak üretilebilir. Yüksek verimliliğinden ve
düĢük iĢletim giderlerinden dolayı, bu termokimyasal prosesler nükleer enerjiyi
kullanarak hidrojen üretimi için uzun dönem opsiyonları olarak bilinir. Yinede,
düĢük üretim maliyetlerinin yanında, yüksek sıcaklıklar (750 oC), hızlı kimyasal
kinetikler ve yüksek dönüĢüm verimliliklerini sağlamak gereklidir (Forsberg, 2003).
Hidrojen üretimi için termokimyasal proseslerin birçok tipi bulunmaktadır. Bunların
en yaygın olanları sülfürik asit prosesleri (hidrojen-sülfat, iyot-sülfat, sülfürik asit-
metanol) ve Br-Ca-Fe çevrimleridir. Sülfürik asit proseslerinde, endotermik
reaksiyon yüksek sıcaklık ve düĢük basınçta oluĢur.
222422
1OSOOHSOH (yüksek sıcaklık) (2.53)
Genel olarak, 800 oC civarındaki sıcaklık değiĢimleri verimli hidrojen üretimi için
gereklidir (bu reaksiyonlar düĢük basınçlarda oluĢur). BaĢlangıç oksijen ayrıĢımından
sonra ek kimyasal reaksiyonlar hidrojen üretimi için gereklidir. Mesela iyot sülfür
prosesini iki ek kimyasal reaksiyon belirleyicidir.
42222 22 SOHHIOHSOI (düĢük sıcaklık) (2.54)
Hidrojen üretim adımı: 222 IHHI (orta sıcaklık) (2.55)
Hidrojen üretimi için nükleer gücü kullanan termokimyasal çevrim en yüksek
potansiyele sahiptir. Çünkü maliyeti oda sıcaklığındaki elektrolizden yaklaĢık %60
daha aĢağıdadır (Forsberg, 2003). Bu maliyet değerlendirmesinde nükleer
reaktörlerin termokimyasal proseste (elektrik üretiminde değil) kullanıldığı ve oda
sıcaklığındaki elektroliz için elektriğin Ģebeke hattından sağlandığı kabul edilmiĢtir.
Yukarıda dikkati çekilen maliyet avantajı termokimyasal proseslerin yüksek toplam
44
verimliliklerinden kaynaklanmaktadır. Üretim verimi proses sonucunda üretilen
hidrojenin enerji içeriği ile hidrojeni üretmede gerekli olan enerjinin oranı Ģeklinde
tanımlanabilir. Kullanılan elektriğin elektriksel dönüĢüm verimine bağlı olarak,
elektrolizden üretilen hidrojenin toplam verimi yalnızca %10 ile 30 arasında
değiĢmektedir. Daha önce tanımlanan kükürt-iyot prosesi gibi termokimyasal
yaklaĢımlar için, toplam verimin yaklaĢık %50 olduğu bildirilmiĢtir (Forsberg,
2003). Verimlilikler arasındaki bu fark oda sıcaklığındaki elektrolizde termal
enerjinin elektriğe ve daha sonra kimyasal enerjiye (H2) çevrilirken termokimyasal
proseste ısı direk olarak kimyasal enerjiye çevrilir. Ek olarak, daha az yatırım
gerektiğinden, termokimyasal prosesin yatırım maliyeti bununla ilgili elektroliz
yatırımından daha da düĢüktür. Termokimyasal prosesler henüz geliĢme fazındadır
ve bu konuda önemli çalıĢmalara gereksinim olmasına rağmen bu teknoloji hem
nükleer hem de güneĢ-güç ısı kaynaklarına uygulanabilir.
2.9.9. Bor Mineralinden Hidrojen Üretimi
Ülkemiz bor minerallerinin yaklaĢık %64‟üne sahiptir. Bu miktar doğru
kullanılabildiği takdirde çok büyük bir potansiyeldir. Bor minerali endüstride
250‟den fazla alanda kullanılmaktadır. Bor 1950‟lerden bu yana üzerinde en çok
araĢtırma yapılan minerallerden biridir. Bu noktada bor mineralinin 3 özelliği
üzerinde durulabilir.
- Hidrojen taĢıyıcısı olarak bor kullanımı
- Hidrojenden daha iyi bir enerji ham maddesi olması
- Füzyon reaktörlerinde yakıt olarak kullanımı
Bor üzerinde yapılan araĢtırmalardan birinde geliĢtirilen bir teknolojide enerji elde
etmek için kullanılan ham maddeler saf su ve sodyum bor hidrittir. Sodyum bor
hidrit sodyumlu bor tuzunun rafinasyonu sonucu elde edilen ve deterjan sanayinde de
kullanılan bir üründür. GeliĢtirilen bu teknoloji taĢımacılığın yanı sıra taĢınabilir
enerji sağlayıcı piller için de uygulanabilir bir teknoloji olmuĢtur. Yakıt pillerinde
sodyum bor hidritin kullanımı fosil yakıtlardan daha pahalı olan ve eldesi,
depolaması, nakli zor olan hidrojenin de dezavantajını ortadan kaldırmıĢtır.
45
2224 4)( NaBOHOHsNaBH (2.56)
Su içerisinde çözünen sodyum bor hidrit, bir karıĢım olarak depolanmakta, enerji
üretmek için hidrojene ihtiyaç duyduğunda bu karıĢım içine tatbik edilen katalizör
vasıtasıyla kimyasal reaksiyon baĢlatılmaktadır. Reaksiyon sonucunda gaz halinde
kalan hidrojen ya yakıt pili vasıtasıyla elektriğe dönüĢtürülmekte ya da doğrudan
içten yanmalı motorlarda yakıt olarak kullanılmaktadır.
2.10. Hidrojenin Dağıtımı
Seçilen hidrojen üretim teknolojisi sisteminin, ulaĢtırma maliyetine ve yöntemine
doğrudan etkisi vardır. Merkezi hidrojen üretim tesisi daha düĢük üretim maliyetine
fakat mesafelerden dolayı daha yüksek taĢıma ve dağıtım maliyetine sahiptir.
DağılmıĢ üretim, taĢıma maliyetini ortadan kaldırır. Çünkü hidrojen ihtiyaç olan
yerde üretilir, fakat üretilen hidrojen miktarının hacminin düĢük olmasından dolayı
daha yüksek üretim maliyetine sahip olması dezavantajıdır. Gaz hidrojen için
sıkıĢtırma ve sıvılaĢtırma düĢünülmesi gereken önemli parametrelerdir. Çünkü
sıkıĢtırma ve sıvılaĢtırma için büyük miktarda enerji ihtiyacına ve maliyete
gereksinim vardır. Üretilen hidrojenin miktarı oldukça fazla ise, boru hatları
ulaĢtırma için en düĢük maliyeti sunmaktadır. Fakat mevcut boru hatlarının yapısının
geliĢtirilmesi veya talebi karĢılamak için yeni yapılar oluĢturmak (eğer hidrojen ana
enerji taĢıyıcısı ise) önemli miktarda maliyetli olacaktır (USDOE-HFC&ITP, 2003).
Hidrojenin dağıtımı için dört ana opsiyon mevcuttur.
1. Üretildiği yerde kullanım (dağıtım gerekli değildir)
2. Boru hattı ile (gaz formunda) dağıtım
3. Dağıtım hattı ile (elektriğe çevrildikten sonra) dağıtım
4. Tanker, demiryolu ile (katı, sıvı veya gaz) dağıtım mümkündür.
Üretildiği yerde hidrojenin kullanımı büyük endüstriyel tesisler için geçerli olup,
elektroliz veya buhar reformu yolu ile elektrik sağlamada veya taĢımada
kullanılabilir. Günümüzde elektrik Ģebekesi ya da doğalgaz boru hattı sistemi gibi
hidrojeni son kullanıcıya ulaĢtırmak için geniĢ bir ağ bulunmamaktadır. Çok küçük
46
ölçekli, bireysel hidrojen yapısında, endüstriyel müĢterilere hizmet veren teknolojiler
geliĢmektedir. Bu mevcut endüstriyel üretimin yaklaĢık %5‟ini oluĢturmaktadır (geri
kalan hidrojen tesiste kullanılmaktadır) ve sıvı veya sıkıĢtırılmıĢ gaz olarak tanker
veya gaz boru hatları ile ulaĢtırılmaktadır (Ogden, 1999).
Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuarının (NREL) yaptığı analize göre depolama ve
ulaĢtırma maliyeti hem hidrojenin üretim oranına (kg/h) ve hem de son noktaya olan
mesafeye (km) bağlı olduğu gösterilmiĢtir (Amos, 1998). Genel olarak, yüksek
üretim oranı maliyeti düĢürür ve 10 kg/h‟in altındaki üretim oranı için, ulaĢtırma
mesafesinin maliyet üzerinde önemli bir etkisi yoktur. Fakat eğer üretim oranı 10
kg/h‟in üzerinde ise, maliyet ulaĢtırma mesafesine göre değiĢmeye baĢlamaktadır.
Uzun mesafeler için sıvı veya gaz hidrojenin demiryolu ile taĢınması daha uygundur.
Boru hattı seçeneği geniĢ aralıktaki dağıtım için uygulanabilir. Daha kısa mesafeler
için, sıkıĢtırılmıĢ gaz, metal hidrit veya sıvı formdaki hidrojenin kamyonlarla
taĢınması tercih edilir. Kamyonlar veya demiryolu ile sıkıĢtırılmıĢ gaz taĢınması daha
küçük miktarlar için daha pratiktir.
2.10.1. Boru Hattı ile (gaz formunda) Dağıtım
Bu senaryoda hidrojen yakıt olarak baskın bir enerji kaynağı olmaya baĢladığında,
boru hattı ile hidrojen merkezi üretim tesisinden araç pompa istasyonlarına, yakıt
hücrelerinde ve içten yanmalı motorlarda yakıt olarak kullanılmak üzere, direk olarak
evlere ve iĢ yerlerine gerekli olan ısıtma ve elektrik ihtiyacını karĢılamak üzere
gönderilebilir.
2.10.2. Şebeke Hatları ile (elektriğe çevrildikten sonra) Dağıtım
GeniĢ ölçekte merkezileĢtirilmiĢ yakıt hücresi tesislerinin bulunması durumunda,
hidrojen üretim tesisinde üretilebilir, yakıt hücreleri ile elektriğe çevrilebilir ve daha
sonra var olan güç dağıtım hatları ile çeĢitli elektrik tüketicilerine dağıtılabilir.
2.10.3. Kamyonlarla veya Demiryolu ile Dağıtım
Bazı durumlarda üretilen hidrojenin küçük miktarlarını kısa mesafelerde taĢımak
gerekebilir. Bu durumda kamyonlar ve demiryolu uygun bir opsiyon olarak
karĢımıza çıkmaktadır.
47
2.11. Hidrojenin Depolanması
Dağıtımın birinci ve üçüncü opsiyonları (yerinde üretim ve kamyon veya demiryolu
ile dağıtım) bazı hidrojen depolama metotlarını gerektirmektedir. Ayrıca hidrojenin
depolamadaki geliĢimi, taĢıma uygulamalarında yakıt hücreli sistemlerin geliĢimi ve
baĢarısı için anahtar bir rol oynamaktadır. DüĢük maliyet, güvenlikli ve verimli
depolama tüm hidrojen uygulamaları ve buna ek olarak ta hidrojen alt yapı
sistemlerinin inĢası için gerekli olacaktır. Mesela depolama, hidrojenin üretildiği
yerde, hidrojen yakıt istasyonlarında ve sabit güç sistemlerinde gerekli olabilir.
Geçici depolama terminallerde ve/veya ara depolama bölgelerinde de aynı zamanda
gerekli olabilir. Hidrojen bilinen en hafif elementtir ve düĢük hacimsel enerji
yoğunluğu hidrojenin depolanmasını zorlaĢtırmaktadır. Özellikle günümüzün
benzinli otomobillerinin ulaĢtığı mesafeye ulaĢmayı hedefleyen yakıt hücreli
araçlarda karĢımıza çözülmesi gereken büyük bir sorun olarak çıkmaktadır (HFCIT,
2004). Hidrojen katı, sıvı veya basınçlı gaz olarak depolanabilir. Bu parametrelerle
birlikte, dokuz adet mümkün depola opsiyonları bulunmaktadır.
Basınçlı gaz tankları (en çok bilinen ve ticari olarak ulaĢılabilir)
Kriyojenik sıvı konteynırlar
Metal hibritler (sabit ve kompleks)
Kimyasal hibritler
Karbon materyaller (nano-tüpler veya fiberler)
Ġleri teknoloji bataryalar
Süper kondansatörler
Volanlar
Kinetik depolama
Hidrojeni çeĢitli Ģekillerde depolama yapabilirken aynı zamanda depolama ile ilgili
rekabete dayanan problemlerde çözülmelidir. Araç üzerinde hidrojen depolama,
hareketsiz depolamadan daha zor olduğu için, aĢağıda verilen yedi faktör herhangi
bir hidrojen depolama sistemi tartıĢılırken göz önünde bulundurulmalıdır (HFCIT,
2004).
48
1. Maliyet: Petrol ile karĢılaĢtırıldığında hidrojenin araç üzerinde depolanma maliyeti
çok yüksektir. Hidrojen depolama sistemleri için düĢük maliyetli materyaller ve
araçlar gereklidir (düĢük maliyet, yüksek hacimli üretim metotları gibi).
2. Ağırlık ve hacim: Hidrojen depolama sistemlerinin ağırlık ve hacmi günümüz
araçları ile karĢılaĢtırıldığında çok yüksektir. Materyallerin ve bileĢenlerin
üretiminde kompakt (yoğunlaĢtırma) olmasına ve hafif olmasına ihtiyaç vardır.
Ancak bu Ģekilde hedeflenen benzinli araçların ulaĢtığı menzil sınırına ulaĢılabilir.
3. Verimlilik: Tüm hidrojen depolama yaklaĢımları için enerji verimliliği sıkıntı
yaratmaktadır. Hidrojeni depolama tankının içerisine katmak ve dıĢarı çıkarmak için
gerekli olan enerji tersinir katı-durum materyalleri için baskı oluĢtururken ömür boyu
enerji verimliliği kimyasal hibrit depolama için sorundur. Ek olarak, sıkıĢtırma ve
sıvılaĢtırma ile ilgili enerji önemsiz kabul edilebilir.
4. Dayanıklılık: Hidrojen depolama sistemlerinin dayanıklılığı yetersizdir ve hidrojen
depolama sistemlerinin en az 1500 kullanıma sahip olması gerekmektedir.
5. Yeniden Doldurma Süresi: Yeniden doldurma süresi çok uzundur. GeliĢmiĢ
hidrojen depolama sistemleri ile bu süre üç dakikanın altına indirilmelidir.
6. Kurallar ve Standartlar: Hidrojen depolama sistemleri ve ara birim teknolojileri
için uygulanabilir kurallara ve standartlara ihtiyaç bulunmaktadır.
7. Ömür Boyu Verimlilik Analizleri: Tüm ömür boyu maliyet ve verimlilik
analizinin olmayıĢı hidrojen depolama sistemlerini karĢılaĢtırılmasında sıkıntı
yaratmaktadır.
Araç üzerine hidrojen depolama sistemi olarak 35 ile 70 MPa basınçlı gaz tankları ve
kriyojenik sıvı hidrojen silindirleri kullanılmaktadır. Hidrojen aynı zamanda tersinir
sorpsiyon (içe tutma) prosesi veya kimyasal reaksiyon ile ileri katı durum
materyallerinde de depolanabilir. Ġleri katı-durum materyalleri basit metal hibritler,
49
kompleks metal hibritler ve kimyasal hibritler, karbon materyallerdir. Kısaca,
hidrojen depolamanın en yaygın üç metodu:
1. Basınçlı gaz tankları
2. Kriyojenik sıvı silindirler
3. Materyallerde depolamadır.
2.11.1. Basınçlı Gaz Tankları
Gaz halindeki hidrojenin enerji yoğunluğu, hidrojeni yüksek basınçlarda basınçlı gaz
olarak depolayarak sağlanabilir. Bu iĢlemi uygun duruma getirmek için depolamanın
verimi arttırılmalıdır. Sistemin maliyetini düĢürmek için materyaller ve bu tankların
tasarımı gibi sıkıĢtırma teknolojilerinde ki geliĢmelere ihtiyaç vardır. Aynı zamanda
verimlilikleri artırmada ve hidrojende yüksek basınç üretme maliyetini düĢürmek
içinde gereklidir. Basınçlı hidrojen tankları (35 ve 70 MPa) ISO 11439 (Avrupa),
NGV-2 (ABD) ve Reijikijun Betten (Ġzlanda)‟da göre ve TUV (Almanya) ve
Japonya Yüksek Basınçlı Gaz Güvenliği Enstitüsü (KHK) tarafından onaylanan
dünya geneli sertifikaya sahiptir (HFCIT, 2004). Birçok tank ticari olarak
bulunabilir. 70 MPa tanklar Avrupa Hidrojen Proje özellikleri tarafından gerekli olan
2.35 güvenlik faktörüne sahiptir. Ek olarak, ileri çdüĢük ağırlıklı basınçlı kaplar 70
MPa‟da depolamada minimum sızıntı kaybı ile birlikte ağırlıkça %12 hidrojen
depolayacak Ģekilde tasarlanmıĢ ve üretilmiĢtir. Bu kaplarda hafif ağırlıkta iç lastik
kaplamalar kullanılmıĢtır. Bunun amacı ise kompoziti üst üste giydirilmiĢ mil gibi
kullanmak ve gaz sızmaları için bariyer oluĢturmaktır. Basınçlı gaz tankları tüm
hidrojen depolama opsiyonları içinde en iyi bilinen ve ticari uygulaması olan
depolamadır.
