Biyokütle gazlaştırma ürünü sentez gazından yeşil hidrojen üretimi

Abstract

Günümüzde enerji, teknolojik ilerlemeler, sanayi faaliyetleri ve küresel kalkınma süreçlerine kadar pek çok alanda önemli bir role sahiptir. Artan dünya nüfusu ve buna paralel olarak yükselen yaşam standartları, enerjiye olan ihtiyacı sürekli olarak artırmaktadır. Bu ihtiyacı karşılamaya yönelik, fosil yakıtların sınırlı oluşu ve kullanımında çevreye verdiği zararlar nedeniyle, daha temiz ve uzun vadede sürdürülebilir enerji kaynaklarına yönelim kaçınılmaz hale gelmiştir. Biyokütle, karbon nötr yapısı, kolay ulaşılabilirliği ve farklı kaynaklardan elde edilebilmesi sayesinde yenilenebilir enerji seçenekleri arasında öne çıkmaktadır. Gazlaştırma prosesi ile bu kaynak, enerji üretiminde değerlendirilebilecek yanıcı özellikte bir gaz olan sentez gazına dönüştürülebilmektedir. Bu dönüşümden elde edilen sentez gazı, yalnızca elektrik üretimiyle sınırlı kalmayıp; aynı zamanda fosil yakıtların yerine geçebilecek, temiz ve taşınabilir bir enerji taşıyıcısı olan yeşil hidrojenin üretilmesinde de değerlendirilebilmektedir. Sürdürülebilir enerji kaynaklarına olan ilginin hızla arttığı bu dönemde yeşil hidrojen, temiz yapısı ve farklı alanlarda kullanılabilme özelliği sayesinde enerji sistemlerinde önemli bir yer edinmektedir. Bu kapsamda, odun bazlı biyokütle gazlaştırılarak sentez gazı üretilmiş ve bu gaz, termal yağ döngüsü ve ORC türbin jeneratörü ile elektrik enerjisine dönüştürülmüştür. Elde edilen elektrik, PEM ve AWE elektroliz sistemlerinde kullanılarak yeşil hidrojen üretimi sağlanmıştır. Elektroliz için gerekli olan saf su temini için deniz suyu arıtılmış ve bu sayede yeşil hidrojen elde edilmiştir. Tatlı su yerine deniz suyunun kullanılması, özellikle su kaynaklarının yetersiz olduğu bölgelerde çevresel açıdan önemli bir avantaj sunmaktadır. Teorik olarak geliştirilen bu sistem; çevreye duyarlı, teknolojik olarak uygulanabilir ve kaynakları verimli kullanan bütüncül bir yaklaşım sunmaktadır. Çalışmada, odun bazlı biyokütle yakıtı kullanılarak 5.000 kg/h kapasiteli bir gazlaştırma sisteminden sentez gazı elde edilmiş ve bu gazın yakılması ile oluşan termal enerji ORC sistemine termal yağ ile aktarılmıştır. Yapılan hesaplamalarda sistemden yaklaşık 4.870 kWh net elektrik üretilmiştir. Bu elektrik enerjisi, PEM ve AWE elektroliz sistemlerinde değerlendirilmiş ve iki sistem karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Elde edilen sonuçlarda, PEM sistemiyle yaklaşık 121,6 kg/h yeşil hidrojen üretilirken, AWE sistemiyle ise yaklaşık 88,41 kg/h yeşil hidrojen üretilebileceği belirlenmiştir. Her iki elektroliz sisteminin enerji kullanımı, su ihtiyacı ve üretim miktarları karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Enerji verimliliği ve hidrojen üretim miktarı dikkate alındığında, PEM sisteminin daha avantajlı olduğu görülmektedir.Today, energy plays a significant role in many areas, from technological advancement to industrial activities and global development processes. The growing world population and the rising living standards that accompany it are constantly increasing the demand for energy. To meet this demand, the limited availability of fossil fuels and their harmful effects on the environment have made it inevitable to shift toward cleaner and more sustainable energy sources in the long term. Biomass stands out among renewable energy options due to its carbon-neutral structure, ease of access, and availability from various sources. Through the gasification process, biomass can be converted into syngas, a combustible gas suitable for use in energy production. The synthesis gas obtained from this conversion is not limited to electricity production; it can also be used to produce green hydrogen, a clean and portable energy carrier that can replace fossil fuels. In this period of rapidly growing interest in sustainable energy sources, green hydrogen is gaining an important place in energy systems thanks to its clean structure and versatility. Within this scope, wood-based biomass was gasified to produce synthesis gas, which was then converted into electrical energy using thermal oil circulation and ORC turbine generator system. The electricity obtained was used in PEM and AWE electrolysis systems to produce hydrogen. Seawater was desalinated to provide the pure water required for electrolysis, thereby enabling the production of green hydrogen. The use of seawater instead of freshwater offers significant environmental advantages, particularly in regions with limited water resources. This theoretically developed system provides an environmentally conscious, technologically feasible, and resource-efficient comprehensive approach. In the study, synthesis gas was produced from the gasification system operating with a capacity of 5.000 kg/h wood-based biomass feedstock, and the product gas combustion energy was transferred to an ORC system via thermal oil circulation. According to the calculations, approximately 4.870 kWh of net electricity was generated from the system. This electrical energy was utilized in PEM and AWE electrolysis systems, and the two systems were examined comparatively. The results indicate that approximately 121.6 kg/h of green hydrogen can be produced using the PEM system and approximately 88.41 kg/h using the AWE system. The energy consumption, water requirements, and production quantities of both electrolysis systems were compared and evaluated. Considering the energy efficiency and hydrogen production quantities, the PEM system has been found to be more advantageous.