LEE- Enerji Bilim ve Teknoloji-Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19271

Gözat

Demir çelik endüstrisinde toz kömür ve karışımları enjeksiyonunun çevresel etkisinin incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Koyunoğlu, Cemil ; Arısoy, Ahmet ; 686069 ; Enerji Bilim ve Teknoloji

Yüksek fırında kok tüketimini ekonomik sebeplerden ötürü azaltmak üzere geliştirilen toz kömür enjeksiyon teknolojisi, faydalarla birlikte bazı sorunları da beraberinde getirmektedir. Bu güncel sorunlardan önemli olanı, yüksek toz kömür enjeksiyonu nedeniyle kömürün yanma kalitesinin düşmesi ve yanmayan kömür parçacıklarının kok yatağı geçirgenliğini bozmasıdır. Hem maksimum toz kömür enjeksiyonunun sağlanması hem de düşük emisyon kaygıları nedeniyle yanma rejiminin iyileştirilmesi gerekmektedir. En önemli beklentiler, yanma alev kararlılığının sağlanması gibi yanma kalitesini arttıracak önlemler olmaktadır. Yanma kalitesinin arttırılması için yanma koşullarının iyileştirilmesi gerekmektedir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile çalışan ANSYS-FLUENT çözümü, bu amacı kolaylaştıran önemli bir araçtır. Ayrıca yakıt türünün geliştirilmesi (ön işlemden geçirme, uçuculuğu yüksek külü düşük bir biyokütle ile veya iyileştirilmiş bir kömür ile karıştırarak yakma vb.) de diğer bir yöntem olarak demir çelik endüstrisinde tercih edilen alternatiflerdendir. Tez çalışmasında, yüksek fırında toz kömür yakılmasını simüle eden bir model geliştirilmiştir. Bu model ANSYS-FLUENT paket programı kullanılarak geliştirilmiştir. Modelin doğrulanmasında, literatürden yararlanılarak, pilot ölçekli bir toz kömür enjeksiyon sisteminde (EUR8544 projesi) yapılmış deney sonuçları kullanılmıştır. Geliştirilen ANSYS FLUENT ön-karışmasız yakma model sonuçları bu deneylerle karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırma, model ile deneysel proje sonuçlarının önemli ölçüde birbiri ile uyumlu olduğunu göstermektedir. Doğrulanan model yardımıyla optimizasyon çalışması yapılarak, yanma koşullarındaki iyileşmeler tespit edilmiştir. Modelde ve deneyde belirlenen sıcaklık dağılımları karşılaştırmasına göre, ölçülen ve hesaplanan değerler iyi bir uyum içindedir. O2 gaz çıkış yüzdesi dağılımında simülasyonla hesaplanan oksijen yüzdesi biraz daha yüksektir. Yanmanın yoğun olduğu bölgede CO oranı hesapta çok daha yüksek görülmektedir. CO2 oranı deney ve hesapta yaklaşık %14 civarında salınmaktadır. Uçucu çıkış hızı dağılımına göre ölçülen ve hesaplanan değerler iyi bir uyum içindedir. Yanabilen kömür (char) yanma hızı dağılımına göre ölçülen ve hesaplanan değerler önemli ölçüde uyumludur. Sonuç olarak yanma kalitesinin artması için, toz kömür enjeksiyonunun yakma havası ile buluştuğu enjektör çıkışında hava ile birlikte yoğun bir şekilde karışmasının zorunlu olduğu görülmektedir. Kok beslemesi sırasında, yüksek fırınının üstünden beslenen havanın yarattığı basıncın fırında dengelenmesi ve kömür yanma veriminin hesaplanması için, tüyerden yakma havasının kömür ile birlikte giriş hızının ortalama 200 m/s olduğu görülmüştür. Tüyerden YF'ye giren toz kömür parçacıklarının modellenen yanma geometrisinde hava ile etkin bir şekilde karıştığı bölgelerde yanmanın daha etkin olduğu söylenebilir. Nitekim CO2 oranının aynı bölgede fazla çıkması, etkin karışım bölgesinde, ideal yanmanın sağlandığının bir diğer göstergesidir. Kömür besleme debisi, üfleme hızı gibi parametreler modelde değiştirilerek, optimum koşulların belirlenmesine çalışılmıştır. Bununla birlikte model üzerinde kömür ve biyokütle karışımları çalışılarak, biyokütle kullanımı imkanları araştırılmıştır. Günlük ortalama 528 ton kok fırına şarj edilmektedir. Ham kömür ile marangoz talaşı karışımı halinde, toz kömür karışım miktarı günlük 134,7 ton olabilir. Bu da yaklaşık olarak günde 126,9 ton kok tasarrufu anlamına gelir. Ham kömür ile Mısır koçanı karışımı halinde ise, yaklaşık olarak günde 126,9 ton kok tasarrufu sağlanabilmektedir.
The use of doped ZnO nanomaterials with enhanced optoelectronic properties as an electrode

(Graduate School, 2021-01-15) Ürper, Osman ; Baydoğan, Nilgün ; 301152002 ; Energy Science and Technology ; Enerji Bilim ve Teknoloji

In this thesis, the structural characteristics of ZnO:Al thin film have been modified for its improvement of optical parameters and electrical properties to applying in optoelectronic devices. ZnO:Al thin film has presented optimum properties for optoelectronic applications such as photovoltaic solar cells, transparent conductors, semiconductor heterojunctions due to the improvement of its optical model and energy band gap. The optical parameters have been improved with Al concentration to exploit ZnO:Al thin film due to the enhancement of electronic properties as semiconductor materials in diode technology. The refractive index and extinction coefficient were changed slightly due to the increase of Al concentration. The examinations of extinction coefficient (k) and refractive index (n) have presented the importance to use this cost-effective thin film in the semiconductor devices. For this purpose, the main objective of this research to focuses on investigation structural, optical, and electrical properties of ZnO thin films as a transparent layer for thin films. This research focused on three interrelated topics in this dissertation; i) different Al doping concentration, ii) pre-post annealing temperature, and iii) various annealing ambient showed important impact on structural, optical, and electrical properties of ZnO metal oxides. Pure and Al-doped ZnO thin films were deposited on the glass substrates by sol-gel dip and spin coating techniques. During the study, the influence of the techniques compared on the ZnO:Al films structural and optoelectronic features. The films were prepared by dip coating technique provided lower sheet resistivity and higher surface roughness. Due to the better optoelectronic result of the dip coating technique, the ZnO:Al /p-Si heterojunction films were prepared by sol-gel dip coating technique. Various different techniques applied to characterized ZnO:Al thin films structural, optical, and electrical properties for analyzing doping concentration, pre-post annealing effects, and different annealing ambient conditions. Controlling doping concentration, pre and post annealing temperature, and ambient condition provided high quality crystal structure (hexagonal wurtzite structure), lowest grain boundaries and sheet resistivity (oxygen and vacuum ambient) and lowest lattice defects and good surface roughness (at 700°C and 800°C). Al doped ZnO thin films were deposited on p-Si substrate to preparing ZnO:Al/p-Si heterojunction films for optoelectronic applications. Al doped ZnO played a critical role in the heterojunction films as a transparent electrode layer. ZnO:Al films show high transparency (%85), low absorption in the visible-infrared region where electromagnetic waves and atoms displayed lowest interaction, large band gap (~3.37eV) which only absorb high frequency electromagnetic waves in the UV region, and high rectification ratio (good rectifying behavior) with p-Si. Additionally, ZnO:Al/p-Si heterojunction films show good compatible at interface and tune band bending.
Yüksek güçlü LED (ışık yayan diyot) ışık kaynaklı armatürlerin soğutma sistemlerinde ısı borularının kullanım analizi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021-01-25) Ateş, Seher ; Onaygil, Sermin ; 301112008 ; Enerji Bilim ve Teknoloji

