HİDROJEN ÜRETİMİNDE SÜLFÜR İYOT (S-I) TERMOKİMYASAL/HİBRİT ÇEVRİMİNİN ENERJİ VE EKSERJİ ANALİZİ

Transkript

1 TESKON 217 / TERMODİNAMİK SEMPOZYUMU Bu bir MMO yayınıdır MMO bu yayındaki ifadelerden, fikirlerden, toplantıda çıkan sonuçlardan, teknik bilgi ve basım hatalarından sorumlu değildir. HİDROJEN ÜRETİMİNDE SÜLFÜR İYOT (S-I) TERMOKİMYASAL/HİBRİT ÇEVRİMİNİN ENERJİ VE EKSERJİ ANALİZİ FATİH YILMAZ AKSARAY ÜNİVERSİTESİ REŞAT SELBAŞ SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI BİLDİRİ

2 1395 HİDROJEN ÜRETİMİNDE SÜLFÜR İYOT (S-I) TERMOKİMYASAL/HİBRİT ÇEVRİMİNİN ENERJİ VE EKSERJİ ANALİZİ Energy and Exergy Analyses of Thermochemical/Hybrid S-I Cycle for Hydrogen Production Fatih YILMAZ Reşat SELBAŞ ÖZET Termokimyasal-hibrit çevrimler ısı eve elektrik kullanarak termal bir dizi kimyasal reaksiyon sonucunda suyun oksijen ve hidrojene ayrıştırırlar. Bu çalışmada orta sıcaklık uygulamalarından olan sülfür iyot termokimyasal çevriminin farklı reaksiyon sıcaklıklarında ve referans çevre sıcaklıklarında çevrimin enerji ve ekserji analizi incelenmiştir. 25 o C referans çevre sıcaklığında çevrimin enerji ve ekserji verimleri sırasıyla %43,85 ve %62,35 olarak hesaplanmıştır. Anahtar kelimeler; Enerji, Ekserji, Termokimyasal çevrimler, Hidrojen ABSTRACT Thermochemical-hybrid cycles are using only heat and electricity to split water into hydrogen and oxygen through a series of thermally chemical reactions. In this study, we assessed energy and exergy analyses of medium temperature applications sulfur iodine thermochemical cycle at changing reaction and reference environment temperature. The result show that energy and exergy efficiency of sulfur iodine cycle thermochemical cycle calculated as %43,85 and %62,35, at 25 o C reference environment temperatures. Keywords: Energy, Exergy, Thermochemical cycle, Hydrogen 1. GİRİŞ Türkiye de ve dünyada geçmişten günümüze enerji, tartışma konularının en başında gelmektedir. Fosil kökenli yakıtların sınır olması, küresel ısınma ve sera etkilerinden dolayı her geçen gün bu kaynaklara alternatif yeni enerji kaynakları ve çözüm yolları aranmaktadır. Bu bağlamda yenilenebilir ve sürdürülebilir enerji kaynakları ön plana çıkmaktadır. Bütün dünyada ve özellikle de gelişmekte olan ülkelerde yenilenebilir enerji kaynakları üzerine yoğun çalışmalar yapılmakta ve yenilenebilir enerji tabanlı hidrojen geleceğin yakıtı olarak kabul edilmektedir [1]. Yenilenebilir enerji kaynaklarından hidrojen üretilebilirken aynı zamanda üretilen hidrojen enerjisi yakıt pillerinde kullanılarak kimyasal enerjisi elektrik enerjisine doğrudan dönüştürülebilir. Bu tepkime sonucunda yan ürün olarak su ve ısı açığa çıkmaktadır. Hidrojen bir enerji taşıyıcısıdır. Hidrojen, yakıt hücreleri üzerinde çalışan evrendeki en basit eleman ve en bol gazdır. Hidrojen, renksiz kokusuz ve tatsızdır. Güneşte en çok bulunan elementtir [2].

