Fosforik Yakıt Hücresinin Ticari Binalarda Kullanımı Use in Commercial Buildings of phosphoric Fuel

Transkript

1 Fosforik Yakıt Hücresinin Ticari Binalarda Kullanımı Use in Commercial Buildings of phosphoric Fuel Adem YILMAZ Batman Üniversitesi Hacire DEVİREN Batman Üniversitesi Özetce - Dünyadaki birçok şirket yenilenebilir enerji ürünlerini tercih etmeye başladı. Önümüzdeki 10 yıl içinde fosil yakıtlara kıyasla yenilenebilir enerji projelerinin maliyetleri de azaltılacak. Dünyadaki çevre sorunlarına paralel olarak enerji ihtiyaçları artıyor. Bu nedenle, çevre dostu ve uzun ömürlü enerji teknolojilerini günlük hayata uyarlamak gerekir. Yakıt hücresi teknolojisi, bu bakış açısıyla araştırılması gereken teknolojidir. Yakıt hücresinin birçok uygulama alanı vardır. Ticari yapılarda yakıt hücrelerinin yeri araştırıldı. Bu çalışmada, ticari binalarda fosfor yakıt hücrelerinin kullanımı araştırılmış, güçleri ve çalışma prensipleri tartışılmıştır. Anahtar kelimeler: Yakıt hücresi, yakıt hücresi uygulamaları, PAFC yakıt hücreleri Abstract - Many companies around the world have started to prefer renewable energy products more. In the next 10 years, compared to fossil fuels, the costs of renewable energy projects will also be reduced. Energy needs are increasing in parallel with environmental problems throughout the world. Therefore, it is necessary to adapt energy technologies that are environmentally friendly and durable to everyday life. Fuel cell technology is the technology that should be explored from this point of view. There are many application areas of fuel cells. the location of the fuel cells in commercial buildings was investigated. In this study, the use of phosphoric fuel cells in commercial buildings was investigated and their strengths and working principles were discussed. Keywords : Fuel Cells, Applications of Fuel Cell, PAFC fuel cell. I. GİRİŞ Dünyadaki enerji üretimi, nüfus artışına, sanayileşmeye ve teknolojik gelişimlere bağlı olarak artmaktadır. Fosil enerji kaynaklarının yakılması sonucu açığa çıkan karbon dioksit, karbon monoksit, metan vb. gazlar çevresel problemlere yol açmaktadır. Son zamanlarda çevresel kaygıların artmasıyla birlikte fosil yakıt rezervleri tükenmektedir. Fosil kaynakların yerini sürdürülebilir, temiz, sürekli, tamamen çevreyle dost olan yenilenebilir enerji kaynakları kullanımını gündeme getirmiştir. Bu kaynakların başına güneş, rüzgâr ve su gücü ( hidrolik enerji, jeotermal gelgit ve dalga enerjisi ) biokütle ve hidrojen gelmektedir. Yakıt hücresi konusunda 200 yıl önce başlayan çalışmalarda, 1990 lı yıllarda ar-ge çalışmalarının yoğunluk kazandığı görülmektedir. Yakıt hücrelerinde doğada en fazla element olarak bulunan hidrojen yakıt olarak kullanılmaktadır. Yakıt hücreleri yanma olmaksızın enerji üretim verimleri yüksek, çevresel etkilerin düşük olması, modüler yapıda olması, ekonomik olması nedeniyle giderek daha geniş kullanım alanları bulunmaktadır. Yakıt hücreleri yanma olmaksızın yakıt olarak hidrojenin kullanılması sıfır emisyon ile elektrik üretebilmek için elektrokimyasal reaksiyon