LED ışık kaynakları günümüzde genel aydınlatma uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Işık akısı, etkinlik faktörü ve ömür gibi kriterler dikkate alındığında LED ışık kaynakları geleneksel ışık kaynaklarının alternatifi olabilecek performanslar ortaya koyabilmektedir. Ancak çalışma sırasında yüksek ısıl güçlerin açığa çıkması sebebiyle LED ışık kaynaklı armatürlerin ısıl yönetimleri bir diğer deyişle soğutmaları önemli bir sorun olarak ortaya çıkmaktadır. Sürekli ve etkili bir soğutma sistemi olmadan LED'lerin beklenilen etkinliği sağlamaları mümkün değildir. Bu tezde öncelikle LED ışık kaynaklarının özelliklerine sıcaklığın etkisinin belirlenebilmesi amacıyla ölçümler gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak LED'lerin özelliklerinin sıcaklıktan farklı oranlarda etkilendiği gözlemlenmiştir. Bununla birlikte ölçülen tüm LED'lerin özellikleri artan sıcaklıktan olumsuz etkilenmiştir. Literatürde mevcut soğutma sistemleri ile ilgili araştırma gerçekleştirildiğinde, aktif ve pasif pek çok sistemle karşılaşılmıştır. Üstünlük ve zayıflık analizleri yapıldığında ise sadece soğutucu kanatların kullanıldığı sistemler ile soğutucu kanatlar ve ısı borularının birlikte kullanıldığı sistemler ön plana çıkmıştır. Bu kapsamda noktasal ısıl yüklerin yüksek, dolayısıyla sıcaklık etkileşiminin kritik olduğu COB LED'lerin kullanıldığı bir aydınlatma armatürü prototibinin sadece kanatlı ve ısı borulu kanatlı iki farklı soğutma sistemine sahip versiyonlarının ısıl simülasyonları yapılmış, üretimleri gerçekleştirilmiş ve deneysel analizleri yapılmıştır. Deneysel ölçümler ile ısıl simülasyon sonuçları doğrulanmış ve iki sistem birbiriyle karşılaştırılmıştır. Belirlenen noktalarda iki sistem arasında ortalama sıcaklık farkının yalnızca 3,3°C olduğu gözlemlenmiştir. Işık akısı olarak 253 lümene karşılık gelen bu değer armatür toplam ışık akısında sadece % 0,6'lık bir farklılığı göstermektedir. Değerlendirilen armatür prototibi için iki soğutma sistemi arasında yüksek sıcaklık ve ışık akısı farkı ortaya çıkmamıştır. Çalışmada, iki sistem için gerçekleştirilen ek ısıl simülasyonların parametrik irdelemesi istatistiksel olarak analiz edilmiştir. Öncelikle seçilen parametreler için faktöriyel analizler gerçekleştirilmiştir. Faktöriyel analizlerden elde edilen ön bilgiler de göz önüne alınarak daha fazla simülasyon sonucu içeren bir regresyon analizi yapılmıştır. Soğutucu malzemesinin, termal macunun (gres) ısıl direncinin ve ısıl gücün etkili parametreler olduğu belirlenmiştir. Ayrıca sistemin maksimum sıcaklığına etki eden parametre etkileşimleri de belirlenmiştir. Detaylı regresyon analizleri sonucunda, soğutucu sistem tasarımının yani sadece kanatlı ya da ısı borulu kanatlı sistem ayrımının tek başına etkili olmadığı görülmüştür. Diğer yandan tasarımın diğer parametreler ile ikili ve üçlü etkileşimlerinin olduğu gözlemlendiğinden, soğutucu sistem farklılığının regresyon denklemlerinde bulunması gerektiği sonucuna varılmıştır. Tez kapsamında yapılan ölçümler ile ortaya çıkan bir diğer önemli sonuç, LED ışık kaynağı özelliklerinin sıcaklık ve sürüş akımından farklı oranlarda etkilenebildiğinin görülmesidir. Bu durum tasarım aşamasına geçilmeden önce LED özelliklerinin ölçüm ile belirlenmesinin gerekliliğini ortaya çıkarmaktadır. LED üreticilerinin kataloglarında LED özelliklerini farklı sıcaklık ve farklı sürüş akımı değerleri için vermesinin armatür üreticilerine tasarımda yol gösterici ve doğru yönlendirici olacağı açıktır.
Yüksek yoğunlaştırıcılı bir mikro fotovoltaik/termal kombine hibrit enerji sistemi önerisi ve modellemesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-03-31) Çalık, Keziban ; Fırat, Coşkun ; 301052005 ; Enerji Bilim ve Teknoloji

Lineer Fresnel reflektörlerle (yansıtıcılarla) entegre bir fotovoltaik (PV) sistem, bir termal soğutma sistemi ile birleştirildiğinde çok çekici bir enerji üretim sistemi ortaya çıkmaktadır. Bu tez çalışmasında, bir lineer Fresnel reflector sistemine alıcı olarak entegre edilmiş bir PV panel ile, basit ve fakat özgün bir konfigürasyona sahip yoğunlaştırıcılı bir fotovoltaik-termal (CPV/T) sistem teorik olarak elde edilerek teknik modellemesi yapılmaktadır. Öngörülen bu sistem optik, elektriksel ve termal kısımlardan meydana gelmektedir. Üretim kolaylığı ve düşük maliyetli olmasının yanı sıra aynı zamanda daha az yer kaplayan düzlemsel aynalar sistemin optik kısmını, yüksek verimli ve son derece dayanıklı monokristal PV panel systemin elektriksel kısmını ve diğer soğutma konfigürasyonlarına göre daha verimli olan PV "alıcının" arka yüzeyine yerleştirilen kanallardan su geçirilmesi suretiyle oluşturulan sistem de önerilen PV/T systemin termal kısmını oluşturmaktadır. Bu tez çalışmasıyla önerilen CPV/T sistemi, bir durum çalışması olarak İstanbul şehri için incelenmektedir. İstanbul iline ait güneş radyasyonu verileri kullanılarak yapılan bu durum çalışmasının sonuçları, İstanbul iline ait güneş ışınım değerlerinin diğer illerle karşılaştırıldığında görece düşük olmasına karşın, önerilen böyle bir enerji üretim sisteminin, daha yüksek güneş enerjisi değerlerine sahip lokasyonlarda uygulanması halinde daha cazip sonuçlar elde edileceği hususunda ümit verici ve yol gösterici olmaktadır. Çalışmada, saatlik direk normal radyasyon (HDNI) dikkate alınarak, yılın her ayını "temsil eden günler" için, gün doğumundan gün batımına kadar geçen sürede, aynaların eğim açıları saatlik olarak tüm aylar için hesaplanmaktadır. Hesaplamalarda, literatürdekinden farklı olarak bilgisayar yardımıyla geometrik hesaplama yöntemleri kullanılmaktadır. Aynalara gelen güneş radyasyonundan en fazla faydanın sağlanabilmesi için, aynaların her biri farklı açılara sahip olacak şekilde güneşi izlemelidir. Saatlik açı hesapları yapılarak bir izleme mekanizması oluşturulmaktadır. İzleme yapılıyor olmasına rağmen, sistemin bir yansıtıcı sistem olması sebebiyle, doğası gereği sistemin optik kısmında kayıplar oluşmaktadır. Örneğin, yansıtma mekanizması sebebiyle, gelen güneş radyasyonu ile ayna normali aynı doğrultuda olamayacağı için kosinüs kayıpları kaçınılmaz olarak meydana gelmektedir. İzleme sistemi ile bu kayıp azaltılsa da kaçınılmazdır. Bu tür bir optik kaybın dışında, aynaların birbirini gölgelemesi, engellemesi, alıcı destek elemanları ve alıcının kendisinin aynaları gölgelemesi gibi nedenlerle ve alıcıda enine ve/veya boyuna uçlarda kayıplar meydana gelmektedir. Bu kayıpların yanında, hava koşullarından, izleme sistemi konstrüksiyonundan kaynaklı izleme hassasiyetinin azalması gibi kayıplar da meydana gelmektedir ancak bu kayıplar bu çalışmada ihmal edilmektedir. Sistemin optik verimini tespit etmek amacıyla kullanılan birçok benzetim yazılımı olmasına rağmen, başlangıçta bir deneme yapmak amacıyla, kullanım kolaylığı sağlayan Tonatiuh isimli yazılım ile optik modelleme yapılmıştır. Ancak gerek Tonatiuh gerekse diğer modelleme programlarında optik verim, sadece bir parametrenin sabit tutulup diğer parametrelerin değiştirilmesi suretiyle hesaplanabilmektedir. Bu tez çalışmasında, daha hassas bir hesap yapmak ve sistemde doğru optimizasyonların yapılabilmesi için, kayıpların doğrudan ölçümler yaparak tespit edilmesini sağlayan bilgisayar destekli vektörel çizim programları ile optik modelleme yapılmaktadır. Modelleme yılın her ayını temsil eden gün için, gün doğumundan gün batımına kadar saatlik olarak yapılmaktadır. Sistemde, nispeten ekonomik olan yansıtıcılarla toplanan güneş radyasyonu, daha küçük alana sahip olan bir alıcı (PV panel) üstüne yoğunlaştırılarak gönderilmektedir. Bu yoğun radyasyon, PV panelin aşırı ısınmasına ve bunun sonucunda da PV hücrelerde bozulmalara ve en önemlisi de panelin elektriksel veriminin düşmesine neden olmaktadır. Verim düşüşünü önlemek amacıyla, PV panelin arka yüzeyine yerleştirilen kanallar içerisinden soğutucu akışkan olarak su dolaştırılarak PV panel soğutulmuş ve verim düşüşü önlenmiş olmaktadır. Bununla birlikte, nispeten düşük sıcaklıkta da olsa, örneğin evsel kullanıma uygun sıcaklıklarda çıkış suyu elde edilerek, bir PV/T sistem meydana getirilmektedir. Böylece öngörülen sistem hem elektrik hem de termal enerji üreterek, toplamda daha verimli bir sistem elde edilmiş olmaktadır.
Energy, exergy, economic and environmental-based design, analysis and multi objective optimization of novel solar tower-based gas turbine cycle multi-generation systems with new performance criteria