3 1396 Fakat günümüzde Şekil 1 de görüldüğü gibi hidrojen üretiminin yaklaşık %96 sı hala fosil kökenli yakıtlardan elde edilirken sadece %4 lük kısmı elektroliz yoluyla üretilmektedir [3]. Buda çevreye verilen zararın devam ettiği anlaşılmaktadır. Temiz ve doğaya zarar vermeden saf hidrojen üretmek için yenilenebilir enerji destekli elektroliz ve termokimyasal çevrimlerle hidrojen üretim metotları tercih edilmelidir. Şekil 1. Günümüzdeki hidrojen üretim yöntemleri Termokimyasal ve hibrit çevrimler sisteme sadece ısı veya ısı-elektrik ve su girdisi ile suyun kimyasal reaksiyonlar sonucunda oksijen ve hidrojene ayrıştıran çevrimlerdir. Bu çevrimlerde amaç termoliz için gerekli olan 25-3 o C sıcaklıktan daha düşük sıcaklıklarda suyun termal olarak ayrıştırılmasıdır. Şekil 2 de termokimyasal (i) ve hibrit (ii) çevrimler ile hidrojen üretim şeması verilmiştir [4]. Şekil 2. Termokimyasal (i) ve hibrit (ii) çevrimler ile hidrojen üretiminin şematik gösterimi. Literatürde termokimyasal çevrimler ile hidrojen üretimi konusunda oldukça çalışmalar mevcuttur. Genellikle yenilenebilir enerji kaynaklarından olan güneş enerjisi destekli hidrojen üretim metotları üzerine yoğunlaşırmıştır. Yılancı vd. güneş enerjisi destekli hidrojen üretim sistemlerinden olan güneş hidrojen / yakıt pili olan hibrit bir sistemin analizini yapmıştır. Tüm sistemin minimum enerji ve ekserji verimlerini %88 ve %77 olarak belirtmiştir [5]. Joshi vd. güneş enerjisi destekli hidrojen üretim metotlarını incelemiş derleme çalışması yapmıştır ve literatürde bu konuda yapılan çalışmaların ekserji verimlerini karşılaştırmıştırlar [6]. Literatürde aynı zamanda sadece termokimyasal çevrimlerden hidrojen üretimi konusunda yapılmış birçok makale mevcuttur [7-1]. Balta vd. jeotermal destekli termokimyasal ve hibrit çevrimlerden hidrojen üretimi konusunda çeşitli çalışmalar yapmıştır [11-13] Bu çalışmada hibrit bir çevrim olan S-I çevriminin enerji ve ekserji verim analizi teorik olarak incelenmiştir. Farklı referans çevre sıcaklıklarında, çevrimin her bir adımının enerji ve ekserji verimlerinin değişimi araştırılmış ve grafikler halinde sunulmuştur.