2.11.2. Krojenik Sıvı Silindirler
Hidrojenin enerji yoğunluğu sıvı fazda depolandığında istenilen seviyeye ulaĢtığı için
hidrojen üzerindeki kaygılar ortadan kalkacaktır. Sıvı hidrojenin depolanması için
geliĢtirilmiĢ tank izolasyonu hidrojen kayıplarını minimize etmek için gereklidir.
Daha da fazla olarak, verimli depolama metodu olabilmesi için, sıvılaĢtırma
verimindeki iyileĢtirmeler gereklidir. Daha verimli sıvılaĢtırma metotları ile soğutma
50
ve hidrojen gazının sıvılaĢtırılması için gerekli olan enerjiyi azaltılmalıdır. Sıvı
hidrojen tankları günümüzde hidrojen ile çalıĢan araçlarda demonstrasyon olarak
kullanılmaya baĢlanmıĢtır. ÇalıĢmalar hem yüksek basınç gazlı ve krojenik sıvı
depolama kombinelerini içeren hibrit tank konsepti üzerinedir (HFCIT, 2004). Bu
hibrit yalıtılmıĢ basınçlı kaplar hidritlerden daha hafiftir, sıvılaĢtırma için daha az
enerji gerektirir, sıvı hidrojen tankları daha az buharlaĢma kayıplarına sahiptir.
2.11.3. Materyallerde Depolama
Materyallerde hidrojenin depolanması için günümüzde üç adet metot bulunmaktadır.
Bunlar absorbsiyon, adsorbsiyon ve kimyasal reaksiyondur. Absorbtif hidrojen
depolamada, hidrojen direk olarak materyalin boĢluklarına absorbe edilir. Basit
kristal metal hibritlerde, bu absorbsiyon, atomik hidrojen kristalografik latis
yapısındaki dokular arasındaki boĢluklara birleĢir (HFCIT, 2004). Adsorbsiyon
mekanizmasının enerjetiklerine bağlı olarak adsorbsiyon fizisorbsiyon ve
kemisorbsiyon olmak üzere iki alt baĢlığa ayrılabilir. FizisorblanmıĢ hidrojen,
kemisorblanmıĢ hidrojen daha zayıf olarak enerjetiksel sınırdadır. Hidrojen
absorbsiyonu için emici proses tipiksel olarak, yüzey alanını maksimize etmek için
yüksek oranda gözenekli materyal gerektirir, materyalden hidrojenin kolayca
çekilmesine ve serbest bırakılmasına izin verir. Hidrojen depolama için kimyasal
reaksiyon yolu, hem hidrojenin üretimi ve hem de hidrojenin depolanmasında rol
oynayan kimyasal reaksiyonları içerir (HFCIT, 2004). Tersinir hidrojen depolama
kimyasal reaksiyonları için, sıcaklık ve basınçtaki makul değiĢiklikler hidrojen
üretimi için (mesela sodyum anataza bağlı kompleks metal hidritler) gerekli olan
kimyasal reaksiyonların basit tersinimine (depolama-üretim) neden olur. Tersinmez
hidrojen depolama kimyasal reaksiyonları için, depolama geniĢ sıcaklık/basınç
değiĢimlerine veya alternatif kimyasal reaksiyonlara (mesela sodyum bor-hidrit)
ihtiyaç duyar. Günümüzde, materyallerin üç sınıfı olan metal hidritler, kimyasal
hidritler ve karbon esaslı materyaller hidrojen depolama için araĢtırma altındadırlar.
ÇeĢitli saf veya alaĢımlı metaller, hidrojen enerjisinin depolanmasına uygun kararlı
metal hidritleri üretmede hidrojenle birleĢtirilebilir. Isıtıldığı zaman hidritler ayrıĢır
ve depolanmıĢ hidrojeni serbest bırakır. Bu formda, hidrojen basit sıkıĢtırma ile daha
51
yüksek yoğunluklarda depolanabilir. Bu depolama mekanizması hem güvenli ve hem
de verimlidir. Fakat uygun sıcaklık değiĢimleri altında çalıĢtırılan yeterli adsorbsiyon
kapasitesi ile metalin tanımlanması gerekir. Konvansiyonel yüksek kapasiteli metal
hidritlerde hidrojeni serbest bırakmak için yüksek sıcaklıklar (300-350 oC) gereklidir.
Fakat yeterli ısı, yakıt hücreli ulaĢım uygulamalarında genellikle elveriĢli değildir.
DüĢük sıcaklık hidritler var olmasına rağmen düĢük enerji yoğunluklarından dolayı
sıkıntılar mevcut olup büyük alanlara ihtiyaç duyarlar ve önemli ağırlık eklerler. Bu
nedenlerden dolayı düĢük sıcaklık hidritler, araç üzeri uygulamalar için uygun
değildir. Bir kimyasal hidrit bulamacı ya da çözeltisi de hidrojen taĢıyıcısı veya
depolama ortamı olarak kullanılabilir. Kimyasal hidrit su ile tersinmez olarak
tepkimeye girer ve hidrojen serbest bırakılır. Bu sistemlerin hidrojen bileĢenini tekrar
yüklemek için taĢıyıcının rejenerasyona ve termal yönetime ihtiyacı vardır. Kimyasal
hidrit depolanmasının bir örneğinde durağan bir sıvının bulamacı, hidrojenin nemle
temas etmesini engeller ve hidritin pompalanabilir olmasını sağlar (HFCIT, 2004).
Kullanım noktasında, bulamaç su ile karıĢtırılır ve aĢağıdaki reaksiyon ile yüksek
saflıkta hidrojen üretilir.
22 2222 HLiOHOHLiH (2.57)
Toplam bir prosesin önemli bir özelliği de merkez proses tesisinde harcanan
hidritlerin tekrar kullanımı ve geri kazanımıdır. Burada karĢılaĢılan zorluklar
güvenliğin tanımı, istikrar, pompalanabilir bulamaçlar ve harcanan bulamacın
rejenerasyonu için reaktörün tasarımıdır. Ġkinci ve en geliĢmiĢ olan örnek, bu
depolama sürecinin sodyum-borhidrit içermesidir. Sodyumborhidrit katalizöre
gönderildiğinde hidrojen üreten zehirsiz, yanmayan çözeltiyi üretmek için su ile
birleĢmektedir.
2224 42 NaBOHkatalizörOHNaBH (2.58)
Sodyum-borhidrit çözeltisi ve katalizör ayrıldığında, çözelti hidrojen üretmeyi
durdurur ve harcanan yakıt atık tankına gider. Böylece yeni bir yakıta
dönüĢtürülebilir. Borhidrit sistemi Chrysler Natrium gibi prototip araçlarda baĢarılı
bir Ģekilde uygulanmıĢtır. Aktif karbon üzerinde hidrojen moleküllerinin
adsorpsiyonu sıvı hidrojen depolama yoğunluğuna ulaĢabilir fakat sistemin düĢük
52
sıcaklıklara ihtiyacı vardır (örneğin sıvı azot). Yapılan çalıĢmalar hidrojen gazının
standart mezo gözenekli aktif karbon içinde adsorpsiyonu gerektirmeyen Ģartlarda
karbon yapılarında yoğunlaĢabildiğini ispatlamıĢtır. Karbon malzemeleri hidrojen
depolama için uzun dönemli potansiyel sunmaktadır ve birkaç karbon nanoyapılı tek
duvar nanotüpler üzerindeki araĢtırmalara yoğunlaĢılmıĢtır. Fakat depolama miktarı
ve bu materyaller de depolanan hidrojen mekanizması tam olarak tanımlanmamıĢtır.
2.12. Son Kullanım ve Standart Yakıtlar
Hidrojen çeĢitli son kullanımlara hizmet etmek üzere birkaç proses üzerinden
dönüĢtürülebilir (Veziroğlu ve Barbir, 1998):
Yanma–içten yanma, jet ve roket motorları: Ġçten yanmalı motorlarda hidrojen
kullanımı petrolle kıyaslandığında yaklaĢık %20 daha verimlidir. Fakat hidrojen
kullanımı yaklaĢık %15 güç kaybına neden olmaktadır (bu sıvı hidrojen kullanarak
ya da geliĢmiĢ yakıt enjeksiyon teknolojileri kullanarak aĢılabilir). Ġçten yanmalı
motorlarda hidrojen kullanmanın avantajı proseste açığa çıkan tek emisyonun küçük
miktarda azot oksit olmasıdır. Bu da fazla hava kullanarak ya da yanma odasındaki
sıcaklığı düĢürerek azaltılabilir. Jet motorlarında hidrojen kullanımı konvansiyonel
jet yakıtlarının kullanımına benzemektedir. Fakat yine tek zararlı atık azot oksittir.
Uzay programlarında roket motorları için hidrojen (sıvı) kullanımı oldukça yaygındır
ve sıvılaĢtırma, kontrol etme, depolama ve dağıtma tekniklerinde büyük deneyimlere
ulaĢılmıĢtır.
Yanma–buhar üretmek için saf oksijenle yanma: Hidrojen, elektrik üretim
sektöründe kullanım için buhar üretmek ve sanayinin buhar ihtiyacını karĢılamak için
saf oksijenle yakılabilir.
Yanma–katalitik ısı üretmek için: DüĢük sıcaklıklarda (500 oC‟ye kadar)
katalizör varlığında, hidrojen ve oksijen ısı üretmek için bir araya gelebilir ve
reaksiyon ürünü olarak yalnızca su buharı oluĢur. Reaksiyon sıcaklığı düĢük olduğu
için, sadece düĢük miktarlarda azot oksit oluĢur. Isı üreten katalitik yakıcılar evlerde,
mutfakta ve ısıtma alanlarında kullanılabilir.
53
Elektrokimyasal dönüĢüm–elektrik üretmek için: Hidrojen ve oksijenin elektrolit
içeren yakıt hücresi adı verilen bir araçta bir araya gelerek (elektrolizin tersi) bir
elektrokimyasal reaksiyon ile doğru akım (DC) elektriği üretebilir.
Metal hidritler yoluyla dönüĢüm: Hidrojen ve metal hidritlerin birleĢimi
depolama ortamı olarak kullanımının yanında çeĢitli hidrojen dönüĢüm yöntemlerine
hizmet etmektedir. Hidrojenin bir metalle (ya da alaĢımla) birleĢimi ekzotermik bir
prosestir yani ısı açığa çıkar (diğer yandan hidrojeni serbest bırakmak için reaksiyona
ısı verilmelidir). Farklı karakteristikteki farklı türlerdeki metaller, ısı ve reaksiyon
sıcaklık özelliklerini kullanarak, metal hidritler depolama, ısıtma/soğutma,
pompalama ve hidrojen saflaĢtırma gibi çeĢitli uygulamalarda kullanılabilir.
Hidrojen bugün ulaĢım (otomobiller, otobüsler, kamyonlar, uçaklar, denizaltıları,
gemiler ve yatlar), elektrik üretimi ve endüstri gibi fosil yakıtların kullanıldığı bütün
servislere hizmet etme kapasitesine sahiptir (Veziroğlu ve Barbir, 1998). UlaĢımda
kullanılması için, hidrojenin modifiye edilmiĢ içten yanmalı motorlarda yakıt olarak
kullanılması gerekir. Doğrudan gaz olarak depolanabilir ve yakıt hücrelerinde
kullanılabilir (motoru çalıĢtıracak elektriği üretmek için), sıvı hidrojen olarak veya
petrolün ya da metanolün reforme edilmesi ile üretilebilir (ve daha sonra yakıt
hücresine beslenir). Bütün bu yöntemler Ģu anda geniĢ araĢtırmalar altında olup yakıt,
depolama, performans, güvenlik ve maliyet gibi konuları ele alacak uygun çözümlere
ulaĢacak pilot çalıĢmalar yapılmaktadır. Binalarda hidrojen; ısıtma ve soğutma, su
ısıtma, klima sistemleri ve elektrik üretim fonksiyonlarında hizmet verebilmektedir
(Veziroğlu ve Barbir, 1998). Ayrıca büyük ölçekli merkezi veya dağılmıĢ (Ģebeke
dıĢı) yolla hidrojenle çalıĢan yakıt hücreleri tarafından elektrik üretilebilir. Hidrojen
ayrıca amonyak üretimi, petrol prosesi, petro-kimyasal üretim, yağ doyurma, metal
prosesi, cam üretimi ve güç jeneratörü soğutma gibi endüstriyel uygulamalara da
hizmet vermektedir. ÇeĢitli türlerde yakıt hücreleri bulunmaktadır (Veziroğlu ve
Barbir, 1998):
Alkali: Elektrolit olarak %85 KOH kullanılmakta ve 120–250 oC‟de
çalıĢmaktadır. ÇeĢitli katalizörler ile birlikte kullanabilir ve sistem karbondioksit
üretmemektedir.
54
Polimer Elektrolit ya da Proton DeğiĢimli Zar (PEM): Elektrolit olarak ince
polimer zar kullanılmakta ve 100 oC‟nin altındaki sıcaklıklarda çalıĢmaktadır
(genellikle 60–80 oC aralığında). UlaĢım ve küçük ölçekli dağılmıĢ elektrik üretim
uygulamaları için en uygun yakıt hücresidir.
Fosforik Asit: Elektrolit olarak konsantre fosforik asit ve katalizör olarak siyah
platin kullanmaktadır. 150–200 oC aralığındaki sıcaklıklarda çalıĢmaktadır.
ErimiĢ Karbonat: Elektrolit olarak alkali karbonatların karıĢımını kullanılmakta
ve 600–700 oC sıcaklık aralığında (bu sıcaklıklarda karbonatlar eriyerek iletken
olurlar ve katalizör gerekli değildir) çalıĢırlar.
Katı Oksit: Elektrolit olarak katı ve gözeneksiz metal oksit kullanılmakta ve 900–
1000 oC sıcaklık aralığında çalıĢmaktadır.
Yakıt hücresi biri pozitif (katot) ve diğeri negatif (anot) olan iki elektrot bir
elektroliti birleĢtiren boĢluklu bir yapıya sahiptir (Cassedy 2000, Veziroğlu ve Barbir
1998). Elektrolizörün tersi olarak çalıĢmaktadır. Burada hidrojen ve oksijen; elektrik,
su ve ısı üretmek için bir araya getirilir. Ürün doğru akım (DC) elektriğidir. Bu
elektriğin elektrik Ģebekesi ile bağlı kullanılabilmesi için alternatif akıma (AC)
dönüĢtürülmesi gerekmektedir. Fakat bir yakıt hücreli araçta doğrudan DC elektriği
olarak kullanılabilmektedir. Farklı türdeki yakıt hücrelerinde meydana gelen
reaksiyonlar birbirlerinden ayrıdır. Fakat toplam reaksiyon aynıdır. Bu da hidrojen ve
oksijenin birleĢmesi reaksiyonudur. Elektrolit çözünmüĢ tepkinlerin elektrotlara
ulaĢması için ulaĢım ortamı olarak ve elektriksel akımı tamamlamak için iletken
olarak görev yapmaktadır. Yakıt hücreleri yakıt kavramına esneklik
kazandırmaktadırlar. Hidrojene ek olarak gazyağı, metanol ve doğalgaz da elektrik
üretiminde kullanılabilmektedir. Fakat saf hidrojen yakıt hücrelerinde kullanım için
en uygun ve çevresel açıdan da en ideal yakıttır. Yakıt hücreleri hareketli parçalara
sahip olmadıkları için daha az bakım gerektirirler. Diğer avantajları hızlı bir Ģekilde
55
çalıĢmaya baĢlaması ve sürekli Ģarj edilebilir olmasıdır. Eğer çıkan ısı kullanılırsa,
%75‟lik verimliliğe ulaĢabilirler (Berinstein, 2001).
