Özgün ısıl enerji depolama sistemlerinin analizi ve performans değerlendirmesi
Analysis and performance assessment of novel thermal energy storage systems
Yazar: HAKAN ÇALIŞKAN
Danışman: PROF. DR. ARİF HEPBAŞLI ; PROF. DR. İBRAHİM DİNÇER
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Ekserji analizi = Exergy analysis ; Ekserjoekonomik analiz = Exergoeconomical analysis ; Enerji analizi = Energy analysis ; Enerji depolama sistemi = Energy storage system ; Enerji performans analizi = Energy performance analysis ; Hidrojen depolanması = Hydrogen storage ; Sürdürülebilirlik = Sustainability ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy ; Çevresel etki = Environmental impact

Özet:
Bu tezde, Sistem-I, Sistem-II ve Sistem-III olarak adlandırılan üç farklı sistem ele alınmıştır. Bu sistemlere enerji, ekserji, eksergoekonomik, çevresel ve sürdürülebilirlik analizleri uygulanmıştır. Sistem-I, bir bina ısıtması için birleştirilmiş termokimyasal, gizli ve duyulur ısıl enerji depolama (IED) uygulamasını içermektedir. Çevre (ölü durum) sıcaklıkları 8 °C, 9 °C ve 10 °C olarak değişmektedir. IED sistemleri arasında, akifer IED sisteminin sıcak kuyusu 8 °C ölü durum sıcaklığında sırasıyla % 94.12 ve % 88.78 maksimum enerji ve ekserji verimi değerlerine sahiptir. Ayrıca, en çok sürdürülebilir IED sistemi, akifer IED olarak bulunmuştur. Diğer yandan, bu kombine edilmiş IED sistemi 10 °C çevre sıcaklığında maksimum 1864.07 kgCO2/ay emisyona sebep olmaktadır ve eksergoekonomik sonuçları 33.75 W/$ (enerjetik) ve 10.34 W/$ (ekserjetik) olarak hesaplanmıştır.Sistem-II'de, bir eve yerleşik olarak bulunan güneş enerjili-yer destekli ısı pompalı yeraltı IED sistemi çalışılmıştır. Burada ele alınan sistem temelde güneş enerjisi sistemi, yeraltı IED sistemi ve iç ortam havası iklimlendirme sisteminden oluşmaktadır. Ölü durum sıcaklıkları 0 °C, 5 °C, 10 °C, 15 °C, 20 °C ve 25 °C olarak ele alınmıştır. Maksimum ekserji verimi 0 °C ölü durum sıcaklığında % 40.99 olarak elde edilirken, enerji verimi % 42.94 olarak hesaplanmıştır. Sistem 0 °C ölü durum sıcaklığında daha sürdürülebilirdir. Ayrıca, toplam CO2 emisyonu değeri 321.84 kgCO2/ay olarak bulunmuştur ve eksergoekonomik sonuçlar 0.16 W/$ (enerjetik) ve 0.02 W/$ (ekserjetik) olarak belirlenmiştir.Sistem-III'de, hibrit yenilenebilir enerji destekli hidrojen ve elektrik üretim ve depolama sistemi modellenmiş ve analiz edilmiştir. Örnek çalışmada ki cihazlar, hibrit rüzgar türbini-fotovoltaik panel sistemi, invertör, elektrolizör, hidrojen depolama sistemi, proton değişim membranlı yakıt pili (PDMYP), batarya ve yüktür. Ölü durum sıcaklıkları 0 °C, 10 °C, 20 °C ve 30 °C olarak ele alınmıştır. Maksimum enerji verimi % 53.55 olarak elektrolizör için hesaplanırken, maksimum enerji verimi % 71.70 olarak rüzgar türbini için bulunmuştur. Ayrıca, sistem 135 kgCO2/ay emisyona sebep olmaktadır ve eksergoekonomik sonuçları 0.41 W/$ (enerjetik) ve 0.26 W/$ (ekserjetik) olarak elde edilmiştir.

Abstract:
In this thesis, three different systems, which are named as System-I, System-II and System-III, are undertaken. Energy, exergy, exergoeconomic, environmental and sustainability analyses are applied to these systems. System-I includes a combined thermochemical, latent and sensible thermal energy storage (TES) application for a building heating. The environment (dead state) temperatures vary to be 8°C, 9°C and 10°C. Among the TES systems, the hot well of the aquifer TES has maximum energy and exergy efficiency values of 94.12% and 88.78% at 8°C dead state temperature, respectively. Furthermore, the most sustainable TES system is found to be the aquifer TES. On the other hand, this combined TES system causes maximum 1864.07 kgCO2/month emissions at 10°C environment temperature and its exergoeconomic results are calculated as 33.75 W/$ (energetic) and 10.34 W/$ (exergetic).In System-II, an underground TES system with a solar-ground coupled heat pump installed in a house is studied. The system considered here mainly consists of a solar energy system, an underground TES system and an indoor air conditioning system. The dead state temperatures are considered as 0°C, 5°C, 10°C, 15°C, 20°C and 25°C. The energy efficiency is calculated to be 42.94%, while the maximum exergy efficiency is obtained as 40.99% at 0 °C dead state temperature. The system is more sustainable at 0 °C dead state temperature. Also, the total CO2 emissions value is found as 321.84 kgCO2/month and the exergoeconomic results are determined as 0.16 W/$ (energetic) and 0.02 W/$ (exergetic).In System-III, a hybrid renewable energy based hydrogen and electricity production and storage system is modeled and analyzed. The devices in the case study are a hybrid wind türbine-photovoltaic panel system, an inverter, an electrolyzer, a hydrogen storage system, a proton exchange membrane fuel cell, a battery and a load. The dead state temperatures are considered as 0°C, 10°C, 20°C and 30°C. The maximum exergy efficiency is found to be 71.70% for the wind turbine system, while the maximum energy efficiency is calculated as 53.55% for the electrolyzer. Also, the system causes 135 kgCO2/month emissions and its exergoeconomic results are obtained as 0.41 W/$ (energetic) and 0.26 W/$ (exergetic).