Rüzgar enerjisi destekli hidrojen üretim sistemlerinin tekno-ekonomik analizi
Techno-economic analysis of wind energy powered-hydrogen generation systems
Yazar: HAKAN UÇAR
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MURAT GÖKÇEK
Niğde Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Hidrojen enerjisi = Hydrogen energy ; Rüzgar enerjisi = Wind energy

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında, günümüzde bir enerji taşıyıcısı ve kaynağı olarak önemini giderek artırmakta olan hidrojenin rüzgar enerjisi destekli elektrolizör sisteminde üretiminin teknik ve ekonomik analizi yapılmıştır. Çalışmada öncelikle, Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü'ünden temin edilen İzmir-Aliağa rüzgar gözlem istasyonuna ait 2010 yılı rüzgar verileri kullanılarak bu bölgenin rüzgar enerjisi potansiyeli incelenmiştir. Rüzgar karakteristikleri belirlenirken rüzgar hızları için Weibull ve Rayleigh dağılımları incelenmiş, Weibull dağılım parametreleri (k ve c) Grafik, Maksimum Olabilirlik (MLM), Standart Sapma-Ortalama Hız ve Enerji Model Faktörü (EPF) yöntemleriyle ay, mevsim ve yıl bazında belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar R2, Ortalama Hata Karelerinin Toplamının Karekökü (RMSE) ve Ki-kare (?2) hata analizi yöntemleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Diğer taraftan 100 kgH2/gün kapasiteli rüzgar türbini, proton geçirgen membran elektrolizör, kompresör, depo ve dispenserden oluşan bir sistem göz önünde bulundurularak elektrik enerjisi ve hidrojen üretimi incelenmiştir. Sistemde 250 kW, 300 kW, 450 kW, 600 kW, 800 kW ve 1000 kW nominal gücündeki 6 farklı rüzgar türbini ayrı ayrı değerlendirilerek ve Bir Değere Getirilmiş Maliyet Metodu kullanılarak birim elektrik enerjisi ve hidrojen üretim maliyeti hesaplanmıştır. Yapılan çalışmada, ilgili veriler için gerçekleştirilen hata analizi sonuçlarına göre en uygun yöntem olan Standart Sapma-Ortalama Hız Metoduna göre Weibull şekil parametresi (k) 2.13, ölçek parametresi (c) 8.80 m/s olarak ve ayrıca bölgenin güç yoğunluğu değeride 520.71 W/m2 olarak hesaplanmıştır. Günlük 100 kg H2 üretme kapasitesine sahip sistemin 1000 kW nominal gücünde rüzgar türbini ile çalıştırılması durumunda en düşük hidrojen maliyeti 4.3933 $/kg olarak birim elektrik enerjisi maliyeti ise 0.0321 $/kWh olarak hesaplanmıştır. Sonuç olarak gerek elektrik üretiminde gerekse hidrojen üretiminde çevresel endişeler değerledirildiğinde bu çalışmada yapılan ekonomik kabuller altında araştırılan bölgede ekonomik olarak elektrik enerjisi ve hidrojen üretilebileceği görülmektedir.Anahtar Sözcükler: Rüzgar enerjisi, Weibull dağılımı, maliyet analizi, hidrojen üretimi, elektroliz

Abstract:
Role of hydrogen as energy carrier and source in energy sector has been increasing day by day; in this regard, within the scope of this study, techno-economic analysis of hydrogen production in a wind-powered electrolyzer system has been conducted. Firstly, wind energy potential of İzmir-Aliağa has been investigated. Wind data of İzmir-Aliağa wind observation station were taken from General Directorate of Renewable Energy of the Ministry of Energy and Natural Resources of Turkey. In wind characteristics investigations, Weibull and Rayleigh distributions have been predicted, and Weibull parameters, k and c, have been calculated by using Graphical, Maximum Likelihood, Standard deviation-mean speed, and Energy pattern factor methods. To analyze the efficiency of this methods, the following tests are used Root Mean Square Error (RMSE), R2, Chi-square (?2). On the other hand, in hydrogen production system of 100 kgH2/day capacity that are consist of the wind turbine, the PEM (Proton exchange membrane) electrolyzer, the compressor, the fuel tank, and the dispenser are investigated hydrogen and electricity generation. By considering separately the wind turbines with 250 kW, 300 kW, 450 kW, 600 kW, 800 kW and 1000 kW nominal power, electricity and hydrogen costs has been calculated by using the Levelized Cost Method. As result of the statistical tests, the best fit is in the Standard deviation-mean speed method. Weibull shape parameter (k) and scale parameter (c) and so annual power density have been calculated 2.13, 8.80 m/s, 520.71 W/m2, respectively. In hydrogen production system with wind turbine-1000 kW nominal power, electricity and hydrogen cost has been calculated 0.0321 $/kWh, 4.3933 $/kg, that these values are minimal values, respectively. In result, for both electricity and hydrogen production when considering environmental concerns, this site is as promising area for economical electricity and hydrogen production.Keywords: Wind energy, Weibull distribution, cost analysis, hydrogen production, and electrolysis.