2.12.1. Ulaşım Sektörü
Araçlar, petrolle çalıĢan motorlardan 3 kat daha verimli olan hidrojen yakıt pilleriyle
çalıĢabilmektedir (Nath ve Das, 2003). 5 çeĢit yakıt pili Ģu anda geliĢtirme
aĢamasındadır. Bunların içinde proton değiĢimli zar (PEM) yakıt hücreleri ulaĢım
uygulamaları için en uygun olanıdır. Yakıt hücrelerinin diğer türleri de fosforik asit,
alkali, erimiĢ karbonat ve katı oksit yakıt hücreleridir. Ayrıca hidrojen gazı içten
yanmalı motorlu araçlarda kullanılabilir. Hidrojen çok geniĢ bir yanma aralığına
(%4‟den %75‟e) sahip olduğu için, hidrojenle çalıĢan araçlar petrolle çalıĢan araçlara
göre daha geniĢ aralıkta hava/yakıt karıĢımını kullanabilmektedirler ve ön ateĢleme
komplikasyonları olmadan yakıt verimlilik düzeninde çalıĢabilmektedirler
(Hydrogen Internal Combustion, 2004). %38 toplam verimliliğe ulaĢan hidrojen
motoru petrol motorundan yaklaĢık %20 daha yüksek verimlilikle çalıĢmaktadır.
Dahası, yakıt karbon içermediği için, yanma prosesi herhangi bir hidrokarbon ya da
karbondioksit emisyonu üretmemektedir. AĢağıdaki sebeplerle değerlendirildiğinde
ulaĢım yakıtı olarak düĢünülmesi gereken hidrojen önemli bir son kullanım ürünü
olduğu ortaya çıkmaktadır.
1. Ulusal enerji sürdürülebilirlik problemi ulaĢım sektöründe daha önemlidir.
2. UlaĢımdan kaynaklanan kirlilik derecesi çevresel problemler oluĢturmaktadır.
3. En uygun yenilenebilir kaynak kullanım ekonomisi ulaĢım sektöründedir.
4. UlaĢımda tüketiciye bağlılık ve seçim yüksektir.
2.12.1.1. Enerji Sürdürülebilirliği
Ülkemize ulaĢım sektörünün neredeyse tamamı petrole bağımlıdır. Bu faktörler
ülkemizi dıĢ ülkelere bağımlı olmaya zorlamıĢtır, genellikle bu bağımlılık bizim
ulusal enerji sürdürebilirliğimizi tehdit etmektedir.
56
2.12.1.2. Ulaşımdan Kaynaklanan Kirlilik
Otomobillerde petrol kullanımının çevre ve insan sağlığı üzerinde olumsuz etkileri
mevcuttur. UlaĢımdan kaynaklanan emisyonlar hava kirliliğinin yaklaĢık %50‟si
kadarını oluĢturmaktadır. UlaĢımdan kaynaklanan azotoksit, hidrokarbon, partikül ve
karbonmonoksit emisyonları, elektrik üretiminden kaynaklanan emisyonları
geçmektedir. Daha önemlisi otomobilden çıkan egzozlar genellikle yerleĢim
bölgelerinde oluĢtuğu için, egzoz emisyonlarının insan sağlığı üzerine etkisi çok daha
büyüktür. Araç baĢına emisyonların azaltılması mümkün olmasına rağmen, artan
nüfus yoğunluğu ve ulaĢımda artan kilometre yüzünden bunu sürdürmek mümkün
olmamaktadır. Sıfır emisyonlu araçları üretmenin tek yolu yenilenebilir kaynaklara
ve hidrojene yönelmektir. UlaĢımdan kaynaklanan kirliliğin insan sağlığına ve
çevreye etkisi hakkında toplum bilinci diğer kirliliklere göre daha fazladır. Bu
yüzden ulaĢım endüstrisi alternatif yakıtları dahil etmede ideal bir pazardır. Bu artan
bilinç, insanların kısmen diğer enerji üretimlerinden çok, ulaĢımla daha yakın iliĢkili
olmalarından kaynaklanmaktadır. Halk otomobil egzozsundan çıkan emisyonu
görebilir ve kokusunu hissedebilir. Fakat merkezi enerji üretim tesisleri yerleĢim
bölgelerinden daha uzakta olduğu için buradan çıkan emisyonu görmezler. Son
olarak, hidrokarbonların ve azot oksitlerin emisyonları atmosferde tepkimeye girerek
ozon ya da duman oluĢturmakta ve bu da havanın kalitesini bozmaktadır.
57
3. MATERYAL VE YÖNTEM
3.1. Kömür Gazlaştırmayı Kullanarak Hidrojen Üretimi
Dünyadaki fosil yakıt kökenli enerji üretimi %65 oranında iken, Türkiye‟de bu oran
%80-88 civarındadır. Dünya genelinde atmosfere yılda 25 milyar ton atık emisyonu
yapılmaktadır. Bu atığın yaklaĢık %38‟i kömürden, %42‟si petrolden, %20‟si
doğalgazdan oluĢmaktadır. Sadece fosil yakıtların kullanılmasından dolayı tüm
dünyada çevreye verilen zarar yılda 5 trilyon dolar civarındadır. Bu nedenle bugün
için fosil yakıtlara destek olacak, ilerde de fosil yakıtların yerini alacak alternatif
enerji kaynaklarına ihtiyaç vardır. Bilindiği üzere Türkiye kömür rezervleri
bakımından zengin bir ülke olmasına rağmen, sahip olduğu kömürlerin alt ısıl
değerleri düĢüktür. Dolayısıyla doğrudan yanma teknolojileri kullanılarak enerji
üretilmesi hem elde edilen enerji bakımından hem de çevreye saldığı emisyonlar
bakımından sürdürülebilir bir yöntem değildir. Bu yüzden kömürün entegre
tesislerde gazlaĢtırılarak kullanılması daha sürdürülebilir bir yöntem olacaktır.
Kömür gazlaĢtırma tesislerinde CO2 ve kükürt gibi atık emisyonlar kontrollü bir
biçimde tutularak barut, kibrit ve ilaç sanayinde kullanılabilir. Ayrıca gazlaĢtırma
sonucu üretilen hidrojenin yakıt pillerinde kullanılarak enerji üretiminde
kullanılabildiği gibi doğrudan doğalgaz boru hatlarına %50 oranında verilerek de
kullanılabilir. Ek-1‟de kömürü gazlaĢtırılarak hidrojen üretimi sağlayan bir entegre
sistemin Ģeması gösterilmiĢtir.
Bu çalıĢmada dört taĢ kömürü yatağı (Armutçuk, Amasra, Zonguldak ve Çatalağzı),
sekiz linyit yatağı (Tunçbilek, Beypazarı, Çayırhan, AfĢin, Soma, Yatağan, Çan ve
Sorgun) ve yirmidört adet tersiyer kömür yatağı (Edirne-Beğendik, Edirne-Karacaali,
Edirne-Türkobası, Edirne-MeĢelik, Ġstanbul-Toplutepe, Kırklareli-Tozaklı,
Kırklareli-Poyralı, T.dağ-Çifteköprüler, Tekirdağ-Ortadere, Balıkesir-Odaköy,
Balıkesir-Çakırca, Balıkesir-Çatak, Bursa-Burmu, Bursa-Kaaracalar, Ç.kale-
Yeniçeri, Çanakkale-Durali, A.karahisar-Ġsalı, Aydın-Kızılcayer, Denizli-Bostanyeri,
Kütahya-Sazköy, Muğla-Kultak, Manisa-Tarhala, Amasya-Eskiçeltek ve Bolu-
MerkeĢler) gazlaĢtırılarak hidrojen üretiminin enerji ve ekserji verimliliklerinin
58
değerlendirilmesi analizi için seçilmiĢtir. Yapılan çalıĢma aĢağıda belirtilen dört
bölümden oluĢmaktadır.
Birinci bölümde gazlaĢtırma ünitesine giren kömürlerin kimyasal ekserji
analizleri yapılmıĢtır.
Ġkinci bölümde gazlaĢtırma prosesinin enerji ve farklı sıcaklık aralıkları için
ekserji verimlilikleri hesaplanmıĢtır.
Üçüncü bölümde su-gaz değiĢim rektörünün enerji ve ekserji verimlilikleri
hesaplanmıĢtır.
Dördüncü bölümde ise kömürün gazlaĢtırılarak hidrojen üretim prosesinin enerji
ve ekserji verimlilikleri hesaplanmıĢtır.
3.2. Kimyasal Reaksiyonlar
Bir kimyasal olay gerçekleĢtiğinde, reaktanların molekülleri arasındaki bağlar kopar
ve atomlar ve elektronlar, ürünleri oluĢturmak için yeniden dizilirler. Kimyasal
reaksiyonlarda kütle korunmaktadır, dolayısıyla ürünlerin kütlesi reaktanların
kütlesine eĢittir. Fakat ürünlerdeki ve reaktanlardaki mol sayısı farklılık gösterebilir.
Bir sistemde kimyasal reaksiyon olsun veya olmasın enerjinin korunumu kanunu
geçerlidir. Fakat reaksiyon olan veya olmayan sistemler için özelliklerin
değerlendirileceği yöntemler değiĢmektedir. Örneğin reaksiyon olmayan sistemler
için entalpi ve entropi sıfır olarak alınabilir. Fakat kimyasal reaksiyonlarda bu
yapılamaz.
Herhangi bir modelin kullanıldığı bir analizin gerçekliği ve faydası formülasyonda
yapılan bazı idealleĢtirmeler ile sınırlandırılır. Buna göre çevreye, oldukça büyük,
uniform T0 sıcaklığına ve uniform P0 basıncına sahip olan ve basit sıkıĢtırılabilir
sistem olarak bakılır. Çevre 1 atm basınç (P0) ve 25 oC (T0) Ģartlarında kabul edilen
tipik çevresel Ģartlara uygun olmalıdır. Bundan dolayı, çevrenin intensif özellikleri
değiĢmez ancak çevrenin diğer sistemlerle etkileĢimlerinin bir sonucu olarak
ekstensif özelliklerinde değiĢim görülebilir. Çevrenin tüm kısımlarının birbirleri ile
durağan olduğu kabul edildiğinden çevre enerjisindeki değiĢme sadece onun iç
enerjisindeki bir değiĢme olabilir. Çevre atmosferde, okyanuslarda ve dünya
59
yüzeyinde bol miktarda bulunan yaygın maddelerden oluĢur. Maddelerin doğadaki
mevcut formları durağandır ve kimyasal denge halindedir. Çevreyi oluĢturan kısımlar
arasında fiziksel ya da kimyasal etkileĢimlerden iĢ oluĢumu mümkün değildir.
3.3. Kimyasal Ekserji
Kimyasal ekserji çevre sıcaklığı ve basıncında maddenin ekserji içeriğini ifade
etmektedir (Szargut, 1957). Değeri maddenin bileĢenlerinin çevrede genelde
görülenlerden farklı olmasından sonuçlanmaktadır. Bazı yazarlar kimyasal ekserjinin
denge ortamı seviyesinden hesaplanması gerektiğini söylemektedirler (Wall, 1993;
Wall and Gong, 2001). Böyle bir öngörü kimyasal ekserjinin hesaplanmasını
kolaylaĢtırabilir. Çünkü denge çevresinde her bileĢenin durumu kimyasal ekserjinin
hesaplanması için referans seviyesi olarak kullanılabilmektedir. Fakat doğal çevrenin
termodinamik dengeden çok uzak olduğunu belirtmek gerekmektedir ve sadece
enerji akıĢının değil ayrıca entropi akıĢını temsil eden güneĢ radyasyonunun sürekli
geçiĢinden dolayı böyle bir ölü durumun baĢarılması imkansızdır. Aktarılan enerjinin
bir kısmı bitkilerde kimyasal enerji, suda potansiyel enerji gibi depolanmaktadır.
Fakat genel kısım gözükmemektedir. Dünya yüzeyinin kızılötesi radyasyon
saçılmasıyla ilgili güneĢ radyasyonunun soğurulması (çok büyük entropi ile
karakterize edilmektedir) tersinmezdir. Bu da çok büyük ekserji kayıplarına yol
açmaktadır (yaklaĢık 113 x 106 GW (Szargut, 2003)) ve doğanın genel bileĢenleri ile
dengede olmayan bileĢenleri üretmektedir.
Ahrendts (1977) verilen ortam sıcaklığı ve basıncında çevrenin denge bileĢenlerini
hesaplamıĢtır. Doğal çevreyi verilen sıcaklık ve basınçta kapalı bir sistem gibi ele
almıĢtır. Litosferin dıĢ tabakasının kalınlığını çeĢitli değerlerde öngörmüĢ (1m, 10m,
100m, 1000m), 17 kimyasal element ve 692 bileĢiği ele almıĢ ve her bir elementin
toplam kütlesini hesaba katmıĢtır. Çevrenin denge bileĢenlerinin hesaplanması
sahada ölçülen değerlerden çok farklı sonuçlar üretmiĢtir: fark atmosfer için çok
fazladır. Bir denge durumunda, oksijen baĢlıca çözünmüĢ nitrat olarak deniz suyunda
bulunmaktadır ve atmosferdeki serbest oksijen konsantrasyonu yalnızca birkaç ppm
miktarında olmaktadır.
60
Dengede olmayan çevrede kimyasal ekserjiyi hesaplamak için, Szargut (1957)
referans türleri kavramını sunmuĢtur. Kimyasal reaksiyonlarda her bir bireysel
elementin atomlarının sadece sayısı (mol miktarı) değiĢmemektedir. Böylece, bir
kimyasal reaksiyonda yer alan her element için ele alınan elementi içeren ayrı bir
referans türleri kabul edilmelidir. Kimyasal ekserjinin en düĢük (fakat doğada
gözüken) referans seviyesini söylemek için, doğal çevrenin en bilinen bileĢenleri
referans türleri olarak seçilmelidir (Szargut, 1961; 1988). Elementlerin referans
türlerinin diğerlerinden bağımsız olduğunu vurgulamak önemlidir. Sadece referans
türlerinden oluĢan bir kimyasal reaksiyonu formüle etmek imkansızdır. Bundan
dolayı referans maddeler arasında denge problemi bulunmaktadır.
Referans türlerini seçtikten sonra, her kimyasal bileĢen için bir referans reaksiyonu
formüle edilmelidir. Bu reaksiyonda, düĢünülen bileĢenin (veya elementin) dıĢında
yalnızca referans maddeler: düĢünülen bileĢenleri sağlayan giren referans türleri ve
reaksiyondan çıkan atık referans türleri gözükmektedir.
3.4. Yakıtların Kimyasal Ekserjisinin Hesaplanması
Eğer kimyasal bileĢen biliniyorsa, gaz ve bazı sıvı yakıtların kimyasal ekserjisi
tablodan elde edilebilir (Szargut vd, 1988). Fakat bu tabloların hazırlanmasında çok
fazla kabulün yapıldığı unutulmamalıdır. Ayrıca gerekli olan veriler mevcutsa, bu
yakıtların kimyasal ekserjisi aĢağıdaki denklem kullanılarak da hesaplanabilir.
ko
oo
kko
oo
O
Oo
o
o
o
chP
PV
P
PVTRsThb lnln
~~~2
2 (3.1)
Burada alt indis k yanma ürünlerinin bileĢenlerini ifade etmektedir. Katı ve sıvı
endüstriyel yakıtlar genellikle bilinmeyen sayısız kimyasal bileĢenin solüsyonlarıdır.
Bu yüzden, bu yakıtların reaksiyonlarının entropilerinin hesaplaması oldukça zordur.
Szargut (1988) katı ve sıvı endüstriyel yakıtlar için kimyasal ekserjinin alt ısıl değere
( LH ) oranının kimyasal bileĢenlerin aynı oranına sahip saf kimyasal maddeler için
aynı olduğunu öngörmüĢtür. Bu oran β ile gösterilmektedir.
61
L
ch
H
b (3.2)
C, H, O, N ve S içeren birçok saf organik madde için β değerini hesapladıktan sonra,
β‟nın H/C, O/C, N/C ve bazı durumlarda S/C atomik oranlarına bağlı olduğunu
gösteren iliĢkiler elde edilmiĢtir. Elde edilen ifadelerin uygulanabilirliğinin
endüstriyel fosil ve biyokütle yakıtlarını kapsayacak Ģekilde geniĢletildiği kabul
edilmiĢtir.