içinde oksijen ile birleşerek kimyasal enerjisini elektrik ve ısı formunda kullanılabilir elektrik enerjisine çevirmektedir. Yakıt hücrelerinde verimin artırılmasıyla bu alandaki çalışmalar gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde son hızla devam etmektedir. Yakıt pilleri birçok uygulama alanlarında kullanılmakta olup kullanım alanı giderek artmaktadır. Başta otomotiv sektöründe önem arz etmektedir. Almanya, Japonya, Amerika da ticari binalar için geliştirilmiş yakıt pili uygulamaları önemli bir konuma gelmektedir [1]. Eker vd. hücre genişliği sabitken akış kanal genişliğinin artırılmasıyla akım yoğunluğunun azaldığını ifade etmişlerdir [2]. Dinçer yaptığı çalışmada yakıt hücresinin katot performansının ölçmüş ve geliştirilmesi için önerilerde tavsiyede bulunmuştur [3]. Polimer elektrolit yakıt hücreleri çeşitli endüstriyel uygulamalara taşımacılık sektörüne ve konut yapılara uygulamasında büyük bir potansiyel güce sahiptir. Bu uygulamaların giderek artmasıyla çevreye verilen zararların en aza indirgenme ve ekonominin gelişmesi ümit edilmektedir [4]. Schlesinger vd., tarafından 1953 yılında NaBH4 ün hidrolizi indirgeyici bir madde olarak ve hidrojen üretiminde kullanımı konusunda bir çalışma yapılmıştır [5]. Tübitak Marmara araştırma merkezi ( TÜBİTAK MAM ) ve Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü (BOREN) tarafından NaBH4 elde edilmesi onu direkt yakıt hücresi üretimi üzerinde çalışmalar yapılmıştır [6]. Yılmaz vd., NaBH4 kullanarak H2 üreterek bir yakıt hücresinin analizi üzerine çalışma yapmıştır. Güce ve ideal voltaja göre ortalama verim değerleri sırasıyla % 42 ve % 83 olarak bulmuştur [7] de William Grove sülfirik asit kullanarak ilk gaz bataryası keşfini gerçekleştirmiştir [8] de V.Elmare ve H.A.Tanner "Orta Sıcaklık Yakıt Hücreleri " makalelerinde Teflon conta içerisinde %35 fosforik asit ve %65 silika tozdan oluşan deneylerini gerçekleştirmişlerdir. PAFC inde oksijen yerine hava kullanılmıştır. Çalışma sonucunda asit hücresi 90 miliamper/cm² akım yoğunluğunda belli bir süre bozulmaya uğramadan çalıştırılmıştır ve 1970 lerin sonunda diğer 125

2 yakıt pillerinin ilerlemesindeki gecikmeden dolayı PAFC büyük merak uyandırmıştır. Union Carbide de Karl Kordesch ve R.F Scarr ın beraber yaptığı çalışmada "substrate ve teflon kaplı karbon tabakası kadar katalizör taşıyıcı karbon kağıdından yapılan ince bir elektrolit elde etmişlerdir. TARGET olarak bilinen sanayi ortaklığı tarafından bu çalışma desteklenmiştir. Pratt&Whitney ve American Gas Association tarafından TARGET desteklenip 1969 da 15 kw civarında olan yakıt hücre santralleri 1983 yılında 5 MW güce ulaşmıştır. First National Bank of Omaha (Amerika) bilgi işlem merkezi fosforik asitli yakıt pillerinin tam anlamıyla ticari uygulamalarından birisidir. Archer ve Wimmer tarafından büyük ofis binalarında fosforik asit birleşik ve güç sistemleri için çalışma yapılmıştır [9]. Bu çalışmada yakıt hücreleri tanımı, çalışma prensibi, tarihsel gelişimi, yakıt tipleri ve ticari binalarda kullanımı analiz edilmektedir. A.Yakıt Hücrelerinin Çalışma Prensibi