21.10.2014 DAĞITILMIŞ ÜRETİM-2 Elektrik Üretiminin Dönüşümü    Giderek daha da büyüyen güç santralleri dönemi sona ermektedir İletim ve dağıtım şebekesinin daha ucuz, verimli ve küçük ölçekli santrallere sahip bağımsız güç üreticilerine açılması devam etmektedir. Üreticiler arasında rekabet oluşturmak ve müşterilerin kendi güç kaynaklarını seçmelerine izin veren araçların düzenlenmesini yeniden yapılandırma teşebbüsleri başlamıştır. Dağıtık Üretim;  Tüketime yakın dağıtım şebekelerinde kurulur  Genelde 50 MW’a kadar  Küçük ölçekli  Otoprodüktör veya satıcı olabilir veya kojenerasyon ve  Kombine trijenerasyon olabilir Alt ve Üst Isıl Değerler        Yakıtlar yandığında ortaya çıkan enerjinin bir kısmı su buharında gizli enerji olarak kalır. (1060 Btu/pound veya 2465 kj/kg veya 539 kcal/kg) (1m ^3 doğalgaz yanında 1,5-1,7 kg su oluşur) Bu buhar bacadan diğer gazlarla atılır. Kombilerde bunlar bacadan atılmadan yoğunlaştırılır ve su enerjisini tekrar ısıtmaya verir. Su buharının içinde gizli ısı halen varsa Ü.I.D Su buharının içinde gizli ısı yoksa A.I.D olur. 1 21.10.2014  Bu durumda ikisinin oranı önemlidir. Tabloda bazı yakıt cinsleri için alt ve üst ısıl değerler verilmiştir.        Örnek 1: Bir mikrotürbine, üretilen her Kwh elektrik için 13.700 Btu (DID) doğal gaz girişi vardır. DID ve YID verimliliğini bulunuz. (Bir önceki bölümde verimlilik ve ısı oranları arasındaki ilişki verilmişti.)  Geleneksel kombilerde baca çıkışı gaz sıcaklığı 130°C-150°C arasıdır. Bir eşanjör ile tesisatta dönen ısısı düşmüş suyu ısıtır ve kendiside gaz halinden sıvı hale geçer, su buharı olur. Yaklaşık 50°C’ye kadar olur. Bu sistem için ya alttan ısıtma yada büyük petekli sistemler olmalı ki dönüş suyu düşük sıcaklığa sahip olsun ve yoğuşma meydana gelebilsin. Bacadan atılan gazda hermetik(çift, iç içe boru sistemi) ile gelen temiz havayı ısıtır. Doğal gaz içerisinde %90 civarında metan olan bir gazdır. ÜID ve AID değer arasındaki fark %10 civarındadır. Büyük güç santrallerinde verim UID’ye göre, Mikrotürbinler veya pistonlu motorlar gibi dağıtık sistemlerde AID’ye göre hesaplanır. TermalVerimlilik (YID)=Termal Verimlilik (DID)*(DID/YID) Mikroyanmalı Türbinler Önceden bahsedilen puant enerji santrali olarak da kullanılan temel gaz türbinleri 1MW-200 MW gibi değişken aralıkta kullanılıyordu.  Yaklaşık 500 watt-Birkaç yüz kw’a kaadr üretim yapan türbinler Mikrotürbin adını almaktadır.  2 21.10.2014  Şekil kompresör,türbin ve sabit mıknatıslı jeneratörden oluşan temel konfigürasyonu göstermektedir.  Bu durumda her şey tek bir mil üzerinde yer almaktadır.  Giren hava üç veya dört transfer atmosfer basıncı sıkıştırılmakta, recuperator denen ısı esanjörüne gönderilmekte,burada ısısı sıcak egzoz gazları ile yükseltilmektedir.  Gelen sıkıştırılmış havanın önceden ısıtılması ısı esanjörünün verimliliğini artırmaktadır.  Sıcak, sıkıştırılmış hava yanma odasındaki yakıtla karıştırılır ve yakılır.  Sıcak gazların türbinlere doğru genişlemesi kompresör ve üreteci durdurur.  Egzozun ısısı ısı esanjörüne gelen havaya aktarıldıktan sonra egzozdan atmosfere salınır.  Enerji akışı ile kombine ısı ve güç modu şekilde gösterilmiştir. Bazı mikrotürbinlerin örnek özellikleri tabloda verilmiştir.  Mesala Capstone Turbine firması 30 kw ve 60 kw’a kadar güç üreten buzdolabı büyüklüğünde mikrotürbinler üretir.  Örnek 2: Kombine ısı ve güç       Elliot TA 100 A üreteci 105 kW çıkışında 1,24*106 Btu/hr doğal gaz yakmaktadır. Kayıp ısı apartmanda su ve saha ısıtmada kullanılan kazanda kullanılmaktadır. Tasarım, kazandaki su ısısının 120ºC’den 140ºC’ye kadar ısıtılması ve kazana dönüşümü şeklindedir. Sistem bu şekilde 8000 saat çalışmaktadır. A)Eğer yakıt enerjisinin %47’si kazan suyuna iletiliyorsa su akış oranı ne olmalıdır?(gal/dk) B)Eğer kazan %75 verimli ise ve her bir milyon Btu için 6$ maliyeti varsa kazan yakıtı yerine mikrotürbin kullanarak ne kadar para tasarrufu sağlanmış olur? C)Eğer kamu elektriği 0,08 $/kWsa maliyette ise mikrotürbin kullanılması kamu elektriğinden ne kadar tasarruf sağlar? D) Eğer Q&M(operasyon ve bakım) 1500 $/yıl ise mikrotürbinin yıllık net tasarrufu ne kadardır? E)Eğer mikrotürbin fiyatı 220.000$ ise yıllık tasarrufun ilk yatırıma oranı nedir? (ilk yatırımın dönüş oranı=?) 3 21.10.2014 Çözüm:  A) Spesifik ısısı c ve kütle akış oranı m olan bir maddenin sıcaklığını Δt kadar artırmak için, gereken ısı = ∆ 1Ib suyu 1ºF artırmak için 1 Btu gerektiğinden ve bir galon su 8,34 Ib gerektiğinden su akış oranı; ̇= , º ∗ ∗ , ∗ º ∗ , / ∗ = / / Piston İçten Yanmalı Motorlar  Sabit hızlı ac generatörler ve bunlara bağlanmış pistonlu-içten yanmalı motorlar dağıtık üretim sistemlerinin büyük kısmını sağlamaktadır.  %37-%40 civarında A.I.D verimleri vardır.  0,5 kW-6,5 MW arası kapasiteleri bulunmaktadır.  Benzin,doğalgaz, gaz yağı, fuel oil, alkol, atık tesis gazları v.b yakıtlarla çalışmaktadır.  En ucuz dağıtılmış üretim tesisleridir.  Şekilde gösteridiği gibi 4 zamanlı çevrim bir emme evresi, bir sıkıştırma evresi, bir güç evresi ve bir atma/egzoz evresi içerir.  Emme evresinde piston aşağı hareket eder. Oluşturulan vakum havayı/hava/yakıt buharını emme vanasıyla içeri çeker.  Sıkıştırma evresinde piston yukarı hareket eder ve emme ve egzoz vanaları kapanır.  Sıcak ve genişleyen gazlar pistonu aşağı iter ve oluşan güç krank milini dönmeye zorlar. Son evrede yükselen piston sıcak egzoz gazlarını o an açılan egzoz vanasından dışarı atar ve çevrimini tamamlar.  4 21.10.2014 4 zamanlı motorlar; Kıvılcım ateşlemeli: -Benzin,doğal gaz, propan Sıkıştırma ateşlemeli: Motorin, fuel-oil, -daha güçlü ve dağa ağırlar -Verimleri yüksek, ucuz. -Bakımları çok ve emisyon değerleri problem Stirling Motorları  İçten yanmalı motorların patlama tehlikesine karşı dıştan yanmalı motorlar geliştirilmiştir.  Bir buhar çevrim güç santralleri genelde dıştan yanmalı olup, Stirling çevrim motorları dıştan yanmalı pistonlu motorlara bir örnektir.  Piston tahrikli çalışmaktadır.  Temel stirling motorunun yanında konsantre güneş enerjili sistemler bulunmaktadır.      Hava-yakıt karışımını silindire girmeden turbo charger ile sıkıştırıp verim artırılabilir. Ayrıca NOX emisyonu düşürülebilir. Kıvılcım ateşlemeli motorlarda AID verimi %41, UID verimi %38 Sıkıştırma ateşlemeli (dizel) motorlarda AID verimi %46 ve UID verimi %44’tür. Motorlarda gelişim; Çıkış net gücünün artışı Sürtünme azalması Egsoz gaz kayıplarının azaltılması ile yapılmaktadır.  Stirling çevrimi 4 durumdan ve bu durumlar arası dört geçişten oluşmaktadır.  Temel çalışma prensibi ise; Yalıtılmış hava, helyum veya hidrojen gibi gazların dıştan ısıtılması ve soğutulması ile işlemin tekrarı ile çalışmaktadır. Gaz ısıtıldığında, yalıtılmış olan hava içinde olduğundan basıncı yükselir ve güç pistonu etkileyerek güç torku oluşturur. Gaz soğutulduğunda ise basıncı düşer ve güç torku üretir. Bu arada gaz iki yalıtılmış oda arasında gidiş-geliş yapar. Burada atık egzoz gazıda yoktur 5 21.10.2014 Konsantre Güneş Enerjisi Teknolojileri Isı motorlarında güneş ışığını termal enerjiye çevirerek generatörü çalıştırma temeline dayanmaktadır.  