3.4.1. Katı Yakıtlar
Sülfür içeren katı yakıtların kimyasal ekserjileri sülfürün serbest element olduğu
öngörüsü altında yaklaĢık olarak hesaplanabilmektedir (Szargut, 2005).
wchwachaSSchSyakitLch zbzbzHbHb (3.3)
Burada LH yakit yakıtın alt ısıl değerini, bchS, bcha ve bchw sırasıyla kükürdün, külün ve
suyun standart kimyasal ekserjilerini ifade etmektedir; zS, za ve zw sırasıyla
kükürdün, külün ve suyun kütle fraksiyonlarıdır.
Katı yakıtlar için; 067.02 C
O
z
z
C
N
C
O
C
H
z
z
z
z
z
z222 0404.00610.01882.00437.1 (3.4)
Sıvı yakıtlar için; 67.2667.0 2 C
O
z
z
C
O
C
N
C
H
C
H
z
z
z
z
z
z
z
z
2
222
3035.01
0383.07256.012509.01882.00438.1
(3.5)
Katı biyo-yakıtlar için;
62
C
O
C
N
C
H
C
H
z
z
z
z
z
z
z
z
2
222
4124.01
0493.00531.013493.00160.0044.1
(3.6)
Odun için;
C
O
C
N
C
H
C
H
z
z
z
z
z
z
z
z
2
222
3035.01
0450.07884.012499.02160.00412.1
(3.7)
TaĢkömürü ve linyit için;
C
N
C
O
C
H
z
z
z
z
z
z222 0428.02499.01896.00437.1 (3.8)
YaklaĢık değerlerin yeterli olduğu durumlarda, Çizelge 3.1‟deki değerler
kullanılabilir. Saf organik maddelerin standart kimyasal ekserjileri grup katılım
yöntemi sayesinde hesaplanabilmektedir. Ele alınan maddenin 1 molü için aĢağıdaki
ifade yazılabilir.
i giich bgb* (3.9)
Burada gi incelenen moleküldeki i‟inci grupların sayısını ve bgi i‟inci grubun
bileĢiğin standart kimyasal ekserjisine katkısını göstermektedir.
Çizelge 3.1. Organik yakıtların alt ısıl ve üst ısıl değerlerinin standart kimyasal
ekserjilerine oranı (Szargut, 2005).
Yakıt bch/HL bch/HH Yakıt bch/HL bch/HH
TaĢkömürü 1.09 1.03 Sıvı HC-yakıtlar 1.07 0.99
Linyit 1.17 1.04 Doğalgaz 1.04 0.94
Kok 1.06 1.04 Kok-fırın gazı 1.00 0.85
Odun 1.15 1.05 Yüksek fırın gazı 0.98 0.97
3.4.2. Sıvı Yakıtlar
Sıvı yakıtların kimyasal ekserjisi aĢağıdaki formülle hesaplanmaktadır;
63
wchwLch zbHb (3.10)
Sıvı teknik yakıtlar için;
C
H
C
S
C
O
C
H
z
z
z
z
z
z
z
z222 0628.212169.00432.01728.0041.1 (3.11)
Sıvı bitkisel yakıtlar için;
C
O
C
H
z
z
z
z22 0567.00159.00374.1 (3.12)
3.4.3. Gaz Yakıtlar
Ġçeriğindeki gaz bileĢenleri bilinen yakıtların kimyasal ekserjisi Denklem (3.1) ile
hesaplanabilmektedir. Fakat bilinen gaz yakıtların bileĢenleri çok dar aralıklarda
değiĢiklik gösterdiği için, benzer bileĢendeki yakıt için β değeri bir kez
hesaplandığında diğer durumlarda makul doğrulukla kullanılabilir.
64
4. ARAŞTIRMA BULGULARI
4.1. Türkiye’deki Bazı Kömürlerin Ekserji Değerleri
Bu çalıĢmada ilk olarak Türkiye‟de mevcut olan ve literatürden (Bilgen, 2000) alınan
4 adet taĢkömürü yatağının (Armutçuk, Amasra, Zonguldak, Çatalağzı) ve 8 adet
linyit yatağının (Tunçbilek, Beypazarı, Çayırhan, AfĢin, Soma, Yatağan, Çan,
Sorgun) kimyasal ekserji değerleri Szargut‟a göre incelenmiĢtir (Szargut, 2005).
Ġncelenen bu kömür yataklarının kompozisyonları Çizelge 4.1‟de verilmiĢtir. Bu
nitelikler ele alınarak kömürlerin β değerleri Denklem (3.8)‟den hesaplanmıĢ ve
kimyasal ekserji içerikleri ile birlikte Çizelge 4.2‟de verilmiĢtir.
Çizelge 4.1. Türkiye‟de bulunan bazı taĢkömürü ve linyitlerin kompozisyonları
(Bilgen, 2000)
YaklaĢık analiz
(%)
Kuru ve külsüz (DAF)
Kömürler Nem Kül LH (kJ/kg) C H O N S
Armutçuk 2.2 9.3 29469 84.9 4.6 8.1 1.4 1.0
Amasra 3.0 14.1 25289 84.6 4.8 7.4 1.4 1.8
Zonguldak 2.0 13.2 29051 88.6 4.5 4.8 1.2 0.9
Çatalağzı 2.1 13.1 29051 88.5 4.7 4.7 1.2 0.9
Tunçbilek 20.1 8.3 12540 71.8 5.4 16.9 2.7 3.2
Beypazarı 12.9 22.4 10450 62.4 5.3 21.0 2.2 9.1
Çayırhan 13.8 16.3 8630 55.7 4.7 28.6 2.4 8.6
AfĢin 45.7 17.5 4389 50.8 5.4 35.9 4.1 3.8
Soma 16.0 14.0 9196 62.6 5.1 27.0 2.7 2.6
Yatağan 26.3 16.8 10450 65.4 5.1 22.5 1.6 5.4
Çan 16.0 7.5 12331 66.7 5.1 20.4 1.7 6.1
Sorgun 7.0 13.8 17138 70.5 4.2 12.6 2.0 10.
7
65
Çizelge 4.2. Ġncelemesi yapılan taĢkömürü ve linyitlerin ekserji değerleri
a Denklem (3.3)‟e b Çizelge 3.1‟e göre hesaplamıĢtır
Yapılan çalıĢmanın ikinci bölümünde ise Türkiye‟de mevcut olan 24 adet tersiyer (3.
Jeolojik zamanda oluĢmuĢ) kömür yataklarının (Edirne KeĢan Beğendik-KeĢan
Karacaali-Uzunköprü Türkobası-Uzunköprü MeĢelik, Ġstanbul ġile Toplutepe,
Kırklareli Pınarhisar Tozaklı- Pınarhisar Poyralı, Tekirdağ Malkara Çifteköprüler-
Malkara Ortadere, Balıkesir Dursunbey Odaköy- Dursunbey Çakırca- Gönen Çatak,
Bursa Orhaneli Bumru- MustafakemalpaĢa Karacalar, Çanakkale Çan Yeniçeri- Çan
Durali, Afyon ġuhut Ġsalı, Aydın KöĢk Kızılcayer, Ġzmir Cumaovası Bahçecik,
Kütahya Gediz Sazköy, Muğla Yerkesik Kultak, Manisa Soma Tarhala, Amasya
Suluova Eskiçeltek ve Bolu Mengen MerkeĢler) yapısal analizi literatürden alınmıĢ
(Tuncalı vd., 2002) ve kimyasal ekserji değerleri yukarıda verilen analiz yöntemine
bağlı olarak incelenmiĢtir. Ġncelenen bu kömür yataklarının nitelikleri, Denklem (3.8)
kullanılarak analizli yapılan kömürlerin β değerleri ve Denklem (3.3) yardımı ile
hesaplanan kimyasal ekserji değerleri (Çizelge 4.3) Ek-2‟de verilmiĢtir.
4.2. Seçilen Bazı Kömürlerin Gazlaştırılmasının Ekserji Analizi
Kömür gazlaĢtırma prosesi ġekil 4.1‟de Ģematiksel olarak sunulmuĢtur. Kömür çevre
sıcaklığında (To) gazlaĢtırıcıya girer, aynı sıcaklıktaki hava gazlaĢtırma ortamında
kullanılır. H2O(g), CO2 ve CO gibi gaz ürünler gazlaĢtırma ünitesini reaktör
sıcaklığında (TR) terk eder.
Bölge Cinsi
Alt Isıl
Değer
(kj/kg)
Kimyasal
Ekserjisi
(kJ/kg)
Kimyasal
Ekserjisi
(cal/gr)a
Kimyasal
Ekserjisi
(cal/gr)b
Armutçuk
Ta
ş
kö
mü
rü 29469 1.0785 31928.75 7683.3 7684.5
Amasra 25289 1.0770 27462.43 6570.0 6594.5
Zonguldak 29051 1.0675 31142.23 7450.2 7575.5
Çatalağzı 29051 1.0677 31151.21 7448.9 7575.5
Tunçbilek
Lin
yit
12540 1.1185 14805.71 3540.2 3510.0
Beypazarı 10450 1.1453 12908.80 3086.8 2925.5
Çayırhan 14630 1.1901 18401.88 4400.3 4095.0
AfĢin 4389 1.2438 6998.23 1674.2 1228.5
Soma 9196 1.1690 11387.52 2724.3 2574.0
Yatağan 10450 1.1455 13016.88 3114.1 2925.5
Çan 12331 1.1357 14911.60 3567.4 3451.5
Sorgun 17138 1.1009 19886.70 4757.6 4797.0
66
ġekil 4.1. Kömür gazlaĢtırıcısının Ģematiksel diyagramı
GazlaĢtırma ünitesine giren 1 kg kuru ve külsüz kömür için, gazlaĢtırma reaksiyonu
aĢağıdaki Ģekilde yazılır.
42
22222
42
22222
CHvOHv
NvSHvHvCOvCOvOHvsSnNoOhHcC
CHOH
NSHHCOCOOH
(4.1)
Burada c, h, o, n ve s değerlerinin hepsi kmol/kg olarak alınmıĢtır. Kütle yüzdeleri
incelemesi yapılan taĢ kömürü ve linyit yatakları için Çizelge 4.1 ve tersiyer
kömürleri için ise Çizelge 4.3 yardımı ile hesaplanmıĢ ve sırası ile Çizelge 4.4 ve
Çizelge 4.5‟da verilmiĢtir. Yapısal analiz incelemesine göre taĢkömürü, linyit ve
tersiyer kömürleri için hem içeriği sırası ile %2-3; %7-45,7 ve %1,20-15,96 arasında
değiĢmekte iken kül içerikleri ise sırası ile %9,3-14,1; %7,5-22,4 ve %9,10-50,63
arasında değiĢtiği görülmüĢtür. Kömürün yüksek oranda nem ve/veya küle sahip
olması, alt ısıl değerde ve kimyasal ekserjide düĢük değerlere neden olmaktadır.
Reaktör (TR)
Kömür
T=T0
Gaz, T=TR
Kül
Hava
T=T0
67
Çizelge 4.4. Ġncelemesi yapılan taĢkömürü ve linyitlerin kütle yüzdeleri
Kömür
Yatakları
c h o n s
Armutçuk 0.07075 0.046 0.00506 0.001 0.00031
Amasra 0.07050 0.048 0.00463 0.001 0.00056
Zonguldak 0.07383 0.045 0.003 0.00086 0.00028
Çatalağzı 0.07375 0.047 0.00294 0.00086 0.00028
Tunçbilek 0.05983 0.054 0.01056 0.00193 0.001
Beypazarı 0.052 0.053 0.01312 0.00157 0.002844
Çayırhan 0.04642 0.047 0.01788 0.00171 0.002688
AfĢin 0.04233 0.054 0.02244 0.00293 0.001188
Soma 0.05217 0.051 0.01688 0.00193 0.000812
Yatağan 0.0545 0.051 0.01406 0.00114 0.001688
Can 0.05558 0.051 0.01275 0.00121 0.001906
Sorgun 0.05875 0.042 0.00788 0.00143 0.003344
Çizelge 4.5 Ġncelemesi yapılan tersiyer kömürlerin kütle yüzdeleri
Tersiyer Kömür
Yatakları
c h o n s
1 Edirne-Beğendik 0.0463 0.0408 0.0102 0.0009 0.0051
2 Edirne-Karacaali 0.0396 0.0335 0.0080 0.0013 0.0040
3 Edirne-Türkobası 0.0416 0.0339 0.0191 0.0025 0.0034
4 Edirne-MeĢelik 0.0402 0.0325 0.0106 0.0008 0.0053
5 Ġstanbul-Toplutepe 0.0383 0.0354 0.0111 0.0006 0.0059
6 Kırklareli-Tozaklı 0.0412 0.0430 0.0137 0.0005 0.0068
7 Kırklareli-Poyralı 0.0360 0.0377 0.0074 0.0005 0.0037
8 T.dağ-Çifteköprüler 0.0423 0.0378 0.0080 0.0012 0.0040
9 Tekirdağ-Ortadere 0.0404 0.0360 0.0099 0.0005 0.0049
10 Balıkesir-Odaköy 0.0416 0.0393 0.0108 0.0005 0.0054
11 Balıkesir-Çakırca 0.0403 0.0364 0.0092 0.0005 0.0046
12 Balıkesir-Çatak 0.0295 0.0251 0.0004 0.0015 0.0022
13 Bursa-Burmu 0.0481 0.0401 0.0092 0.0017 0.0045
14 Bursa-Kaaracalar 0.0239 0.0245 0.0078 0.0005 0.0040
15 Ç.kale-Yeniçeri 0.0448 0.0359 0.0066 0.0015 0.0033
16 Çanakkale-Durali 0.0446 0.0377 0.0064 0.0017 0.0032
17 A.karahisar-Ġsalı 0.0318 0.0282 0.0092 0.0005 0.0046
18 Aydın-Kızılcayer 0.0448 0.0413 0.0026 0.0005 0.0013
19 Denizli-Bostanyeri 0.0283 0.0201 0.0031 0.0007 0.0015
20 Kütahya-Sazköy 0.0479 0.0419 0.0039 0.0009 0.0019
21 Muğla-Kultak 0.0414 0.0380 0.0081 0.0010 0.0041
22 Manisa-Tarhala 0.0414 0.0395 0.0108 0.0006 0.0054
23 Amasya-Eskiçeltek 0.0396 0.0312 0.0057 0.0012 0.0028
24 Bolu-MerkeĢler 0.0449 0.0407 0.0074 0.0008 0.0037
68
Bu gazlaĢtırma prosesinin ekserjetik dengesi aĢağıdaki Ģekildedir.
mezlikTergazphgazchkömürch bbbb sin,,, (4.2)
Kömürün kimyasal ekserji Denklem (3.3) ile verilmiĢtir. GazlaĢtırma prosesi
sonucunda oluĢan ürün gazının kimyasal ekserjisi (bch,gaz) ise aĢağıdaki gibi
hesaplanır (Chapman, 1974).
n
k
o
kkokgazch vb1
, (4.3)
Burada kv k maddesinin mol sayısı ve k k maddesinin kimyasal potansiyelidir.
Ürün gazın fiziksel ekserjisi (bph,gaz) Ģu Ģekildedir;
T
Tpoopogazph
o
sThb , (4.4)
Burada h entalpi ve s entropidir.
4.3. Seçilen Bazı Kömürlerin Gazlaştırılmasının Enerji ve Ekserji Verimlilik
Analizi
Genellikle soğuk-gaz verimliliği olarak bilinen gazlaĢtırma prosesinin enerji
verimliliği Ģu Ģekilde hesaplanmaktadır (Chapman vd, 1974);
kömürL
gazL
IH
H (4.5)
Burada LH gaz ve LH kömür sırasıyla gaz ve kömürün alt ısıl değerleridir.
Çizelge 4.1‟de verilen taĢkömürü ve linyit yataklarından çıkarılan kömürlerin
gazlaĢtırılması prosesinin enerjetik verimliliği ġekil 4.2‟de verilmiĢtir. Linyit
kaynaklarının enerji verimliliği diğerleri ile oldukça kıyaslanabilir düzeydedir. Fakat
taĢkömürünün verimliliği oldukça düĢüktür. Armutçuk, Amasra, Zonguldak ve
Çatalağzı taĢkömürü gazlaĢtırmasında, kömürde bulunan nemi buharlaĢtırmak ve ısı
üretmek için su eklenmiĢtir.
69
ġekil 4.2. Ġncelemesi yapılan taĢkömürü ve linyitlerin gazlaĢtırılması proseslerinin
enerji verimlilikleri
Çizelge 4.3‟de verilen tersiyer kömür yataklarından çıkarılan kömürlerin
gazlaĢtırılması prosesinin enerjetik verimlilikleri ise ġekil 4.3‟de verilmiĢtir.