4 TERMOKİMYASAL-HİBRİT S-I ÇEVRİMİ S-I çevrimi üç adımdan meydana gelen hibrit bir çevrimdir. Çevrimin birinci adımında yaklaşık 85 o C de endotermik reaksiyon gerçekleşir. İkinci adımda ise yaklaşık 12 o C de ekzotermik reaksiyon gerçekleşmektedir. Bu çevrimin son adımı olan hidrojen üretim adımı ise elektrokimyasal reaksiyon sonucunda hidroiyodik asit (HI), iyodin (I 2 ) ve hidrojen gazına (H 2 ) ye ayrışır. S-I çevriminin birinci adımı genellikle tek bir reaksiyon gibi gösterilir fakat bu adımda iki farklı reaksiyon meydana gelmektedir. İkinci adımdan çıkan H 2 SO 4 kimyasalı birinci adımda ilk başta 4-45 o C sıcaklıkta kükürt trioksit (SO 3 ) ve su (H 2 O) ya ayrışır. Birinci adımının birinci kısmından çıkan SO 3 yaklaşık 85 o C de kükürt dioksit (SO 2 ) ve oksijene ayrışır. S-I çevriminin tesisat şeması Şekil 3 de verilmiştir. Şekil 3. S-I çevriminin tesisat şeması 3. TERMODİNAMİK ANALİZİ Termodinamiğin birinci yasasına dayanan enerjinin korunumu kanunu bir sistemin incelenmesinde temel yöntemdir. Birinci kanun enerjinin niceliğini inceler. Fakat enerjinin korunumu kanunun yanı sıra termodinamiğin ikinci kanunu ile birlikte bir sistemin verimliliğinin değerlendirilmesinde bize daha gerçekçi sonuçlar sunacaktır. Sürekli akışlı sistemler için genel kütle dengesi aşağıdaki şekilde yazılabilir: Burada g sisteme giren kütlesel debiyi ve ç de sistemden çıkan kütlesel debiyi ifade eder. Daha öncede belirtildiği gibi, termodinamik bir sistemin birinci yasası olan enerjinin korunumu yasasıdır ve enerji dengesi genel olarak aşağıdaki şekilde yazılabilir. (1) (2) Kimyasal prosesler için genel enerji dengesi ise eşitlik (3) deki şekilde yazılabilir[14]. Q W o o o o nç h h h ng h h h f f ç g (3) halini alır. Burada Q sistemdeki ısı girişini W ise sistemdeki net iş girişini, n prosese giren ve çıkan o hf mol sayısını ise formasyon entalpisini ifade eder. Belirli bir prosesler için genel ekserji dengesi ise aşağıdaki şekilde yazılabilir [14]. (4)

5 1398 Sürekli rejimde ekserji dengesi ele alındığında sistem içerisinde ekserji değişimi sıfır olacağından birim zamanda ekserji dengesi (ekserji akımı dengesi): (5) ifade edilir. Bir prosesin belirli bir halindeki toplam ekserji ise, o haldeki fiziksel ve kimyasal ekserjisi toplamına eşittir. Bu nedenle belirli bir haldeki toplam özgül ekserji ifade edilecek olursa [14]; ex fiz ( h - h ) - T ( s - s ) ex ex fiz ex kim E x m. ex (8) Eşitlik (7) fiziksel ekserji ve kimyasal ekserji toplamını ifade eder. Eşitlik (8) ise prosesdeki ekserji akımını tanımlar.bu eşitliklerde h entalpiyi, s entropiyi ve alt indis olarak verilen ifadeler ise P ve T olarak belirlenmiş referans durumdaki hali ifade etmektedir. Ekserji yıkımı; ex yıkım - ( h - h ) - T ( s - s ) ex h - h - T s - s exkim - ( ) ( ) 1. Q -W ç kim g T T reaksiyon elde edilir. Kimyasal prosesler için sisteme giren ve çıkan entalpi ve entropi değerlerinin belirlenmesinde aşağıda verilen Shomate eşitliklerinden faydalanılmıştır [15]. 2 T T T 1 h h A* T B * C * D * E * F H T 2 3 T T 1 s A*ln( T ) B * T C * D * E * G T 3 4 Bu eşitlikler, belirli sıcaklıktaki bileşiklerin entalpi ve entropi değerlerinin bulunmasında kullanılırken ifade içerisinde T ile gösterilen sıcaklık (K) biriminde ve 1/1 oranında eşitliğe dâhil edilmelidir. Eşitlik içerisinde verilen A, B, C, D, E, F, G ve H sabitlerinin değerleri NIST den alınmıştır [15]. Referans çevre şartlarında bileşiklerin spesifik kimyasal ekserji değerleri standart kimyasal ekserji olarak adlandırılır. Bu çalışmada reaksiyona giren ve çıkan ürünlerin standart kimyasal ekserji değerleri EP den alınmıştır [16]. Çevrim son adımı olan hidrojen üretim adımında elektrokimyasal reaksiyon için gerekli olan elektrik enerjisi, Gibbs serbest enerji denklemi (12)ve (13) ile hesaplanır. Burada F Faraday sabiti, C/mol, E hücrelerin gerilimi ve n elektrokimyasal reaksiyon sırasında mol değişim oranını ifade eder. (14) (1) (6) (7) (9) (11) (12) (13) (15) Burada çevrimin toplam ısı ihtiyacı ise hidrojenin alt ısıl değerini ifade eder ve 239,92 kj/mol alınmıştır. çevrimin son adımındaki elektrik ihtiyacıdır. hidojenin kimyasal ekserjisi ve çevrime giren ekserjiyi tanımlar.