Konsantrasyon olmadan güneş ışığı yeterli termal verimi yakalayamaz.  Güneş ışığının konsantrasyonu konusunda üç yaklaşım bulunmaktadır.  1) Güneş çanağı/ Stirling Güç Sistemleri  Parabolik bir çanak içine aynalar yerleştirilmektedir.  Çanak güneşi odaklamaktadır.   Termal alıcı bu ısıyı emip, stirling motoruna aktarmaktadır. Soğutma araba radyatörü montajı ile su kullanılır.  Verimlikleri %30 civarındadır.  Megawatt başına 4 dönüm alan gibi büyük alana ihtiyaç vardır.  Arada çanaklar yıkanmalıdır. Bunun haricinde suya ihtiyaç duyulmaz.  Çöllerde kullanılabilir. Tüketim merkezlerine yakın yerlere kurularak kayıplar azaltılabilir.   takip etmektedir ve ışınları termal alıcıya Stirling motoruyla parabolik çanak sistemleri Lineer güneş-oluk sistemleri Güneş ışığını bir güç kulesine yansıtan heliostatlar 2) Lineer parabolik oluklar  Kuzey-güney ekseni boyunca güneşi takip ederek doğu-batı ekseninde dönerek çalışmaktadır.  Güneş kaybolsa bile birkaç saat daha çalışabilecek termal depoları (yağ depoları) bulunmaktadır.  Depo kullanılmayanlarda ise dizel yakıtlı hibrit sistemlerde kullanılır.  Isı transfer akışkanı, parabol merkezi boyunca uzanan alıcı tüplerde 400°C’ye ısıtılır. Seri ısı esanjöründen geçilerek buharın basıncı ve sıcaklığı artırılır. 3) Heliostatlar Aynalar bilgisiyarlar yardımıyla kontrol edilir. Kule boyu 90 m’ye kadar çıkabilir. 100 MW’lık sistemler mümkündür. Tanklar sıcaklığın depo edilebildiği tuz, kaya ve yağla doludur. Depolanan enerji ile 12 saat üzerinde full kategoride çalışabilir. 6 21.10.2014 3 teknoloji birbiriylekarşılaştırıldığında, Stirling sistemde; %21 verim 1 güneş ışığı 3000’e (4 dönüm/MW) Su açısından en iyisidir. Gürültüleri en az Kolay kurulumlu Parobolik sistemde; %14 verim 1 güneş ışığı 1000’e (5 dönüm/MW) Güç kulelerinde; % 16 verim 1 güneş ışığı 1000’e (8 dönüm/ MW)       Genelde buhar türbini yerine gaz türbinlerinden oluşurlar. Ancak yakıt gaz olmadığı için ara katman kullanılır. Aksi halde türbinler parçalanabilir. Önce yakıt gazlaştırılır, yanma işleminden önce temizlenir. Sonra gaz türbinlerine verilir. Biomassta sülfür oranı çok düşüktür. Böylece kömürden daha kolay gazlaşır. Ancak içeriğinde nitrojen çoktur ve Nox kontrolünün yapılması gerekir. 5 cent/KWh ‘e elektrik üretilebilir. Elektrik İçin Biyokütle (Biomass)        Biyokütle enerji sistemleri bitkilerde fotosentez sırasında yakalanan ve depolanan güneş enerjisini kullanır. Türkiye’deki yıllık yakıt (bitkisel/hayvansal/sanayi çöp) potansiyeli 117 Milyon ton Verimlilik düşük olduğu için güneşi toplamak ve depolamak önemli hale gelmiştir. Fotosentezden dolayı karbon emisyonunda problemi bulunmaktadır. Biomass santralleri geleneksel Rankine buhar çevrimine göre çalışmaktadır. Yakıtın olduğu kere kurulursa ekonomik olmaktadır. Verimlilikleri %20’in altındadır. Ancak yakıtın ucuz olması sebebi ile 9 cent/kWh ‘e elektrik elde edilebilir.  Gazlaştırma işlemi,  2 basamakta gerçekleşir. İlk kısmında işlenmemiş biomass yakıtı ısıtılır,piroliz ile buharlaştırılıyor. Isıtılıp nemi alınıyor. 400 °C’de ‘’synges’’ denilen ürün gazı (nitrojen) oluşuyor. İçinde çoğunlukla H2, CO, Ch4, CO2 ve N2 bulunmaktadır. Char –sadece karbondur. Piroliz: Cam ve metaller atındıktan sonra hava olmadan kalan çöpün ısıtılarak gaza,sıvı yakıta veya kömüre dönüştürülmesi işlemidir. Çıkan gazı külden kurtarmak için, gaz temizleme ünitesi kullanılır. Geri kalan mucurlar ise ayrışma tankından geçerek yüksek vasıflı kok kömürü olarak kullanılır. 7 21.10.2014 Mikro-Hidro Güç Sistemleri        2. basamakta karbon 700 °C’ye ısıtılır ve 02, Buhar ve hidrojenle reaksiyona girerek ek syngas üretir. Eğer çıkış ‘’syngas’’ kondenserden geçirilirse ‘’Biocrude’’ denilen konsantre yakıt ortaya çıkar. Biomass’te bir yöntemde bakteriler ve su atıklarının birleştirilip reaksiyona sokulmasısonucunda metan,karbondioksit, nitrat,sülfür ve birçok gazın elde edilmesidir. Birleştirme işlemi ‘’digester’’’denilen tanklarda yapılır. Çıkışta %55-75 arası metan vardır.     Suyun taşıyıcı borulara yönlendirildiği ve bir güç istasyonuna aktarıldığı bir mikro-hidroelektrik sistemi. En basit mikro-hidro güç santralleri nehir-boyunca akan (run-ofthe-river) sistemleridir, yani bir baraj gerektirmezler. Bu nedenle, barajların ve rezervuar elemanlarının ekosistem bozulmasına hemen hemen hiç neden olmazlar. Nehir-boyunca akan sisteme bir örnek şekilde gösterilmiştir. Nehrin bir kısmı taşıyıcı boru denen, suyu basınç altında girişin (intake) alt seviyesinde bulunan bir güç istasyonundaki bir hidrolik türbin/jeneratöre ileten bir boru hattına yönlendirilir. Sistemin nasıl tasarlandığına bağlı olarak güç istasyonu ortalama jeneratör çıkışını aşan pik taleplerde yardımcı olması için bir batarya bankası içerir. Hidroelektrik enerji küresel elektrik üretiminin %19’unu sağlayan çok önemli bir kaynaktır. Afrika ve Güney Amerika’daki bazı ülkelerde hidroelektrik, elektrik gücünün %90’dan fazlasının kaynağıdır. Hidroelektrik ABD elektriğinin %9’unu üretir, mütevazi görünebilir fakat hala diğer yenilenebilir kaynakların toplamının çıktısından daha fazladır. Hidroelektriğin neredeyse tamamı bazen 30 MW kapasitenin üzeri olarak tanımlanan büyük ölçekli projelerde üretilir. Küçük ölçekli hidroelektrik sistemleri 100 kW ile 30 MW arasında üretim yapanlar olarak kabul edilirken, mikro-hidroelektrik santralleri 100 kW’dan az olanlardır. Bizim burada ilgilendiğimiz mikro-hidroelektriktir. Bir Mikro-hidro Santralinden Sağlanan Güç  Su ile ilgili enerji kendini üç yolla gösterir : ◦ potansiyel enerji, ◦ basınç enerjisi ◦ kinetik enerji. Bir hidroelektrik sistemindeki enerji referans seviyesi üzerindeki yüksekliği nedeniyle potansiyel enerji olarak başlar. Taşıyıcı borudaki yapabilmelidir, basınç altındaki su serbest bırakıldığında iş öyleyse bu basınçla ilgili bir enerji de vardır. Son olarak, su aktıkça hareket eden her kütle ile ilgili kinetik enerji de bulunur. Şekilde su, havuzdan taşıyıcı boru boyunca ağız(nozzle) dışına doğru aktıkça bu enerji formları arasında geçişleri gösterir. Enerjinin potansiyelden basınca ve kinetik enerjiye dönüşümü; 8 21.10.2014   Bu üç enerji formunun her birini ağırlık başına olarak ifade etmek uygundur, bu durumda enerji baş olarak bilinir ve uzunluk ölçüleri cinsinden şu şekilde ifade edilir; “brüt düşü (düşü feet)” veya “düşü metre”. Toplam enerji potansiyel, basınç ve kinetik baş toplamıdır ve aşağıdaki ifade ile verilir: Mikro-hidrogüç sistemleri ile çalışırken, özellikle ABD’de, farklı birimlerle kullanıldığından, arasındaki geçişler için  birimler aşağıdaki tablodan yararlanılabilir.  Su için dönüşüm faktörleri;  z bir referans noktası üzerindeki yükseklik (m veya ft), p basınç (N/m2 veya lb/ft2), γ spesifik ağırlık (N/m3 veya lb/ft3), v ortalama hız (m/s veya ft/s), g yerçekimi ivmesidir (9.81 m/s2 veya 32.2 ft/s2). Çözüm: Örnek 3: Amerikan sistemi üniteler  Aşağıdaki formül kullanılarak; 4-inch çapında bir taşıyıcı boru 150 gpm suyu 100 feet yükseklik değişimiyle sağlamaktadır.  