Tersiyer kömür yatakları
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
ġekil 4.3. Ġncelemesi yapılan tersiyer kömürlerin gazlaĢtırılması prosesinin enerji
verimliliği
70
Ekserjetik verimlilik ürün gazının kimyasal ekserjisinin kömürün ekserjisine
oranı olarak ifade edilebilir. YükseltilmiĢ sıcaklıktaki sentez gaz çevresel sıcaklığın
üzerinde tercih edilir ve böylece hesaplanan verimlilik daha yüksek olur. Bu
problemin üstesinden fiziksel ekserjinin yanında kimyasal ekserjinin de verimliliği
kullanılarak gelinebilir.
kömürch
gazphch
IIb
b
,
, (4.6)
Burada bch+ph,gaz ürün gazın fiziksel ve kimyasal ekserjisinin toplamıdır. k
maddesinin molü baĢına bu gaz karıĢımının ekserjisi Ģu Ģekilde hesaplanır (Moran,
1982);
o
kokkokkgazphch pxTsTThNb ,)(.
, (4.7)
Burada kN.
k maddesinin molar akıĢ oranıdır. Eğer k maddesi çevrede bulunuyorsa
(su buharı ve karbondioksit);
o
o
kkook
o
k pxTsTTh , (4.8)
o
k
kookkookkkgazphch
x
xTRTsTsTThThNb ln
.
, (4.9)
Eğer k maddesi çevrede bulunmuyorsa (karbon monoksit ve hidrojen);
oo
ch
kook
o
k pTapTg ,, (4.10)
oo
ch
kkookkookkkgazphch pTaxTRTsTsTThThNb ,ln.
,
(4.11)
Çizelge 4.5 (EK-3) ve 4.6 (EK-4)‟de sırası ile incelemesi yapılan taĢkömürü ve linyit
kömür yataklarının ve tersiyer kömür yataklarının gazlaĢtırılması prosesi ile oluĢan
proses gazının ürünlerinin mol ve kütle kesirlerini göstermektedir. Kömürlerin
yüksek gazlaĢtırma sıcaklığının (850-1000 oC) sonucu olarak çoğunlukla CO ve H2
oluĢmaktadır.
71
Denklem (4.8) ile (4.11) ve (3.3)‟e bağlı olarak, gazlaĢtırma prosesi sonucunda
oluĢan ürün gazının kimyasal ve fiziksel ekserjisi aĢağıda verilmiĢtir.
oo
ch
HooH
oo
ch
COooCO
o
OH
OH
ooOH
o
CO
CO
ooCOgazphch
pTaxTRsThv
pTaxTRsThv
x
xTRsThv
x
xTRsThvb
,ln
,ln
ln
ln
22
2
2
2
2
2
2,
(4.12)
Kömür gazlaĢtırılmasının ürün gazının ekserji analizi hesaplamasında N2 ve SO2‟nin
etkisi ihmal edilebilir. Çünkü bu gazların mol fraksiyonları çok küçüktür. Ayrıca
külün kimyasal ekserjisi kömürün kimyasal ekserji analizinde ihmal edilmiĢtir.
Çizelge 4.1‟de verilen taĢkömürü ve linyit yataklarından çıkarılan kömürlerin
gazlaĢtırılması prosesinin 850-1000 oC aralığındaki ekserji verimlilikleri ġekil 4.4‟de
verilmiĢtir. Kömürde depolanan ekserji gazlaĢtırma ile ürün gazın kimyasal
ekserjisine ve fiziksel ekserjisine dönüĢür. Kömürün ekserjisinin bir kısmı ise
gazlaĢtırma prosesinin tersinmezliğinden dolayı kaybolur. Fakat tersinmezlikten öte,
ekserjetik verimliliğe odaklanmak gerekmektedir. Tersinmezlik gazlaĢtırma
prosesindeki kaybolan ekserjiyi ifade ederken, ekserjetik verimlilik kullanılabilir
gazlaĢtırma ürününün ekserjisinin hammadde ekserjisine oranını ifade etmektedir. Bu
yolla farklı kömürler kimyasal ekserjilerinin kullanılabilirliği derecesinden
kıyaslanabilir.
72
ġekil 4.4. Ġncelemesi yapılan taĢkömürü ve linyitlerin gazlaĢtırılmasının ekserji
verimlilikleri
Çizelge 4.3‟de verilen tersiyer yataklarından çıkarılan kömürlerin gazlaĢtırılması
prosesinin 850-1000 oC aralığındaki ekserji verimlilikleri ġekil 4.5‟de gösterilmiĢtir.
73
Tersiyer kömür yatakları
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
850 oC
900 oC
926 oC
950 oC
1000 oC
ġekil 4.5. Ġncelemesi yapılan tersiyer kömürlerin gazlaĢtırılmasının ekserji
verimlilikleri
4.4. Su-Gaz Değişim Reaktörünün Enerji ve Ekserji Analizi
Su-gaz değiĢim reaksiyonu hidrojen ve amonyak üretimindeki ana basamaktır. Hava
gazının zehrini çıkarmada kullanılmaktadır (Kodama, 2003). Termodinamik ve
kinetik düĢünce anlamında, su-gaz değiĢim reaksiyonu genellikle iki bölümde
gerçekleĢmektedir. Ġlk olarak yüksek sıcaklık basamağı 320-450 0C sıcaklık
aralığındadır ve diğer düĢük sıcaklık basamağı 200-250 0C sıcaklık aralığındadır
(Eskin, 1999). Yüksek sıcaklık dönüĢüm (HTS) reaksiyonu katalizör olarak
Fe2O3/Cr2O3‟ü kullanmakta iken, düĢük sıcaklık dönüĢüm (LTS) reaksiyonu
katalizör olarak normalde CuO/ZnO/Al2O3‟i kullanmaktadır (Kodama, 2003).
Son zamanlarda, CO‟in su-gaz değiĢim reaksiyonu ile çıkarılması oldukça ilgi
çekmektedir. Çünkü hidrojenin yakıt hücrelerinde saf olarak kullanılması oldukça
önem kazanmaktadır (Newsome, 1980). Su-gaz değiĢim reaksiyonu;
CO + H2O CO2 + H2; H298 = -41 kJ/mol (4.13)
74
termodinamik denge ile sınırlanmaktadır.
ġekil 4.6. Su-gaz dönüĢüm reaktörünün Ģematik gösterimi
Su-gaz dönüĢüm reaktörü ġekil 4.6‟da Ģematiksel olarak sunulmuĢtur. Kömür
gazlaĢtırma ünitesinden çıkan ürünlerden sırasıyla partikül uzaklaĢtırma ünitesinde
tutulan partiküler maddelerden ve sıcak gaz temizleme ünitesinde kükürt
giderildikten sonra H2S yoğunluğunun 10-20 ppm seviyesine düĢürmek için gaz
karıĢımı ZnO yatağından geçirilir. DüĢük sıcaklık dönüĢüm (DSD) katalistleri için
kükürt zehirleyici iken yüksek sıcaklık dönüĢüm (YSD) katalistleri 200 ppm‟e kadar
kükürt konsatrasyonunu tolere edebilir. Fakat tipiksel olarak kükürt düĢük
seviyelerde tutulur. Bu yüzden ZnO yatağı sayesinde kükürt seviyesi
düĢürülmektedir. Kömür gazlaĢtırma prosesinden çıkan ürün gazlarından geriye
kalan CO2, CO ve H2 gazları ile kömür gazlaĢtırma ünitesinin atık ısısı ile
gazlaĢtırılan su buharı (H2O(g)) su-gaz dönüĢüm reaktörüne girmekte ve aĢağıda
verilen su-gaz dönüĢüm reaksiyonu yardımı ile ürün olarak H2, CO2 gazları ve
reaksiyona girmemiĢ bir miktar CO gazı çıkmaktadır. Buradan elde edilen H2
depolama tankına, CO2 farklı kullanım amaçları için ayrı depolama tankına
gönderilirken az miktarda CO ise havaya salınmaktadır.
22)(222 2222HvCOvCOvOHvHvCOvCOv HCOCOgAHCOCO
(4.14)
Buradaki v , iv ve iv değerlerinin hepsi kmol/kg olarak alınmıĢtır.
Su-Gaz DönüĢüm
Reaktörü
(DSD&YSD)
H2O(g)
GazlaĢtırma
ünitesinden
CO2, CO, H2
H2
Dolum
tesisine
CO2
CO
H2O(g)
PA1=1 atm
TA1=600 oC
PA2=1 atm
TA2=300 oC
H2O
75
4.4.1 Su-Gaz dönüşüm Reaktörünün Enerji Dengesi
0,0,0 kEWQ ve 0 pE olduğu kabul edilerek oluĢum entalpisi
dengesinden yararlanılarak su-gaz dönüĢüm reaktörünün enerji dengesi aĢağıdaki
gibi yazılabilir.
)()()( 0
1,
0
2,1,2,21 RdPdRphPphAAA HHHHhhv (4.15)
Burada Av su-gaz değiĢim reaktörüne giren su buharının mol kesrini, 1Ah ve 2Ah
sırası ile reaktöre giren ve çıkan havanın entalpilerini, 1,RphH ve 2,PphH sırası ile
reaktöre giren ve çıkan havanın fiziksel entalpilerini, 0
1,RdH ve 0
2,PdH sırası ile
reaktöre giren ve çıkan havanın oluĢum entalpilerini göstermektedir.
Reaktöre giren havanın mol kesrinin ( Av ) belirmesi için yukarıda belirtilen enerji
dengesi kullanılabilir. Reaktöre giren ve çıkan havanın entalpileri farkı aĢağıdaki gibi
yazılabilir.
)()()( 022,011,21 TTCTTChh AApAApAA (4.16)
Burada KTA 8731 , KTA 5732 , KT 2980 , 55,301, ApC kJ/kmolK ve
73,292, ApC kJ/kmolK olarak alınmıĢtır. Reaktanları ve ürünleri ideal gaz olarak
kabul edilirse aĢağıdaki ifade yazılabilir.
i
idikarisim hvH )( 0
, (4.17)
Reaktanların ve ürünlerin oluĢum entalpileri ise Çizelge 4.8‟de verilmiĢtir.
Çizelge 4.8. Reaktanların ve ürünlerin oluĢum entalpileri
OluĢum
entalpisi
CO H2O CO2 H2
0
,idh (kJ/kmol) 283150 0 0 242000
76
Denklem (4.17)‟dan faydalanarak aĢağıdaki ifade yazılabilir.
2831502420002
0
1,
0
2, COHRdPd vvHH (4.18)
Fiziksel entalpideki değiĢim aĢağıdaki gibi ifade edilebilir.
i
ipiR
i
ipiPRphPph CvTTCvTTHH ,01,021,2, (4.19)
Burada 2PT (350 oC) ve 1RT (300
oC) sırasıyla ürünlerin ve reaktanların sıcaklıklarını
göstermektedir. Reaktanların ve ürünlerin pC değerleri Çizelge 4.9‟da verilmiĢtir.
Çizelge 4.9. Reaktanların ve ürünlerin ortalama izobarik ısı kapasiteleri
Ortalama
izobarik ısı
kapasitesi
CO
H2O
CO2
H2
ipC , (kJ/kmol) 29,82 34,50 43,31 29,19
Denklem (4.16), (4.18) ve (4.19)‟de hesaplanan değerler Denklem (4.15)‟de yerine
yazılırsa, giren havanın mol kesrini veren aĢağıdaki ifade elde edilir.
)(
)()(
21
0
1,
0
2,1,2,
AA
RdPdRphPph
Ahh
HHHHv
(4.20)
veya
9326
)283150242000(
9326
))50,3482,29(275)19,2921,43(325(
2
222
COH
OHCOHCO
A
vv
vvvxvv
(4.21)
Denklem (4.21) kullanılarak hesaplanan su-gaz dönüĢüm reaktörüne giren sıcak
havanın mol kesri, incelemesi yapılan kömür yatakları için hesaplanmıĢ ve Çizelge
4.10‟da gösterilmiĢtir.
77
Çizelge 4.10. Su-gaz dönüĢüm reaktörüne giren sıcak havanın mol kesri
Bölge Cinsi Av Bölge Cinsi
Av
Armutçuk
TaĢ
Köm
ürü
12,5140
Kırklareli-
Poyralı
Ter
siyer
6,4445
Amasra
12,6442
T.dağ-
Çifteköprüler 6,9976
Zonguldak
13,0385
Tekirdağ-
Ortadere 6,3216
Çatalağzı
13,1688
Balıkesir-
Odaköy 6,4881 Tunçbilek
Lin
yit
10,9805
Balıkesir-
Çakırca 6,4646
Beypazarı 9,6281 Balıkesir-Çatak 6,0345
Çayırhan 8,0806 Bursa-Burmu 7,5342
AfĢin
8,4518
Bursa-
Kaaracalar 4,2327
Soma
9,3070
Ç.kale-
Yeniçeri 7,4070
Yatağan
9,7958
Çanakkale-
Durali 7,5402
Can
10,0544
A.karahisar-
Ġsalı 5,0479
Sorgun
10,2482 Aydın-
Kızılcayer 8,5134
Edirne-
Beğendik
Ter
siyer
7,1889
Denizli-
Bostanyeri 5,3306
Edirne-
Karacaali 6,4385
Kütahya-
Sazköy 8,6340
Edirne-
Türkobası 5,3435
Muğla-Kultak
6,8886
Edirne-
MeĢelik 5,9431
Manisa-
Tarhala 6,4816
Ġstanbul-
Toplutepe 5,7886 Amasya-
Eskiçeltek 6,7437
Kırklareli-
Tozaklı 6,1285
Bolu-
MerkeĢler 7,5723
4.4.2. Su-Gaz Dönüşüm Reaktörünün Ekserji Dengesi
Su-gaz dönüĢüm reaktörünün ekserji dengesi aĢağıdaki gibi yazılabilir.
mezlikterxcikanxgirenx EEE sin,,, (4.22)
Burada reaktöre giren ve çıkan ekserji aĢağıdaki gibi ifade edilebilir.
1,1,, RxAxgirenx EEE (4.23)
2,2,, PxAxcikanx EEE (4.24)
78
Burada 1,AxE ve 2,AxE sırasıyla reaktöre giren ve çıkan sıcak havanın ekserjisini,
1,RxE ve 2,PxE ise sırasıyla reaktöre giren reaktanların ve reaktörden çıkan ürünlerin
ekserjisini göstermektedir.
4.4.2.1. Havanın Ekserjisi
Reaktöre giren ve çıkan sıcak havanın ekserjisi aĢağıda verilmiĢtir.
0
00, ln)(P
PRTTTCE pAx (4.25)
Burada pC molar ortalama izobarik ekserji kapasitesini göstermektedir. Sıcak hava
kontrol bölgesi olarak alınan su-gaz değiĢim reaktörüne 1 atm olan referans
basıncında geçtiği için, yalnızca ekserjinin izobarik kısmının hesaba dahil edilmesi
gereklidir. Burada reaksiyone giren ve çıkan sıcak havanın ekserjisi aĢağıdaki gibi
yazılabilir.
)( 011,1, TTCvE AApAAx (4.26)
)( 022,2, TTCvE AApAAx (4.27)
Burada 1AT ve 2AT sırasıyla 600 ve 300 oC,
1,ApC ve
2,ApC sırasıyla 13,68 ve 8,72
kJ/kmolK olarak alınmıĢtır.
4.4.2.2. Reaktanların ve Ürünlerin Ekserjileri
Su-gaz dönüĢüm reaktörüne giren reaktanların ve çıkan ürünlerin ekserjileri aĢağıda
verilmiĢtir.
)( ,1,1,,1,
o
iRiRphiRRx nE (4.28)
)( ,2,2,,2,
o
iPiPphiPPx nE (4.29)
Burada iRn , ve iPn , sırasıyla reaktöre giren reaktanların ve çıkan ürünlerin mol
sayılarının toplamını, 1,Rph ve 1,Rph sırasıyla reaktanların ve ürünlerin ortalama
79
izobarik ekserji kapasitesini, o
R1 ve o
P2 sırasıyla reaktanların ve ürünlerin standart
kimyasal ekserjilerini göstermektedir.
1 0
0,011, ln)()(i
ipiRphP
PRTCvTT (4.30)
1 0
0,022, ln)()(i
ipiPphP
PRTCvTT (4.31)
Burada T1 ve T2 sırasıyla reaktöre giren reaktanların ve çıkan ürünlerin sıcaklıklarını,
pC ise gazların ortalama izobarik ekserjisini göstermekte olup bu çalıĢmada alınan
değerleri Çizelge 4.11‟de verilmiĢtir. Ġncelemesi yapılan taĢkömürü ve linyitlerin
gazlaĢtırma ünitesinden çıkan gazların su-gaz dönüĢüm prosesinden elde edilen ürün
gazının mol ve kütle yüzdeleri Çizelge 4.12‟de verilmiĢtir. Tersiyer kömürlerinini
gazlaĢtırılması prosesinden elde edilen ürün gazının mol ve kütle yüzdeleri ise
Çizelge 4.13‟de verilmiĢtir.