(Graduate School, 2022-05-20) Çolakoğlu, Mert ; Durmayaz, Ahmet ; 301162002 ; Energy Science and Technology

Global demand for energy has been rising steadily with increasing population, industrialization, urbanization and life standards. In order to meet this demand, fossil fuels such as oil, coal, natural gas etc. have been utilized intensively. However, this intense use resulted in environmental issues caused by harmful emissions of fossil fuels. Therefore, utilization of renewable energy such as solar, wind, geothermal etc. have been proposed as a solution to cope with these problems caused by fossil fuels. Additionally, energy efficiency has also been considered as another pillar for decarbonization. Firstly, cogeneration systems which produce power and heating simultaneously from the same energy source evolved with a significant increase in total energy efficiency of the plant compared to only power generation. Later, tri-generation systems are evolved to further improve the efficiencies and to provide cooling in addition to heating and power. Recently, multi-generation (MG) systems which provide at least four utilities such as power, heating, cooling, fresh water, hydrogen, domestic hot water (DHW), drying, various chemicals etc. have become focus point for research due to higher efficiencies, compactness, product versatility, economic feasibility and ability to work with renewables. Among various renewable energy sources, solar energy has received increased attention, and several attempts to use concentrated solar energy as a primary energy source for MG systems have been observed. Despite several detailed analysis of other technologies-based MG systems, solar tower-based open air gas turbine cycle (SGTC)-driven MG systems lacked sound research, comprehensive analysis considering thermodynamic, economic and environmental performances simultaneously and multi-criteria multiobjective optimization. Furthermore, investigations of complicated Brayton cycle (BC) structures such as intercooling, regeneration, and reheat systems, as well as inclusion and extensive study of hydrogen production in such systems, were lacking. Moreover, proper evaluation criteria for comparison of such systems to each other were not considered thoroughly in literature. Therefore, fulfilling lack of research in these areas constitutes the motivation behind this PhD study. The present PhD thesis is composed of three (3) peer-reviewed international journal papers and one (1) international conference proceeding paper. In the first part, a novel MG system is developed for production of power, heating, cooling, green hydrogen and DHW. A unique power system structure is developed by using intercooling-regenerative (IR)-SGTC, organic Rankine cycle (ORC) and Kalina cycle (KC). By this thesis, intercooling waste heat is used for power generation in an IR-SGTC based MG system for the first time in the literature. MO optimization, environmental analysis and hydrogen production were introduced into such system analysis for the first time in addition to energy and exergy analyses. A novel thermodynamic performance criterion is coined as "exergetic quality factor" (EQF) to compare, analyze and maximize exergy content (quality) within energy quantity of MG products. Additionally, a significant contribution to literature is done by correcting a common misuse in exergy value calculation of solar energy in majority of other works in literature. This study is published in Energy Conversion and Management. In the second part, a unique MG structure is proposed with an intercooling-regenerative-reheat (IRR)-SGTC system for the first time in literature. Moreover, first time in literature, a MO optimization is performed for a multi-product IRR-SGTC system. Furthermore, an optimization by using thermodynamic, economic and environmental criteria simultaneously on IRR-SGTC system is performed first time in literature. The proposed system is designed to produce electricity, cooling, various temperature level heating purposes, green hydrogen, fresh water, hot air for drying and DHW. The study is published in ASME Journal of Energy Resources Technology. In the third part, a thermal energy storage (TES) is coupled to a MG system based on IRR-SGTC for the first time. Furthermore, a unique set of power cycles are formed by addition of RC and KC in series to the exhaust of IRR-SGTC. Effect of electrolyzer (EL) power size fraction to the total MG power size is investigated for the first time. Furthermore, first time in literature hydrogen is considered as the main product in MO optimization, and thermodynamic and economic analyses are performed. The proposed products are green hydrogen, power, cooling and DHW. The study is published in International Journal of Hydrogen Energy. In the fourth part, integration of two (2) ORCs into intercooling and exhaust waste heat streams of a MG system driven by an IR-SGTC is performed for the first time. Also, it is the first solar-based MG study in literature that investigates various climatic conditions and critical utilities of the Mediterranean region cities of Turkey. MO optimization and energy, exergy and environmental analyses are conducted. Proposed MG products are power, fresh water, green hydrogen, cooling, DHW and industrial process heating. The study is disseminated in the 11th International 100% Renewable Energy Conference (IRENEC 2021) and published in the proceedings book. In summary, within the scope of this PhD thesis, various novel MG systems based on IR- and IRR-SGTC are proposed with increased energy and exergy efficiencies, improved economical feasibilities and significant emission reductions. Furthermore, rigorous MO optimizations are performed by using these performance criteria simultaneously. A novel thermodynamic performance criterion is coined and a common misuse in literature is corrected in the present PhD study. Hydrogen production is introduced as the main product, fraction of EL power is introduced as a design parameter and investigated thoroughly and intercooling waste heat is recovered to produce power for the first time. Climatic conditions of Mediterranean region cities of Turkey are compared for the optimum performance of such systems. The present PhD study proposes a broader range of utilities as MG products of SGTC-based systems than any previous study in the literature, including power, green hydrogen, cooling, varied temperatures and purposes heating, DHW, hot air for drying, and fresh water.
Investigation of diffusion of redox sensitive elements in nuclear waste in polymer-based barrier systems

(Graduate School, 2023-09-14) Durmuş İleri, Rüveyda Kübra ; Erentürk, Sema ; 301152005 ; Energy Science and Technology

