Güneş enerjili çok fonksiyonlu entegre enerji sistemleri

Son yıllarda, dünya genelindeki ülkeler karbondioksit emisyonunu azaltmayı ve karbonsuzlaştırma hedeflerine ulaşmayı amaçlamaktadır. Ancak, fosil yakıt temelli enerji yapılarıyla bu hedeflere ulaşmak mümkün değildir. Çoklu üretim sistemleri, daha az enerji tüketimi ve daha yüksek verimlilik sağlayarak bu soruna çözüm sunan önemli bir yöntemdir. Bu sistemler, maliyet tasarrufu ve enerji verimliliği sağlayarak mevcut enerji tüketim artışlarıyla başa çıkabilir. Ayrıca, yenilenebilir enerjinin çoklu üretim sistemlerine entegrasyonu, umut verici bir konsept olup bu alanda birçok çalışma yapılmaktadır.

Jeotermal enerji tabanlı bir çoklu üretim sistemi önerilmiş, sistemin termodinamik analizi ve çok amaçlı optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, ters ozmoz tuzdan arındırma ünitesinin en yüksek ekserji kaybına sahip olduğunu göstermektedir. Ayrıca, aynı araştırmacılar tarafından bir güneş kulesinden güç alan hidrojen ünitesinin de dahil olduğu, çoklu çıkışlara sahip yeni bir enerji üretim sistemi sunulmuştur. Türkiye, İran ve Katar’daki şehirler için yapılan termodinamik değerlendirmeler sonucunda, önerilen döngülerin temel yeniden sıkıştırma döngüsüne göre daha iyi enerji üretimi sağladığı, özellikle de Katar’ın başkenti Doha’nın daha yüksek enerji ve ekserji verimliliği gösterdiği belirlenmiştir.

Çalışma, çoklu üretim sistemlerinde güneş enerjisinin kullanımını ve fotovoltaik/termal (PV/T) teknolojisinin avantajlarını ele almaktadır. Güneş enerjisinin bolluğu, temizliği ve erişilebilirliği sayesinde PV/T teknolojisi, hem elektrik hem de termal enerji üretebilen bir çözüm olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. PV/T teknolojisi, çeşitli yenilenebilir enerji uygulamaları için maliyet avantajları ve çevresel faydalar sunan bir çözüm olarak öne çıkmaktadır.

Güneş enerjisinin doğası gereği kesintili olması, pratik kullanımda sınırlamalar yaratmaktadır. Bu sorunu çözmek için enerji depolama teknolojileri önemli bir çözüm sunmaktadır. Pompajlı termal elektrik depolama (PTES) sistemleri, daha düşük maliyetli, uzun ömürlü ve coğrafi kısıtlamalara sahip olmayan bir enerji depolama teknolojisi olarak kabul görmüştür. PTES sistemi, pik dışı elektriği termal enerji olarak depolar ve pik talep sırasında bu depolanan enerjiyi tekrar elektriğe dönüştürür.

PTES sistemlerinin farklı yapısal biçimleri arasında, Organik Rankine döngüsü (ORC) ile deşarj döngüsüne sahip sistemler, düşük dereceli ısı kaynaklarını entegre edebilmesi ve çeşitli organik çalışma sıvılarını kullanabilmesiyle öne çıkmaktadır. Bu sistemler, düşük dereceli ısı kaynaklarının entegrasyonu sayesinde güç ve verimliliği artırabilir. Bu nedenle, termal olarak entegre edilmiş PTES sistemleri üzerine birçok araştırma yapılmıştır.

Çoklu üretim sistemlerinde enerji üretimi ve soğutma taleplerini karşılamak amacıyla çeşitli teknolojilerin entegrasyonundan bahsedilmektedir. Özellikle düşük dereceli ısının kullanıldığı absorpsiyonlu soğutma çevriminin (ARC) ve bu çevrimin çoklu nesil sistemlere entegrasyonunun öne çıktığı görülmektedir.

Pakistan’daki kömür kaynaklı emisyonları ele alan bir çalışmada, enerji, metan ve amonyak üretimi için IGCC (Entegre Gazlaştırma Kombine Çevrim) kojenerasyonu incelenmiş; absorpsiyonlu soğutma sisteminin (ARC) entegrasyonunun verimliliği artırdığı ve CO2 emisyonlarını azalttığı belirtilmiştir. Kojenerasyon tasarımının, sera gazı emisyonlarını azaltmada daha iyi performans gösterdiği tespit edilmiştir.

ORC (Organik Rankine Döngüsü), PEM elektrolizörü* ve absorbsiyonlu soğutucu birleştirilerek, güneş kolektörleriyle temiz hidrojen üretimi sağlanmıştır. Termodinamik ve termoekonomik analizlerle sistemin teknik ve ekonomik etkinliği değerlendirilmiş; evrimsel algoritmalarla çok amaçlı optimizasyon yapılarak optimum sistem performansı belirlenmiştir. Biyokütle ve güneş enerjisinin entegrasyonuyla güç, soğutma ve sıcak su üreten bir sistem geliştirilmiştir. Bu çalışmada yenilenebilir enerji tabanlı çoklu üretim sistemi geliştirilmiş ve PV/T kolektörlerinden elde edilen güneş enerjisine dayalı, enerji depolama, soğutma, ısı üretimi ve hidrojen üretimi gibi çoklu fonksiyonları tek bir sistemde entegre eden bir yapı tasarlanmıştır. Ayrıca,  farklı mevsimlerde iki çalışma modu için gerçekleştirilmiş ve bu modlara göre optimum çözümler elde edilmiştir.

