Doğalgazdan hidrojen üretimi: Su buharı metan reformasyon simülasyonu, rafineri emisyon yönetimi, güneş enerjisi ile ekonomik ve çevresel değerlendirmesi
Hydrogen production from natural gas: Steam methane reforming simulation, refinery emission management, economic and environmental evaluation with solar
Yazar: HAMDİ HAKAN OKUMUŞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ DURUSU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Teknolojileri Ana Bilim Dalı / Enerji Teknolojisi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Su-buharı metan reformasyonu (SMR), su buharı ve metanı kullanarak hidrojen gazı üretimi sağlayan bir süreçtir. Bu çalışmada, SMR yöntemi ve kullanılan katalizörler teorik olarak incelenmiş ve oluşturulan proses Aspen Plus® v11 yazılımında modellenmiştir. Elde edilen sonuçların ekonomik ve çevresel analizleri gerçekleştirilmiştir. Hidrojen sentezinde kullanılan çeşitli katalizörler incelenmiş ve ticari olarak yaygın olan nikel katalizörleri detaylı olarak değerlendirilmiştir. Geniş çalışma koşulları ve ürün dağılımı nedeniyle Ni4AlCe katalizörü tercih edilmiştir. Doğal gaz ve dietanolamin bileşenleri kullanılarak, sabit yataklı çok tüplü bir reaktörde reaksiyon gerçekleştirilmiş ve dönüşüm oranları hesaplanmıştır. Hidrojenin metan gazından oluşum yüzdesi belirlenmiştir. Sentez gazı karışımı, fraksiyonlara ayrılarak yüksek saflıkta hidrojen gazı elde edilmiştir. SMR prosesi, metanın %80-85 oranında hidrojene dönüştürmüştür. Kalan metan ve su, enerji verimliliğini artırarak çevresel sürdürülebilirliği sağlamak amacıyla yeniden kullanılmaktadır. Tesisin yıllık üretim kapasitesi ile belirli miktarda hidrojen üretilmiş ve gelirler hesaplanmıştır. İlk yıl, %50 kapasiteyle 51.522.948 kg hidrojen ve $154.568.844 gelir elde edilmiştir. İkinci yıl, %90 kapasiteyle 92.741.306,4 kg hidrojen ve $278.223.919,2 gelir sağlanmıştır. Üçüncü yıldan itibaren %100 kapasiteyle her yıl 103.045.896 kg hidrojen ve $309.137.688 gelir elde edilmiştir. Hidrojen kilogram başına satış fiyatı ortalama $3 olarak varsayılmıştır. Tesisin sabit sermaye yatırımı $163.267.032 olarak belirlenmiştir. İşletme ve kurulum maliyetleri yıllara göre sırasıyla $101.838.332,5, $94.004.498,8 ve $31.333.833,7 olarak hesaplanmıştır. Güneş enerjisi sistemi kurulumu ve bakımı, ilk yıl $27.380.756, ikinci yıl $21.904.605 ve üçüncü yıl $5.476.151; dördüncü yıldan itibaren ise sadece işletme ve bakım giderleri $1.634.672 olarak belirlenmiştir. Güneş enerjisiyle enerji maliyetleri önemli ölçüde azaltılmıştır. Karbon emisyonlarının değerlendirilmesi sonucu, güneş enerjisiyle Kapsam 2 emisyonları nötrlenmiştir. Tesisin kümülatif nakit akışı dördüncü yıl itibarıyla başa baş noktasına ulaşmış ve sonraki yıllarda sürekli kar sağlamıştır. Bu çalışma, SMR yönteminin ve güneş enerjisiyle ekonomik ve çevresel faydalarını ortaya koyarak enerji projeleri için önemli bir referans sunmaktadır. Gri hidrojenden mavi hidrojene geçiş yapmak isteyen tesisler için gerekli teknolojik ve ekonomik bilgileri sağlamaktadır.

Abstract:
Steam Methane Reforming (SMR) is a process that produces hydrogen gas using steam and methane. This study examines the SMR method and catalysts theoretically and models the process using Aspen Plus® v11 software. Economic and environmental analyses of the results have been performed. Various hydrogen synthesis catalysts were reviewed, with a focus on commercially prevalent nickel catalysts. Due to its broad operational range and product distribution, the Ni4AlCe catalyst was chosen. Using natural gas and diethanolamine compounds, reactions were carried out in a fixed-bed multi-tube reactor, and conversion rates were calculated. The synthesis gas mixture was fractionated to obtain high-purity hydrogen gas. The SMR process converts approximately 80-85% of methane into hydrogen. The remaining methane and water are recycled to enhance energy efficiency and environmental sustainability. With the facility's annual production capacity, hydrogen production and revenue were calculated. In the first year, operating at 50% capacity, 51,522,948 kg of hydrogen was produced, generating $154,568,844 in revenue. In the second year, at 90% capacity, 92,741,306.4 kg of hydrogen was produced, with revenue of $278,223,919.2. From the third year onward, operating at full capacity, 103,045,896 kg of hydrogen was produced annually, resulting in $309,137,688 in revenue. The average selling price of hydrogen was assumed to be $3 per kilogram. The facility's fixed capital investment was $163,267,032. Operating and installation costs were $101,838,332.5 in the first year, $94,004,498.8 in the second year, $31,333,833.7 in the third year. Solar energy system costs were $27,380,756 in the first year, $21,904,605 in the second year, and $5,476,151 in the third year; from the fourth year onwards, only $1,634,672 in operational and maintenance costs were incurred. Solar energy usage significantly reduced energy costs. This study highlights the economic and environmental benefits of SMR and solar energy, providing essential information for facilities transitioning from gray to blue hydrogen.