Despite the promotion of nuclear power due to its high capacity factor, low volume of wastes, low operation cost, and low greenhouse effect contribution, some issues, such as high radioactive wastes, continue to be a concern. Nonetheless, research into the disposal and storage of radioactive waste in waste repositories has continued. The migration of radioactive waste into the biosphere and the access of water to waste repositories are the main issues with these facilities. There is widespread agreement that waste repositories should have multiple barriers made up of geological formation and engineered barriers. Where the radionuclides first come into contact, the engineered barrier typically consists of buffer material. In this work, the composite barrier material PAN/clinoptilolite composite ion exchanger was used to describe interactions with 126Sn and 79Se adsorption behavior. This PhD thesis' findings have been presented at two conferences internationally and published in three top-notch peer-reviewed journals. The first chapter mentions the importance of nuclear, the challenges of nuclear, Turkiye's position in nuclear and problems that will arise in the future for radioactive waste issues. Being reliable, high capacity factor, solution for the concerns of climate change and environment and providing the high-technology opportunity make the nuclear power attractive. Besides these brilliant advantages, there are some concerns about nuclear power to create hesitation in public such as safety and radioactive wastes. The root reasons of these concerns and the persuasive arguments are presented. Moreover, the motivation, driven force and objectives and aims of this study are explained in this chapter. The comply with the energy strategy of Turkiye, the nucler power plants, that can vary different technologies such as SMRs are planned to serve and the amount of waste generation because of the NPPs need to manage. Therefore, the radioactive waste management should be planned in detail. The second chapter present the literature review belonging to the key concepts of this study. The position of the radioactive waste in nuclear fuel cycle, the classification and production of the radioactive wastes, applied radioactive waste management and immolization techniques in the world, disposal of the radioactive wastes, the types of the disposal and some applications of the disposal in some countries are taken into account. Furthermore, the adsorption concept tin and selenium, which are the two of the most important but rarely found in literature redox-sensitive radionuclides in the radioactive waste area are taken account. With this motivation, it is aimed to develop and characterize new barrier materials with more effective and safe barrier properties that will be an alternative to existing barrier systems and to examine the applicability of these barrier materials for the retention of 126Sn and 79Se. The third chapter is related with the used material and applied method during this study. A new polymer/clay nanocomposite material as a barrier material are synthesized and characteristic of this new barrier material are investigated in terms of thermal stability and surface analysis. Moreover, interaction between tin and selenium radionuclides in the radioactive waste area and developed barrier material are characterized by data collected with examining under different circumstances, such as variable initial concentrations, interaction times, and temperatures and using adsorption isotherms, kinetic calculations, thermodynamic parameters, kinetic models based on diffusion. Furthermore, the risk assessments because of tin and selenium from radioactive waste area are analyzed in terms of radiologicaly dose assessment for freshwater and terrestrial biotas by using the ERICA Assessment Tool, exposure in human because of accidental migration of the these radionuclides by using the GoldSim Monte Carlo Simulation Software and carcinogenic and non-carcinogenic risks and excess lifetime cancer risks. The forth chapter gives the result and discussion of the experiments and analysis mentioned above. The tin ion adsorption on the barrier material has been seen to fit into the D-R isotherm model. The thermodynamic characteristics were used to determine that the tin's adsorption onto the barrier was endothermic. The tin adsorption process was shown to be consistent with the pseudo second-order model based on the kinetic evaluation. Using GOLDSIM Monte Carlo Simulation Software, the risk of 126Sn migration as a result of an accident in the radioactive waste repository was evaluated. Tin was assessed for its excess lifetime cancer risks and its carcinogenic and non-carcinogenic risks. For selenium, it has been found as a consequence that a crucial part of the composite barrier material's effectiveness in preventing selenium transfer from the waste storage region to the biosphere is played by this. For adults, the total carcinogenic risk (TCR) values for ingestion ranged from 4.93E-17 to 4.03E-16, while for infants, they ranged from 6.30E-22 to 5.16E-21. For adults, TCR values for the dermal way vary from 5.28E-21 to 4.32E-20, whereas for infants, they range from 7.74E-31 to 6.34E- 30. The exposed total dose range of reference biota as such crustaceans, phytoplankton, and vascular plants in freshwater was calculated as 4.02E6-3.87E9 μG h-1 for 126Sn isotope, and 3.35E07-1.92E12 μG h-1 for 79Se isotope using composite barrier material. In terrestrial reference biota such as annelids, grasses and grasses, lichens, and bryophytes, mammals and trees, the exposed total dose range was calculated as 4.51E06-7.41E04 μG h-1 for 126Sn and 2.15E06-5.53E09 μG h-1 for 79Se. Thus, it was determined that the existence of barrier material significantly reduced the total exposure of freshwater and terrestrial biota. The fifth and last chapter includes the chapter mentioned key findings of all these studies.
Türkiye gün öncesi elektrik piyasasında saatlik fiyatların uzun dönemli olarak tahmin edilmesi için fundamental bir yöntem geliştirilmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-12-18) Korkmaz, Ozan ; Önöz, Bihrat ; 301082004 ; Enerji Bilim ve Teknoloji

Türkiye'de elektrik sektörü son yıllarda önemli oranda büyümüş ve önemli değişimler geçirmiştir. Bu değişimlerin sonucunda, elektrik artık farklı organize spot piyasalarda alınıp satılabilen bir emtia haline gelmiştir. Yaşanan bu gelişmelerle birlikte elektrik fiyatlarının tahmin edilmesi piyasadaki pek çok aktör için kritik bir öneme sahip olmuştur. Elektrik fiyat uzun dönemli tahmini konusunda dünyada gelişmiş bir akademik literatür bulunmasına karşın, bu konuda ülkemizde hem piyasalarda hem de akademik literatürde önemli bir boşluk bulunmaktadır. Elektrik piyasalarında fiyatların doğru tahmin edilmesi hem elektriğin daha geleneksel emtialardan farklı olan özellikleri hem de Türkiye Elektrik Piyasası'nın kendine özgü nitelikleri yüzünden çeşitli zorluklar barındırmaktadır. Literatürde görülen bu boşluğun hem bu zorluktan hem de Türkiye Gün Öncesi Piyasası'nın göreceli olarak yeni bir piyasa olmasından kaynaklandığı ileri sürülebilir. Her bir elektrik piyasası birbirinden farklı özellikler barındırmaktadır. Bu nedenle, bir piyasa için oluşturulmuş olan modelin başka piyasalarda doğru sonuçlar vermesi mümkün olmayabilir. Türkiye Piyasası da hidroelektrik santrallerinin çalışma rejimleri, yan hizmetler piyasasının kuralları ve zaman zaman piyasaya yapılan kamu müdahaleleri gibi nedenlerle pek çok başka piyasadan ayrılmaktadır. Son yıllarda artan rüzgâr ve güneş enerjisi yatırımlarıyla birlikte kesintili üretim kaynaklarının piyasadaki payının artması da fiyat tahminini zorlaştıran bir unsur olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu nedenlerle, Türkiye Elektrik Piyasası'nda gerçeğe yakın uzun dönemli tahminler yapılması için bu piyasanın özel koşullarını dikkate alacak bir modelin geliştirilmesi gerekmektedir. Halihazırda, Türkiye Piyasası için özel olarak oluşturulmuş, çok farklı faktörleri dikkate alan uzun dönemli bir akademik fiyat tahmin modeli bulunmamaktadır. Bu doktora tezinde Türkiye Gün Öncesi Piyasası'nda orta ve uzun dönemli elektrik fiyat tahmini amacıyla kullanılacak bir fundamental piyasa modeli önerilmektedir. Model, Türkiye Piyasası için oluşturulmuş ilk uzun dönemli fundamental model olacak olması yönünden önemlidir. Önerilen yöntem kapsamında elektrik fiyat oluşumunda etkili olan pek çok temel faktör ayrı ayrı modellenerek saatlik arz ve talep eğrileri oluşturulmuştur. Model, her bir saat için arz ve talebin kesiştiği yerde tahmini fiyatı bulmaktadır. Modellenen parametreler arasında talep, kurulu güç, santral kapasite faktörleri ve yakıt fiyatları gibi değişkenler bulunmaktadır. Fiyatın oluşumunu etkileyen faktörlerin ayrı ayrı modellenmesi her bir faktörün fiyat oluşumuna etkisini ölçmeyi de mümkün kılmaktadır. Model 2017 ve 2020 yılları arasındaki veriler kullanılarak kalibre edilmiş ve 2021 ve 2022 yılları için gerçekleşmiş verilerle test edilmiştir. Modelin tahmin performansı çeşitli farklı hata ölçütleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Daha sonra, geliştirilen model kullanılarak 2035 yılına kadar örnek bir tahmin çalışması yürütülmüş ve tahminde Türkiye'nin resmi kurulu güç, elektrik talebi artışı projeksiyonlarından yararlanarak varsayımlar oluşturulmuştur. Simülasyon çalışması modelin işleyişine bir örnek teşkil etmekte ve piyasa koşullarının resmi hedeflere uyumlu olarak ilerlemesi durumunda fiyatların gelişiminin nasıl olacağını göstermektedir. Yürütülen modelleme çalışmasıyla birlikte hem resmi kurulu güç ve elektrik talebi artış projeksiyonlarının spot elektrik fiyatlarına nasıl yansıyabileceği açıklanırken hem de Türkiye Piyasası'nda uzun dönemli elektrik fiyat tahmini konusunda bulunan boşluğun doldurulmasına katkıda bulunmak ve bu konuda ileride yapılacak çalışmalar için bir zemin oluşturmak hedeflenmiştir.
Küçük modüler ergimiş tuz reaktörü acil tahliye sisteminin hesaplamalı akış dinamiği ve deneysel analizi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-02-08) Kahraman, Mahmut Cüneyt ; Lüle Şentürk, Senem ; 301182006 ; Enerji Bilim ve Teknoloji

