Technoeconomıc ınvestıgatıon of hydrogen productıon from onshore wınd farms: A feasıbılıty analysıs for turkey

Abstract

Bu çalışma, Türkiye'de kara tipi rüzgâr enerjisine dayalı yeşil hidrojen üretiminin tekno ekonomik açıdan uygulanabilirliğini incelemektedir. Çalışmanın ilk aşamasında Çanakkale ili için bir vaka çalışması gerçekleştirilmiş; Avrupa Orta Vadeli Hava Tahminleri Merkezi 5. nesil yeniden analiz veri setinden (ERA5) elde edilen rüzgâr hızı verileri Weibull, Rayleigh ve Lognormal olmak üzere üç farklı olasılık dağılımıyla modellenmiştir. Bu dağılımlar arasında Weibull ve Rayleigh dağılımları yerel rüzgâr verilerine en uygun sonuçları vermiş; devam eden hesaplamalarda Weibull dağılımı kullanılmıştır. Ayrıca, üç farklı ticari rüzgâr türbini teknik özellikleri açısından karşılaştırılmış ve yıllık enerji üretimi hesaplamalarında General Electric (GE) 5.3 158 modeli tercih edilmiştir. Türkiye geneli için yıllık toplam rüzgâr enerjisi üretiminin yaklaşık 226 TWh olduğu hesaplanmıştır. Hidrojen üretimi, %65 verimlilikle çalışan bir proton geçirimli membran (PEM) elektrolizörü ile hesaplanmıştır. Çanakkale için geliştirilen modelleme yöntemi daha sonra Türkiye geneline uygulanmıştır. Bu süreçte Rüzgar Enerjisi Potansiyeli Atlası veri tabanından elde edilen arazi verileri ve 5.3 MW/km² türbin yoğunluğu varsayımı kullanılmıştır. Rüzgar enerjisinden üretilen tüm elektriğin hidrojen üretimi için kullanıldığı senaryoya göre yıllık hidrojen üretimi yaklaşık 4.4 milyon ton olarak hesaplanmıştır. Ancak bu durumda elektrolizör kapasitelerinin gerekli kapasiteden fazla olduğu gözlemlenmiştir. Bu nedenle, %20 enerji kesintisi senaryosu uygulanmış ve bu koşulda elektrolizör kullanım oranlarının %71 ile %98 arasında değiştiği belirlenmiştir. En yüksek hidrojen üretimi Marmara ve Ege bölgelerinde gerçekleşmiştir. Her bölge için seviyelendirilmiş hidrojen üretim maliyeti (LCOH) hesaplanmış; yüksek üretim kapasitesine sahip şehirlerde bu değer 3.70–3.77 €/kg H? aralığında bulunmuştur. 2035 ve 2050 yılı öngörüleri dikkate alındığında ise bu maliyetlerin sırasıyla 2.67–2.72 €/kg H? ve 1.68–1.71 €/kg H? seviyelerine düştüğü gözlenmiştir. Sonuçlar, Türkiye'nin kara tipi rüzgâr enerjisini kullanarak büyük ölçekte ve maliyet açısından rekabetçi bir şekilde yeşil hidrojen üretebileceğini göstermekte olup bu model hem ülkenin ulusal yol haritasıyla hem de küresel enerji dönüşümü hedefleriyle uyumlu bir çerçeve sunmaktadır.This thesis investigates the technoeconomic feasibility of green hydrogen production from onshore wind energy in Türkiye. A representative case study was carried out for Çanakkale, where wind speed data obtained from European Center for Medium-Range Weather Forecasts 5th generation reanalysis data set (ERA5) were modelled using three different probability distributions functions including Weibull, Rayleigh and Lognormal. Among these, Weibull distribution and Rayleigh distribution provided the best fit to local wind profile and Weibull distribution was used for further calculations. Three commercially available wind turbines were also compared, and General Electric (GE) 5.3-158 turbine was selected for calculations of annual energy production. It was estimated that the total annual wind energy production across Türkiye was approximately 226 TWh. Hydrogen production was estimated using a proton exchange member (PEM) electrolyzer, which operates at 65% efficiency for the estimations of current conditions. The modeling framework established in Çanakkale was then scaled to Türkiye using suitable land area data obtained from Türkiye Wind Energy Potential Atlas and assuming a turbine density of 5.3 MW/km2. Under a zero-curtailment scenario, hydrogen production potential was estimated at 4.4 million tons/year, and it was observed that the electrolyzer was underutilized. With 20% curtailment scenario, electrolyzer utilization factors ranged between 71% and 98%. Highest performance for hydrogen production was observed for Marmara and Aegean regions. Levelized cost of hydrogen (LCOH) for each region was calculated and the values were in the range of 3.70 to 3.77 €/kg H2 for the high performing cities. For 2035 and 2050 scenarios, values were in the range of 2.67 to 2.72 €/kg H2 and 1.68 to 1.71 €/kg H2, respectively. Overall, the findings indicate that Türkiye holds substantial potential for large-scale and cost-effective green hydrogen production through onshore wind energy integration, which is aligned with Türkiye's national roadmap and global targets.