Borudaki suyun basıncı güç santraline ulaştığında 27 psi dir. düşünün ne kadarı boruda  Mevcut kaybolur?  Türbin için ne kadar güç mevcuttur?  9 21.10.2014 Bir yerden teorik olarak elde edilebilir güç, kaynak ile türbin arasındaki düşü, (H, denen yükseklik farkı) ile birinden diğerine akan suyun akış oranı, Q,’nun çarpımı ile doğru orantılıdır..  Basit bir boyut analizi kullanarak;   Türbin için gereken ulaşılabilir gücü azaltan boru kayıplarını içermediği için eşitlikte verilen düşü, H’a brüt düşü, HG denir.  Net düşü, HN, brüt düşü (gerçek yükseklik farkı) ile borudaki düşü kaybı arasındaki fark olacaktır. Bu kayıplar boru çapının, akış oranının, boru uzunluğunun, boru düzgünlüğünün ve suyun türbine doğru giderken geçmek zorunda olduğu viraj, vanaların ve dirseklerin bir fonksiyonudur. Eşitliklere göre, yüksek düşü ve düşük akışlı bir yer ile tam tersi karakteristikte bir yer arasında fark yokken, fiziksel tesisler arasındaki farklar dikkate değerdir.  Yüksek düşü yer ile düşük akış oranı; kolayca erişilebilir ve çalışması kolay olan daha küçük çaplı borulama ile daha küçük ve daha ucuz türbinler gerektirir.  Ortalama akışların olduğu uygun düşü ev ölçeğindeki projeler hızlı, basit, maliyet etkin sistemlere öncülük eder.  Boru kayıpları      Şekilde çeşitli çaplardaki PVC ve polietilen (poly) borular için 100 feet boru başına düşü feet olarak ifade edilen sürtünme kayıplarını gösterir. PVC borunun sürtünme kayıpları daha düşüktür ve polietilenden daha ucuzdur, fakat küçük çaplı polietilen esnek olduğundan montajı daha kolaydır ve 100 feet ile 300 feet arası uzunluklarda satın alınabilir. Daha büyük çaplı polietilen borular daha kısa boylarda satılır ve yerinde alın kaynağı yapılabilir. Her ikisini de güneş ışığından korumak gerekir, çünkü ultraviyoleye maruz kalmaları bu malzemeleri gevrek ve kırılması kolay yapar. Şekilde brüt ve net düşü arasındaki farkı gösterilmiştir. 10 21.10.2014 Bir mikro-hidro sistemine iletilen enerji; Örnek 4: Küçük bir kaynağın gücü  150 gpm suyun bir dereden alındığını ve 3 in. çapında 1000 ft polietilen boruyla kaynaktan 100 ft aşağıdaki bir türbine iletilmektedir. Pratik kuralı kullanarak türbin/üretece iletilen gücü bulun.  30 günlü bir ayda ne kadar elektrik enerjisi üretilir?  Çözüm:  Örnekteki sonuç;  elde edilebilir potansiyel gücün yarısı borulama yüzünden kaybolduğu için kötü bir tasarımdır. Daha büyük çaplı boru kayıpları azaltırken iletilen gücü artıracaktır, bu nedenle daha büyük enerji açısından kesinlikle daha iyidir. Fakat büyük boruların maliyeti de fazladır, özellikle büyük vana ve diğer bağlantı elemanları hesaba katıldığında, ve onlarla çalışmak daha zordur. Borulama maliyeti genellikle bir mikro-hidro projenin toplam maliyetinin önemli bir oranı olduğundan en uygun boru çapına karar vermek için bir ekonomik analiz yapılmalıdır.    11 21.10.2014  Bir nedenle boru çapının belirlendiğini farz edelim.  Belki bu rahat bulunabilen en büyük çapta, belki maliyeti karşılanabilecek çaptadır veya zaten satın alınmıştır.  Boru içinden geçen optimum akış oranı olup olmadığı sorusu akla gelir. Eğer akış çok yüksekse sürtünme gücün çoğunu götürür ve çıkış azalır. Akış oranını yavaşlatarak sürtünme kayıpları azaltılır fakat iletilen güç de azalır.  Öyleyse bu iki rekabetçi fenomeni dengeleyen ve verilen bir boru çapı için maksimum güç üreten bir ideal akış oranı olmalıdır.  Bir boru hattının ilettiği maksimum gücün teorik olarak türetilmesi oldukça basittir. Şekildeki eğriler şu eşitlik ile yaklaşık olarak oldukça doğru hesaplanabilir: Örnek 5:Optimum akış oranı:  Bir önceki örnekte;1000 ft uzunluğundaki 3 in. çapındaki polietilen borunun optimum akış oranını bulunuz.  Çözüm; Eşitliğe göre; sürtünmenin 100 ft brüt düşünün üçte biri olması, 1000 ft boruda 33,3 ft boru kayıpları olması demektir.  3 in. polietilen için ;yaklaşık 120 gpm’in optimum olacağını gösterir. : Akış ölçümü      Örneklerde akışın yavaşlamasının boru hattının ilettiği gücü nasıl arttırdığını gösterdiği halde bu, hatta bir vana yerleştirilip bir parça kapatılmasının işe yarayacağı anlamına gelmez. Bu kazanılan güçten daha fazlasını harcayacaktır. Bu, fazla güç kaybetmeden akışı kontrol eden uygun tasarlanmış bir ağızın (nozzle) işidir. Ve bir kez daha vurgulamak gerekir ki, iletilen gücün artırılması için ilk yaklaşım daha büyük çaplı bir boru kullanmaktır. Akış oranını 5 ft/saniye’nin altında ve sürtünme kayıplarını %20’nin altında tutmak iyi bir tasarım olacaktır.    Elde edilebilecek su akışı bir sistemin planlanması ve tasarlanması için gereklidir. Bazı durumlarda kaynak çok bol ve talep çok az olabilir ki bu durumda kaba bir değerlendirme yeterli olabilir. Eğer, kaynak mütevazi bir dere veya sadece bir pınar ise, özellikle de akışı mevsimlik ise bir hidro-güç yatırımı yapmadan önce daha dikkatli gözlemler ve ölçümler gerekebilir. Bu durumda en az bir yıllık düzenli ölçüm yapılmalıdır. 12 21.10.2014  Akarsu akış tahmini, bir pervane-veyafincan-tahrikli akış ölçer kullanılarak derenin tüm kesiti boyunca yapılan akım hız ölçümlerini de içeren bir yöntem olmak üzere en basit kova-kronometre yaklaşımından daha karmaşık yaklaşımlara kadar değişir.  Mikro-hidro sistemler için sıklıkla en iyi yaklaşım dere boyunca savak denen geçici bir kontraplak, beton veya metal duvar inşa etmektir.  Savak üzerindeki bir delikten akan suyun yüksekliği akışa karar vermek için kullanılabilir.    Savaktaki delik çeşitli şekillerde olabilir, dikdörtgen, üçgen veya yamuk şeklinde. Keskin bir kenarı olmalıdır ki su damlaları deliği aşar aşmaz hemen düşsün. Kesin doğruluk için bu savak ardında çok yavaş hareket eden su havuzu oluşturmalıdır ki savağa yaklaştıkça yüzeyi tamamen düz olmalı ve suyun üst akıntısının yüksekliğinin ölçülebilmesi için bir çeşit cetvel yerleştirilmelidir. Şekil’deki dikdörtgen savak için geometrik eşitlikler kullanılarak ve yükseklik, h, yaklaşık 5 cm veya 2 in.’den fazla tutularak akış şu eşitlikten çıkarılabilir: Örnek 6: Bir savak hazırlamak  Şekil‘de verilen kısıtlamaları kullanarak en az 100 gpm olması beklenen akışı ölçmek için bir savak tasarlayın. 13 21.10.2014 Türbinler         Enerjinin kendisi gösterdiği üç form – potansiyel, basınç ve kinetik düşügibi su gücünü de bir elektrik üretecinin milini döndürmek için gereken mekanik enerjiye dönüştürmenin de üç farklı yöntemi vardır. Darbe türbinleri bir tekerin etrafındaki kovalara püsküren yüksek hızlı su jetlerinin kinetik enerjisini yakalar. Tersine olarak, bir reaksiyon türbininde su hızı mütevazi bir rol oynar ve onun yerine istenen torku oluşturan bu türbinlerin çarkları veya pervaneleri arasındaki basınç farkıdır. Genel olarak, darbe türbinleri yüksek düşülerde en uygun iken, düşük akışlı durumlarda reaksiyon türbini uygundur. Ve son olarak, yavaş hareket eden, fakat güçlü, geleneksel hedefi şaşmayan su çarkları potansiyel enerjiyi mekani enerjiye çevirir. Su çarklarının yavaş dönme oranı jeneratör için gereken yüksek hızlar için zayıf kalır ve bu nedenle elektrik gücü için kullanılmazlar.  