Acil tahliye sistemi (ATS), tahliye borusu, katı tıpa, tıpa soğutma sistemi ve tahliye tankından oluşan ergimiş tuz reaktörlerinde (ETR) kullanılan pasif güvenlik sistemlerinden biridir. Bu sistemin en önemli elemanlarından olan katı tıpa, normal çalışma koşullarında bir soğutucu sistemi yardımıyla katı formda tutulan bir tuzdur ve reaktör ile tahliye tankı arasında bariyer görevi görmektedir. Katı tıpanın görevi kaza anında pasif olarak eriyip açılarak reaktördeki yakıt tuzunun tahliyesini başlatmaktır. Katı tıpanın, normal çalışma şartlarında katı kalarak tıpa görevini görmesi ve reaktördeki yakıt tuzunun istenmeyen tahliyesini engellemesi de gerekmektedir. Bir ETR tipi nükleer güç santralinde güç kesintisi kazası nedeniyle soğutmanın devamlılığının sağlanamadığı durumda, bozunum ısısı kaynaklı olarak reaktör içinde sıcaklık artacaktır. ATS çalışma senaryosuna göre reaktör içinde yükselen sıcaklık ile katı tıpa eriyecek ve yakıt tuzunun tahliyesi başlayacaktır. Reaktörü ve tahliye tankını birbirinden ayıran tıpa eriyince, yakıt tuzu tahliye borusundan tahliye tankına yerçekimi etkisi ile akacak ve bozunum ısısı tahliye tankından pasif ısı uzaklaştırıcı sistemler aracılığıyla çekilecektir. Bu senaryoda dikkat edilmesi gereken nokta, acil tahliye sisteminin reaktörü tahliye etme süresinin nükleer güvenlik prensipleri çerçevesinde hesaplanmasıdır. Bu bağlamda, reaktör içi sıcaklık reaktör malzemesi dayanım sıcaklığına erişmeden hem tıpanın erimesi hem de tahliyenin tamamlanması gerekmektedir. Bu tez kapsamında, 100 MW termal güçteki küçük modüler ergimiş tuz reaktöründe (KMETR) katı tıpanın erime ve katılaşma süreleri hesaplanmış, tıpanın eriyerek açılması sonrasında tahliye süresi belirlenmiş ve sonuç olarak tıpanın pasif güvenlik sistemi olarak kabul edilip edilemeyeceği değerlendirilmiştir. Hesaplamalar deneysel olarak doğrulanmış hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak ANSYS Fluent kodu ile yapılmıştır. İlk aşama olarak, kaza sonrası reaktör içi sıcaklığın malzeme dayanım sıcaklığına ulaşma süresi hem literatürdeki çalışmalar hem de bu araştırma kapsamında yapılan hesaplamalar dikkate alınarak hesaplanmıştır. Analizler reaktörün 900 saniye içerisinde tahliye edilmesi gerektiğini göstermiştir. İkinci aşama olarak, HAD sonuçlarının güvenilirliğini belirlemek için nümerik kodun doğrulaması yapılmıştır. Bu kapsamda Çek Teknik Üniversitesi'nin Nükleer Enerji Laboratuvarında kurulan deney setinde HITEC tuzu kullanılarak, erime süresi deneysel olarak hesaplanmıştır. Deneysel çalışmanın birebir modeli ANSYS Fluent kodunda oluşturularak, farklı geçiş bölgesi parametreleri için erime süreleri hesaplanmış ve elde edilen sonuçlar deney sonuçları ile kıyaslanmıştır. Geçiş bölgesi parametresi olarak 105 değeri kullanıldığında hesaplamaların hem daha düşük hata oranı ile sonuç verdiği hem de kodun daha stabil çalışarak kolay yakınsadığı belirlenmiştir. Bu nedenle, bu araştırma kapsamındaki diğer nümerik hesaplamalar belirlenen bu geçiş bölgesi parametresi değeri ile yapılmıştır. Üçüncü aşama olarak KMETR geometrisine uygun model ve malzemeler kullanılarak katılaşma ve erime simülasyonları farklı reaktör işletme koşulları için gerçekleştirilmiştir. Deneylerde kullanılan HITEC tuzu yerine FLiBe tuzu ve AISI 4145 alaşım çelik yerine Hastelloy-N alaşımı kullanılmıştır. Yapılan hesaplamalar sonucunda, katı tıpa tuzunun katılaşarak katı tıpa formu almasının 2700 saniye sürdüğü ve kazaya cevap olarak katı tıpanın erimesinin 400 saniyede tamamlandığı belirlenmiştir. Erime, duvar tarafından başlamış ve tıpanın duvar ile teması kalmayana kadar devam etmiştir. Duvar teması kalmayan tıpa, yer çekimine bağlı olarak düşerek açılmıştır. Son aşamada, reaktör içerisindeki yakıt tuzunun tamamının reaktörden tahliye tankına tahliye süresi hesaplanmıştır. 3 farklı yöntem kullanılmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Oluşturulan diferansiyel denklem öncelikle analitik olarak sonrasında ise Taylor serisi ve Heun nümerik yöntemleri ile çözülmüştür. Son olarak, ANSYS Fluent kodu ile simülasyon yapılarak tahliye süresi bulunmuştur. Analitik çözüm referans alındığında, simülasyonun %3 fark ile tahliye süresini hesapladığı görülmüştür. Analitik yöntem dikkate alındığında tahliyenin 166 saniyede tamamlandığı görülmüştür. Çalışmada elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde, katı tıpa erime süresi 400 s ve tahliyenin tamamlanma süresi 166 s dikkate alındığında tahliyenin 566 saniyede tamamlandığı ve bu sürenin limit zaman olarak belirlenen 900 saniyenin altında kaldığı görülmüştür. Sonuç olarak, acil tahliye sisteminin çalışma gerekliliklerini taşıdığı ve sistemin pasif olarak çalışabildiği sonucuna varılmıştır. Ayrıca, ETR'lerde güvenlik analizi için HAD uygulaması, tamamlayıcı yaklaşımların kullanıldığı doğrulama çalışmaları ile kanıtlanmıştır. Deneysel çalışmalar ve analitik çözümler, HAD modelleri tarafından üretilen sonuçların karşılaştırılması ve doğrulanması için ölçüt olarak hizmet etmiştir. Bu başarılı doğrulamalar, HAD metodolojisinin ETR'lerde güvenlik değerlendirmeleri için güvenilir bir şekilde kullanılabileceğine dair kanıtlar oluşturmakta ve literatüre önemli katkı sunmaktadır.
Simulation and life cycle assessment of combined bioheat and biopower plant using hungary oak (Quercus frainetto L.) coppices as a feedstoc

(Graduate School, 2024-02-16) Tolon, Fahriye Enda ; Karaosmanoğlu, Filiz ; 301092010 ; Energy Science and Technology