6 SONUÇLAR Bu çalışmada S-I termokimyasal çevrimi bir dizi kimyasal reaksiyonlar sonucunda 1 mol hidrojen üretimi gerçekleştirmektedir. Yapılan hesaplamalarda çevrim 1 mol hidrojen üretimine göre hesaplamalar yapılmıştır. Enerji ve ekserji hesaplamalarını yapabilmek için bazı kabuller yapılmıştır. Bu kabuller; Referans çevre sıcaklığı (T ) ve basıncı (P ) sırasıyla 25 C ve 1 atm, Tüm kimyasal reaksiyonlarda, reaksiyona giren ve çıkan bileşik ve elementlerin reaksiyon sıcaklığında ve reaksiyonun 1 atm basınçta gerçekleştiği, Ele alınan proseslerde sürekli bir akış söz konusu olduğu ve kontrol hacminin herhangi bir noktasında akımın özellikleri zamana göre değişmediği, Potansiyel ve kinetik enerjilerin ihmal edildiği, Termokimyasal ve hibrit çevrimlerde 1 mol hidrojenin üretildiği göz önünde bulundurulduğu, kabul edilmiştir. Şekil 4 de S-I çevriminin birinci adımının 85 o C reaksiyon sıcaklığında referans çevre sıcaklığının artması ile bu adımın enerji ve ekserji verim değişimi incelenmiştir. Referans çevre sıcaklığı o C den 5 o C ye arttırıldığında çevrimin birinci adımının enerji verimi % 94 lerde sabit kalır iken ekserji verimi ise %7 lerden %71 lere kadar arttığı görülmüştür. 1, T raksiyon = 85 ( o C),714,95 en,si ex,si,712 Enerji verimi,9,71,78 Ekserji verimi,85,76,8, T ( o C) Şekil 4. Adım 1 de sabit reaksiyon sıcaklığında referans çevre sıcaklığının artması ile enerji ve ekserji verim değişimi 12 o C sabit reaksiyon sıcaklığında referans çevre sıcaklığının artması ile çevrimin ikinci adımının enerji ve ekserji verim değişimi incelenmiş ve Şekil 5 de verilmiştir. Şekilden de anlaşıldığı gibi referans çevre sıcaklığının artması çevrimin bu adımının enerji verimi üzerine etkisi çok az iken ekserji veriminin arttığı görülmektedir. 12 o C reaksiyon sıcaklığında 25 o C referans çevre sıcaklığında çevrimin bu adımının enerji verimi ve ekserji verimi sırasıyla %49 ve %75 lerde hesaplanmıştır.

7 14,52,5 T reaction = 12 ( o C) en,sii ex,sii,8,78,76 Enerji verimi,48,74 Ekserji verimi,46,72,44, T ( o C) Şekil 5. Adım 2 de sabit reaksiyon sıcaklığında referans çevre sıcaklığının artması ile enerji ve ekserji verim değişimi Şekil 6 da S-I çevriminin üçüncü adımı olan hidrojen üretim adımının sabit reaksiyon sıcaklığında referans çevre sıcaklığına bağlı olarak enerji ve ekserji verim değişimi incelenmiştir. 45 o C sabit reaksiyon sıcaklığında referans çevre sıcaklığının artması ile çevrimin bu adımın enerji verimi sabit kalırken ekserji veriminin arttığı Şekilde görülmektedir.,36,34 T reaction = 45 ( o C) en, SIII ex, SIII,91,95,9 Enerji verimi,32,895 Ekserji verimi,3,89,28, T ( o C) Şekil 6. Adım 3 de sabit reaksiyon sıcaklığında referans çevre sıcaklığının artması ile enerji ve ekserji verim değişimi S-I çevriminin referans çevre sıcaklığının değişimi ile genel ekserji verim değişimi Şekil 7 de incelenmiştir. Bu çevrimin birinci, ikinci ve üçüncü adımlarının reaksiyon sıcaklıkları sabitken referans çevre sıcaklığı o C den 5 o C ye arttırıldığında ekserji veriminin de %6 lardan %65 lere kadar arttığı görülmüştür.

