Use of Solar And Wind Energy in Hydrogen Production for Transportation

Abstract

Fossil fuels have been used in lots of important sectors such as production of electricity, heating and transportation for years and especially after the industrial revolution its usage has been increased. The fossil fuels which have comprised of decaying through thermochemical reactions of the remainings of plants and animals in millions of years have not been seen as renewable energy source. In addition, the number of fossil fuels which are known worldwide are limited. The biggest disadvantage of the usage of fossil fuel is the emission gases spreading around when they burn. These emission gases are not only harmful to the human health, but also create greenhouse effect and lead to problems such as global warming. The tendency towards clear energy sources like wind, sun, geothermal and hyrogen have been increased because of the risks such as climate change and the corruption of ecological balance. Because of the risks such as climate change and the corruption of ecological balance, the tendency towards clear energy sources like wind, sun, geothermal and hyrogen have been increasing day by day with various incentives and investments of governments in order to reduce dependence on fossil fuels. Renewable energy systems are expensive in terms of setup; however, they have been maintaining their technological development. It is aimed to increase the efficiency of that systems and thus decrease the initial investment costs with the new technological developments. A great deal of emission gases spreading to environment from fossil fuels have been coming from the transportation sector. In the transportation sector, using hydrogen as a fuel instead of fossil fuels is an important alternative in reducing harmful emissions to the environment because hydrogen-powered vehicles often use Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cells, which combine with hydrogen oxygen as a result of electrochemical reactions, so only water vapor is released to the outside when producing energy; therefore, without giving harm to nature, a clean energy is produced. Today, there are lots of studies which are state-sanctioned or aiming to increase the efficiency and durability of fuel cell technology of private institutions, in addition to these it is still a technology that is open to improvement. A huge part of transportation sector is represented by especially public transport and it is aimed to reduce the harmful emission gases with the use of fuel cell buses which function with hydrogen instead of diesel fuel. There are lots of examples of public transpaort lines of fuel cell buses around the world but especially in America and Europe. Since hydrogen does not existed in the nature as in its pure form, it is obtained through such processes. To obtain pure hydrogen, one of the most common methods is the electrolysis of water. By providing the energy required for the electrolysis of water from clean energy sources such as solar, wind or hydroelectricity, the dependency of the transportation sector on fossil fuel is reduced, thus it reduces the harmful emission gases. In this thesis, various hydrogen production methods, hydrogen storage, hydrogen conduction, also fuel cell technology, the use of fuel cells in the transport sector, fuel cell performance, durability and the use of renewable energy types in the production of hydrogen are examined. Although Turkey is dependent on the abroad in terms of fossil fuels, it is a country that lives 4 seasons due to its geographical location and the richness in renewable energy sources. This thesis subject aims to reduce Turkey's dependence on fossil fuels and improve the environment and human health by obtaining pure hydrogen with clean energy sources and using this hydrogen in transportation sector. In this thesis, the public transport line of 74 kilometres which is between Datça and Marmaris which are the counties of the city Muğla is discussed. It is calculated how much hydrogen is needed based on the number of annual trips using hydrogen fueled buses instead of diesel fueled buses in the public transport line between Datça and Marmaris. Also, how the energy required for electrolysis to be supplied by solar and wind power plants to obtain the total hydrogen to be used in this public transport line by electrolysis is evaluated both separately and hybrid, in different scenarios. In addition, optimization calculations of monthly energy production were made for the hybrid system by adjusting the tilt plane angle of the solar panels according to the seasons. Muğla is an efficient region in terms of sun, in addition to this, the county Datça is efficent in wind due to its geographic features, that is why the line between Datça and Muğla is chosen for this study. For this transportation line, the energy required to produce hydrogen through electrolysis from wind power plants in Datça and from solar power plants in Marmaris is analyzed in detail. Both solar and wind power plants are designed as connected to the grid, therefore, it is aimed to provide surplus electricity to the grid when there is excess electricity production and to provide the energy required to produce hydrogen from the grid when electricity production is low. While the annual electricity production of wind power plant in Datça was calculated by different sized wind turbines through WAsP program, polycrystal solar panels are used in Marmaris and the annual energy production from the panels was calculated with the PVSyst program for different sized areas. By promoting domestic production, renewable energy systems such as hydrogen, wind and sun, which have a high initial investment cost, might become advantageous in the long term for countries dependent on foreign fossil fuels such as Turkey. Except for the transport line between Datça and Marmaris, by examining which renewable energy resources the region has in various regions, similar systems can be established that are completely independent of fossil fuels and do not spread emission gas to the nature. With the current and future studies, through increasing the efficiency of both renewable energy systems and fuel cell technology, hydrogen powered vehicles can reach the level of not only durability but also economic competitiveness with fossil fuels; therefore, they can be an alternative to the fossil fuel powered vehicles.