Darbe türbinleri mikro-hidro sistemlerinde en çok kullanılan türbinlerdir.  Orijinal darbe türbini 1880’de Lester Pelton tarafından geliştirilmiş ve patenti alınmıştır, ve modern benzerleri onun adını taşımayı sürdürür. Bir Pelton çarkında su ağızlardan dönen tekere bağlı ikiz kovalara püskürür. Kovalar, suyun kinetik enerjisinin mümkün olduğunca çoğunu alıp, kovadan çıkan suyun gelen suyu etkilemeden ayrılması için suya yeterince enerji bırakacak şekilde dikkatlice tasarlanırlar.   Dört ağızlı bir Pelton çarkı şekil de gösterilmiştir.  Bu türbinlerin verimliliği genellikle %70 – 90 arasındadır. Bir Pelton çarkının akış oranı basit sistemler için sıradan sulama sistemlerindeki püskürtücüye benzeyen ağızlar tarafından kontrol edilir.  Su bir ağızdan çıktığında basıncı kinetik enerjiye dönüştürülür,   Eşitliğini akış hızını bulmak için kullanabiliriz. 14 21.10.2014 Örnek 4.7.Bir pelton türbini için ağızlar Ağız çapı aşağıdaki gibi bulunur. Bir taşıyıcı boru 150 gpm (0.334 cfs) suyu 50 ft düşü ile 4 ağızlı bir Pelton türbinine iletir.  Jet ve ağız çaplarının aynı olduğunu farz ederek bir ağız çapı bulun.  Çözüm:  Eşitlik kullanılarak;     Orijinal Pelton tasarımlarının verimliliği yüksek akış oranlarından kötü etkilenir çünkü kovalardan ayrılmaya çalışan su gelen jet ile etkileşime girme eğilimindedir. Turgo çarkı denen başka bir darbe türbini Pelton’a benzer, fakat çark başka bir şekildedir ve gelen su jeti bir yönden pervanelere çarparken diğer yönden çıkan suya izin vererek etkileşim problemini büyük ölçüde azaltır. Turbo tasarım aynı zamanda jetin birkaç kovaya aynı anda püskürmesine imkan sağlar; bu türbini Pelton’dan daha hızlı döndürür ve jeneratör hızları ile daha uyumlu hale getirir.  Çapraz akış denen, özellikle düşük-orta düşü (5 – 20 m) santrallerde faydalı olan başka bir darbe türbini daha vardır.  Mucit, ana geliştirici ve halihazırdaki üreticiyi yansıtan bu türbin Banki, Mitchell veya Ossberger türbini olarak da bilinir. Bu türbinlerin üretilmesi kolaydır ki bu onları yerel inşa edilebildikleri gelişen ülkelerde popüler kılmaktadır.  Yüksek akış oranı ile düşük düşü montajlar için reaksiyon türbinleri en sık kullanılanlardır.  Darbe türbinlerindeki gibi çarkın bir su akıntısı tarafından vurulması yerine, reaksiyon türbin çarkları tamamen su içine daldırılır ve güç hız yerine çarklar arasından hareket eden suyun ağırlığından elde edilir.  Mikro-hidro montajlarda kullanılan reaksiyon türbinlerinin çoğunun dışarı takılan motor pervanelerine benzeten çarkları vardır.  Çarklar 3 ile 6 pervane arasında olabilir ki genelde küçük sistemler için sabit aralıklıdır.  Değişken aralıklı pervaneler içeren daha büyük üniteler ve diğer ayarlanabilir özellikler Kaplan türbinleri olarak bilinir. Şekilde, türbin ve dışarıya monte edilmiş üreteç arasında dişlileri içeren bir mekanizma bulunan dik açılı sürücü sistemi . örneği verilmiştir 15 21.10.2014  Tek bir mikro-hidro sistemin batarya deposu; borular, vanalar, türbin ve üreteç içeren hidro sistemin pik değer yerine herşeyin daha küçük ve ucuz olabildiği sadece ortalama günlük güç talebini karşılayacak şekilde tasarlanmasına imkan sağlar.  Şüphesiz uygulamalar açılıp kapandıkça yükler gün boyunca değişebilir; fakat talepteki gerçek pik değerleri, önemli uygulama ve güç aletlerindeki motorları başlatmak için gereken akım dalgalanmaları ile ilgilidir. Bataryalar bunu kolaylıkla halleder. Su akışındaki günlük değişimler mütevazi olduğundan mikro-hidro batarya depolama sistemleri havaya bağımlı PY sistemlerinin halledebileceğinden daha kısa kesintileri kapsayacak şekilde boyutlandırılabilir. Mikro-hidronun elektriksel özellikleri       Daha büyük mikro-hidro sistemleri ac güç kaynağı olarak kullanılabilir, yani geleneksel senkronize üreteç ve şebeke arayüzleri kullanılarak kamu hatları beslenebilir. Çıkış frekansı üretecin rpm değeri tarafından belirlendiğinden, çok kesin hız kontrolleri gereklidir. Mekanik governors ve elle kumanda edilen kontrol vanaları geleneksel olarak kullanılırken, modern sistemlerde mikroişlemciler tarafından kontrol edilen elektronik governors vardır. Ölçeğin diğer tarafında, ev-boyutlu mikro-hidro sistemler batarya doldurmak için kullanılan genellikle dc üretirler. Kamusal gücün erişilebilir olduğu durum bir istisnadır. Bu durumda şebekeye bağlı bir sistem, ki talep hidro sistemin sağladığından daha az olduğunda metre bir yönde döner ve daha fazla olduğunda diğer yönde döner, batarya depolama yaklaşımından daha basit ve ucuz olacaktır. Batarya bazlı mikro-hidro sistemi elektrik blok şeması   İki günlük depolamanın makul olduğu düşünülür. Yakıt Hücreleri İnanıyorum ki bir gün hidrojen ve oksijenden oluşan suyun, tek bileşeni veya ikisi beraber bir yakıt olarak kullanılacak, tükenmez bir ısı ve ışık kaynağı olacaktır.  —Jules Verne, Gizemli ada, 1874      Tipik bir bataryaya dayalı mikro-hidro sistemindeki ana elektriksel bileşenlerin bir şeması şekilde verilmiştir. Bataryaların aşırı yüklemeden zarar görmesini önlemek için gösterilen sistem, aşırı gücü üreteçten -mesela elektrikli su ısıtıcı tanktaki ısıtma elemanı gibi- şönt yüke yönlendiren bir yük kontrolörü içerir. (a) Türbinlere olan su akışını ayarlayan (b) akıntıyı akıntı alan sarmallarına ayarlayarak jeneratör çıktısını düzenleyen diğer kontrol şemaları da mümkündür. Görüldüğü gibi, diğer yükler ac’yi bir dönüştürücüden alırken, bataryalar bazı yüklere direk dc güç sağlayabilirler. 16 21.10.2014        suyu hidrojen ve oksijene dönüştürmek için gereken enerji, elde edilebilecek enerjiden daha fazla olduğundan, suyun kendisi bir yakıt olarak düşünülemez. Yakıt hücreleri (hidrojen, doğal gaz, metanol, gazolin, vs…) bir yakıttaki kimyasal enerjiyi direk olarak elektrik güce çevirir. Yakıt enerjisini ilk olarak ısıya çevirme ara adımından –sonra mekanik hareket ve son olarak elektriksel güce çevrilir- kaçınıldığında yakıt hücreleri verimliliği ısı motorlarının Carnot limitleriyle (şekil 4.25) kısıtlanmaz. Yakıttan elektriğe güç çevrim verimliliğinin %65 gibi yüksek olması olağandır ve yakıt hücrelerinin potansiyel veriminin bugün çalışan merkezi güç santrallerinin potansiyelinin kabaca ortalama iki misli olduğunu gösterir. Yakıt hücrelerinin yüksek verimlilik dışında onları çekici kılan diğer özellikleri de vardır. yakıt hücreleri yüksek sıcaklıklarda çalışırken bazı termal NOx emisyonu olabileceği halde, genel yanma ürünleri (SOx, particulates, CO ve çeşitli yanmamış veya kısmi yanmış hidrokarbonlar) salınmaz. Yakıt hücreleri titreşimden etkilenmez ve neredeyse sessizdirler ve emisyonsuz olmalarıyla birlikte yüklere çok yakın yerleştirilebilirler – mesela, bir binanın bodrumuna. Yüklere yakın olması nedeniyle iletim ve dağıtım sistem kayıpları olmadığı gibi kayıp ısı elektrik kojenerasyonu ile saha ısıtma, havalandırma ve sıcak su gibi uygulamalar için kullanılabilir. Yakıt hücresi kojenerasyon sistemleri yakıttan elektrik ve ısıya dönüşümde % 80 üzerinde toplam verimliliğe ulaşabilir Kimyasal enerjinin bir yakıt hücresi içinde elektriğe çevrilmesi . Yakıt hücrelerinin çalışmasının temelleri  Toplam verimliliğin yüksekliği sadece yakıt kazancı sağlamaz fakat aynı zamanda, eğer bu yakıt doğal gaz gibi bir hidrokarbon ise ana sera gazı, CO2, emisyonunu da azaltır.  