Çizelge 4.11. Reaktanların ve ürünlerin ortalama izobarik ekserjileri
Reaktanlar Ürünler
(350 oC) (300
oC) (25
oC)
Ortalama
izobarik ekserji
CO2
CO
H2
H2O
H2
CO
CO2
pC (kJ/kmolK)
13,03
8,74
8,54
0
9,52
9,76
14,75
Çizelge 4.12. Ġncelemesi yapılan taĢkömürü ve linyitlerin gazlaĢtırma ünitesinden
çıkan gazların su-gaz dönüĢüm prosesinden elde edilen ürün gazının mol ve kütle
yüzdeleri
Kömürler
2COv 2Hv COv
2COx 2Hx COx
Armutçuk 0,0474 0,1089 0,0225 0,2651 0,6091 0,1258
Amasra 0,0473 0,1099 0,0224 0,2634 0,6119 0,1247
Zonguldak 0,0485 0,1135 0,0245 0,2601 0,6086 0,1314
Çatalağzı 0,0485 0,1145 0,0244 0,2588 0,6110 0,1302
Tunçbilek 0,0435 0,0952 0,0156 0,2819 0,6170 0,1011
Beypazarı 0,0407 0,0834 0,0107 0,3019 0,6187 0,0794
Çayırhan 0,0387 0,0704 0,0072 0,3328 0,6053 0,0619
AfĢin 0,0372 0,0727 0,0046 0,3249 0,6349 0,0402
Soma 0,0407 0,0809 0,0108 0,3074 0,6110 0,0816
Yatağan 0,0416 0,0851 0,0123 0,2993 0,6122 0,0885
Can 0,042 0,0873 0,013 0,2952 0,6135 0,0914
Sorgun 0,0431 0,0893 0,015 0,2924 0,6058 0,1018
80
Çizelge 4.13. Ġncelemesi yapılan tersiyer kömürlerinin gazlaĢtırma ünitesinden
çıkan gazların su-gaz dönüĢüm prosesinden elde edilen ürün gazının mol ve kütle
yüzdeleri
Tersiyer kömürleri 2COv
2Hv COv 2COx
2Hx COx
1 Edirne-Beğendik 0,0296 0,0634 0,0161 0,2713 0,5811 0,1476
2 Edirne-Karacaali 0,0272 0,0565 0,0119 0,2845 0,5910 0,1245
3 Edirne-Türkobası 0,0279 0,0482 0,0132 0,3124 0,5398 0,1478
4 Edirne-MeĢelik 0,0274 0,0527 0,0123 0,2965 0,5703 0,1331
5 Ġstanbul-Toplutepe 0,0267 0,0512 0,0111 0,3000 0,5753 0,1247
6 Kırklareli-Tozaklı 0,0278 0,0543 0,0129 0,2926 0,5716 0,1358
7 Kırklareli-Poyralı 0,0259 0,056 0,0096 0,2831 0,6120 0,1049
8 T.dağ-Çifteköprüler 0,0282 0,0613 0,0136 0,2735 0,5946 0,1319
9 Tekirdağ-Ortadere 0,0275 0,0557 0,0124 0,2877 0,5826 0,1297
10 Balıkesir-Odaköy 0,0279 0,0572 0,0132 0,2838 0,5819 0,1343
11 Balıkesir-Çakırca 0,0275 0,0568 0,0123 0,2847 0,5880 0,1273
12 Balıkesir-Çatak 0,0236 0,0518 0,0055 0,2917 0,6403 0,0680
13 Bursa-Burmu 0,0303 0,0664 0,0173 0,2658 0,5825 0,1518
14 Bursa-Kaaracalar 0,0216 0,0368 0,002 0,3576 0,6093 0,0331
15 Ç.kale-Yeniçeri 0,0291 0,0649 0,0152 0,2665 0,5943 0,1392
16 Çanakkale-Durali 0,029 0,0659 0,015 0,2639 0,5996 0,1365
17 A.karahisar-Ġsalı 0,0244 0,0444 0,007 0,3219 0,5858 0,0923
18 Aydın-Kızılcayer 0,0291 0,0736 0,0152 0,2468 0,6243 0,1289
19 Denizli-Bostanyeri 0,0231 0,0461 0,0048 0,3122 0,6230 0,0649
20 Kütahya-Sazköy 0,0302 0,075 0,0171 0,2469 0,6132 0,1398
21 Muğla-Kultak 0,0279 0,0603 0,013 0,2757 0,5958 0,1285
22 Manisa-Tarhala 0,0279 0,0571 0,013 0,2847 0,5827 0,1327
23 Amasya-Eskiçeltek 0,0272 0,0589 0,0119 0,2776 0,6010 0,1214
24 Bolu-MerkeĢler 0,0291 0,0662 0,0152 0,2633 0,5991 0,1376
Reaktanların ve ürünlerin standart kimyasal ekserjileri aĢağıda verilmiĢtir.
1 1
0
0
1 lni i
ii
o
iiR vvRTv (4.32)
1 1
0
0
2 lni i
ii
o
iiP vvRTv (4.33)
Burada o
i i gazının standart kimyasal ekserjisini göstermekte olup, bu çalıĢmada
kullanılan gazların standart kimyasal ekserjileri Çizelge 4.14‟de verilmiĢtir.
Çizelge 4.14. Gazların standart kimyasal ekserjileri
Standart
kimyasal ekserji
CO2 CO H2 H2O
o 20140 275430 238490 3120
81
Ġncelemesi yapılan taĢkömürü ve linyit kömürlerinin yataklarının ve ülkemizde
bulunan tersiyer kömürlerinin gazlaĢtırma ünitesinden üretilen ve su-gaz dönüĢüm
reaktörüne giren reaktanlarının ve su buharının su-gaz değiĢim reaktörüne giren,
çıkan ve yıkılan ekserji değerleri sırasıyla ġekil 4.7 ve ġekil 4.8‟de verilmiĢtir.
A
rmutc
uk
Am
asra
Zonguld
ak
Cata
lagzi
Tuncb
ilek
Beypaza
ri
Cayırhan
Afs
in
Som
a
Yata
gan
Can
Sorg
un
MJ
50
100
150
200
250
300
Ex,giren
Ex,cikan
Ex,tersinmezlik
ġekil 4.7. TaĢ kömürü ve linyit yatakları için gazlaĢtırma reaktörüne giren ve çıkan
ekserji ve reaktörde oluĢan tersinmezlik
82
Tersiyer kömürleri
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
MJ
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
Ex,giren
Ex,cikan
Ex,tersinmezlik
ġekil 4.8. Tersiyer kömür yatakları için gazlaĢtırma reaktörüne giren ve çıkan ekserji
ve reaktörde oluĢan tersinmezlik
4.4.3. Su-Gaz Dönüşüm Reaktörünün Ekserji Verimliliği
Su-gaz dönüĢüm reaktörünün ekserji verimliliği reaktöre giren ekserjinin reaktörden
çıkan ekserji oranı olarak tanımlanabilir. Reaktöre giren ekserji kömür gazlaĢtırma
ünitesinden çıkan ve çeĢitli ayrıĢtırma proseslerinden geçen sentez gaz, gazlaĢtırma
ünitesinin atık ısısı ile üretilen buhar ve çevre sıcaklığında reaktöre giren temiz hava
oluĢturmaktadır. Reaktörden çıkan ekserjiyi ise CO2, H2 ve reaksiyona girmeyen az
miktardaki CO oluĢturmaktadır.
girenx
cikanx
reaktörIIE
E
,
,
, (4.34)
TaĢkömürü ve linyit yataklarından ve tersiyer kömürlerden üretilen sentez gazının
su-gaz dönüĢüm reaktöründeki ekserji verimliliği sırasıyla ġekil 4.9 ve ġekil 4.10‟da
verilmiĢtir.
83
Am
asra
Zonguld
ak
Cata
lagzi
Tuncbile
k
Beypazari
Cayırhan
Afs
in
Som
a
Yata
gan
Can
Sorg
un
%
56,4
56,5
56,6
56,7
56,8
56,9
57,0
57,1
57,2
reaktör
ġekil 4.9. TaĢkömürü ve linyit kömürlerinden üretilen sentez gazının su-gaz
dönüĢüm reaktöründeki ekserji verimliliği
Tersiyer kömürleri
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
%
57,6
57,8
58,0
58,2
58,4
58,6
58,8
59,0
59,2
59,4
59,6
59,8
reaktör
ġekil 4.10. Tersiyer kömürlerinden üretilen sentez gazının su-gaz dönüĢüm
reaktöründeki ekserji verimliliği
84
4.5. Birleşik Sistemin Enerji ve Ekserji Verimliliği
Ek 1.‟de verilen birleĢik kömürün gazlaĢtırılmasından hidrojen üretimi prosesinin
enerji verimliliği aĢağıdaki gibi hesaplanabilir.
kömürL
gazL
IH
H (4.35)
Burada LH gaz ve LH kömür su-gaz dönüĢüm reaktöründen çıkan H2, CO2 ve az
miktarda oluĢan CO gazlarının ve gazlaĢtırma ünitesine giren kömür örneklerinin alt
ısıl değerini göstermektedir.
BirleĢik kömürün gazlaĢtırılmasından hidrojen üretimi prosesinin ekserji verimliliği
su-gaz dönüĢüm reaktöründen çıkan ürün gazlarının kimyasal ekserji toplamının,
kömür gazlaĢtırma ünitesine giren kömür örneğinin kimyasal ekserjisine oranı olarak
tanımlanabilir.
kömürch
gasphch
prosesIIb
b
,
,
,
(4.36)
Burada bch+ph,gas ürün gazlarının kimyasal ve fiziksel ekserjilerinin toplamını
göstermektedir.
TaĢkömürü ve linyit yataklarından çıkarılan kömürlerin ve tersiyer kömürlerinin
gazlaĢtırılarak hidrojen üretim prosesinin enerji ve ekserji verimlilikleri sırasıyla
ġekil 4.11 ve ġekil 4.12‟de verilmiĢtir.
85
Am
asra
Zonguld
ak
Cata
lagzi
Tuncb
ilek
Beypaza
ri
Cayırhan
Afs
in
Som
a
Yata
gan
Can
Sorg
un
%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
proses
II,proses
ġekil 4.11. TaĢkömürü ve linyit kömürlerinin gazlaĢtırılarak hidrojen üretilmesi
prosesinin enerji ve ekserji verimliliği
Tersiyer kömürleri
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
%
5
10
15
20
25
30
35
40
45
I,proses
II,proses
ġekil 4.12. Tersiyer kömürlerinin gazlaĢtırılarak hidrojen üretilmesi prosesinin enerji
ve ekserji verimliliği
86
5. TARTIŞMA VE SONUÇ
5.1. Kömürlerin Kimyasal Ekserjisinin Değerlendirilmesi
Kömür gazlaĢtırma prosesinin ekserjetik verimliliğinin H/bch oranına bağlı olduğu
gözükmektedir, fakat kömür gazlaĢtırma prosesinin enerji verimliliğinde bazı
sapmalar bulunmaktadır (ġekil 5.1 ve ġekil 5.2). Bu oran kömür gazlaĢtırma
prosesinin ekserjetik verimliliğini kıyaslamada kullanılmalıdır.
H/bch
0,0001 0,0002 0,0003 0,0004 0,0005 0,0006 0,0007 0,0008
10
20
30
40
50
60
70
80
90
%
ġekil 5.1 Ġncelemesi yapılan taĢkömürü ve linyitlerin H/bch oranlarına karĢı enerji ve
ekserji verimlilikleri
87
H/bch
0,0001 0,0002 0,0003 0,0004 0,0005 0,0006 0,0007 0,0008 0,0009 0,0010 0,0011
%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
ġekil 5.2. Ġncelemesi yapılan tersiyer kömürlerinin H/bch oranlarına karĢı enerji ve
ekserji verimlilikleri
5.2. Sistemin Ekserji Kaybı
Termal bir sistemdeki asıl termodinamik verimsizlikler ekserji yıkımı ve ekserji
kayıpları ile ilgilidir. Ekserji analizi en yüksek ekserji yıkımına sahip olan sistem
bileĢenlerini ve bunlara neden olan prosesleri tanımlamaktadır. Fakat, bir bileĢendeki
ekserji yıkımının sadece bir kısmından kaçınılabilir. Her bir sistem bileĢeni için
minimum ekserji yıkım oranı fiziksel, teknolojik ve ekonomik zorluklarla
sınırlanmaktadır. Toplam ve kaçınılabilir ekserji yıkımı arasındaki fark kaçınılamaz
ekserji yıkımı oranını ifade etmektedir. Bu değerler de sistem tasarımcılarına bir
sistemin termodinamik verimliliğini artırmak için gerçekçi ölçümler sunmaktadır.
Sistem bileĢenlerinin ekserji kaybı Ģu Ģekilde tanımlanmaktadır:
%100xEx
ExExEx
giris
cikisgiris
kayip
(5.1)
88
Burada ExgiriĢ sisteme giren ve ExçıkıĢ sistemden çıkan ekserjiyi ifade etmektedir. ĠĢ
yapacak olan sistemin performansı üretilen gerçek iĢin maksimum teorik iĢe oranıyla
elde edilir.
5.2.1 Kömür Gazlaştırma Ünitesinin Ekserji Kaybı
Kömür gazlaĢtırma ünitesinin ekserji kaybı aĢağıdaki gibi ifade edilebilir.
%100xEx
ExExEx
kömür
gazkömür
kayip
(5.2)
Burada kömürEx gazlaĢtırma ünitesine giren kömürlerin kimyasal ekserjisini ve gazEx
ise kömür gazlaĢtırma ünitesinden çıkan ürün gazlarının toplam kimyasal ve fiziksel
ekserjilerini göstermektedir. TaĢkömürü ve linyitlerin gazlaĢtırılması prosesinin ve
tersiyer kömürlerinin gazlaĢtırılması prosesinin ekserji kayıp yüzdeleri sırası ile ġekil
5.3 ve ġekil 5.4‟de verilmiĢtir.
Am
asra
Zonguld
ak
Cata
lagzi
Tuncbile
k
Beypazari
Cayırhan
Afs
in
Som
a
Yata
gan
Can
Sorg
un
%
40
50
60
70
80
90
100
850 oC
900 oC
926 oC
950 oC
1000 oC
ġekil 5.3. TaĢkömürü ve linyitlerin gazlaĢtırılması prosesinin ekserji kayıp yüzdeleri
89
Tersiyer kömürleri
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
%
70
72
74
76
78
80
82
84
86
88
90
92
850 oC
900 oC
926 oC
950 oC
1000 oC
ġekil 5.4. Tersiyer kömürlerinin gazlaĢtırılması prosesinin ekserji kayıp yüzdeleri
5.2.2 Su-Gaz Değişim Reaktörünün Ekserji Kaybı
Su-gaz değiĢim reaktörünün ekserji kaybı aĢağıdaki gibi ifade edilebilir.
%100xEx
ExExEx
gazgiren
gazcikangazgiren
kayip
(5.3)
Burada gazgirenEx su-gaz değiĢim reaktörüne giren gaz reaktanların toplam kimyasal
ve fiziksel ekserjilerini ve gazcikanEx ise su-gaz değiĢim reaktöründen çıkan ürün
gazlarının toplam kimyasal ve fiziksel ekserjilerini göstermektedir. TaĢkömürü ve
linyitlerin su-gaz değiĢim reaktöründeki dönüĢüm prosesinin ve tersiyer kömürlerinin
su-gaz değiĢim reaktöründeki dönüĢüm prosesinin ekserji kayıp yüzdeleri sırası ile
ġekil 5.5 ve ġekil 5.6‟da verilmiĢtir.
90
Am
asra
Zonguld
ak
Cata
lagzi
Tuncb
ilek
Beypaza
ri
Cayırhan
Afs
in
Som
a
Yata
gan
Can
Sorg
un
%
42,8
42,9
43,0
43,1
43,2
43,3
43,4
43,5
43,6
Ex,kayıp-reaktör
ġekil 5.5. TaĢkömürü ve linyitlerin gaz ürünlerinin su-gaz değiĢim prosesinin ekserji
kayıp yüzdeleri
Tersiyer kömürleri
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
%
40,2
40,4
40,6
40,8
41,0
41,2
41,4
41,6
41,8
42,0
42,2
Ex,kayip-reaktör
ġekil 5.6. Tersiyer kömürleri gaz ürünlerinin su-gaz değiĢim prosesinin ekserji kayıp
yüzdeleri
91
5.2.3 Birleşik Kömür Gazlaştırma Hidrojen Üretimi Prosesinin Ekserji Kaybı
BirleĢik kömür gazlaĢtırma hidrojen üretimi prosesinin ekserji kaybı aĢağıdaki gibi
ifade edilebilir.