Almost zero-emission woody biomass resources are vital for the decarbonization of energy while effectively using them as a product of sustainable forest management in energy production, especially in facilities such as for instance cogeneration plants. In cogeneration facilities, which aim to obtain thermal and mechanical energy simultaneously during the energy production process while producing electrical energy using woody biomass, heat energy is also produced by using some of the heat that emerges as a result of the process. This integrated energy production approach aims to minimize environmental impacts by increasing resource efficiency, thus providing a sustainable energy production model. Cogeneration facilities that use biomass as raw material are collectively called bioheat and biopower facilities. In Turkey's energy sector, the use of woody biomass, especially resources such as oak coppices, which have a significant share in forest assets, is essential in terms of Turkey's 2053 Net Zero Emission Target and sustainable energy production. In this context, the use of woody biomass in Turkey's energy policies will contribute to energy security by increasing diversity among renewables. Obtaining energy from woody biomass promotes sustainable management of biomass resources and enables the formation of a strategy to protect forest ecosystems. Turkey's focus on woody biomass resources such as oak coppices both supports local energy production and demonstrates the ability to lower carbon footprint of energy production processes from biomass. Sustainable management of forest and biomass production's energy intensity make life cycle assessment (LCA) environmentally necessary. LCA in energy production represents a holistic analytical approach that covers all stages of an energy source, namely feedstock extraction, energy production, energy use and waste management processes. Thus, it contributes to minimizing environmental impacts and developing a sustainable energy production model. This methodology provides a perspective on sustainability by assessing environmental, economic and social effects of an energy source from start to finish. First, during the extraction or production of the energy source, factors for instance the use of natural resources and harvesting of biomass are taken into account. Environmental impacts that occur at this stage include elements such as soil erosion, water pollution or biodiversity loss. During the production phase, the processes of processing, refining or transforming the energy source are evaluated. In these processes, factors such as use of energy, greenhouse gas emissions (GHGs) and waste production are examined. Environmental impacts during the production phase generally differ based on the kind of energy source and the technology used. In the usage phase, the consuming of energy resources and the operation of the facilities where energy production takes place are evaluated. Environmental aspects including the energy source's carbon emissions and its impact on the quality of the air and water are included at this stage. In addition, the economic impacts of the energy source, energy costs and employment creation potential are also evaluated. In the waste stage, the processes where the energy production process ends and waste products are managed are examined. It includes environmental and economic factors such as disposal processes, recycling possibilities, waste storage or disposal methods. In this thesis study, the simulation and LCA of a combined heat and power (CHP) plant burning woody biomass was carried out. The study is essential in terms of energy sustainability and covers the three basic dimensions of energy sustainability: energy security, energy equality and energy systems' sustainability in terms of the environment. Turkey's energy outlook, energy production from wood, woody biomass supply chain (BSC), modeling of combined bioheat and biopower (CBHBP) power plants burning woody biomass and analysis of life cycle scenarios of generation of energy from biomass constitute the subheadings of the literature research of the thesis study. As part of the theoretical analysis of this thesis, process simulations were created for four different case studies using Aspen Plus V12.1 software, and together, SimaPro V9.5 software was used in the LCA of nine various scenarios to examine the effects on the environment of the related bioheat and biopower plant process parameters. To characterize the production of bioheat and biopower together, process simulations of cases with 1, 2, 5 and 10-megawatt electricity (MWe) installed power using the technique for producing steam using direct combustion technology and the classical Rankine cycle were created using an eco-design methodology by Aspen Plus V12.1 software. Oak coppice forests, which have a significant share in Turkey's Forest Assets, were chosen as the raw material source of the relevant cases. A raw material sample of Hungarian Oak (Quercus Frainetto L.) was taken from the Oak Coppice forests in Kırklareli, Vize district of the Marmara Region, turned into oak chips and characterized. Bioheat and biopower process simulation outputs were used together in the LCA study. The purpose and the study's scope were determined, inventory analysis was made, and then the life cycle inventory (LCI) with the created scenarios was prepared using SimaPro V9.5 software. The life cycle system boundary that is subject to the thesis begins with the oak coppices harvesting in the forest and ends with the transmission of electricity and heat to the grid. Nine different scenarios were created according to production capacity, supply chain management and waste management system criteria to evaluate how different alternatives for the system would affect the environment and to help with decision-making. In the study, 1 kilowatt-hour (kWh) of biopower and 1 kWh of bioheat were taken for comparisons of functional unit production capacities, carbon footprint and water footprint. For supply chain management comparisons, functional unit was taken as 1 ton of oak chip and 1 kg of oak ash and in the waste management system comparison. To determine environmental impact "ReCiPe 2016 Endpoint (H)/World 2010 (H)" impact assessment method was chosen as the midpoint method, and "ReCiPe 2016 Endpoint (H)/World 2010 (H/A)" impact assessment method was selected as the endpoint method. "IPCC GWP100" method was chosen as the method for carbon footprint calculation and "AWARE" technique was chosen for water footprint calculation. Life cycle comparisons of the scenarios include carbon and water footprint results of all scenarios with midpoint characterization, midpoint normalization, damage assessment, damage assessment by impact category, weighting, single score, and single score results by impact category. The selection of the best scenarios was made by looking at production capacity, carbon footprint, water footprint results, supply chain benchmarking results and waste management results.
A novel application of smart human centric lighting within the scope of energy efficiency and comfort assessment criteria

(Graduate School, 2024-07-30) Aliparast, Sevda ; Onaygil, Sermin ; 301172001 ; Energy Science and Technology

his study investigates the impact of human centric lighting (HCL) in an open plan office environment at Istanbul Technical University. The research involved sixty participants in the first phase and twenty-four in the second phase. The primary objective was to evaluate individualized lighting solutions that comply with Circadian Stimulus (CS) and Equivalent Melanopic Lux (EML) metrics. During the first phase, single Correlated Color Temperature (CCT) Light Emitting Diode (LED) sources were used, while the second phase explored the effects of different CCTs. Preliminary findings indicated potential for energy-efficient lighting modifications, with phase two concentrating on optimizing lighting quality and ensuring comfort criteria were met. In the design development phase, the lighting design process was thoroughly outlined, including summaries of circadian lighting metrics, simulation tools, energy considerations, and the research plan for the circadian lighting open plan office. The study ensured that the design aligned with recommended thresholds for EML and CS, maintaining horizontal and vertical illuminance levels consistent with recommendations from the Illuminating Engineering Society (IES) for visual tasks. Based on the simulation study, two different light distribution curve luminaires, Direct Suspended Linear (L1) and Direct and Indirect Suspended Linear (L2), were chosen for the study. Additionally, threshold suspended mounting heights of 1.5m (L1) and 2.3m (H3), and one Optimum Luminaire Height (OLH) of 1.8m (L2) above the finished floor were defined for the lighting luminaires. The experimental aspect involved assessing changes in lighting levels, psychological comfort, and performance at three main target heights (H1, H2, H3) for both lighting scenarios (L1 and L2). Participants were asked to complete visual cognitive performance tests, proofreading tasks, and the Karolinska Sleepiness Scale (KSS) test across six different lighting scenarios during the first phase to assess the impact of lighting level changes on psychological comfort, and four different lighting scenarios during the second study phase. The experiment aimed to explore human-centered lighting conditions alongside physiological comfort conditions, using questionnaires (Q1 and Q2) to gather data on error quantities (E) and time periods (t) as measurement scales, alongside participants' preferences based on their comfort criteria. Key results indicated that participants' performance and visual perception varied significantly across different lighting conditions and heights. The performance evaluation compared participants' results between heights H1, H2, and H3 for both L1 and L2 scenarios. Significant p-values indicated differences in performance and psychological comfort based on lighting levels, luminaire positions, and light distribution beams. Notably, the performance of participants was significantly influenced by age, with distinct differences observed between age groups 20-30, 30-40, and above 40. Phase one of the study evaluates the lighting mounting height for human-centered lighting. A single CCT of 3800K was investigated to determine its influence on visual comfort and visual test responses. The scenarios of L1H3 and L2H2 were identified as the most successful. The most favorable scenario was observed in L1H3, both in terms of performance and participant preferences. Conversely, the results for L2H2 indicate that while participant performance was successful, their preference was lower compared to L2H3. Although L2H3 was preferable, L2H2 was selected for evaluation in phase two with CCTs of 2700K, 3800K, and 6000K. Phase two of the study focused on varying CCTs to investigate their influence on visual comfort and circadian response. L1 was assessed with a constant CCT of 3800K, while L2 examined CCTs of 2700K, 3800K, and 6000K, set at operation rates of 75%, 60%, and 40% of the total luminaire output, respectively. These configurations aimed to meet the minimum CS requirement of 0.3. Regarding EML values, L1 had an EML set at 358, while L2 exhibited varied results: 275.5 for 2700K, 293 for 3800K, and 319 for 6000K. The findings from phase two indicated dissatisfaction with the lighting set at 6000K, while warmer CCTs of 2700K likely had a positive impact due to the lower dimming rate meeting CS and EML requirements, resulting in higher illuminance levels on the desk compared to 3800K and 6000K scenarios. Participants clearly preferred higher heights (H3) for appealing lighting conditions, confirming the strong correlation among subjective evaluations of lighting scenarios such as color pleasantness, lighting satisfaction, and lighting heights. Overall, the study suggests that individualized lighting systems tailored to open plan office environments can enhance worker satisfaction and meet HCL requirements. Using consistent survey questions across different lighting concepts can help identify specific factors influencing CCT preferences. In conclusion, integrating individualized lighting systems in open plan offices aligns with HCL requirements, ensuring worker satisfaction and potentially improving performance. The findings provide insights for enhancing office lighting environments, emphasizing the importance of considering both energy efficiency and occupant comfort.
Lityum iyon piller için üç boyutlu grafen/karbon nanotüp/silisyum nanokompozit anotların geliştirilmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-09-09) Demirci, Selin ; Karatepe Yavuz, Nilgün ; 301142008 ; Enerji Bilim ve Teknoloji