8 T reaksiyon,adim,1 =85 ( o C) T reaksiyon,adim,2 =12 ( o C) T reaksiyon,adim,3 =45 ( o C).63 Ekserji verimi T ( o C) Şekil 7. S-I çevriminin sabit reaksiyon sıcaklıklarında referans çevre sıcaklığının artması ile ekserji verim değişimi Son olarak da 25 o C referans çevre sıcaklığında çevrimin her bir elemanın ekserji yıkım değerleri Şekil 8 de verilmiştir. Şekilde de görüldüğü gibi en yüksek ekserji yıkım oranı 262 kj/mol H 2 ile birinci adım iken en düşük ekserji yıkım oranı ise bir numaralı ısı değiştiricisinde meydana gelmektedir. Şekil 8. S-I çevrim elemanlarının ekserji yıkım oranı Sonuç olarak yapılan bu çalışmada 25 o C referans çevre sıcaklığında çevrimin birinci, ikinci ve üçüncü adımlarının reaksiyon sıcaklıkları 85 o C, 12 o C ve 45 o C de sabitken 1 mol hidrojen üretimi için S-I termokimyasal çevrimini enerji ve ekserji verimleri sırasıyla %43,85 ve %62,35 olarak hesaplanmıştır. Bu çalışmada öne çıkan bazı sonuçlar; Hidrojen üretiminde fosil kökenli yakıtların kullanımı yerine yenilenebilir enerji destekli hidrojen üretim metotları tercih edilmelidir. S-I termokimyasal- hibrit çevrimi enerji ve ekserji verimleri bakımından öne çıkan çevrimlerdir.

9 142 Çevrim son adımı olan hidrojen üretim adımında gerçekleşen elektrokimyasal çevrim için elektrik ihtiyacı kj/mol H 2 olarak hesaplanmıştır. Ülkemizin, gelişmiş ülkelerde olduğu gibi hidrojen ile ilgili bir strateji, bir politika saptaması ve bu yöndeki çalışmalara ağırlık vermesi gerekmektedir. En yüksek ekserji yıkım oranı iki adımdan meydana gelen birinci adımda görülmüştür. Sabit reaksiyon sıcaklığında referans çevre sıcaklığının artması ile çevrimin ekserji veriminin arttığı görülmüştür. Bu çalışmada sera gazı salınımı olmadan hidrojen üretimi için alternatif bir yol sunulmuştur. Termokimyasal ve hibrit çevrimler çevre dostu hidrojen üretim metotlarıdır. Gelecek yıllarda bu çevrimler ile ilgili deneysel çalışmaların artacağı beklenmektedir. KAYNAKLAR [1] Momirlan, M., Veziroğlu, T.N. Current Status of Hydrogen Energy, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 22, 6: [2] Veziroğlu, Nejat, Dünya Barışı için Türkiye Dünya Barışı için Hidrojen, Ed. Ö. Faruk Noyan, İstanbul,24. [3] Ewan, B.C.R. and Allen, R.W.K. A Figure of Merit Assessment of the Routes to Hydrogen, International Journal of Hydrogen Energy, 3, ,25. [4] Balta, M.T., 21. Jeotermal Esaslı Hidrojen Üretim Sistemlerinin Ekserji ve Eksergoekonomik Analizi. Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, İzmir.148s, [5] Yilanci, A.,Dincer, I. and Ozturk, H.K. A Review on Solar-Hydrogen/ Fuel Cell Hybrid Energy Systems for Stationary Applications, Progress in Energy and Combustion Science, 35(3): , 28, [6] Joshi, A.S.,Dincer, I., and Reddy, B.V. Exergetic Assessment of solar Hydrogen Production Methods, International Journal of Hydrogen Energy, 35, , 21. [7] Carty, R.H., Mazumder, M.M. Schreider, J.D. and Pangborn, J.B. Thermochemical Hydrogen Production, Chicago, IL: Gas Research Institute for the Institute of Gas Technology 1-4: GRI- 8/23,1981. [8] Beghi, G.E. A Decade of Research on Thermochemical Hydrogen at the Joint Research Centre, ISPRA, International Journal Hydrogen Energy, 11(12): , [9] Yalcin, S. A Review of Nuclear Hydrogen Production, International Journal of Hydrogen Energy, 4(8): , 1989 [1] Fletcher, E.A. Solar Thermal Processing: A Review, J. Solar Energy Eng, 123:63 74, 21. [11] Balta, M.T., Dincer, I., Hepbasli, A. Geothermal-based hydrogen production using thermochemical and hybrid cycles: A review and analysis. International Journal of Energy Research, 34(9), [12] Balta, M.T., Dincer, I., Hepbasli, A. Potential methods for geothermal-based hydrogen production, International Journal of Hydrogen Energy, 35(1): , 21. [13] Balta, M.T., Dincer, I., Hepbasli, A. Energy and exergy analyses of a new four-step copper chlorine cycle for geothermal-based hydrogen production, 35(8); , 21. [14] Cengel, Y.A. ve Boles, M.A. Thermodynamics: An Engineering Approach, 6th edition, McGraw- Hill, NY, 28. [15] National Institute of Standards and Technology (NIST), 216, [16] Exergoecology Portal (EP), 216,

