Exergy based analyses and assessments of solar based hydrogen energy systems

Hidrojen, günümüzde potansiyeli çok yüksek bir enerji taşıyıcısıdır ve dünyanın fosil yakıtlardan uzaklaşma eğilimi açısından da çevresel bir yaklaşım sağlayan bir seçenektir. Ne kadar halen fosil yakıtlar, hidrojen üretiminde daha çok kullanılsa da yenilenebilir kaynakların tercihi de oldukça dramatik artmaktadır. Güneş enerjisi de bu bağlamda oldukça yaygın ve ulaşılabilir bir seçimdir. Hidrojen üretimi ve depolanmasında da suyun elektrolizi ve yakıt pilleri de en iyi seçeneklerden biridir. Bu tezin ana amacı; güneş enerji esaslı bir hidrojen üretim ve depolama sisteminin Geçiçi Rejim Enerji Sistemi Simülasyon Aracı (The Transient Energy System Simulation Tool: TRNSYS) ve Mühendislik Denklem Çözücü (Engineering Equation Solver: EES) yazılımları kullanılarak modellenmesi ve analiz edilmesidir. Göz önüne alınan sistem, esas olarak güneş paneli, elektrolizör, hidrojen depolama sistemi ve Proton Değişim Membranlı Yakıt Pili (PEMFC)’den oluşmaktadır. Sistemin performansının değerlendirmesinde, enerji, ekserji, sürdürülebilirlik, eksergoekonomik ve eksergoçevresel analiz yöntemleri kullanıldı. Analizler, her bir bileşen ve sistemin bütünü için üç farklı ölü hal sıcaklığı (0°C, 5°C ve 15°C) parametrik olarak yapıldı. Analizlere dayalı olarak, ekserji verimi bakımından, elektrolizörün, % 60,41 ile en yüksek değere ve fotovoltaik panelin ise, % 7,44 ile en düşük değere sahip olduğu belirlendi. Yüksek ölü hal sıcaklıklarında, PEMFC bileşeninin sürdürülebilir olmadığı elde edildi. Maksimum ekserji yıkımına ve kaybına bağlı total eksergoekonomik parametre değeri 0,25 W/$ olarak fotovoltaik panelde hesaplandı. Fotovoltaik panel ve PEMFC’in yüksek ölü hal sıcaklıklarında elektroliz bileşenine göre çevreye daha zararlı olduğu ekserjetik olarak bulundu. Minimum eksergoçevre faktörü değeri ise, yaklaşık olarak 0,40 olarak elektrolizör bileşeni için 15°C de elde edildi.Hydrogen is a very high potential energy carrier today and is an option that provides an environmental approach in terms of the world's tendency to move away from fossil fuels. Although fossil fuels are still used more in hydrogen production, the preference of renewable resources is increasing dramatically. Solar energy is also a very common and accessible choice in this context. Electrolysis of water and fuel cells are also the best options for hydrogen production and storage. The main objective of this thesis is model and analyze a solar based hydrogen production and storage system using the software packages of the Transient Energy System Simulation Tool (TRNSYS) and Engineering Equation Solver (EES). The system investigated mainly consists of a PV panel, an electrolyzer, a hydrogen storage system and a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). Energy, exergy, sustainability, exergo-economic and exergo-environmental analysis methods were used in the performance assessment of the system. The analyses were parametrically performed at three different dead state temperatures (0°C, 5°C ve 15°C). Based on the analyzes, it was determined that the electrolyzer had the highest value of 60.41 % and the photovoltaic panel had the lowest value of 7.44 % in terms of exergy efficiencies. At high dead-state temperatures, the PEMFC component was obtained to be unsustainable. The total exergoeconomic parameter value due to the maximum exergy destruction and loss was calculated to be 0.2546 W/$ for the photovoltaic panel. The photovoltaic panel and PEMFC were found to be more harmful to the environment than the electrolysis component at high dead-state temperatures. The minimum exergo environmental factor value was obtained to be approximately 0.40 at 15°C for the electrolyzer component