Gerçekte, eğer yakıt hücrelerinde, suyun rüzgar, hidroelektrik veya fotovoltaik gibi yenilenebilir bir enerji kaynağı ile elektrolizi ile elde edilen hidrojen kullanılıyor ise hiçbir gazı emisyonu olmaz.  Yakıt hücreleri elektrik talebindeki kısa dönemli değişiklikleri izlemek için verimlilikte mütevazi tavizler verilerek kolaylıkla ayarlanabilir.  Son olarak doğaları gereği modülerdirler ve yük artışı beklentisiyle geleneksel büyük, merkezi güç santralleri inşa etme yaklaşımı yerine yükler arttıkça bunlara küçük kapasiteli üreteçler eklenerek kullanılabilirler.  Temel yakıt hücresi kavramında birçok varyasyon vardır, fakat ortak bir konfigürasyon şekildeki gibidir.  Gösterildiği gibi, basit bir hücre bir elektrolit tarafından ayrılan iki gözenekli gaz difüzyon elektrodu içerir. Bir yakıt hücresi tipini diğerinden ayıran elektrolit seçimidir. Şekildeki elektrolit pozitif iyonları ileten, elektron veya nötr gazları iletme yeteneğine sahip ince bir zar içerir. Akış alanı plakaları rehberliğindeki yakıt (hidrojen) hücrenin bir tarafına getirilirken, bir oksitleyici (oksijen) karşı taraftan girer. Giren hidrojen gazı aşağıdaki gibi zayıf da olsa proton ve elektronlara ayrılma eğilimindedir:    17 21.10.2014 Yakıt hücresi termodinamiği : Entalpi     Bu ayrışma, reaksiyonun sağa doğru gitmesine yardımcı olmak amacıyla elektrotları veya zarları katalistlerle kaplayarak teşvik edilebilir. Hidrojen gazı sol tarafta elektrot yakınlarında (anot) proton saldığından, iki elektrot arasındaki zar boyunca bir konsantrasyon farkı olacaktır. Bu fark, protonların elektronları geride bırakarak zardan geçmesine neden olacaktır. Sonuç olarak, katot anoda göre pozitif yük alır. Geride bırakılan elektronlar pozitif yüklü katota doğru çekilir, fakat zarı geçemediklerinden başka bir yol bulmaları gerekir. Şekilde gösterilen yakıt hücresi şu yarı hücre çifti ile tarif edilir: Eğer elektrotlar arasında bir dış devre oluşturulmuşsa elektronlar katoda gitmek için o yolu izleyecektir. Dış devredeki bu elektron akışı enerjiyi yüke iletir (geleneksel akımın elektronların hareket yönünün tersi yönde olduğunu hatırlayın, böylece I akımı katottan anoda “akar”).     Hidrojen ve oksijenin birleşme için isteği, yakıt hücresinin elektrik enerjisini yüke iletirken kullandığı enerjiyi sağlar. Önemli olan bu reaksiyon ile ne kadar enerji salınacağı ve bunun ne kadarının elektrik enerjisine dönüştürüleceğidir. Bu soruları cevaplamak için, termodinamikten üç terimi tarif etmemiz gerekir: entalpi, serbest enerji ve entropi. Maalesef, kendilerini kolay belli etmediklerinden bu terimlerin her birinin doğru tanımlanması ancak sezgisel yorumla olur.    Entalpi birimleri olarak genellikle maddenin her molü başına kJ’dür.  Bir sistemdeki moleküller sıcaklık ve duruma (katı, sıvı, gaz) bağlı hissedilebilir ve gizli enerji, (moleküler yapıyla ilgili) kimyasal enerji, (atomik yapıyla ilgili) nükleer enerji gibi çeşitli formlarda enerji içerirler Yakıt hücreleri ile ilgili olan kimyasal enerjideki değişimdir ve bu değişimler en iyi eltalpi değişimleri cinsinden tarif edilir. Mesela, bir nesnenin potansiyel enerjisinden onun ağırlığı çarpı referans noktadan olan yüksekliği olarak bahsedilebilir. Referans noktası seçimi, bir nesne bir yükseklikten diğerine kaldırıldıkça değişen potansiyel enerji ile ilgilendiğimiz için önemli değildir. Aynı kavram entalpiye de uygulanır. Bunu rastgele bir referans koşuluna göre tarif ederiz.  Bir maddenin entalpisi onun iç enerjisi U ile hacmi V ile basıncının P çarpımının toplamıdır:  Entalpi H = U + PV Bir maddenin iç enerjisi U; onun moleküllerinin kinetik enerjisini ve moleküller, moleküller içindeki atomlar ve atomlar içindeki parçacıklar arasında rol alan kuvvetlerle ilgili enerjileri içeren mikroskobik özelliklerine işaret eder. Bu maddenin toplam enerjisi onun iç enerjisi ile kinetik ve potansiyel enerjiler gibi gözlenebilir, makroskobik formların toplamıdır.   18 21.10.2014  Entalpi için 25ºC referans sıcaklık ve 1 atmosfer referans basınç (standart sıcaklık ve basınç - Standard Temperature and Pressure, STP) kabul edilir. Bir elemanın 1 atmosfer ve 25ºC’de kimyasal olarak kararlı formu için referans durumu sıfır kabul edilir. Mesela, oksijenin STP’de kararlı formu gazdır, öyleyse O2(g) için entalpi sıfırdır, burada (g) gaz anlamına gelir. Diğer taraftan atomik oksijen kararlı olmadığından entalpisi sıfır değildir (gerçekte, 247,5 kJ/mol). STP’de bir maddenin durumunun önemli olduğuna dikkat edin. Mesela civa, 1 atmosfer ve 25ºC’de sıvıdır. Öyleyse Hg(l) için standart entalpi sıfırdır, burada (l) sıvı anlamındadır. Entalpinin bir yönü onun maddenin kendisini bileşenlerinden oluşturmak için aldığı bir enerji ölçümü olmasıdır. Bir maddenin entalpisi ile onun elementlerinin entalpileri arasındaki farkına oluşum entalpisi denir.                Tablo incelendiğinde diğer iki terim ; mutlak entropi, S ve Gibbs serbest enerjisi, G, dikkat çekmektedir. ki bunlar maksimum olası yakıt hücresi verimliliğini belirlemeye çalıştığımızda işe yarayacaktır. Bir maddenin oluşum entalpisi negatif olduğunda bunun, maddedeki kimyasal enerjinin onu oluşturan bileşenlerin enerjisinden az olduğu anlamına geldiğine dikkat edin. Yani, oluşum sırasında reaksiyona girenlerin enerjilerinin bir kısmı oluşan nesnede kimyasal enerji olarak son bulmaz. Kimyasal reaksiyonlarda, ürünlerin entalpisi ile reaksiyona girenlerin entalpisi arasındaki fark bize reaksiyonda ne kadar enerji verildiğini veya alındığını gösterir. Nihai üründe reaksiyona girenlerden daha az entalpi bulunduğunda, ısı verilir–yani, reaksiyon ekzotermiktir. Diğer durumda ısı emilir ve reaksiyon endotermiktir.   Gerçekte bu, kimyasalın bileşeni nedeniyle o maddede depolanan enerjidir. STP koşullarında kısa bir oluşum entalpileri listesi tabloda verilmiştir. Entalpinin STP koşullarında özel bir değerini (veya entropi ve serbest enerji gibi diğer termodinamik özellikleri) bize hatırlatması için bir superscript “º” kullanılır (mesela Hº). Madde Durumu Sº (kJ/mol-K) Gº (kJ/mol) H Gas 217.9 0.114 203.3 H2 Gas Hº (kJ/mol) 0 0.130 0 O Gas 247.5 0.161 231.8 O2 Gas 0 0.205 0 H2O Liquid −285.8 0.0699 237.2 H2O Gas −241.8 0.1888 228.6 C Solid 0 0.006 0 CH4 Gas −74.9 0.186 −50.8 CO Gas −110.5 0.197 137.2 CO2 Gas −393.5 0.213 394.4 CH3OH Liquid −238.7 0.1268 166.4 H2 + ½O2 → H2O  reaksiyonu analiz edersek, H2 ve O2 entalpileri sıfırdır  öyleyse oluşum entalpisi basitçe nihai ürün olan H2O’nun entalpisidir.  H2O’nun entalpisinin su buharının sıvı veya gaz olmasına bağlı olduğuna dikkat edin.  19 21.10.2014     Entalpi değişiklikleri için negatif işaretler bize bu reaksiyonların ekzotermik olduğunu, yani ısı verildiğini gösterir. Su ile su buharı arasındaki entalpi farkı 44.0 kJ/mol’dür. Bu nedenle, bu değer suyun buharlaşmasının bilinen gizli ısısıdır. Gizli ısının hidrojen içeren bir yakıtın yüksek ısıtma değeri (YID) ile düşük ısıtma değerini (DID) birbirinden ayıran olduğunu hatırlayın. Yanma esnasında oluşan su buharında YID 44,0 kJ/mol gizli ısı içerirken DID içermez. 