Yakıt hücreleri, dışarıdan sağlanan yakıt anot tarafı ( en yaygın olanı Hidrojen ) ve oksitleyici katot tarafı ile ( en yaygın olanı hava ) birleşerek elektrolit ortam içerisinde reaksiyona girmesiyle elektrik üretir. Kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik ve ısı formunda kullanılabilir enerjiye dönüştüren çevirici teknolojileridir. Bu reaksiyon bir katalizör etkisi ile gerçekleşmektedir. Reaksiyona anot tarafından giren yakıtın elektron ve pozitif yüklü iyonlara ( anyon ) ayrılır. Elektrolit madde anyonların katoda geçişine izin vermez. Böylece elektronlar devre elemanı üzerinde akmaya zorlanır. Bir proseste geri toplanan elektronlar anyonlarla ve oksitleyici ile birleşerek atık ürünlerin oluşmasını sağlar. Bu iki işlem ile yakıt hücresinin içi diğer hücrelerden daha kararlı hale gelip gerekli olan yakıt akışı sağlandığı sürece kimyasal reaksiyon devam eder böylece elektrik üretimi sürekli hale gelir. Hidrojenli yakıt hücreleri için teorik verim % arasındadır. Binalarda kullanılan ve geliştirilmekte olan 5 çeşit yakıt pili bulunmaktadır. Proton Değişim Membranlı Yakıt Pilleri (PDMYP) Alkali Yakıt Pilleri (AYP) Fosforik Asit Yakıt Pilleri (FAYP) Erişmiş Karbonat Yakıt Pilleri (EKYP) Katı Oksit Yakıt Pili (KOYP) Gerçek anlamda ticari uygulamaları bulunan tek pil çeşidi fosforik asitli yakıt pilleridir. Fosforik asit yakıt hücresi için reaksiyon formülü gösterimi aşağıdaki gibidir: Anot Reaksiyonu: 2H2 4H + + 4e Katot Reaksiyonu: 4H + + 4e + ½ O2 2H2O Toplam Reaksiyon: 2H2 + O2 2H2O + Enerji Tablo 1. Ticari Fosforik Asit Yakıt Pili Karakteristikleri[10] Kapasite, kwe 400 Boyut, m 2 /kwe 5,5 Elektriksel Verimi - %50 yükte %42 Elektriksel Verimi %42 Toplam Verim %90 Toplam Isıl Kapasite, kwt 500 CO 2 Emisyonu 508 kg/mwh CO Emisyonu kg/mwh NO x Emisyonu kg/mwh II. MATERYAL VE YÖNTEM 2.1 Fosforik Asit Yakıt Pilinin Ticari Binalarda Uygulamaları Son yıllarda Almanya, Amerika, Japonya da otel, hastane ve elektrikli araçlarda kullanılmak için geliştirilmiş yakıt pilleri uygulamaları mevcuttur. Binalarda kullanılan yakıt pillerinin sayısı gün geçtikçe artmaktadır yılları arasındaki artış miktarı Şekil 2 de gösterilmektedir. Bunlardan en önemli olanı Fosforik asitli yakıt pilleri ekzotermik reaksiyon sonucu açığa çıkan ısı ile birçok uygulamada kullanılmaktadır. Yakıt olarak temiz emisyonsuz olan Hidrojenin kullanılması ile hem elektrik hem ısı üretilebilmektedir. Şekil 1. Bir yakıt pilinin genel yapısı ve işleyişi [7] B. Yakıt Pili Tipleri ve Gösterimi Şekil 2. 10kW tan Büyük Sabit Yakıt Pili Uygulamalarının Yıllık Artışı ve Toplam Sabit Yakıt Pili Sayısı [1] 126

3 ABD Başkanı G.W. Bush 28 Ocak 2003 tarihinde yaptığı bir konuşmada hidrojen enerjisini hürriyet yakıtı olarak tanımlamış ve bu alandaki çalışmalara destek amacıyla 1.7 milyar dolarlık bir kaynak ayrıldığını söylemiştir. ONSI Corp. adında bir Amerikan firması 200 kw enerji sağlayan fosforik asit tipi (PC25) yakıt pilinin pazarlamasını yapmaktadır. Japonya da Tokyo Electric Company tarafından kurulan 11 MW lık elektrik santralı Rokko adasının elektrik ve ısı ihtiyacını