Fosil yakıtlar özellikle sanayi devrimi ile kullanımı artan ve uzun yıllardan beri elektrik üretimi, ısıtma, ulaştırma sektörü gibi birçok önemli sektörde en çok kullanılan yakıt tipi olmuştur. Milyonlarca yıl içerisinde bitki ve hayvan artıklarının termokimyasal tepkimeler ile çürümesiyle oluşan fosil yakıtlar, yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak kabul edilmezler buna ek olarak dünya üzerindeki bilinen fosil yakıt kaynakları da sınırlıdır. Fosil yakıt kullanımının en büyük dezavantajı yandıklarında çevreye yaydığı emisyon gazlarıdır. Bu emisyon gazları, insan sağlığına zararlı olmasının yanında sera gazı etkisi yaratmakta ve küresel ısınma gibi sorunları beraberinde getirmektedir. İklim değişikliği ve ekolojik dengenin bozulması gibi risklerden ötürü günden güne rüzgar, güneş, jeotermal ve hidrojen gibi temiz enerji kaynaklarına eğilim artmıştır. Son yıllarda fosil yakıtlara bağımlılığı azaltmak amacıyla hükümetlerin çeşitli teşvik ve yatırımları ile dünya genelinde özellikle rüzgar, güneş, biyokütle, jeotermal gibi alternatif enerji kaynaklarına eğilim günden güne artmaktadır. Yenilenebilir enerji sistemleri kurulum maliyeti açısından pahalı sistemlerdir ancak halen teknolojik olarak gelişmesini sürdürmektedirler. Yeni teknolojik gelişmelerle yenilenebilir enerji sistemlerinin verimliliğini arttırmak ve böylelikle ilk yatırım maliyetlerinin zamanla azaltılması hedeflenmektedir. Fosil yakıtlardan çevreye yayılan emisyon gazlarının büyük bir miktarı ulaşım sektöründen gelmektedir. Ulaşım sektöründe fosil yakıtlar yerine hidrojenin yakıt olarak kullanılması çevreye salınan zararlı emisyon gazlarını azaltma açısından önemli bir alternatif olmaktadır çünkü hidrojen ile çalışan araçlarda genellikle Polimer Elektrolit Membran (PEM) yakıt pilleri kullanılmaktadır ve bu teknoloji sayesinde elektrokimyasal tepkimeler sonucu hidrojen oksijen ile birleşir ve bu işlemin sonunda enerji üretilirken dışarıya sadece su buharı salınmaktadır bu sebeple doğaya bir zararı olmayan temiz bir enerji üretilmiş olur. Günümüzde devlet destekli veya özel kurumların yakıt pili teknolojisinin verimini ve dayanıklılığını arttırmayı hedefleyen bir çok araştırma ve geliştirme çalışması bulunmakla birlikte günümüzde halen gelişmeye açık bir teknolojidir. Özellikle toplu taşıma, ulaşım sektörünün büyük bir bölümünü temsil etmektedir ve toplu taşımada dizel yakıtla çalışan otobüslerin yerine hidrojen ile çalışan yakıt pilli otobüslerin kullanımı ile zararlı emisyon gazlarının ciddi şekilde azaltılması hedeflenmektedir. Dünya üzerinde özellikle Amerika ve Avrupa kıtalarında yakıt pilli otobüslerin çalıştığı bir çok toplu taşıma hattı örneği bulunmaktadır. Hidrojen üretim ve dolum tesislerinin sayısı son yıllarda artmıştır ve her geçen gün sayıları daha da artmaktadır. Hidrojen doğada saf halde bulunmadığı için ancak bir takım işlemler vasıtasıyla saf hidrojen olarak elde edilmektedir. Saf hidrojenin elde edilmesi için en çok kullanılan yöntemlerden biri suyun elektrolizi yöntemidir. Suyun elektrolizi için gerekli enerjinin güneş , rüzgar veya hidroelektrik gibi temiz enerji kaynaklarından sağlanması ile ulaşım sektörünün fosil yakıta bağımlılığı azaltılır böylelikle zararlı emisyon gazları düşürülmüş olur. Tez çalışmamızda çeşitli hidrojen üretim yöntemleri, hidrojen depolama, hidrojen iletimi gibi konuların yanında yakıt pili teknolojisi, yakıt pillerinin taşıma sektöründe kullanılması, yakıt pillerinin performansı, dayanıklılığı ve hidrojen üretiminde