Enerji depolama, soğutma, ısı üretimi ve hidrojen üretimi sağlayan PV/T, PTES, ARC ve PEM elektrolizini entegre eden yeni bir çok jenerasyonlu sistem kurulmuştur. Farklı parametrelerin, farklı DNI (doğrudan normal ışınım) seviyeleri altında sistem performansı üzerindeki etkilerini araştırmak amacıyla bir yıldaki dört mevsimden tipik bir gün seçilmiştir. Farklı mevsimlerde CPHH (kombine güç, ısı ve hidrojen üretimi) ve CPCH (kombine güç, soğutma ve hidrojen üretimi) çalışma modlarının termodinamik, termo-ekonomik ve çok amaçlı optimizasyon analizleri yapılmıştır. Bu iki çalışma modunun optimum çözümleri, daha esnek ve verimli çok nesilli sistemlerin tasarımına değerli referanslar sunan çok amaçlı optimizasyonla elde edilmiştir.

Kurulan sistemin açıklaması

PTES sistemi, PV/T panelleri, ARC (Absorpsiyonlu soğutma çevrimi) ve PEM (Proton değişim membran) elektrolizörüne dayanan yeni bir çoklu nesil sistem önerilmektedir.

Sistem, enerji depolama, soğutma, ısıtma ve hidrojen üretimi dahil olmak üzere çeşitli gereksinimleri karşılamak üzere tasarlanmıştır. Ayrıca, sistem PV/T sistemi ile aralıklı güneş enerjisini kullanmaktadır.

Farklı mevsimlere bağlı olarak, sistem iki modda çalıştırılabilir: ilkbahar, sonbahar ve kış aylarında CPHH modu** ve yaz aylarında CPCH modu***. Bu arada, PTES sistemi her iki çalışma modunda da sürekli olarak çalışır.¹

PV/T panelleriyle entegre edilmiş akıllı bir bina sistemi, sadece binanın anlık elektrik ihtiyacını karşılamakla kalmaz, aynı zamanda yıllık sıcak su ihtiyacını da sağlar. Geleneksel sistemlerin aksine, elektrik depolamak için batarya ya da ısı üretimini artırmak için ısı pompası kullanmak yerine, bu önerilen sistem, bina ile bölgesel ısıtma ve elektrik şebekeleri arasında akıllı bir etkileşim sağlamak amacıyla yalnızca bir ısı depolama tankı kullanmaktadır.²

Güneş enerjisine ihtiyaç duyulduğundan, yıl boyunca radyasyon yoğunluğunun yüksek olduğu Wuwei, Gansu Eyaleti, Çin, bu sistem için uygulama alanı olarak seçilmiştir. Bu arada, çalışma için 2022 yılının ilkbahar, yaz, sonbahar ve kış aylarından dört tipik gün seçilmiştir. Verilere göre bölgenin maksimum DNI değeri bir yıl içinde yaklaşık 1000 W/m² ye ulaşabilir ve dört tipik günün nispeten yüksek DNI değerleri 10.00-17.00 zaman aralığında meydana gelir.

Sonuçlar

Çalışmada, pompalı termal enerji depolama, fotovoltaik/termal sistem, soğurmalı soğutma ve PEM elektrolizörüne dayalı bir çoklu üretim sistemi önerilmiştir. Bu sistem, enerji depolama, soğutma, ısıtma, enerji üretimi ve hidrojen üretimini eş zamanlı olarak sağlayabilmektedir. Çeşitli mevsimlerde farklı parametre koşulları altında sistemin termodinamik ve ekonomik performansı incelenmiş, ayrıca CPHH ve CPCH çalışma modları için çok amaçlı optimizasyon yapılmış ve optimum çözüm koşulları altında sistem bileşenlerinin ekserji kayıpları değerlendirilmiştir.

PTES teknolojisi, yenilenebilir enerjiye geçişte önemli bir rol oynayabilir. Bu çalışmada, PV/T, PTES, ARC ve PEM elektrolizörünü birleştirerek eş zamanlı enerji depolama, soğutma, ısıtma ve hidrojen üretimi sağlanan bir çoklu jenerasyon sistemi önerilmiştir. Sistem, karmaşık enerji uygulamalarını çözmedeki esnekliğini ve entegre enerji yönetim sistemine olanak tanımaktadır. Gelecekte, farklı alt sistemler arasındaki koordinasyon ve sistem performansının iyileştirilmesi hedeflenerek dinamik analizler yapılacaktır. Bu çalışma, yenilenebilir enerji ve çoklu üretim sistemleri için yeni perspektifler sunmaktadır. 

*PEM elektrolizörler, suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için elektrik enerjisi kullanır ve bu işlem sırasında proton değişim membranı üzerinden protonların geçişini sağlar. Bu teknolojide, hidrojen üretimi için temiz enerji kaynakları kullanılabilir, bu yüzden özellikle yenilenebilir enerji entegrasyonlu sistemlerde hidrojen üretimi için tercih edilmektedir.

**CPHH modu: ARC alt sistemi kapatılır, PTES, PEM elektrolizörü ve ısıtma sistemleri normal şekilde çalışır, sistem elektrik üretme, hidrojen üretimi ve kullanıcı için kullanım sıcak suyu üretme işlemlerini yürütür.

***CPCH modu: sistem ısı üretmez, PTES, ARC ve PEM sistemi normal çalışır, sadece elektrik üretimi, soğutma ve hidrojen üretimi süreçlerinden geçer.

Kaynaklar

1. Wang, P., Li, Q., Wang, S., & Hui, B. (2024). A multi-generation system with integrated solar energy, combining energy storage, cooling, heat, and hydrogen production functionalities: mathematical model and thermo-economic analysis. Renewable Energy, 120812.
2. Behzadi, A., Arabkoohsar, A., & Yang, Y. (2020). Optimization and dynamic techno-economic analysis of a novel PVT-based smart building energy system. Applied Thermal Engineering, 181, 115926.