karşılamakla birlikte, kapasiteleri 50 ile 500 MW arasında değişen yüzlerce yakıt pili tesis bulunmaktadır. Sadece Tokyo da şehrin elektrik ihtiyacının kw lık bölümü hidrojen enerji sistemlerinden sağlanmaktadır. Japonya da Tokyo Electric Company nin yanısıra Sanyo, Hitachi, Toshiba, Kawasaki, Fuji Electric, Kansai Electric, Amerika da, Westinghouse, Institute of Gas Technology (IGT), Unocal, San Diego Gas and Electric, Avustralya da Seramic Fuell Cell Ltd, Avrupa da Siemens KWU, Dornier System, Sulter Innotec, dünyada yakıt hücreli sistemleri kullanan ve gelişimi için çalışmalar yapan şirketlerden bazılarıdır. [11] Şekil 4. 6 Adet Paralel Olarak Çalışan 200kWe lık Fosforik Asitli Yakıt Pilleri [1] First National Bank of Omaha (Amerika) bankalar vb. yoğun bilgi akışının olduğu yerlerde elektrik kesintisi vb. gibi sorunların sebep olduğu kayıpların yaşanmaması için fosforik asitli yakıt pillerinin bilgi işlem merkezinde ticari uygulamaları bulunmaktadır [13]. Şekil 5. Fosforik Asit Yakıt Pili Banka Bilgi İşlem Merkezi Kesintisiz Enerji Kaynağı Uygulaması [1] A. Yöntem Şekil 3. New York da Yonkers Treatment binasını 1997 yılından beri besleyen 200 kw lık ONSI Ünitesi (FAYP) [ 11 ] Fosforik asit yakıt pilleri ticari açıdan önemlidir. Günümüz itibariyle verimleri sadece elektrik üretimi olduğunda %42 verimle çalışan fosforik yakıt pili üniteleri bulunmaktadır. Bunların sorunsuz çalışması ile yüksek kapasitelere çıkabilmektedir yılları arasında en büyük fosforik asit yakıt pili uygulaması Tokyo elektrik tarafından işletilmiş olan 11 MW lık yakıt pili güç santralidir [12]. Fosforik asitli yakıt pili sistemin temel bileşenleri Şekil 3 te gösterilmektedir. Hidrojen dahili ve ya harici bir reformasyon ünitesi ile doğal gazdan dönüştürüldükten sonra elde edilmesi, doğal gazın çok kolay ulaşılabilir bir yakıt olması en genel yöntemdir. Yakıt olarak doğal gaz kullanıldığı gibi temiz emisyonsuz hidrojen de kullanılabilmektedir. Fosforik asit yakıt hücreleri güç sistemine yakıt olarak saf hidrojen kullanılacaksa doğrudan güç üretim kısmına beslenir. Diğer yakıtlar önce yakıt işleme ünitesine gönderilir. Buradan elde edilen hidrojence zengin gaz güç üretim ünitesine gelir. Bu üniteye havanın da gelmesiyle güç üretimi gerçekleşir. Burada oluşan doğru akım bir güç dönüştürücü ile alternatif akıma dönüştürülür. Bu tip bir yakıt hücresi, 100 kw ile 400 kw aralığında çıkış gücüne sahip sabit güç jeneratörlerinde dünya çapında birçok ticari tesise güç sağlamak için kullanılmaktadır. Fosforik asit yakıt pillerinin verimleri sadece elektrik üretimi söz konusu olduğunda %42, kojeneratif uygulamalar ile verimleri elektrik ve ısı ile birlikte %85 lere çıkabilmektedir. 180ºC -210ºC aralığında çalışabilmekte hem ısı hem elektrik üretmektedir. Fosforik asit yakıt pili CO₂ e karşı duyarlıdır ve kullanılan yakıtta karbondioksitin bulunması sorun çıkarmaz. Bu yüzden çeşitli gazlar ile çalışabilme imkanları yüksektir. Yakıt pillerinin verimlerinin diğer uygulamalara oranla daha avantajlı olmasının en önemli nedeni kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüşümünde hareketli parça bulundurmamasıdır. Sürtünmeden dolayı oluşan tersinmezlikler yakıt pilinde söz konusu değildir. Hareketli parça bulundurmamaları yakıt pillerini diğer uygulamalara kıyasla daha güvenilir kılmaktadır. Ticari uygulamalarda yakıt pilleri sessiz çalıştıklarından dolayı 127