yenilenebilir enerji türlerinin kullanımı gibi konular incelenmiştir. Türkiye fosil yakıtlar konusunda dışa bağımlı bir ülkedir ancak coğrafi konumu ve özellikleri sebebiyle dört mevsimi yaşayan bir ülke olduğu için yenilenebilir enerji kaynakları açısından da zengindir. Tez çalışması, temiz enerji kaynaklarından elde edilecek enerji ile saf hidrojenin elde edilmesi ve bu hidrojenin ulaşım sektöründe kullanılması ile Türkiye'nin hem fosil yakıtlarda dışa bağımlılığını azaltmayı hem de çevre ve insan sağlığı açısından daha iyi bir seviyeye getirmeyi amaçlamaktadır. Tez çalışmamızda Türkiye'nin Ege bölgesinde bulunan Muğla ilinin Datça ve Marmaris ilçeleri arasında kullanılan 74 km'lik toplu taşıma hattı ele alınmıştır. Datça ve Marmaris arası toplu taşıma hattında kullanılan dizel yakıtla çalışan otobüslerin yerine hidrojen yakıtlı otobüslerin kullanılması sonucu yıllık yaptığı sefer sayısı baz alınarak ne kadar hidrojene ihtiyaç duyulduğu hesaplanmıştır. Ayrıca bu çalışmada, bu toplu taşıma hattında kullanılacak toplam hidrojenin suyun elektroliz yoluyla elde edilmesi durumunda elektroliz için gereken enerjinin güneş ve rüzgar santralleri ile nasıl karşılanacağı hem ayrı hem de hibrit olacak şekilde farklı senaryolar şeklinde değerlendirilmiştir. Ayrıca tez çalışmamızda, güneş panellerinin eğim düzlemi açıları mevsimlere göre ayarlanarak hibrit sistem için aylık enerji üretimi için optimizasyon hesaplamaları yapılmıştır. Muğla ili güneşlenme süresi açısından verimli bir bölgedir buna ek olarak Datça ilçesi coğrafi özellikleri sebebiyle rüzgar açısından verimli olduğundan tez çalışmamız için Datça ile Marmaris arasındaki toplu taşıma hattı seçilmiştir. Bu toplu taşıma otobüs hattı için elektrolizle hidrojenin üretimi için gereken enerjinin Datça ilçesinde rüzgar santrallerinden ve Marmaris ilçesinde güneş santrallerinden karşılanma durumları tez çalışmamızda detaylı olarak incelenmiştir. Rüzgar türbinleri için üç farklı senaryo incelenirken, güneş santralleri için iki farklı senaryo incelenmiştir Hem güneş santrali, hem de rüzgar santrali şebekeye bağlı olarak tasarlanmıştır böylelikle fazla elektrik üretiminin olduğu zamanlarda elektrik fazlasının şebekeye verilmesi ve elektrik üretiminin az olduğu zamanlarda hidrojen üretimi için gerekli enerjinin şebekeden sağlanması amaçlanmıştır. Datça'daki rüzgar santralinin yıllık enerji üretimi WASP programı ile farklı büyüklüklerdeki rüzgar türbinleri kullanılarak hesaplanırken, Marmaris'deki güneş santralinde polikristal güneş panelleri kullanılmıştır ve panellerden yıllık enerji üretimi farklı boyutlardaki alanlar için PVSyst programı ile hesaplanmıştır. İlk yatırım maliyeti yüksek olan rüzgar, hidrojen ve güneş gibi yenilenebilir enerji sistemleri yerli üretim teşviği ile Türkiye gibi fosil yakıtlar konusunda dışa bağımlı ülkeler için uzun vadede avantajlı hale gelebilir. Datça ve Marmaris arasındaki toplu taşıma hattı dışındaki çeşitli bölgelerde bölgenin hangi yenilenebilir enerji kaynaklarına sahip olduğu incelenerek tamamen fosil yakıtlardan bağımsız ve çevreye emisyon gazı vermeyen buna benzer sistemler kurulabilir. Mevcut durumda yapılmakta olan ve gelecekte yapılacak çalışmalar ile hem yenilenebilir enerji sistemlerinin hem de yakıt pili teknolojisinin verimlerinin arttırılmasıyla hidrojen ile çalışan araçlar hem dayanıklılık hem de ekonomik olarak fosil yakıtlarla çalışan araçlarla rekabet edecek seviyeye gelebilir ve dolayısıyla fosil yakıtla çalışan araçlara iyi bir alternatif olabilir.