4.8. Metan için yüksek Isıtma Değeri (YID). Metanın CH4, CO2 ve su (H2O) oluşturmak için oksitlendiğinde  kJ/mol ve kJ/kg olarak  YID değerini bulun.  Yakıt Hücrelerinin Entropi ve Teorik Verimliliği        Başlangıç olarak, tüm enerjinin eşit olarak oluşturulmadığını belirtelim. Yani, mesela, 1 joule elektrik veya mekanik enerji bir joule ısı enerjisinden daha kullanışlıdır. 1 Joule Elektrik veya iş enerjisini %100 verimlilikle ısıya dönüştürebiliriz fakat 1 Joule ısıdan 1 joule elektrik veya ısıyı elde edemeyiz. Bu, enerji formları arasında bazılarının diğerlerinden “daha iyi” olduğu bir hiyerarşi olduğunu gösterir. Elektrik ve mekanik enerji (iş yapma) en yüksek kalitededir. Teoride elektrik ve mekanik iş arasında %100 dönüşüm verimliliği ile geçiş yapabiliriz. Isı enerjisi daha düşük kalitededir, düşük sıcaklıktaki ısı yüksek sıcaklıktaki ısıdan daha düşük kapasitededir. Peki kimyasal enerji bu şemada nereye düşer? Termalden daha iyi fakat mekanik ve elektrikselden daha kötü. 20 21.10.2014   Entropi bize tam olarak nereye düşeceğini bulmaya yardım edecektir. Süreç esnasında sıcaklığı, T değişmeyecek kadar büyük bir rezervuardan Q miktarında ısı alındığında rezervuardaki entropi kaybı ∆S şu şekilde tanımlanır:    Şimdi bu fikirleri bir yakıt hücresine uygulayalım. Kimyasal enerjiyi elektrik ve kayıp ısıya dönüştüren bir yakıt hücresini gösteren şekilde dikkat edelim. ∆S = Q / T Q kilojoule (kJ), ve T kelvin (K = ºC 273,15) olduğundan entropi birimi kJ/K’dır.  Hatırlanmalıdır ki entropi sadece ısı transferi ile alakalıdır ve elektrik veya mekanik iş mükemmel olduklarından entropileri sıfırdır.  Son olarak, her gerçek sistemde tüm entropi değişiklikleri dikkatlice toplandığında termodinamiğin ikinci kuralına göre toplam entropide bir artış olacağını hatırlanmalıdır         Hücre bir miktar elektrik We, üretir ve bir miktar termal enerjiyi, Q, etrafa yansıtır. Isı transferi ve bir gerçek sistem olduğundan entropide bir artış olmalıdır. Bu gereksinimi yansıyan ısının minimum miktarını ve dolayısıyla yakıt hücresinin üreteceği maksimum elektrik güç miktarını belirlemek için kullanabiliriz. Bunun için, hücredeki entropi değişikliklerini dikkatlice listelememiz gerekir. H2 + ½O2 → H2O + Q burada ısının (Q) salınacağı gerçeği görünmektedir. Reaksiyona girecek H2 ve O2’nin entropisi kaybolacak fakat yeni entropi, oluşan H2O’da görünecek entropi ile ısı (Q) formunda görünecek entropinin toplamı olacaktır. Süreç izotermal olduğu sürece –ki bir yakıt hücresi için makul bir yaklaşımdır, yansıyan ısıda görünen entropiyi şu şekilde yazabiliriz:  ∆S = Q / T   Yakıt hücre reaksiyonları ekzotermiktir, yani entalpi değişiklikleri ∆H sıfırdır. Negatif miktarlarla uğraşmak tuhaf bir terminolojiye yönlendirir ki bundan, bu reaksiyonların şekilde gösterildiği gibi ısı ve işe çevrilebilen bir entalpi kaynağı olarak çalıştıklarını söyleyerek kaçınabiliriz.  Gerekli listeleme için reaksiyona girenlerin ve ürünlerin entropi değerlerine ihtiyaç vardır.  Ve her zamanki gibi referans koşulların tanımlanması gerekir.  Bir saf kristalize maddenin entropisinin mutlak sıcaklığın sıfır olduğu noktada sıfır olduğu ilan etmek genel bir uygulamadır (“termodinamiğin 3. Kuralı”).  Diğer koşullarda bir maddenin entropisine, sıfır baz koşullarına referans verilerek, o maddenin mutlak entropi değeri denir ve bu değerler birkaç yerde listelenir.  Termodinamiğin ikinci kuralı gerçek bir yakıt hücresinde entropide net bir artış olması gerektiğini söyler (bir ideal hücre sadece entropideki artışı sıfır yapacak kadar ısı verecektir).  Bu nedenle yansıyan ısı ve üründeki (su) entropinin, reaksiyona girenlerdekinden (H2 ve O2) daha fazla olması gerektiğini yazabiliriz:  Entropi kazancı ≥ Entropi kaybı  Q / T + ΣSürünler ≥ ΣSgirenler Veya;  Q ≥ T ( ΣSürünler - ΣSgirenler ) 21 21.10.2014    Eşitlik, bir yakıt hücresinde bulunması gereken minimum ısı miktarını belirtir. Y ani, yakıt enerjisinin tümünü elektriğe çeviremeyiz –bazı termal kayıplara takılmış durumdayız. En azından termal kayıplarımız bir ısı motoru ile elektrik üretmekten daha az olacaktır.  Şimdi bir yakıt hücresinin maksimum verimliliğine kolaylıkla karar verebiliriz. Şekil 4.28’den, bir kimyasal reaksiyonun sağladığı entalpi, H, üretilen elektrik We ve yansıyan ısının, Q, toplamına eşittir:  H = We + Q Bizim istediğimiz elektriksel çıktı olduğundan yakıt hücresinin verimliliğini şu şekilde yazabiliriz:    η = We/H = (H–Q)/H = 1–(Q/H) Maksimum verimliliği bulmak için yapmamız gereken tek şey eşitlikten teorik minimum ısı miktarını, Q çekmektir. Örnek 9:Bir yakıt hücresinin verdiği minimum ısı 25ºC (298 K) ve 1 atmosferde çalışan bir yakıt hücresinin su ürettiğini varsayalım  (yani, hidrojen yakıtının YID değeri )  H2 + ½O2 → H2O (l) ∆H = -285,8 kJ/mol H2  a. Her mol H2 için yansıyan minimum ısı miktarını bulun.  b. Yakıt hücresinin maksimum verimliliği nedir?  Gibbs Serbest Enerjisi ve Yakıt Hücresi Verimliliği   Bir reaksiyonda verilen kimyasal enerjinin iki parçadan oluştuğu düşünülebilir. Serbest enerji, ∆G, isimli entropi olmayan kısım ki direk elektriksel veya mekaniksel işe çevrilebilir, ve ısı, Q, olarak görünen kısım.  Termodinamiğin ikinci kanununu sağlayan serbest enerji, kimyasal reaksiyonun oluşturduğu entalpiden serbest kalan ısının çıkarılmasıyla bulunur.  Gibbs serbest eneji ∆G, bir reaksiyondan mümkün olan entropisiz, maksimum elektriksel (veya mekaniksel) çıktıya karşılık gelir. G, STP’de kullanılarak, reaksiyona girenlerin ve ürünlerin Gibbs enerjilerinin toplamlarının farkı alınarak bulunabilir.   ∆G = ΣGürünler - ΣGgirenler   Buna göre, olası maksimum verim, Gibbs serbest enerjisinin kimyasal reaksiyondaki entalpi değişimine, ∆H, oranıdır.  η = ∆G / ∆H 22 21.10.2014 Örnek: Gibbs Serbest Enerjisi Kullanarak Maksimum Yakıt Hücresi Verimliliği  STP’de bir proton dönüşüm zarının (protonexchange-membrane - PEM) hidrojenin yüksek ısıtma değerine (YID) dayalı maksimum verimliliği nedir?  Çözüm: Bir ideal hücrenin elektriksel çıktısı Gibbs serbest enerjisi; bir yakıt hücresinin verebileceği maksimum olası iş veya elektrik miktarıdır.  İş ve elektrik kayıp olmadan birbirlerine dönüştürülebildiklerinden bunlara dönüştürülebilir enerji formları denir.  Bir ideal hidrojen yakıt hücresi için maksimum olası elektriksel güç bu nedenle ∆G’nin büyüklüğüne bağlıdır.  Su üreten bir yakıt hücresi için STP koşullarında maksimum elektriksel çıktı:  We = |∆G| = 237,2 kJ/mol-H2 Bunun için birimleri ayarlamalıyız, böylece elektriksel çıktı, We, geleneksel elektriksel birimlerde (volts, amps ve watts) olacaktır. Bunun için, aşağıdaki terminolojiyi uygun fiziksel sabitlerle birlikte ortaya koyalım:  q = bir elektronun yükü = 1,602 × 10−19 coulombs  N = Avogadro sayısı = 6,022 × 1023 molekül/mol  v = bir mol ideal gazın STP’de hacmi = 22,4 litre/mol  n = hidrojenin hücreye akış oranı (mol/s)  I = akım (A), 1 A = 1 coulomb/s  VR = iki elektrod arasında ideal (geri dönüşlü) voltaj (volts)  P = elektriksel güç (W)  Voltajın hidrojen giriş oranına bağlı olmadığına dikkat edin.  