21. yüzyılda enerji üretimi, enerji depolama ve küresel ısınma dünya genelindeki tüm ülkeler için en önemli ve sorun teşkil eden konular arasında yer almaktadır. Küresel nüfus artışı, ekonomik büyümenin hızlanması, artan enerji talebi ve iklim değişikliği gibi faktörler, çevrenin korunmasını sağlamak amacıyla yenilenebilir enerji kaynaklarıyla desteklenen bir gelecek planlanmayı zorunlu kılmaktadır. Enerji taleplerini karşılamak için fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltarak yenilenebilir enerjilerin (güneş enerjisi, rüzgâr enerjisi, gelgit enerjisi, biyomalzemeler vb.) uygun maliyetli, çevreye duyarlı verimli cihazlarda üretilmesi ve depolanması gerekmektedir. Ulaşım, elektronik cihazlar, enerji ve sanayi gibi çeşitli sektörlerde kesintisiz güç sağlamak amacıyla enerjiyi depolayıp ihtiyaç duyulduğunda kullanabilen yenilikçi enerji depolama sistemlerine duyulan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. Bu bağlamda, enerji depolama son derece kritik bir öneme sahiptir ve elektrokimyasal enerji depolama cihazları bu alanda temel araçlar arasında yer almaktadır. Süperkapasitörler, şarj edilebilir piller gibi çözümler, mevcut enerji taleplerini karşılamak için etkili ve sürdürülebilir seçenekler sunmaktadır. Özellikle lityum iyon piller, şarj edilebilir piller arasında yüksek enerji yoğunluğu, uzun çevrim ömrü, taşınabilirlik ve güvenlik avantajlarıyla öne çıkmaktadır. Lityum iyon pillerin performanslarının artırılması, enerji depolama ve üretimdeki zorlukların üstesinden gelmede büyük önem arz eder. Gelişmiş performanslı elektronik cihazların (akıllı telefonlar, tabletler, akıllı saatler ve dizüstü bilgisayarlar vb.) ile elektrikli/hibrit araçların sürekli enerji talebini karşılamak için yüksek spesifik elektrot enerjisine (birim kütle başına enerji) ve üstün enerji yoğunluğuna (birim hacim başına enerji) sahip etkili malzemelerin geliştirilmesi gerekmektedir. Son dönemde lityum iyon pil teknolojisindeki gelişmeler, bu tür elektronik ürünlerin taşınabilirliğini artırmakta ve ayrıca lityum iyon pilleri elektrikli araçların başlıca güç kaynağı haline getirmektedir. Elektrikli/hibrit araçların artan kullanımıyla birlikte, lityum iyon pillerde yüksek kapasiteli elektrot aktif malzemelerin geliştirilmesi, daha yüksek enerji yoğunluklarına ulaşarak uzun sürüş menzillerini daha az şarjla karşılayabilme hedefi için kritik öneme sahiptir. Lityum iyon piller, katot (pozitif elektrot), anot (negatif elektrot), elektrolit ve seperatörden oluşmaktadır. Şarj ve deşarj sırasında lityumun interkalasyonu ve deinterkalasyonunun tersinir reaksiyonu, lityum iyon pil hücresinin anot kısmında gerçekleşmektedir. Bu nedenle anot malzemeleri, lityum iyon pillerin enerji depolama sürecinde kritik bir role sahiptir. Grafit, ticari lityum iyon pillerde yaygın olarak kullanılan bir anot malzemesidir. Lityum interkalasyonu için düşük bir potansiyele sahip olan grafit, aynı zamanda iyi bir çevrim kararlılığı da gösterir. Ancak, grafitin teorik kapasitesi (372 mAh g−1) düşük olduğundan, yüksek enerji talebi ve yüksek akım yoğunluğu gerektiren uygulamalar için ideal bir seçenek değildir. Lityum iyon pillerin performansını artırmak için yüksek enerji depolama kapasitesine sahip yeni malzemelerin araştırılması gerekmektedir. Geleceğin aktif malzemeleri, yüksek kapasite göstermelerinin yanı sıra uygun maliyetli, doğada bol miktarda bulunan, çevre dostu ve güvenli işletilebilir olmalıdır. Bu özellikler, lityum iyon pillerin geniş uygulama alanlarına yayılmasını ve enerji depolama sistemlerinin daha sürdürülebilir hale gelmesini sağlayacaktır. Silisyum (Si)/silisyum esaslı oksit bileşikleri (SiO, SiO2, SiOx ve SiOC), yüksek teorik kapasiteleri, doğada bol bulunmaları, düşük maliyetleri, çevre dostu ve kolay sentezlenebilirlikleri nedeniyle yüksek enerjili lityum piller için en yüksek kullanım potansiyeline sahip malzemeler arasında yer almaktadır. Si, en yüksek teorik kapasiteye (4200 mAh g−1, Li22Si5) sahip olduğundan ticari anotlara alternatif bir malzeme olarak öne çıkmaktadır. Ancak, (de)lithasyon süreci sırasında büyük hacim genişlemesi (400% kadar, Li22Si5), düşük elektriksel iletkenliği ve düşük lityum iyonu difüzyon kinetiği gibi faktörler silisyumun anot olarak performansını sınırlamaktadır. Buna karşın, silika (SiO2), silisyuma kıyasla düşük genleşme hacmi (%100), düşük deşarj potansiyeli (<0,5 V Li/Li+'ya karşı), yüksek lityum iyon depolama kapasitesi (1965 mAh g-1) ve uygun maliyet gibi avantajlar sunar. Bu özellikler silikanın, silisyuma alternatif bir anot malzemesi olarak değerlendirilmesini sağlar. Ayrıca, silikanın lithasyon süreci sırasında oluşan lityum oksit ve lityum silikatlar gibi tersinmez inert fazlar, doğal hacim tamponları işlevi görerek çevrim kararlılığını önemli ölçüde artırır. Ancak, silikanın hacim genişlemesi kaçınılmazdır ve bu durum i) SiO2 partiküllerinin parçalanması, ii) tekrarlayan kararsız katı elektrolit ara yüzeyi (KEY) oluşumuyla elektrot malzemesinin ciddi şekilde polarize olması, iii) genişleme ve daralma sürecinde temas bölgelerinin değişikliklerle elektrot malzemeleri arasındaki elektriksel temasın zarar görmesi ve iv) elektrot yapısının bozulması gibi olumsuz etkilere yol açabilir. SiO2, güçlü Si-O bağlarına sahip olduğundan düşük elektriksel iletkenliğe sahip fakat oldukça kararlı bir anot malzemesidir. Ancak, silikanın teorik kapasitesine pratikte henüz ulaşılamamıştır. Bu nedenle, silikanın lityum iyon pillerde verimli bir anot elektrot olarak elektrokimyasal aktivitesini artırmak için birçok çalışma yapılmıştır. Silikanın amorf fazının kullanılması, nanoyapı modifikasyonu (nanoparçacıklar, nanotüpler, nanoküreler, nanoçubuklar, nanoteller, nanoküpler, nanofilmler vb.), partikül boyutu modifikasyonu ve sentez yönteminin iyileştirilmesi gibi yaklaşımlar, silikanın elektrokimyasal performansını artırmak amacıyla yapılmış çalışmalardır. Nanoyapıdaki elektrot malzemeleri, iyon ve elektron transfer yollarını kısaltır, mekanik stresi azaltır ve elektrot/elektrolit etkileşimleri için geniş bir yüzey alanı sağlar. SiO2/Li sistemindeki sorunları çözmek için yüksek iletken karbon malzemeleri (gözenekli karbon, grafit, karbon nanotüp (KNT), grafen oksit (GO), karbon nano fiber vb.), aktif ve pasif metaller gibi çeşitli SiO2 kompozitleri bilimsel çalışmalarda önerilmiş ve incelenmiştir. Karbonlu yapılar, döngü sırasında aglomerasyonu önler, silikanın iletkenliğini artırır ve lityum iyonlarının (Li+) interkalasyon süreci sırasında hacim genişlemesini absorbe eder. Ayrıca, (de)lithasyon sırasında lityum dendrit büyümesini de önleyebilir. Tez çalışması kapsamında, karbonlu malzemelerin uzun çevrim ömrü ve yüksek iletkenlik gibi avantajlarını silikanın yüksek depolama kapasitesiyle birleştirerek yüksek performanslı üç farklı morfolojide (SiO2@C, SiO2@KNT ve SiO2@rGO) karbonlu nanomalzeme kompozitleri hazırlanmıştır. Karbon kaplı SiO2 (SiO2@C) nanokompoziti, sol-jel yöntemiyle resorsinol-formaldehit öncülleri kullanılarak sentezlenmiştir. SiO2 üzerinde in-situ (eş zamanlı, yerinde) KNT üretimi kimyasal buhar biriktirme (KBB) yöntemiyle gerçekleştirilmiş ve silikanın KNT ağı içerisinde hapsedildiği KNT destekli SiO2 (SiO2@KNT) nanokompozitleri elde edilmiştir. GO ise, modifiye Hummers metodu kullanılarak sentezlenmiştir. Daha sonra GO, SiO2 nanoparçacıkları ve L-askorbik asit indirgeyici ajanı kullanılarak üç boyutlu köpük yapısında indirgenmiş GO destekli SiO2@rGO nanokompoziti oluşturulmuştur. Sentezlenen aktif nanomateryallerin yapısal ve morfolojik özellikleri X-ışını difraksiyonu (XRD), Raman spektroskopisi, termogravimetrik analiz (TGA), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve geçirimli elektron mikroskobu (TEM) yöntemleri kullanılarak karakterize edilmiştir. CR2032 tipi yarı hücrelerde tasarlanan elektrotların şarj/deşarj performansı, spesifik kapasitesi ve kapasite korunumu gibi özellikleri incelenmiştir. Ayrıca, üretilen elektrotların çevrimsel voltametri (CV) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ile elektrokimyasal analizleri gerçekleştirilmiştir. Alaşım tipi negatif elektrot üzerindeki pasivasyon katmanlarının sürekli birikmesi/kırılması, elektronların taşınımını engelleyerek hücrede kinetik difüzyon bariyeri oluşturabilir ve hücre içindeki aktif lityumun kaybına neden olabilir. Bu tez çalışmasında, elektrotların elektrokimyasal performansını iyileştirmek amacıyla şarj/deşarj döngüleri öncesinde elektrotlara kontrollü ön lithasyon işlemi uygulanmıştır. Bu süreçte, SiO2@C, SiO2@KNT ve SiO2@rGO elektrotlarının aktifleştirilmesi için elektrokimyasal ön lithasyon yöntemi kullanılmıştır. Ön lithasyon sırasında gerçekleşen redoks reaksiyonları, silisyumları aktif hale getirerek pillerde kapasite artışı ve döngü kararlılığına katkıda bulunmuştur. Deneysel sonuçlar incelendiğinde saf SiO2, diğer elektrotlara göre en düşük kapasiteyi göstermiştir. Ancak, ön lithasyon uygulanmış SiO2@C, SiO2@KNT ve SiO2@rGO kompozit elektrotlarda belirgin bir kulombik verimlilik artışı sağlamıştır. Bu ön lithasyonlu elektrotlar 100 mA g-1 akım yoğunluğunda, 100 çevrim boyunca mükemmel döngü kararlılığı göstererek üstün elektrokimyasal performans sergilemiştir. Yüksek elektriksel iletkenlik ve mekanik mukavemet sunan karbonlu malzemelerin kullanımı ve ön lithasyon işlemi sayesinde tersinmez lityum kayıpları telafi edilmiş, SiO2@C, SiO2@KNT ve SiO2@rGO elektrotlarının performanslarında önemli iyileştirmeler sağlamıştır. Bu çalışmanın amacı, SiO2 esaslı malzemelerin lityum iyon pil teknolojilerinde daha geniş bir kullanım alanı bulmasını teşvik etmek ve gelecekteki yüksek kapasiteli ve uzun ömürlü pil sistemlerinin geliştirilmesine katkıda bulunmaktır. Elde edilen sonuçlar, SiO2 ve karbon esaslı nanokompozitlerin enerji depolama alanında önemli bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Geliştirilen yeni nesil malzemeler, daha yüksek enerji yoğunluğu ve döngü stabilitesi sağlayarak sürdürülebilir ve yüksek performanslı pil uygulamalarının önünü açacaktır.
Multi-objective optimization of generation expansion planning considering the diffusion of renewable energy