%100xEx
ExExEx
kömür
gazcikankömür
kayip
(5.4)
Burada kömürEx gazlaĢtırıcı ünitesine giren kömür örneğinin kimyasal ekserjisini ve
gazcikanEx ise su-gaz değiĢim reaktöründen çıkan ürün gazlarının toplam kimyasal ve
fiziksel ekserjilerini göstermektedir. TaĢkömürü ve linyitlerin gazlaĢtırılarak hidrojen
üretilmesi prosesinin ve tersiyer kömürlerinin gazlaĢtırma tekniğini kullanarak
hidrojen üretimi prosesinin ekserji kayıp yüzdeleri sırası ile ġekil 5.7 ve ġekil 5.8‟de
verilmiĢtir.
Am
asra
Zo
ng
uld
ak
Cat
alag
zi
Tu
ncb
ilek
Bey
paz
ari
Cay
ırh
an
Afs
in
So
ma
Yat
agan
Can
So
rgu
n
%
70
72
74
76
78
80
82
84
86
88
90
92
Ex,kayıp kömür-hidrojen
ġekil 5.7. TaĢkömürü ve linyit kömürlerinin gazlaĢtırılarak hidrojen üretimi
prosesinin ekserji kayıp yüzdeleri
92
Tersiyer kömürleri
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
%
90,2
90,4
90,6
90,8
91,0
91,2
91,4
91,6
91,8
92,0
92,2
92,4Ex,kayıp kömür-hidrojen
ġekil 5.8. Tersiyer kömürlerinin gazlaĢtırılarak hidrojen üretimi prosesinin ekserji
kayıp yüzdeleri
5.3. Sonuçlar
Türkiye; genç ve büyümekte olan nüfusuyla, kiĢi baĢına düĢük enerji tüketimiyle,
hızlı kentleĢmesiyle ve güçlü ekonomik geliĢimiyle, yaklaĢık son yirmi yılda
dünyanın en hızlı büyüyen ve en önemli pazarlarından birisi haline gelmiĢtir. Öyle
ki, son yıllarda elektrik üretimindeki artıĢ, elektrik talebindeki artıĢı
karĢılayamamaktadır. Enerji refah seviyesinin bir göstergesi ve ekonomik büyümenin
en önemli etkenlerinden birisi olarak algılanmaktadır. Ekonomik ve sosyal geliĢimin
sürekliliğini koruyabilmek için de enerji tasarrufunun ve çevreyi korumanın
gerekliliği bilinmektedir. Enerji ve sürdürülebilir geliĢme arasında sıkı bir bağ vardır.
Her ne kadar tüm enerji kaynaklarının az veya çok çevresel etkileri olsa da, verimli
enerji tüketimiyle bu olumsuz etkileri en aza indirgemek mümkündür. Ekserji ise,
termodinamiğin ikinci kanunundan yola çıkarak kütlenin korunumu ve enerjinin
korunumu prensiplerine dayanan ve enerji sistemlerinin tasarım ile analizlerinde
93
kullanılan verimli bir metot olarak tanımlanabilir. Ekserji, düĢük kaliteli ve yüksek
kaliteli enerji kaynaklarının ayırt edilmesindeki en önemli etkenlerden birisidir. Bu
ayrımı ise enerji analizleriyle yapmamız mümkün değildir. Zira enerji analizleri
enerjinin kalitesi değil ancak miktarı hakkında bilgi edinebilmemizi sağlar.
Bu çalıĢmadaki hesaplamalarda kullanılan linyit santraller, ısıl değeri çok düĢük
yakıt tüketmektedirler. Kendi milli kaynağımızı kullanıyor olmaları ise avantajlı
yönleridir. Bunun yanında çoğu zaman gündeme hava kirliliği gelmektedir. Fakat
son zamanlarda kullanılan yeni teknolojiler, bu zararları minimum seviyeye
indirmiĢtir. Günümüzde doğal gaz ile elektrik üretimi her ne kadar kömüre göre daha
ucuz görünse de ileriye dönük belirsizliği hiçbir zaman göz ardı edilmemelidir. Son
yıllarda Rusya ile yaĢanan kriz bunun en büyük kanıtıdır.
Enerjinin yoğunluğu kadar, çevreye olan zararlarının da minimum olması gerekliliği
günümüzde iyice önem kazanmıĢtır. Fosil yakıt ağırlıklı enerji kullanımı nedeniyle,
üzerinde yaĢadığımız dünyamız gün geçtikçe yaĢanamaz hale gelecektir. Bu yüzden
enerji kaynaklarının hem çevreye dost hem de sürdürülebilir olması çok önemlidir.
Bir de enerjinin mutlaka verimli kullanılması, gereksiz kayıplardan kaçınılması
gerekmektedir. Bu konuda toplumun bilinçlenmesi, gelecekte daha yaĢanabilir bir
dünyayı mümkün kılacaktır.
94
6. KAYNAKLAR
Abraham, S., 2003. Remarks to the Clean Coal and Power Conference. Office of
Fossil Energy. U.S. Department of Energy, Washington, D.C.
www.fossil.energy.gov/news/speeches/03/03_sec_cleancoal_111703.html.
EriĢim Tarihi: 17.10.2003
Adamson, K., 2004. Hydrogen from renewable–the hundred year commitment.
Energy Policy. 32, 1231-1242.
Ahem, J. E., 1980. The Exergy Method of Energy System. John Willey and Sons,
Inc. Toronto.
Ahrendts, J., 1977. The exergy of chemically reacting systems, VDI Forschugsheft
579, VDI, Düsseldorf.
Ahrendts, J., 1980. Reference States, Energy-Int. Journal Volume, 5 pp. 667-677.
Amos, W.A., 1998. Cost of Storing and Transporting Hydrogen. National Renewable
Energy Laboratory Technical Report. NREL/TP-570-25106. Golden, CO:
National Renewable Energy Laboratory, 216p.
Aydemir, S., 1998. Enerji Kaynağı Olarak Hidrojen Üretim Yöntemlerinin
Ġncelenmesi. Trakya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi,
Edirne.
Bejan, A., 1996. Entropy Generation Minimization. The Method of Thermodynamic
Optimization of Finite-Size Systems and Finite-Tine Processes. CRC Press,
Florida.
Bejan, A., 2006. Advanced Engineering Thermodynamic, 3 rd edition, Wiley.
Berinstein, P., 2001. Alternative energy: Facts, statistics and issues. Westport, CF:
Oryx Pres, 208p.
Bilgen, S., 2000. “Calculation of chemical exergy values of some fuels”, MSc thesis,
Trabzon, Karadeniz Technical University.
Bisio, G., 1998. Thermodynamic Analysis of the Main Devices For Thermal Energy
Upgrading. Energy Conversion and Management, Vol. 39: No.3 / 4, 229-242.
Bolton, J. A., 1996. Solar Photoproduction of Hydrogen. IEA Technical Report, 51p.
BP Statistical Review of World Energy, 1999.
Cannon, J., 1997. Clean Hydrogen Transportation: A Market Opportunity for
Renewable Energy. REPP Issue Brief, No. 7, 20 p.
95
Cassedy, E.S., 2000. Prospects for Sustainable Energy. A Critical Assesment.
Cambridge University Press.
Caylor, B., 2001. Coal‟s Role in the National Energy Plan, Energia, Vol. 13, No. 3,
5p.
Chapman, P.F., 1974a. Energy costs: a rewiev of methods. Energy Policy, pp. 91-
103.
Chapman, P.F., Learch, G., Slesser, H., 1974. Energy costs of fuels. Energy Policy.
Pp. 231-243.
Cox, K.E., Williamson, K.D., 1977. Hydrogen: Its Technology and Implications
Volume 1, CRC Press, Cleveland, Ohio, 157 p.
Çengel, Y. A., Boles, M. A., 1996. Mühendislik YaklaĢımıyla Termodinamik.
Derbentli, T., McGraw-Hill – Literatür, Ġstanbul, 867s.
Çengel, Y. A. ve Boles, M.A., 2008. Mühendislik YaklaĢımıyla Termodinamik.
Ġzmir Güven Kitap Evi, 5. Baskı, ISBN:9758431914.
Dicks, A.L., 1996. Hydrogen Generation from Natural Gas for the Fuel Cell Systems
of Tomorrow. Journal of Power Sources. 61, 113-124.
Dinçer, Ġ., 2002. The role of exergy in energy policy making, Energy Policy, 30:
137-149.
Dinçer, Ġ., Rosen, M.A., 2007. Exergy, energy, environment and sustainable
development. Elsevier. Pp. 23-34.
Doctor, R.D., Molburg, J.C., Brockmeier, Stiegel, G., 2001. Designing for hydrogen,
electricity, and CO2 recovery from a Shell gasification based system.
Presented at the 18th
Annual International Pittsburgh Coal Conference,
December 4-7, Newcastle, New South Wales, Australia. Edited by Sperling
D., Cannon, J.S., Burlington, MA: Elsevier Academic Press.
DOE, September 2001. National Energy Technology Laboratory Accomplishments
FY2000, Office of Fossil Energy, Washington, D.C.
DOE, 2003. Energy Security Technology. National Energy Technology Laboratory,
U.S. Department of Energy, www.netl.doe.gov/homeland/energy/security_
main.html. EriĢim Tarihi: 24.01.2003.
Ebadi, M.J., Gorji-Bandpy, M., 2005. Exergetic analysis of gas turbine plants,
International Journal of Exergy, 2(1):285-290, doi:
10.1504/IJEX.2005.006431.
96
EIA, 2001. Energy Price Impacts on the U.S. Economy Energy Information
Administration, U.S. Department of Energy, Washington, D.C.
www.eia.doe.gov/oiaf/economy/energy_price.html. EriĢim Tarihi:
10.04.2001.
EIA, March 2002. International Energy Outlook. Energy Information
Administration, U.S. Department of Energy, Washington, D.C.
EIA, 2003. Annual Energy Review 2002. Energy Information Administration, U.S.
Department of Energy, Washington, D.C.
Forsberg, C., 2003. Hydrogen, nuclear energy, and the advanced high-temperature
reactor. International Journal of Hydrogen Energy. 28, 1073-1081.
Gündüz, U., 1991. The Exergy analysis of absorption refrigeration cycles, Middle
East Technical University, Mechanical Engineering Department, MSc.
Thesis, Ankara, YOK no: 16772.
HepbaĢlı, A., 2008. Endüstriyel iĢletmelerde ekserji yönetim sisteminin kurulması
gerekli mi?. Termodinamik Dergisi, Haziran 2008, Sayı:190.
HFCIT, 2004. Hydrogen Production and Delivery: Photolytic: 2004. U.S.
Department of Energy.
http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/production/photolytic.html.
EriĢim Tarihi: 25.08.2004.
http://www.ewea.org/fileadmin/ewea_documents/documents/publications/WF12/wf1
2-2005.pdf. EriĢim Tarihi: 04.07.2010.
http://www.youthforhab.org.tr. EriĢim Tarihi: 23.06.2010.
Hydrogen from Coal Research, 2004. U.S. Department of Energy.
Hydrogen Internal Combustion, 2004. Ford Motor Company.
http://www.ford.com/en/innovation/engineFueltechnology/hydogenInternalCo
mbustion.htm. EriĢim Tarihi: 27.08.2006.
International Energy Agency (IEA), 2003. Renewables for power generation: Status
and Prospects, Paris, France.
International Energy Agency Greenhouse Gas Program (IEA-GHGP), 2005.
http://www.ieagreen.org.uk. EriĢim Tarihi: 17.05.2008.
J.E. Ahem, 1980. The Exergy Method of Energy Systems Analysis, John Wiley
Sons, Inc., New York.
Karakoç, T.H., 2008. Uzman gözüyle termodinamik ve uygulamaları. Anadolu
Üniversitesi, 18 Nisan, EskiĢehir.
97
Kodama, T., 2003. High-temperature solar chemistry for converting solar heat to
chemical fuels. Progress in energy and combustion science. 29, 567-597.
Köktürk, L., 1999. Ekserji analizi kullanılarak içten yanmalı bir motorun
optimizasyonu. Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,
Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, Zonguldak, YÖK
no: 085188.
Koroneos, C., Spachos, T., Moussiopoulos, N., 2003. Exergy Analysis of Renewable
Energy Sources. Renewable Energy, 28: 295–310.
Kotas, T.J., 1995. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis. Krieger Publishing
Company. Malabar, Florida.
Kripowicz, R. S., Remarks to the Clean Coal Power Initiative Planning Workshop
(National Energy Technology Laboratory, U.S. Department of Energy,
Washington, D.C., September 28, 2001), www.netl.doe.gov/coalpower/ccpi/
main.html.
Moran, M., 1982. Availability Analysis: A Guide to Efficient Energy Use. Prentice-
Hall, INC. New Jersey, 85-105.
Moran, M.J., Sciubba, E., 1994. Exergy Analysis: Principles and Practice J. Eng. Gas
Turbines Power, 116, 2, 285 (6 pages) doi:10.1115/1.2906818.
NEPD Group, 2001. National Energy Policy (National Energy Policy Development,
U.S. Government Printing Office, Washington, D.C.
Newsome, D. S., 1980. The water-gas shift reaction. Catal. Rev. Sci. Eng., 21 (2),
275-381.
Ogden, J.M., 1999. Prospects for building a hydrogen energy infrastructure. In
Annual Review of Energy and the Environment. Vol. 24. Edited by Socolow,
R.H.D., Anderson, and J. Harte, Palo Alto, CA: Annual Reviews, Inc., 221p.
Rant, Z. 1964. Exergy and energy. Wiss. Z. Tech. Univ. Dresden. 13 (4), 1145–1149.
Rifkin, J., 2002. The Hydrogen Economy. Putnam, New York, 189p.
Rosen, M. A., Dincer, Ġ., 1997. On Exergy and Environmental Impact. International
Journal of Energy Research, 21, 643-654.
Rosen, M. A., Dincer, Ġ., 2003. Exergoeconomic Analysis of Power Plants Operating
on Various Fuels. Applied Thermal Engineering, 23, 643-658.
Rosen, M. A., Dincer, Ġ., 2004. Effect of Varying Dead-State Properties on Energy
and Exergy Analyses of Thermal Systems. International Journal of Thermal
Sciences, 43: 121-133p.
98
Shiozawa, S., 2000. Present Status of Jeri‟s R&D on Hydrogen Production Systems
in HTGR. Proceedings of the First Information Exchange Meeting, Paris, 2-3
October 2000. Nuclear Energy Agency, 61p.
Steinfeld, A., 2004. Solar thermochemical production of hydrogen – a review. Solar
Energy. 78, 603-615p.
Svec, V., 2003. Again a Crisis with a Solution: Energy in America and Coal-Based
Generation. American Coal Council, Phoenix, AZ, pp. 15–19.
Szargut, J., 1957. Potential balance of chemical processes. Arch. Budowy Maszyn,
pp. 89-117.
Szargut, J., 1961. Exergy balance of metallurgical processes. Archiwum Hutnictwa,
pp.23-60.
Szargut, J., Styrylska, T., 1964. Approximate evaluation of the exergy of fuels,
Brennstoff-Warme-Kraft, pp. 589-596.
Szargut, J., 1988. Reference level of chemical exergy. Archiwum Termodynamiki,
pp. 41-52.
Szargut, J., Morris, D.R., Steward, F.R., 1988. Exergy analysis of thermal, chemical,
and metallurgical processes. Hemisphere Publishing corporation.
Szargut, J., 2003. Anthropogenic and natural exergy losses (exergy balance of the
Earth‟s surface and atmosphere). Energy, the Intern. Journal, pp. 1047-1054.
Szargut J. 2005. Exergy analysis: technical and ecological applications. Southampton
(UK): WITPress, pp. 19-54.
Tsatsaronis, G., 2008. International Journal of Exergy, Volume 5, Number 5-6, 489 –
499.
Tuncalı, E., Çiftçi, B., Yavuz, N., Toprak, S., Köker, A., Gencer, Z., Aycık, H.,
ġahin, N., 2002. Türkiye Tersiyer Kömürlerinin Kimyasal ve Teknolojik
Özellikleri, MTA Yayını, Ankara.
USDOE-HFC&ITP, 2003. (U.S. Department of Energy-Hydrogen, Fuel Cells and
Infrastructure Technologies Program). Draft multi-year research, development
and demonstration plan: Planned program activities for 2003-2010.
Washington, DC: U.S., Department of Energy, 37p.