Artan sıcaklıkla birlikte ideal voltaj düşüşlerine de dikkat edilmelidir,  böylece bir PEM hücresinin en gerçekçi çalışma sıcaklığında, yaklaşık 80ºC’de, VR 1,18 Volta yakındır.  Şimdi her üretilecek kWh elektrik başına bu ideal yakıt hücresine verilmesi gereken hidrojeni kolayca bulabiliriz.  23 21.10.2014 Gerçek Yakıt Hücrelerinin Elektriksel Karakteristikleri        Gerçek ısı motorlarının mükemmel bir Carnot motoru performansına erişemeyeceği gibi, gerçek yakıt hücreleri de tam Gibbs serbest enerjisini vermez. Aktivasyon kayıpları reaksiyonları başlatmak için katalistler tarafından gereken enerjiden kaynaklanır. Oksijenin su oluşturmak için proton ve elektronlarla birleştiği, katottaki reaksiyonların göreceli yavaş hızı yakıt hücre gücünü sınırlamaktadır. Ohmik kayıplar elektrolit zarı, elektrotlar ve çeşitli ara bağlantıların oluşturduğu iç dirençten geçen akımlardan kaynaklanır. Çapraz yakıt (fuel crossover) olarak bilinen diğer kayıp dış devreye elektron vermeden elektrolitten geçen yakıttan kaynaklanır. Ve son olarak, hidrojen ile oksijenin elektrodlara erişmekte zorlandıkları zaman oluşan kütle nakliye kayıplarıdır. Bu, özellikle eğer katotta katalisti tıkayan su oluşmaya başlamışsa doğrudur. Bunlar ve diğer sebeplerden dolayı gerçek yakıt hücreleri, genelde, teorik maksimum değerin sadece % 60 – 70’ini oluşturur.       Yakıt hücresi I – V grafiğinin çoğunda, akım arttıkça voltaj düşüşü lineerdir. Bu, bazı iç dirençlerle seri olan gerilim kaynağı içeren basit bir eşdeğer devre akla getirir.  Şekilde gösterilen yakıt hücresi için ohmic bölgeye I–V eğrisini yerleştirmek şu yaklaşık ilişkiyi verir:  Şekil tipik bir yakıt hücresi için akım ve gerilim arasındaki ilişkiyi gösterir (fotovoltaik I – V eğrileri bir yakıt hücresininkilere çarpıcı şekilde benzerlik gösterir). Akım sıfır iken gerilimin (açık devre gerilimi) 1 V’dan az olduğuna, teorik 1,229 V değerinden yaklaşık %25 düşük olduğuna dikkat edin. Gerilim ile akımın çarpımı, güç, de gösterilmiştir. Akım sıfırken veya gerilim sıfırken güç sıfır olduğundan arada gücün maksimum olduğu bir nokta olmalıdır. Ş ekilde gösterildiği gibi bu maksimum, yakıt hücresinin hücre başına 0,4 ve 0,5 V arasında çalışmasına karşılık gelir. Grafikte gösterilen üç nokta aktivasyon, ohmik ve kütle-nakliye kayıplarının her birinin ayrı ayrı en önemli oldukları aralıkları Örnek 11: Bir Ev Ölçeğindeki Yakıt Hücresi Yığınının Kaba Parametreleri.  Sürekli çalışan bir 1-kW yakıt hücresi tipik bir ABD’linin evinin tüm elektrik ihtiyaçlarını sağlayacaktır. Eğer her biri 0,6 V’da çalışan bu yakıt hücresi yığını 48 V DC üretiyorsa,  eşitliğinin tanımladığı kaç hücreye ihtiyaç duyulacaktır ve her hücrenin zar alanı ne olmalıdır? 24 21.10.2014 Yakıt hücre tipleri Proton Değişim Zar Yakıt Hücreleri (Proton Exchange Membrane Fuel Cells PEMFC)  Esasen Katı Polimer Elektrolit - Solid Polymer Electrolyte (SPE) yakıt hücreleri olarak bilinir, ve şimdilerde bazen polimer elektrolit zar yakıt hücresi denir. Verimlilikleri erişilebilir rakamlar arasında %45 (YID) ile en yüksektir. Şu anda çalışan üniteler 30 W ‘dan 250 kW’a değişir.  Direk Metanol Yakıt Hücreleri (Direct Methanol Fuel Cells - DMFC)  Bu hücreler PEM hücreleri ile aynı polimer elektrotları kullanır fakat gaz hidrojen yerine bir likit yakıt, metanol (CH3OH) kullanmanın önemli avantajlarını sunarlar. Likit yakıtlar; motorlu araçlar gibi taşınabilir uygulamalar ile cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar gibi her şeye lazım küçük, taşınabilir güç kaynakları ve dizel motor üreteçlerinde kullanılacak kaynaklar olarak çok daha uygundurlar.  PEM hücreler, hücre başına 0,65 V’de ve 1 A/cm 2 akım yoğunluğunda 0,5 W/cm2’nin üzerinde güç üretirler.  Zarlardan su buharlaşmasını kontrol etmek amacıyla bu hücreler sıcaklığın istenen 50ºC ile 80ºC arasında tutulması için aktif soğutma gerektirir.  Bu düşük sıcaklıklarda kayıp ısı kojenerasyonu konut güç sistemleri için yeterli olan basit su veya saha ısıtma uygulamalarıyla sınırlıdır.  PEM hücreleri için bir kısıtlama yakıt kaynağı olarak çok saf hidrojene ihtiyaç duymalarıdır.  Metanol (CH3OH) veya Metan (CH4) gibi hidrokarbon yakıtlarından üretilen hidrojen sık sık karbon monoksit (CO) içerir ki bu katalistin CO ile zehirlenmesine sebep olabilir.  Anot katalistin zarına CO emildiğinde hidrojen reaksiyonlarının gerçekleşeceği yerler azalır.  CO zehirlenmesini azaltmak, hücre yığınlarında su ile ısıyı yönetmek, düşük maliyetli malzemeler geliştirmek ve üretim teknikleri PEM hücrelerinin şu anki sorunlarıdır.  Anot ve katotta yer alan kimyasal reaksiyonlar şunlardır:   CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e− (Anot) ½ O2 + 2H+ + 2e− → H2O (Katot)  toplam reaksiyon  CH3OH + 3/2 O2 → CO2 + 2H2O (Toplam) Geriye metanol zehirlenmesine neden olan zardan aşırı yakıt geçişi ile CO ve diğer metanol reaksiyon ürünleri nedeniyle katalist zehirlenmesinin azaltılması gibi küçük teknik sorunlar kalır. Taşınabilirlik ile basitlendirilmiş yakıt kullanımının avantajları bu hücrelerin çok yakın bir gelecekte ticari ürün olacağını neredeyse garanti etmektedir.  25 21.10.2014  Fosforik Asit Yakıt Hücreleri (Phosphoric Acid Fuel Cells - PAFC) Alkalin Yakıt Hücreleri (Alkaline Fuel Cells - AFC)  Bu yakıt hücreleri piyasaya 1990’larda sunulmuştur ve IFC’nin ONSI biriminin inşa ettiği 200 kW güçte ünitelerden şu anda çalışan binlercesi vardır. Bunların çalışma sıcaklıkları PEMFC’lerinkinden daha yüksektir (200 ºC’ye yakındır), bu da kayıp ısıyı havalandırma ile binalarda su ve saha ısıtma için daha kullanışlı kılar. PAFC’de gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyonlar PEM hücresinde olanlarla aynıdır fakat bu durumda elektrolit bir proton dönüşüm zarı yerine fosforik asittir. Bu hücreler CO’e PEM hücrelerden daha iyi dayanırken, H2S’e karşı daha duyarlıdırlar. Zaten kullanımda olan birçok PAFC olduğu halde, bunların geleceği, yüksek üretim düzeylerinin üretim maliyetlerini diğer kojenerasyon teknolojileri ile rekabet edebilecekleri seviyeye çekebilmelerine bağlıdır. Bu yüksek verimli ve güvenilir yakıt hücreleri Apollo ve Uzay Mekiği programları için geliştirilmiştir. Bunların elektrolitleri potasyum hidroksittir (KOH) ve yük taşıyıcı H+ yerine OH- iyonlarıdır. Elektrokimyasal reaksiyonlar şu şekildedir.      H2 + 2OH- → 2H2O + 2e- (Anot)  ½O2 + H2O + 2e- → 2OH- (Katot)  Alkalin yakıt hücreleriyle ilgili asıl problem atmosferdeki düşük seviyelerde bile olsa CO2’ye maruz kalmaya dayanamamalarıdır. Katodik reaksiyonlar için hava O2 kaynağı olduğundan bunların dünyadaki uygulamalar için kullanılmaları pek mümkün değildir  Bir MCFC’de iletken iyon hidrojen, H+, yerine karbonattır, CO32ve elektrolit erimiş lityum, potasyum veya sodyum karbonattır. Katotta, CO2 ve O2 karbonat iyonları oluşturmak için birleşir; karbonat iyonları aşağıdaki elektrokimyasal reaksiyonlarda gösterildiği gibi elektrolit vasıtasıyla su ve karbondioksit oluşturmak için hidrojen ile birleşecekleri anoda iletilir.       