(Graduate School, 2024-12-30) Deveci, Kaan ; Güler, Önder ; 301182008 ; Energy, Science and Technology

In today's world, energy planning plays a critical role in ensuring sustainable and efficient use of energy. The planning process is essential for maximizing the effective use of limited national resources and reducing the dependence on energy imports. It contributes to the energy security and economic stability. It is also a key factor in reducing the environmental impacts and mitigating the climate change, which has led to a notable increase in renewable energy investments over the past few years. However, as investments in renewable energy increase, the additional electricity costs are inevitably passed on to end users due to the feed-in tariffs required to support these investments. This doctoral study aims to create a roadmap for Turkey for the year 2030 by representing and simultaneously optimizing investors, central decision-makers, as and end user views in objective functions. This approach not only addresses the need for a robust energy infrastructure capable of managing the variability inherent in renewable energy production and demand fluctuations but also emphasizes the necessity of strategic investments in renewable technologies to achieve both stability and feasibility in our energy systems. This doctoral study begins by exploring financial scenario based renewable energy investment trends in Turkey for the year 2030. To address this, an optimization model was developed that minimizes the initial investment cost and the levelized cost of energy plan, while examining the annual distribution of investments. The analysis included a baseline scenario tracking investment trends from past years, an optimistic scenario with annual expenditure values 20% higher than the baseline, and a pessimistic scenario with values 20% lower. According to the results, by 2023, all scenarios indicate that the installed capacity targets for solar photovoltaic renewable energy plants will be met. For wind energy, targets will only be achieved in the optimistic scenario, while for biomass and hydroelectric power plants, targets will not be met under any scenario. Furthermore, it has been observed that in all scenarios, at least 30% of the electricity generated was from renewable sources, achieving this particular target as well. With this study, a new method has been developed to select a solution adapted from multi-criteria decision-making (MCDM) techniques upon obtaining a nondominated set of solutions which allows for the evaluation and scoring of solutions under several criteria grouped into technological, economic, environmental, and socio-political categories. Within the set of optimal solutions, the solution with the highest score is recommended to decision makers as the preferred outcome. Furthermore, the model predicts the optimal timing for future investments in offshore wind farms in Turkey, which are currently not under operation. While offering a solution from a non-dominated set of solutions using multi-criteria decision-making techniques, popular distance-based methods such as VIKOR, TOPSIS, and CODAS were applied in the study. During the application of these methods, a weakness was identified in the distance-based MCDM techniques. These methods assume that the similarity of an intuitionistic fuzzy set to the reference point increases as its distance from it decreases. However, the validity of this assumption was found to be debatable, prompting an innovative shift in the doctoral study towards developing a Hypervolume-based approach as an alternative to the traditional distance-based (geometric) MCDM methods. This method was demonstrated to be effective both as a metric for ranking intuitionistic fuzzy sets and as a robust MCDM technique, laying the groundwork for a novel approach in this domain of multi-criteria assessment of energy resources research. Subsequently, it was recognized that the issues identified with the distance-based MCDM techniques were not limited to intuitionistic fuzzy sets alone; similar challenges arise with other sets when ranking according to the distance from a negative or positive ideal solution. Instead of questioning the robustness and reliability of the methods, we prefer to interpret that different rankings can be obtained depending on whether we view the problem from a positive or negative perspective. Indeed, isn't this akin to how we often make choices or address problems in everyday life, by considering situations from various positive or negative angles which affects our decisions? Next, the research further delves into the energy market by introducing a day-ahead market model that incorporates hourly dispatch to adeptly handle the uncertainties in renewable energy production and energy demand. The initial deterministic model, accounting for hourly dispatch, integrates the perspectives of investors, end-users, and central decision-makers, with objective functions focused on investment payback period, average electricity generation cost, and total investment costs. In addressing the deterministic problem, renewable energy production and demand projections for 2030 are modeled using generative adversarial network structures, with each season distinctly represented by representative weeks. The decision variables have been selected as the investment amounts for renewable energy sources and the appropriate feed-in tariff values. The capacities of conventional resources are calculated within the day-ahead market model and are not treated as decision variables. When the calculated capacity for conventional resources surpasses the existing capacity, it is evaluated as new investment; conversely, if it is less, no new investment is deemed necessary. As a result of these methodological decisions, the complexity of the problem and, consequently, the solution time have been significantly reduced. Furthermore, a scenario-based robust optimization model is created by using the scenarios generated by generative adversarial neural networks. This model employs a robust approach to optimization, seeking to make decisions that perform well under the most adverse conditions anticipated within the defined scenarios, to calculate objective functions including the minimization of the payback period of investments, average electricity generation cost, and total investment costs. A notable distinction between the deterministic and robust results was that decisions on wind energy investments in the robust model were more conservative compared to the deterministic outcomes, while investments in solar photovoltaic facilities increased relative to the deterministic model. If installation costs for solar PV panels reach to the price levels in the Energy Information Administration's new policies scenarios by 2030, considering that the remaining power plants are already near their economically feasible limits, it appears that solar PV will be the predominantly installed power plant compared to wind. As variability in wind energy production increases with additional scenarios, the ability of thermal sources to adapt to the remaining demand becomes more challenging, which in turn impacts the unit electricity price for end-users. Consequently, in the robust model, new investments in wind energy are less favored due to this increased variability. This underscores the variability and risk management inherent in robust approaches, highlighting their potential to adapt to uncertainties in renewable energy frameworks.

Gözat

Çıkarma tarihi ile LEE- Enerji Bilim ve Teknoloji-Doktora'a göz atma

Sayfa başına sonuç

Sıralama Seçenekleri