Biyokütleden termal enerji depolama malzemesi ve hidrojence zengin gaz üretimi
Production of thermal energy storage and hydrogen-rich gas from biomass
Yazar: FİKRET MÜGE ALPTEKİN
Danışman: DOÇ. DR. MELİH SONER ÇELİKTAŞ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu tezde, ekonomik ve yenilenebilir yerel kaynaklardan elde edilen fil otu (Miscanthus x giganteus) ve evsel atık su arıtma çamuru karışımı kullanılarak, hidrojence zengin sentez gazı ve enerji depolama cihazlarında kullanılmak üzere karbon bazlı ürün üretimi gerçekleştirilmiştir. Tez çalışması, üç farklı öncelikli alanda yürütülen çalışmaları kapsamakta olup, bu çalışmalar üç aşamada tamamlanmıştır. Tezin ilk aşamasında, yerel kaynaklarımızdan olan bor'un, alkali esaslı katalizörler kullanılarak hidrojen zenginleşmiş sentez gazı üretimine olanak sağlayacak yeni bir katalizör geliştirilmiştir. Biyokütle üzerine uygulanan çeşitli ön işlemlerin, sentez gazındaki hidrojen (H2) konsantrasyonuna etkisini inceleyen bu çalışmada, fil otu hidrokömürü model biyokütle olarak belirlenmiştir. Gerçekleştirilen optimizasyon çalışması ile farklı proses değişkenlerinin, sentez gazdaki H2 (%) konsantrasyonuna olan etkileri incelenmiştir. Model biyokütle kullanılarak gerçekleştirilen katalizör ilaveli gazlaştırma deneylerinde, en yüksek H2 içeriğini sağlayan koşullar 900 °C sıcaklık, %10,0 bor içeriği ve 0,65 biyokütle/katalizör oranı olarak belirlenmiş ve deney sonucunda gaz ürününde %62,88 H2 konsantrasyonu elde edilmiştir. Geliştirilen katalizörün, katran gideriminde önemli bir rol oynadığı görülmüştür.
Tez çalışmasının ikinci aşamasında, Miscanthus'tan enerji depolama teknolojilerinde kullanılmak üzere yüksek yüzey alanına ve toplam gözenek hacmine sahip aktif karbon üretimine yönelik bir optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Farklı bağımsız parametrelerin (sıcaklık, bekleteme süresi, biyokütle:kimyasal oranı) aktif karbonun yüzey alanı ve gözenek hacmi üzerindeki etkilerinin incelendiği optimizasyon çalışması sonucunda, en yüksek oranda yüzey alanına sahip ve gözenek hacmini sağlayan iki optimum koşullar olan OC1 (614°C, 53 dk ve 1:2 biyokütle:kimyasal oranı) ve OC2 (722 °C, 78 dk ve 1:4 biyokütle:kimyasal oranı) belirlenmiştir. Belirlenen optimum koşullarda aktif karbon üretimi gerçekleştirilmiştir. OC1'den elde edilen aktif karbonun BET (Brunauer−Emmett−Teller) yüzey alanı 1.415,4 m2/g ve gözenek hacmi 0,748 cm3/g olarak belirlenirken, OC2'den elde edilen aktif karbonun BET yüzey alanı 1.499,8 m2/g ve gözenek hacmi 1,443 cm3/g olarak tespit edilmiştir. 
Tez çalışmasının üçüncü aşamasında, üretilen aktif karbonların enerji depolama teknolojilerindeki kullanılabilirliği detaylı bir şekilde incelenmiştir. Üretilen aktif karbonlar, elektrokimyasal çift tabaka kapasitörde elektrot materyali olarak ve aynı zamanda termal enerji depolama sistemlerinden olan şekil kararlı faz değişim materyali (ŞKFDM) destek materyali olarak kullanılmıştır. Süperkapasitör uygulamasında, mikro ve mezo gözenekli yapıya sahip OC1 (240 Fg-1), mezo gözenekli yapıdaki OC2 (118 Fg-1) ye göre daha yüksek özgül kapasite sunmuştur. Elde edilen ŞKFDM'ler arasında, SP-OC2 öne çıkmış ve %88.95'lik üstün bir kapsülleme oranı ile 0.597 W/(m.K) artmış termal iletkenlik değerini sergilemiştir.

Abstract:
In this thesis, hydrogen-rich synthesis gas and carbon-based products for use in energy storage devices were produced by using a mixture of elephant grass (Miscanthus x giganteus) and domestic wastewater treatment sludge obtained from economical and renewable local resources. The thesis covers studies carried out in three different priority areas, and these studies were completed in three stages. In the first stage of the thesis, a new catalyst was developed that will enable the production of hydrogen-enriched synthesis gas using alkali-based catalysts using boron, which is one of our local resources. In this study, which examined the effects of various pre-treatments applied on biomass on the hydrogen (H2) concentration in the synthesis gas, elephant grass hydrochar was determined as a model biomass. With the optimization study carried out, the effects of different process variables on the H2 (%) concentration in the synthesis gas were examined. In catalyst-added gasification experiments using model biomass, the conditions providing the highest H2 content were determined as 900 °C temperature, 10.0% boron content and 0.65 biomass/catalyst ratio, and as a result of the experiment, 62.88% H2 concentration was obtained in the gas product. It has been observed that the developed catalyst plays an important role in tar removal.
In the second phase of the thesis, an optimization study was carried out for the production of activated carbon with high surface area and total pore volume from Miscanthus for use in energy storage technologies. As a result of the optimization study, in which the effects of different independent parameters (temperature, holding time, biomass:chemical ratio) on the surface area and pore volume of activated carbon were examined, two optimum conditions were found: OC1 (614°C, 53 min), which has the highest surface area and provides the pore volume. and 1:2 biomass:chemical ratio) and OC2 (722 °C, 78 min and 1:4 biomass:chemical ratio) were determined. Activated carbon production was carried out under the determined optimum conditions. While the BET (Brunauer−Emmett−Teller) surface area of the activated carbon obtained from OC1 is determined as 1,415.4 m2/g and the pore volume is 0.748 cm3/g, the BET surface area of the activated carbon obtained from OC2 is 1,499.8 m2/g and The pore volume was determined as 1,443 cm3/g.
In the third stage of the thesis, the usability of produced activated carbons in energy storage technologies was examined in detail. The produced activated carbons were used as electrode material in the electrochemical double layer capacitor and also as support material for shape stable phase change material (SHKFDM), which is one of the thermal energy storage systems. In supercapacitor application, OC1 (240 Fg-1) with micro and mesoporous structure offered higher specific capacity than OC2 (118 Fg-1) with mesoporous structure. Among the obtained SKFDMs, SP-OC2 stood out and exhibited an increased thermal conductivity value of 0.597 W/(m.K) with a superior encapsulation rate of 88.95%.