Erimiş-Karbonat Yakıt Hücreleri (Molten-Carbonate Fuel Cells - MCFC) Bu yakıt hücreleri 650ºC civarındaki yüksek sıcaklıklarda çalışırlar ki bu, kayıp ısının buhar veya gaz türbinlerinde ek güç üretmede kullanılabilecek kadar yüksek kalitede olduğu anlamına gelir. Bu yüksek sıcaklıkta, yakıt hücresi kayıp ısısının yakıt hücresinin kendisi tarafından metan gibi bir hidrokarbon yakıtını direk olarak hidrojene çevirmede kullanılması potansiyeli vardır. Daha da ötesi, yakıt oluşturma esnasında ortaya çıkan CO katalisti zehirlemez fakat yakıtın bir parçası olur. MCFC’ler için %50 - %55 verimlilik öngörülmektedir. Kombine döngü çalışmada %65 elektriksel verim öngörülmektedir ve kojenerasyon verimliliklerinin %80’in üzerinde olması mümkündür.     H2 + CO32- → 2H2O + CO2 + 2e- (Anot) ½O2 + CO2 + 2e- → CO32(Katot) Toplam reaksiyonun daha önce “genel” bir yakıt hücresi için tarif edilenle aynı olduğuna dikkat edin. H2 + ½O2 → H2O (Toplam) MCFC’ler çok aşındırıcı bir ortamda çalışırlar. Uzun ömürle çalışacak uygun malzemelerin tasarlanmasıyla ilgili önemli sorunlar vardır. 26 21.10.2014      Katı Oksit Yakıt Hücreleri (Solid Oxide Fuel Cells - SOFC) SOFC ve MCFC’ler gelecekteki yüksek güç santralleri pazarı için rekabet halindedirler. Her ikisi de yüksek sıcaklıklarda çalıştıklarından (MCFC, 650ºC; SOFC, 750–1000ºC) kayıp ısıları kombine döngü buhar veya gaz türbinleri için kullanılabilir, ve her ikisi de yakıt hücresi içinde tekrar yakıt oluşturma için bu sıcaklık avantajından faydalanabilirler. Aynı güçteki SOFC MCFC’den fiziksel olarak daha küçüktür ve sonuçta daha uzun ömürlü olabilir. Bir SOFC’deki elektrolit, diğer tip yakıt hücrelerinde kullanılan sıvılara ve katı polimerlere hiç benzemeyen zirkonya ve yttria’dan yapılmış bir seramik malzemedir. SOFC’ler için elektrik gücü verimliliği %60’dır ve kojenerasyon ile %80’in üzerindedir.  Şekilde gösterilen bir gaz türbini ile birleştirildiğinde %70 elektriksel verimliliğe (DID) ulaşılabilir.  Elektrolit üzerinden taşınan yük taşıyıcısı, oksijen anottan gelen elektronlar ile birleştiğinde katotta oluşan oksit, O2iyonudur.  Anotta oksit iyonu hidrojen ile suyu ve elektronları oluşturmak için aşağıda gösterildiği gibi birleşir.   H2 + O2- → H2O + 2e- (Anot)  (½O2 + 2e- → O2- (Katot)  Bu çeşitli yakıt hücre sınıflarının ana karakteristiklerinin bir özeti Tabloda verilmiştir. 27 21.10.2014 Hidrojen Üretimi         DMFC’ler haricinde, yakıt hücreleri anot reaksiyonları için bir hidrojen kaynağına ihtiyaç duyarlar. Daha yüksek sıcaklıklarda çalışanlarda (MCFC’ler ve SOFC’ler) hücre yakıt sisteminin bir parçası olarak hidrojeni yıkmak için metan tekrar oluşabilir, fakat genelde yeterli saflıkta ve makul maliyetlerle hidrojen tedariği sağlamak yakıt hücrelerinin büyük ölçekli ticarileşmesi öncesinde halledilmesi gereken büyük bir engeldir. Bir yakıt olarak hidrojenin arzu edilen birçok özelliği vardır. Yandığında, yanma sıcaklığı havadaki nitrojen ve oksijenin birleşmesine yol açacak kadar yüksek olduğunda az miktarda NOx oluşur ve yakıt hücrelerinde kullanıldığında tek yan ürün sudur. Düşük yoğunluğu nedeniyle kapalı ortamlardan kolaylıkla kaçar ve bu nedenle gazolin buharları gibi maddelerin aksine tehlikeli havuzlarda birikmezler. Bununla birlikte hidrojen bir enerji kaynağı değildir. Elektirik gibi hidrojen de ortamda doğal olarak bulunmayan yüksek kaliteli bir enerji taşıyıcısıdır. Üretilmesi gerekir, yani istenen hidrojen yakıtını oluşturmak için bir enerji yatırımı yapılmalıdır. Şu anda hidrojen üretimi için kullanılan ana teknolojiler metan buharı oluşturma (steam reforming of methane - SMR), kısmi oksidasyon (partial oxidation - POX) ve suyun elektrolizidir. Gelecekteki daha egzotik üretim yöntemleri enerji kaynağı olarak güneş ışığının kullanıldığı fotokatalitik, fotoelektrokimyasal veya biyolojik üretimi içerebilir. Kısmi Oksidasyon (Partial Oxidation - POX) Bu sistemler aşağıdaki ekzotermik reaksiyonlarla metanın (veya diğer hidrokarbon yakıtların) kısmi oksidasyonuna dayalıdır. CH4 + ½O2 → CO + 2H2  Kısmi oksidasyon aşamasından sonra bir geleneksel geçiş reaksiyonu oluşan singazdaki H2’nin konsantre edilmesi için kullanılabilir. Metan buharı Oluşturma (Methane Steam Reforming - MSR)        ABD doğalgazının yaklaşık %5i amonyum üretimi, benzin rafinerisi ve diğer çeşitli kimyasal süreçlerde kullanılması için şimdiden hidrojene çevrilmiştir. Bunun hemen hemen tamamı metan buharı oluşturucular ile yapılmıştır. Gaz temizlemeden sonra, özellikle de sülfürü temizledikten sonra bir doğal gaz ve buhar karışımı çok yüksek sıcaklıkta (700–850ºC) bir katalist üzerinden geçirilirken, CO ve H2 içeren bir sentez gazı, veya singaz, oluşur. CH4 + H2O → CO + 3H2 Yukardaki reaksiyon endotermiktir; yani ısı alır, ki metanın bir kısmı yakıt olarak kullanılarak elde edilebilir. Singazdaki hidrojen konsantrasyonu bir su-gaz reaksiyonu kullanılarak artırılabilir: CO + H2O → CO2 + H2    Bu reaksiyon ekzotermiktir, yani çıkan ısının bir kısmı (4.50)’deki reaksiyonu tahrik için kullanılabilir. Ortaya çıkan singaz (4.51) %70-80 H2’dir, kalan kısım ise çoğu CO2 olmak üzere CO, H2O ve CH4 içerir. Son süreç ise CO2’nin ortadan kaldırılması ve kalan CO’nun (4.50)’nin ters yönde işletilmesi ile metana dönüştürülmesidir. SMR hidrojen üretiminin toplam enerji verimliliği genelde %75-80’dir, fakat yüksek düzeylere erişilebilir  Biyokütle, Kömür veya Atıkların Gazlaştırılması biyokütle veya kömür, belediye atıkları gibi katı yakıtların gazlaştırılması yüksek basınçta piroliz ile hidrojen üretmek için kullanılabilir. Gerçekte, doğal gaz son derece yaygın hale gelmeden önce bu hidrojen üretiminde ağırlıklı yöntemdi. Hidrojen üretimi için kömür gazlaştırmaya; oluşan singazdan CO2’nin çıkarılması ve derin tuzlu su tabakası yada tükenmiş petrol alanlarında yakalanıp tutulması için nisbeten ucuz bir teknoloji kullanılması olasılığı nedeniyle artan bir ilgi vardır. Bazı araştırmacılar karbonun bu şekilde tutulmasının, minimum karbon emisyonu ile dünyanın en büyük kömür kaynaklarından faydalanmanın bir yolu olduğunu umut etmektedir.  28 21.10.2014 Suyun elektrolizi  Geleneksel yakıt hücrelerinin ters reaksiyonlarında, bir elektrolitten geçen akım su moleküllerini parçalayarak hidrojen ve oksijen gazlarını serbest bırakmak için kullanılabilir:     2H2O → 2H2 + O2   Bir proton dönüştürücü zar kullanan elektroliz hücresi çizimi şekil’de gösterilmiştir. Hücrenin oksijen tarafına giren iyonize olmayan su proton, elektron ve oksijene ayrılır. Oksijen serbest kalır, protonlar zardan geçer ve elektronlar katoda ulaşmak için güç kaynağından geçen dış yolu izlerken protonlarla tekrar birleşerek hidrojen gazını oluşturur. Toplam verimlilik %85 kadar yüksek olabilir. Gerçekte, PEM hücrelerinde kullanılan aynı zarlar düşük sıcaklık elektrolizlerinde kullanılabilir. Aynı şekilde, katı-oksit elektrolitler yüksek sıcaklık elektrolizi için kullanılabilir. 29