10 143 Kısaltmalar E Hücre potansiyeli Enerji oranı, kj/mol H 2 x Ekserji oranı,, kj/mol H 2 Kimyasal özgül ekserji, kj/kg Fiziksel özgül ekserji, kj/mol F Faradays sabiti, C/kmol Oluşum entalpisi, kj/mol Özgül entalpi, kj/mol Özgül referans sıcaklığında entalpi, kj/mol Mol akış oranı, mol/s Gibbs serbest enerji değişimi, kj Enerji verimi Ekserji verimi el Elektrik g Giren ç Çıkan P Üretilen R Reactant Referans noktası ÖZGEÇMİŞ Fatih YILMAZ 1987 yılında Alanya da doğumludur. 27 yılında Süleyman Demirel Üniversitesi Keçiborlu Meslek Yüksekokulu İklimlendirme ve Soğutma Teknolojisi bölümünden, 21 yılında ise aynı üniversitenin Tesisat öğretmenliği bölümü mezunudur. 213 yılında Enerji Sistemleri Mühendisliğinde yüksek lisansını bitirmiş ve 213 yılından beri Aksaray Üniversitesi Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu Elektrik ve Enerji bölümünde öğretim görevlisi olarak çalışmaktadır. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Enerji Sistemleri Mühendisliğinde doktora öğrencisidir. Enerji, ekserji, soğutma ve termokimyasal çevrimler ile hidrojen üretimi konularında çalışmaktadır. Reşat SELBAŞ 1963 Isparta doğumludur. Lisans ve yüksek lisansını Akdeniz Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi nde tamamlamıştır. Yüksek lisansında Atık Isı Geri Kazanımı üzerine çalışmıştır. Doktora çalışmasını Süleyman Demirel Üniversitesi nde Akışkan Yataklı Kurutma üzerine yaparak doktor ünvanını almıştır. Daha sonra Süleyman Demirel Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Enerji Sistemleri Mühendisliği nde doçent ünvanını almıştır. Çalışma konuları; iklimlendirme sistemleri, güneş enerjisi, soğutma sistemleri, güç çevrimleri v.s. dir. Halen Süleyman Demirel Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü nde öğretim üyesi ve Dekan olarak çalışmaktadır. İngilizce ve Almanca bilmektedir. Evli ve bir çocuk babasıdır.