Enerji ve hidrojen dönüşüm teknolojileri ile Türkiye'nin endüstriyel atık enerji geri kazanım potansiyelinin değerlendirilmesi
Evaluation of Turkey's industrial waste energy recovery potential with energy and hydrogen conversion technologies
Yazar: FUNDA ATEŞ
Danışman: DOÇ. DR. HASAN ÖZCAN
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Dünyada enerjiye olan ihtiyaç her geçen gün artış göstermektedir. Özellikle bu durum gelişmekte olan ülkelerde nüfus artışı, sanayileşme ve teknolojik gelişmelerle birlikte, ilerleyen yıllarda enerjiye olan talebi daha çok artıracaktır. Türkiye enerji açısından %70 oranında dış ülkelere bağımlı bir ülkedir. Ülkemizde fosil enerji kaynakları gün geçtikçe tükenmekte olup, dünyamıza geri dönüşü olmayan zararlar vermekle birlikte gelecek nesillerin yaşam alanlarını tehdit etmektedir. Sanayi sektörü Türkiye'de kullanılan enerji miktarını ciddi oranda etkilemektedir. Enerji kaynaklarının sınırlı olduğu ve sanayi ürünleri talebinin artmaya devam ettiği göz önüne alındığında, endüstriyel enerji ihtiyacının karşılanması ve gelecekte ekonomik etkilerin en aza indirilmesi önemli bir zorluk olacaktır. Bu çalışmada Türkiye sanayisinin yıllara göre enerji tüketimi hesaplanmış ve bu potansiyele bağlı olarak endüstriyel enerji üretimi için termal dönüştürücü sistemleri araştırılmıştır. 
Seçilen güç ve hidrojen teknolojileri maksimum sıcaklık gereksinimlerine göre hidrojen üretimi için entegre edilmiş ve 20 farklı örnek olay karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. İncelenen bu 20 örnek olayın dördü termodinamik ve ekonomik açıdan ayrıntılı olarak incelenmiştir. 100-200⁰C atık ısı için bir absorbsiyonlu güç çevrimi (APC) ve Proton Değişim Membran Elektrolizörü (PEME) sistemi, 200-300⁰C için Organik Rankine Çevrimi (ORC) ve Alkalin Elektrolizörü (AE) seçilmiştir. Güç üretimi için 300⁰C'nin üstünde Buhar Rankine Çevrimi (SRC) ve hidrojen üretimi için MgCl hibrit termokimyasal çevrimi kullanılmıştır. Yüksek sıcaklıktaki atık ısı durumunda (500⁰C'nin üstünde) hibrit Kükürt (HyS) çevrimi açık Gaz Türbini (GT) sistemi ile kullanılmıştır.
Türkiye'nin yıllık toplam endüstriyel enerji tüketimi 900 PJ ve atık ısı potansiyeli 71 PJ civarındadır. Bu atık ısının sıcaklık oranları 100-200⁰C aralığı için % 40, 200-300⁰C aralığı için % 14, 300-400⁰C aralığı için % 6, 400-500⁰C aralığı için % 9, 500-1000⁰C aralığı için % 31'dir. Hidrojen üretimi için yukarıda seçilen konfigürasyonları kullanarak, APC-PEM sistemi için yıllık 24,7 ton/yıl, ORC-AE sistemi için 30 ton/yıl, SRC-MgCl sistemi için 132 ton/yıl ve GT-HyS sistemi için 840 ton/yıl oranında yıllık hidrojen üretimi mümkündür. APC-PEM sistemi için hidrojen üretim maliyeti ortalama 2,56 $/kg, ORC-AE sistemi için hidrojen üretim maliyeti ortalama 3,17 $/kg, SRC-MgCl sistemi için hidrojen üretim maliyeti ortalama 2,026 $/kg ve GT-HyS sistemi için hidrojen üretim maliyeti ortalama 1,84 $/kg'dır. Seçilen teknolojiler arasında, GT destekli HyS, yüksek sıcaklık aralıklarında çalışması sayesinde en yüksek verime ve en uygun ekonomiye sahiptir. Azalan kaynak sıcaklığı, azalan verimlilik ve artan ürün maliyetleri eğilimi göstermektedir. Atık ısıdan elde edilen hidrojen, endüstriyel kullanım için sunulan teknolojilerin mevcut olması halinde, geleneksel fosil kaynaklı hidrojen üretim teknolojileri ile rekabet edebilir. Üretilen hidrojen yakıt olarak kullanıldığında Türkiye'nin yıllık doğalgaz tüketiminin % 1'ine karşılık gelmekte ve 700 milyon TL üzerinde tasarruf potansiyeline sahiptir.

Abstract:
The need for energy in the world is increasing day by day. In particular, this situation will increase the demand for energy in developing countries with population growth, industrialization and technological developments. Turkey is a country dependent on foreign countries for energy by 70%. In our country, fossil energy sources are being depleted day by day and they cause irreversible damages to our world and threaten the life areas of future generations. The industrial sector affects the amount of energy used in Turkey considerably. Given that energy resources are limited and demand for industrial products continues to increase, meeting the industrial energy demand and minimizing the economic impact in the future will be a major challenge. In this study, the energy consumption of Turkish industry over the years have been calculated and the potential thermal conversion system's use in industrial waste heat for energy production is investigated. 
Selected power and hydrogen technologies are coupled for hydrogen generation based on their maximum temperature requirements and 20 different hydrogen production scenarios are comparatively analyzed. Out of 20 studied cases, 4 best are studied detail thermodynamically and economically. An absorption power cycle (APC) driven Proton Exchange Membrane Electrolyser (PEME) system is selected for 100-200°C waste heat, and Organic Rankine Cycle (ORC) driven Alkaline Electrolyser (AE) is selected for 200-300°C. Above 300°C Steam Rankine Cycle (SRC) is considered for power generation and MgCl hybrid thermochemical cycle is used for hydrogen generation. At high temperature waste heat condition (above 500°C) hybrid Sulfur (HyS) cycle is used with open Gas Turbine (GT) system. 
Turkey's total industrial energy consumption is 900 PJ and its waste heat potential is around 71 PJ. The rates of this waste heat are 40% for 100-200⁰C, 14% for 200-300⁰C, 6% for 300-400⁰C, 9% for 400-500⁰C, 31% for 500-1000⁰C. Using the above selected configurations for hydrogen generation, an annual production of hydrogen is possible at a rate of 24,7 tons/year for APC-PEM system, 30 tons/year for ORC-AE system, 132 tons/year for SRC-MgCl system and 840 tons/year for GT-HyS system. Hydrogen production cost for APC-PEM system average 2,56 $/kg, hydrogen production cost for ORC-AE system average 3,17 $/kg, hydrogen production cost SRC-MgCl system average 2,026 $/kg and hydrogen production cost for the GT-HyS system is an average of 1,84 $/kg. Among selected technologies, GT driven HyS has the highest efficiency and most feasible economics thanks to its high temperature operation. Decreased source temperature shows tendency for decreased efficiency and increased product costs. Hydrogen from waste heat can be competitive with the conventional fossil driven hydrogen technologies in near terms if presented technologies are available for industrial use. The produced hydrogen is used as fuel corresponds to 1% of Turkey's annual natural gas consumption and has the potential to save over 700 million TL.