4 avantajlıdır. Yakıt pilleri kısmi yüklerde bile tam verimle çalışırlar. Sonuç olarak bakıldığında diğer enerji üretim yöntemlerine kıyasla sera gazı emisyonlarının azaltılması ve geleceğin yeşil enerji kaynağının olacağından daha avantajlı olduğu görülmektedir. Şekil 8. Yılllık Toplam Kurulu Sabit Yakıt Pili Kapasitesi [1] Bu alanda çalışmalar yapan firmalarda bazı örnekler aşağıda verilmiştir [16] Şekil. 6 Ticari Yakıt Pili Uygulaması [14] Plug Power (ABD) firması, küçük çaplı (5 kwe) yakıt pilli geri besleme sistemleri üretmektedir. Bunun yanında yine 5 kw elektrik ve 9 kw termal olmak üzere evsel kojenerasyon ürünleri de vardır. 1. Doğal Gaz 2. Güç Koşullandırma 3. Yakıt İşleme (Reformasyon) 4. Alternatif Akım - AC 5. Hidrojence Zengin Gaz 6. Hava 7. Yakıt Pili 8. Kullanılabilir Atık Isı 9. Doğru Akım-DC 10. Egzoz Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği CO₂ emisyon parametreleri ile fosforik asitli yakıt pilinin emisyon değerleri karşılaştırıldığında diğer uygulamalara göre düşük olduğu görülmektedir. Bu durum BEP in yönetmeliğinin bu durumu göz önünde bulundurarak fosforik asit yakıt pilinin Türkiye de gelişmesine olanak sağlayacaktır. Şekil 8. Plug Power firmasına ait GenCore (solda) ve GenSys (sağda) ürünleri [16] Vaillant firması, Almanya nın 20 farklı noktasında 4,6 kw elektrik gücü ve 11 kw ısıtma gücü olan yakıt pilli mikro kojenerasyon sistemlerinin saha testlerini sürdürmektedir. Firma bu teknolojinin geliştirilmesi için AB 5. çerçeve programına destek için başvurarak yaptığı Ar-Ge çalışmaları için 8,6 milyon Avro luk maddi destek sağlamıştır. Bu çerçevede Vaillant, Plug Power Hollanda, Cogen Europe, IST, TEE, DLR, Sistemas De Calor, Gasunie, Ruhrgas, E.On Energie AG de proje içerisine alarak sanayi ve üniversite işbirliğiyle projeyi yürütmektedir. Şekil 7. FAYP CO₂ Emisyonu ile BEP Yönetmeliği Emisyon Parametrelerinin Karşılaştırılması [15] Şekil 7 de yıllık sabit yakıt pili sayısına bağlı kurulu yakıt pili kapasitelerinde artış görülmektedir. 128

5 hücrelerinin çevreyle uyumlu olmasıyla birlikte artışı da parelellik gösterir de Kyoto Protokolünün sona ermesiyle birlikte yakıt hücrelerinin çevre dostu bir enerji türü olması da göz önüne alarak Türkiye de önemli bir konuma gelecektir. Amerika, Kanada, Tokyo gibi gelişmiş ülkelerde fosforik asit yakıt pili ile çalışan yakıt pili tesisleri kurulmuştur. Fakat bazı uygulamaları gelişim aşamasında olduğu için hala ticari bina uygulamalarında yer bulamadıkları görülmektedir. Yukarıdaki analizlerin sonucunda gelecekteki yıl içerisinde değerlendirildiğinde Türkiye gibi yeni teknolojilere hemen adapte olabilen toplumlarda yakıt hücrelerine olan ilgilinin artacağı öngörülmektedir. Yakıt pilleri değerlendirildiğinde yakıt pillerinin otomotiv sektörünün tetiklemesiyle