USDOE-OFE (U.S. Department of Energy-Office of Fossil Energy), 2008.
http://www.fe.doc.gov. EriĢim Tarihi 02.03.2008.
USEA, June 2002. National Energy Security Post 9/11. U.S. Energy Association,
Washington, D.C.
99
Veziroğlu T. N., Barbir F., 1998. Hydrogen Energy Technologies, UNIDO, A 1400
Vienne, Austria.
Wall, G., 1993. Exergy, ecology and democracy – concepts of vital society.
Proceedings of ENSEC‟93, pp. 111-121.
Wall, G., Gong, M., 2001. On Exergy and Sustainable Development – Part 1:
Conditions and Consepts. Exergy, an International Journal, Vol. 1(3): 128-
145p.
YılbaĢı, Z., 2007. Bir Dizel motorun performansının ekserji analizi ile belirlenmesi.
Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Eğitimi
Anabilim Dalı, Bilim Uzmanlığı Tezi, Zonguldak, YOK no:199776.
Yücelay, A. B., 2000. Gaz türbinli bir bileĢik ısı – güç üretim sisteminin
termodinamik çözümlemesi. Ġstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri
Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Ġstanbul, 123s.
Zittel, W., 1996. Hydrogen in the Energy Sector.
http://www.hydrogen.org/indexe.html. EriĢim Tarihi: 24.07.2004.
100
EK-1. Kömürü gazlaĢtırılarak hidrojen üretimi sağlayan bir entegre sistemin Ģeması
Kömür
GazlaĢtırma
H2O(g) Buhar
Üretimi
H2O(g)
Partikül UzaklaĢtırma
Partikül
Sıcak Gaz
Temizleme Ünitesi
Kükürt
UzaklaĢtırma
Kükürt
Su-Gaz
DönüĢüm Reaktörü
(DSD&YSD)
Hidrojen
SaflaĢtırma
Ünitesi
H2O(g) H2O(g)
H2 Depolama
CO2
H2O(g)
ZnO
Yatak
Kömür
CO
H2O(g)
101
EK-2. Çizelge 4.3. Türkiye‟de ki bazı tersiyer kömürlerinin nitelikleri
Yerler Su Kül C H O N S Alt Isıl
Değer Kimyasal
ekserji
(kJ/kg)
1 Edirne-
Beğendik
15.96 13.90 4.08 16.40 1.29 16.40 1.0767 20421 33.12 23690
2 Edirne-
Karacaali
7.92 23.68 3.35 12.84 1.92 12.84 1.0754 16725 31.87 19450
3 Edirne-
Türkobası
8.31 20.34 3.39 11.05 3.52 11.05 1.0732 17499 31.11 20369
4 Edirne-
MeĢelik
12.31 17.24 3.25 17.09 1.25 17.09 1.0794 16396 36.17 19058
5 Ġstanbul-
Toplutepe
12.20 11.25 3.54 18.94 0.97 18.94 1.0845 15463 42.94 18711
6 Kırklareli-
Tozaklı
8.20 13.70 4.30 21.95 0.80 21.95 1.0882 18210 41.90 21276
7 Kırklareli-
Poyralı
8.80 23.00 3.77 11.93 0.70 11.93 1.0779 14379 37.75 17428
8 T.dağ-
Çifteköprüler
14.40 12.65 3.78 12.84 1.72 12.84 1.0748 18138 32.19 21317
9 Tekirdağ-
Ortadere
10.40 19.78 3.60 15.97 0.82 15.97 1.0788 17233 30.60 19977
10 Balıkesir-
Odaköy
7.20 20.58 3.93 17.28 0.81 17.28 1.0806 18480 34.11 21280
11 Balıkesir-
Çakırca
8.60 23.90 3.64 14.87 0.60 14.87 1.0775 16991 30.82 19550
12 Balıkesir-
Çatak
4.40 43.65 2.51 7.04 2.22 7.04 1.0721 12783 23.98 15049
13 Bursa-Burmu 10.20 9.10 4.01 14.56 2.44 14.56 1.0742 19103 41.60 22392
14 Bursa-
Kaaracalar
6.40 47.50 2.45 12.62 0.57 12.62 1.0878 10127 24.90 11977
15 Ç.kale-
Yeniçeri
8.80 14.35 3.59 10.71 2.12 10.71 1.0703 19774 36.56 23207
16 Çanakkale-
Durali
6.00 20.02 3.77 10.53 2.46 10.53 1.1078 19449 34.65 23381
17 A.karahisar-
Ġsalı
13.77 25.52 2.82 14.97 0.79 14.97 1.0827 13001 32.90 15604
18 Aydın-
Kızılcayer
2.00 25.89 4.13 4.20 0.86 4.20 1.0639 20870 33.53 24404
19 Denizli-
Bostanyeri
1.60 50.63 2.01 5.07 1.05 5.07 1.0654 13323 22.08 15581
20 Kütahya-
Sazköy
1.20 21.37 4.19 6.36 1.21 6.36 1.0654 22740 34.95 26432
21 Muğla-Kultak 10.00 18.43 3.80 13.00 1.40 13.00 1.0756 17900 37.51 20958
22 Manisa-
Tarhala
8.00 19.27 3.95 17.27 0.97 17.27 1.0809 17865 35.12 20651
23 Amasya-
Eskiçeltek
3.50 33.74 3.12 9.22 1.81 9.22 1.0696 16209 28.74 18471
24 Bolu-
MerkeĢler
7.69 13.79 4.07 11.88 1.22 11.88 1.0725 19441 37.51 22921
102
EK-3. Çizelge 4.6 Ġncelemesi yapılan taĢkömürü ve linyitlerin gazlaĢtırılması prosesinden elde edilen ürün
gazının mol ve kütle kesirleri
Kömürler '
2Nv '
2SHv '
COv '
2COv '
4CHv '
2OHv '
2Hv COx 2COx OHx
2
2Hx
Armutçuk 0.0005 0.0003 0.0445 0.0254 0.0007 0.0360 0.0869 0.229 0.130 0.185 0.447
Amasra 0.0005 0.0005 0.0444 0.0253 0.0007 0.0358 0.0879 0.227 0.129 0.183 0.450
Zonguldak 0.0004 0.0002 0.0465 0.0265 0.0007 0.0309 0.0915 0.236 0.134 0.157 0.465
Çatalağzı 0.0004 0.0002 0.0464 0.0265 0.0007 0.0309 0.0925 0.234 0.134 0.156 0.468
TunÇbilek 0.0009 0.0010 0.0376 0.0215 0.0005 0.0523 0.0732 0.201 0.114 0.279 0.391
Beypazarı 0.0007 0.0028 0.0327 0.0187 0.0005 0.0626 0.0614 0.182 0.104 0.348 0.342
çayırhan 0.0008 0.0026 0.0292 0.0167 0.0004 0.0729 0.0484 0.170 0.097 0.426 0.283
AfĢin 0.0014 0.0011 0.0266 0.0152 0.0004 0.0815 0.0507 0.150 0.085 0.460 0.286
Soma 0.0009 0.0008 0.0328 0.0187 0.0005 0.0662 0.0589 0.183 0.104 0.370 0.329
Yatağan 0.0005 0.0016 0.0343 0.0196 0.0005 0.0611 0.0631 0.189 0.108 0.338 0.349
Can 0.0006 0.0019 0.0350 0.0200 0.0005 0.0587 0.0653 0.192 0.109 0.322 0.358
Sorgun 0.0007 0.0033 0.0370 0.0211 0.0005 0.0507 0.0673 0.204 0.116 0.280 0.372
103
EK-4. Çizelge 4.7 Ġncelemesi yapılan tersiyer kömürlerinin gazlaĢtırılması prosesinden elde edilen ürün gazının mol ve
kütle kesirleri
Tersiyer
kömürleri
'
2Nv '
2SHv '
COv '
2COv '
4CHv '
2OHv '
2Hv COx 2COx OHx
2
2Hx
1 Edirne-
Beğendik 0,0004
0,0051 0,0291 0,0166 0,0004 0,0653 0,0504
0.174
0.099
0.39
0.301
2 Edirne-
Karacaali 0,0006
0,0040 0,0249 0,0142 0,0003 0,0697 0,0435
0.158
0.090
0.443
0.276
3 Edirne-
Türkobası 0,0012
0,0034 0,0262 0,0149 0,0004 0,0789 0,0352
0.163
0.093
0.492
0.219
4 Edirne-
MeĢelik 0,0004
0,0053 0,0253 0,0144 0,0004 0,0718 0,0397
0.160
0.091
0.456
0.252
5 Ġstanbul-
Toplutepe 0,0003
0,0059 0,0241 0,0137 0,0003 0,0741 0,0382
0.153
0.087
0.473
0.243
6 Kırklareli-
Tozaklı 0,0002
0,0068 0,0259 0,0148 0,0004 0,0739 0,0413
0.158
0.090
0.452
0.252
7 Kırklareli-
Poyralı 0,0002
0,0037 0,0226 0,0129 0,0003 0,0727 0,0430
0.145
0.083
0.467
0.276
8 T.dağ-
Çifteköprüler 0,0006
0,0040 0,0266 0,0152 0,0004 0,0671 0,0483
0.164
0.093
0.413
0.297
9 Tekirdağ-
Ortadere 0,0002
0,0049 0,0254 0,0145 0,0004 0,0709 0,0427
0.159
0.091
0.446
0.268
10 Balıkesir-
Odaköy 0,0002
0,0054 0,0262 0,0149 0,0004 0,0706 0,0442
0.161
0.092
0.436
0.273
11 Balıkesir-
Çakırca 0,0002
0,0046 0,0253 0,0145 0,0004 0,0703 0,0438
0.159
0.091
0.441
0.275
12 Balıkesir-
Çatak 0,0007
0,0022 0,0185 0,0106 0,0002 0,0721 0,0388
0.129
0.074
0.503
0.271
13 Bursa- 0,0008 0,0303 0,0173 0,0004 0,0625 0,0534
104
Burmu 0,0045 0.179 0.102 0.369 0.315
14 Bursa-
Kaaracalar 0,0002
0,0040 0,0150 0,0086 0,0002 0,0851 0,0238
0.109
0.062
0.621
0.173
15 Ç.kale-
Yeniçeri 0,0007
0,0033 0,0282 0,0161 0,0004 0,0632 0,0519
0.172
0.098
0.385
0.316
16 Çanakkale-
Durali 0,0008
0,0032 0,0280 0,0160 0,0004 0,0632 0,0529
0.17
0.097
0.384
0.321
17 A.karahisar-
Ġsalı 0,0002
0,0046 0,0200 0,0114 0,0003 0,0787 0,0314
0.136
0.077
0.536
0.214
18 Aydın-
Kızılcayer 0,0002
0,0013 0,0282 0,0161 0,0004 0,0592 0,0606
0.169
0.097
0.356
0.365
19 Denizli-
Bostanyeri 0,0003
0,0015 0,0178 0,0101 0,0002 0,0760 0,0331
0.128
0.072
0.546
0.238
20 Kütahya-
Sazköy 0,0004
0,0019 0,0301 0,0172 0,0004 0,0574 0,0620
0.177
0.101
0.338
0.366
21 Muğla-
Kultak 0,0005
0,0041 0,0260 0,0149 0,0004 0,0681 0,0473
0.161
0.092
0.422
0.293
22 Manisa-
Tarhala 0,0003
0,0054 0,0260 0,0149 0,0004 0,0708 0,0441
0.16
0.092
0.437
0.272
23 Amasya-
Eskiçeltek 0,0006
0,0028 0,0249 0,0142 0,0003 0,0674 0,0459
0.159
0.091
0.431
0.294
24 Bolu-
MerkeĢler 0,0004
0,0037 0,0282 0,0161 0,0004 0,0639 0,0532
0.169
0.097
0.385
0.320
105
ÖZGEÇMİŞ
Adı Soyadı: Yunus Emre YÜKSEL
Doğum Yeri ve Yılı: ISPARTA, 1982
Medeni Hali: Bekar
Yabancı Dili: Ġngilizce
Eğitim Durumu
Lise: Gönen Anadolu Öğretmen Lisesi, 1996-2000
Lisans: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, 2000-2006
ÇalıĢtığı Kurum : Tudem Dershanesi, 2006-2009
Tümay Dershanesi, 2009-
Yayınları (SCI ve diğer makaleler)
A. Uluslararası hakemli dergilerde yayımlanan makaleler (SCI):
A.1 Öztürk, M., Özek, N., Yüksel, Y. E. “Energetic and Exergetic Performance
Assessment of Some Coals in Turkey for Gasification Process” International
Journal of Exergy, in press.
B. Uluslararası bilimsel toplantılarda sunulan ve bildiri kitabında (Proceedings)
basılan bildiriler :
B.1 Öztürk, M., Özek, N., Yüksel, Y. E., 2009. Recommendations for Electricity and
Natural Gas Sectors in Turkey. Uluslararası Davraz Kongresi, Isparta.
B.2 Çırak, B. B., Öztürk, M., Yüksel, Y. E., Özek, N., 2009. Yakıt Pillerinin
Sınıflandırılması ve Reaksiyonları. Uluslararası Katılımlı Nükleer ve Yenilenebilir
Enerji Kaynakları Kongresi, sayfa 168-174, Ankara.
B.3 Öztürk, M., Yüksel, Y. E., Özek, N., 2009. Kömür GazlaĢtırmadan Hidrojen
Üretimi Ġçin Türkiye‟de ki Bazı Kömürlerin Ekserji Analizi. Uluslararası Katılımlı
Nükleer ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Kongresi, sayfa 294-300, Ankara.
106
B.4 Öztürk, M., Özek, N., Yüksel, Y. E., 2009. Environmental Impacts of Fossil
Fuels. Uluslararası Katılımlı Nükleer ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Kongresi,
sayfa 586-591, Ankara.
B.5 Öztürk, M., Özek, N., Akkurt, Ġ., Yüksel, Y. E., 2010. Sustainable Development
Efforts in Hydrogen Energy Technologies. International Symposium on
Sustainable Development, International Burch University, Economy and
Management, pp 274-284, Sarajevo.
B.6 Öztürk, M., Yüksel, Y. E., Özek, N., 2010. Thermodynamic Assessment of
Hydrogen Production via Wind Energy. 5th International Ege Energy Symposium
& Exhibition, Pamukkale University, Denizli.
C. Ulusal hakemli dergilerde yayımlanan makaleler :
C.1 Öztürk, M., Özek, N., Yüksel, Y. E., 2010. Doğalgazdan Hidrojen Üretilmesi ve
Salınan Karbondioksitin Tutulması. Süleyman Demirel Üniversitesi, International
Technologic Science, Vol 2, No 3, pp 1-13.
C.2 Öztürk, M., Yüksel, Y. E., Özek, N. Türkiye‟deki Bazı Tersiyer Kömürlerin
Kimyasal Ekserji Analizleri. Adım Fizik Günleri-I, in press.
D. Ulusal bilimsel toplantılarda sunulan ve bildiri kitaplarında basılan
bildiriler:
D.1 Öztürk, M., Bezir, Ç. B., Özek, N., Yüksel, Y. E., 2008. Hidrojen Üretmede
Fotoelektrokimyasal Yöntemin Ġncelenmesi. II. Ulusal GüneĢ ve Hidrojen Enerjisi
Kongresi, pp. 129-140, Osman Gazi Üniversitesi.
D.2 Öztürk, M., Yüksel, Y. E., Özek, N., 2008. Nükleer Enerji ile Hidrojen Üretimi
için Yüksek Sıcaklık Elektrolizinin Ömür Boyu Değerlendirilmesi. II. Ulusal
GüneĢ ve Hidrojen Enerjisi Kongresi, pp. 141-147, Osman Gazi Üniversitesi.
D.3 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, pp.395-401, Kayseri.
E. Uluslararası bilimsel toplantılarda sunulan ve bildiri kitaplarında basılan
özet bildiriler:
E.1 Öztürk, M., Bozkurt, B. B., Yüksel, Y. E., Özek, N., 2008. Analysis of Proton
Exchange Membrane Fuel Cell Performance. 25. Uluslararası Fizik Kongresi, sayfa
135.
E.2 Öztürk, M., Yüksel, Y. E., Özek, N., 2009. Life Cycle Assessment of Hydrogen
Production from Natural Gas Reforming Process. 26. Uluslararası Fizik Kongresi,
sayfa 90, Bodrum, Türkiye.
107
E.3 Öztürk, M., Yüksel, Y. E., Özek, N., 2009. Türkiye‟de Bulunan Bazı Kömürlerin
GazlaĢtırılarak Hidrojen Üretiminin Ekserji Analizi. 26. Uluslararası Fizik
Kongresi, sayfa 91, Bodrum, Türkiye.
