PEM yakıt hücresi destekli kojenerasyon sisteminin nümerik modellenmesi ve termoekonomik optimizasyonu
Numerical modeling and thermoeconomic optimization of PEM fuel cell assited cogeneration system
Yazar: ÖMER FARUK GÜLER
Danışman: DOÇ. DR. CEYHUN YILMAZ
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Güneş enerjisi = Solar energy ; Jeotermal enerji = Geothermal energy ; Termodinamik analiz = Thermodynamic analysis ; Termoekonomi = Thermoeconomy ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Bu araştırmada, elektrik üretimi yapan, hidrojen üreten ve ısıtma sistemi olarak bir santral tasarımı hedeflenmiştir. Kaynak olarak Afyon Ömer Gecek jeotermal sahasında bulunan 130°C'taki jeotermal su ve bölgenin güneş potansiyelinden yararlanılmıştır. Bölgede çıkan su debisi 85 kg/s iken ortalama güneş radyasyonu 600 W/m2 olarak kabul edilmiştir. Bu kaynakları en iyi şekilde kullanmak adına üç farlı model tasarımı kullanılmıştır. İlk model de parabolik oluklu güneş kollektörlerinden elde edilen enerji ve jeotermal sudan elde edilen enerji bir Organik Rankine Çevrimine(ORC) aktarılmış. Buradan elektrik üretilmiştir. Elde edilen elektrik hidrojene dönüştürülmüş ve tekrar bir yakıt hücresi ile elektrik enerjisi üretilmiştir.  Model 2'de de benzer kaynaklar benzer amaçla kullanılırken verimliliği arttırmak adına, Model 1 dekinden farklı olarak çift kademeli bir ısı değiştirici sistemi kullılmıştır. ORC de jeotermal ile ısıtılan R-134a, güneş enerjisinden gelen Therminol VP-1 ile tekrar kızdırılmıştır. Üçüncü modelde ise ekonomik kaygılar ile düz plakalı bir güneş enerjisi sistemi kullanılmıştır. Therminol VP-1 yerine su kullanılmıştır. Bu modelde ORC deki R-134a'ya ön ısıtma yapılmış daha sonra jeotermal ile ısıtılmıştır. Güneş enerjisinden ve Jeotermal kaynaktan gelen enerjiler ORC'ye aktarıldıktan sonra kalan ısı üç modelde de konut ısıtmaya aktarılmıştır. ORC'den, sırasıyla Model 1'de 2.67 MW, Model 2' de 2.87 MW ve Model 3 de de 2.56 MW elektrik üretilmiştir. ORC elektrik birim maliyeti ise Model 1, Model 2 ve Model 3 için sırasıyla 0.0108 $/kWh, 0.0098 $/kWh, 0.0111 $/kWh' tir. Daha sonra elektrikten elektrolizer ile üretilen hidrojen maliyeti ise sırasıyla 1.585 $/kg, 1.551$/kg, 1.585 $/kg'dır. Daha sonra yakıt hücresinden tekrar elektrik üretmenin maliyeti ise 0.06748 $/kWh, 0.06607 $/kWh, 0.06822 $/kWh tir. Son olarak sistemler optimize edilmiş ve sonuçları sunulmuştur. Sistemlerin enerji ve ekserji verimlikleri sırasıyla Model 1 için, %27,65 ve %34,56, Model 2 için % 23,22 ve 33,88, Model 3 için %25,85 ve %32,66'tır.

Abstract:
In this research, it is aimed to design a power plant that produces electricity, produces hydrogen and as a heating system. Geothermal water at 130°C in the Afyon Ömer Gecek geothermal field and the solar potential of the region were used as sources. While the water flow rate in the region is 85 kg/s, the average solar radiation is accepted as 600 W/m2. Three different model designs were used to make the most efficient use of these resources. In the first model, energy from parabolic trough solar collectors and energy from geothermal water were transferred to an Organic Rankine Cycle (ORC). Electricity is produced here. The resulting electricity was converted into hydrogen and electrical energy was produced again with a fuel cell. While similar sources are used for similar purposes in Model 2, a double-stage heat exchanger system is used, unlike Model 1, in order to increase efficiency. R-134a heated by geothermal in ORC was reheated with Therminol VP-1 from solar energy. In the third model, a flat plate solar energy system was used due to economic concerns. Water was used instead of Therminol VP-1. In this model, R-134a in ORC was preheated and then heated with geothermal. After the energies from solar and geothermal sources were transferred to ORC, the remaining heat was transferred to residential heating in all three models. ORC produced 2.67 MW in Model 1, 2.87 MW in Model 2 and 2.56 MW in Model 3, respectively. ORC electricity unit cost is 0.0108 $/kWh, 0.0098 $/kWh, 0.0111 $/kWh for Model 1, Model 2 and Model 3, respectively. Then, the cost of hydrogen produced from electricity by electrolyzer is $1,585/kg, $1,551/kg, and $1,585/kg, respectively. Then, the cost of generating electricity from the fuel cell again is 0.06748 $/kWh, 0.06607 $/kWh, 0.06822 $/kWh. Finally, the systems were optimized and the results were presented. The energy and exergy efficiencies of the systems are 27.65% and 34.56% for Model 1, 23.22% and 33.88% for Model 2, and 25.85% and 32.66% for Model 3, respectively.