Şebekeden bağımsız, güneş ve rüzgar kaynaklı, batarya ve hidrojen depolamalı hibrit enerji sistemlerinin dinamik modellemesi, enerji, ekserji ve seviyelendirilmiş maliyet analizi
Dynamic modelling, energy, exergy and levelized cost analysis of solar and wind powered hybrid stand alone energy systems with battery and hydrogen storage
Yazar: AYŞE FİDAN ALTUN
Danışman: PROF. DR. MUHSİN KILIÇ
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Alternatif enerji kaynakları = Alternative energy resources

Özet:
Hibrit enerji sistemleri, birden fazla enerji kaynağı ile çalışan enerji sistemlerinden oluşur. Enerji güvenliği ve maliyet, bu sistemlerde dikkate alınması gereken iki önemli unsurdur. Bu doktora tezinde, şebekeden bağımsız, enerji depolamalı hibrit enerji sistemleri, gerçek iklim verileri kullanılarak, geçici rejimde, dinamik olarak modellenmiştir. Elektrik üretiminde rüzgar türbini, dizel jeneratör, fotovoltaik paneller, yakıt hücresi gibi farklı enerji üretim sistemleri çeşitli kombinasyonlar oluşturularak, hibrit olarak modellenmiştir. Ayrıca hidrojen depolama ve batarya gibi farklı enerji depolama alternatifleri de incelenmiştir. Modellenen enerji sistemlerinin yıllık sera gazı salınımları ve seviyelendirilmiş enerji maliyetleri hesaplanmış, en iyi sistem konfigürasyonlarına bu değerler dikkate alınarak karar verilmiştir. Her bir sistem bileşeninin enerji ve ekserji verimleri incelenmiştir. Vaka analizi için seçilen şehirlerden Konya ve İstanbul için rüzgar türbini-FV panel dizisi-yakıt hücresi-elektrolizör ve dizel jeneratör, Trabzon ve Muğla için ise yalnızca FV panel dizisi-yakıt hücresi-elektrolizör ve dizel jeneratörden oluşan hibrit enerji sistemi önerilmiştir. Çalışmanın sonuçları, hibrit enerji sistemlerinin kullanılmasının enerji güvenilirliğini artırdığını ve böylelikle düşük enerji depolama kapasitelerinde bile sistemin yükü minimum atıl enerjiyle, güvenle karşılayabildiğini göstermiştir. 

Çalışmada ayrıca hidrojen depolama ve batarya depolama alternatifleri, teknik ve ekonomik açıdan karşılaştırılmıştır. Hidrojenin, yüksek kütlesel enerji yoğunluğundan kaynaklı olarak, üretilen enerjiyi daha uzun süreli depolayabildiği ve bu sebeple hidrojen depolamalı sistemlerin yıllık dizel yakıt tüketimleri ve yıllık atıl enerji miktarlarının, batarya depolamalı sistemlere göre daha az olduğu görülmüştür. 

Küresel enerji ihtiyacı her geçen gün artmaktadır. Yapılan bu çalışma ile hibrit enerji sistemlerinin yüksek verimleri ve düşük yakıt tüketimleri ile hem çevresel hem de ekonomik anlamda önemli faydalar sağlayabileceği vurgulanmıştır.

Abstract:
Hybrid energy systems operate with more than one energy source. Energy reliability and levelized cost of energy are two concerns to consider in these systems. In this study, stand-alone, hybrid energy systems were modelled dynamically with using real meteorological data. For electricity production, different energy producers such as wind turbines, diesel generators, photovoltaic panels, and fuel cells were modelled in hybrid configurations. In addition, different energy storage alternatives such as hydrogen and batteries were modelled. The CO2 emissions and the LCOE were calculated, and the best system configurations were decided based on these values. Energy and exergy efficiency of each component was calculated. Between all locations a PV array, wind turbine, fuel cell, electrolyzer and diesel generator system was recommended for Konya and Istanbul, and a PV array, fuel cell, electrolyzer and diesel generator system was recommended for Mugla and Trabzon. The results showed that the hybridization of the system increases the energy reliability and thus the system can safely meet the load with minimum idle energy.

Hydrogen and battery storage alternatives were compared technically and economically. It has been observed that hydrogen can store generated energy for longer periods due to its high energy density, therefore, the annual diesel fuel consumption and dumped energy are lower than that of battery storage.

Global energy need is increasing. With this study, it has been emphasized that hybrid energy systems can provide significant benefits in terms of environmental concerns and economic feasibility, due to their high energy efficiencies, low fuel consumption.