çevre dostu olmasının yanında yüksek verime sahip olması maliyetlerinin düşürülmesi ile 21.yy alternatif yakıtlar içerisinde sıfır emisyonlu ısı ve elektrik üretecekleri görülmektedir. Şekil 9. Vaillant firmasına ait FCU 4600 ürünü [16] RWE Fuel Cell firması, Idatech ve Bosch-Buderus ile birlikte yürütülen çalışmalarda ısıtma uygulamalarında kullanılan 5 kwe kapasiteli yakıt pilli sistemlerinin testlerini yapmaktadır. Şekil 10. RWE Fuel Cell firmasına ait FCS 1200 (solda) ve FCS NG (sağda) ürünleri (IdaTech ) [16] KAYNAKLAR Baxi Group (İngiltere), 2 kw elektrik gücü ve 4 40 kw ısıtma gücü olan yakıt pilli kombi ile ilgili sistemlerinin yaygınlaştırılması ve sorunsuz çalıştırılması için saha çalışmalarını sürdürmektedir. [1] [2] Eker, E., Tayaz, İ. Akış kanalı genişliğinin PEM tipi yakıt hücresi performansına etkisinin incelenmesi. SAÜ. Fen Bil. Der.,17, 35-40, [3] Dincer, K.PEM Yakıt hücresinin katod tarafı performansının geliştirilmesi. Selçuk ÜniversitesiTB MYOTeknik-Online Dergi,13(2);38-49, [4] Hayashi, A., Kosugi, T., Yoshida, H. Evaluation of polymer electrolyte fuel cell application technology R&Ds bygert analysis. Int.J. HydrogenEnergy,30(9); , [5] Schlesinger, HI., Brown, HC., Finholt, AE. et. al. Sodium borohydride, its hydrolysis and its use as a reducing a gent and in the generation of hydrogen. J. Am. Chem. Soc. 75;215,1953 [6] İnger, E., Özdemir, Z., Yaşar, İ., Tırıs, M., Bahar, T., San, FGB. Sodyum borhidrür üretimi ve doğrudan sodyum borhidrürlü yakıt pili üretimi ve entegrasyonu. Türkiye 10. Enerji Kongresi, Kasım, İstanbul, [7] Yılmaz, A., Demir M.E., Şevik S.Sodyum borhidrür (NaBH4) destekli bir hidrojen/hava pem yakıt hücresi ile elektrik üretiminin deneysel analizi. Batman Üniversitesi Yaşam Bilimleri Dergisi, 2017 (Yayın aşaması). [8] arsiv.mmo.org.tr/pdf/11920.pdf [9] [10] [11] [12] SAMMES,N.,BOVE,R., STAHL,K. Phosphoric acid fuel cells:fundamentals and applications,solid State&Materials Science,2004 [13] GALLIERS, S., Fuel Cell Technology,BSRIA, 2003 [14] ms/fuel%20cells/fchandbook7.pdf [15] [16] Residential Cogeneration Systems: A Review of The Current Technologies, A Report of Subtask A of FC+COGEN-SIM, The Simulation of Building-Integrated Fuel Cell and Other Cogeneration Systems, Annex 42 of the International Energy Agency Energy Conservation in Buildings and Community Systems Programme, first published in April Şekil 11. Baxi Group firmasına ait mikro-chp ürünü [16] Yakıt hücreleri teknolojisi günümüzde oldukça önemli bir konuma gelmektedir. Günümüzde yapılan ve geliştirilmekte olan bu çalışmalar yakıt pillerinin ticari konutlardaki önemini artırmaktadır. III. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Bu çalışmada yakıt pilleri hakkında bilgi verilmiş olup, fosforik asit yakıt pilinin kullanılabilirliği yaşamdan örneklerle ele alınmıştır. Gelişme potansiyeli yüksek olan (yakıt hücrelerinin) bu teknolojilerin tek dezavantajı üretim maliyetinin yüksek olmasıdır. Ama yapılan çalışmalarla maliyeti düşürüldüğü takdirde binalarda kullanılacağı görülmektedir. Alternatif enerji kaynağı olan yakıt 129