Katalitik yanma (Hidrojen, karbon monoksit, metan, doğal gaz),   Katalizör geliştirme ve reaksiyon mühendisliği

Katalitik yanmada reaksiyonlar; katalizör yüzeyindeki aktif merkezlerde, düşük ve yüksek kalorifik değere sahip gaz karışımlarının alevsiz olarak oksidasyonu şeklinde gerçekleşmektedir. Katalitik yanma normal yanma limitleri (yakıt / hava oranı) altında gerçekleştiği için düşük alev sıcaklıkları elde edilmektedir. Ayrıca katalitik yanma ile yüksek modülasyon kabiliyeti ve çok düşük emisyonlarda (NOx, CO, SOx, yanmamış hidrokarbon) istenilen işletme şartları sağlanılmaktadır.

Katalitik yanma; katalitik konvertörler, gaz türbinleri, incineratörler (atık gazlardaki uçucu organik karbonların katalitik olarak yakılması), katalitik radyant ısıtıcılar, katalitik yüzeyli ısı değiştiriciler (su buharı reformer sistemleri) ve katalitik boyler sistemlerinde kullanılmaktadır.

TÜBİTAK MAM Enerji Enstitüsü bünyesinde; farklı amaçlar doğrultusunda 3, 5 ve 30 kW gücünde katalitik yakıcıların geliştirilmesi ve bu sistemler için geliştirilen katalizörlerin denenmesi konularında çalışmalar yapılmaktadır.

 

Hidrokarbon temelli yakıtlardan (dizel, doğal gaz v.b.) reformer yolu ile hidrojen üretimi

Hidrojen

Hidrojen sentetik bir yakıt olup, üretim kaynakları son derece bol ve çeşitlidir. Bunların en başta gelenleri su, kömür ve doğal gaz sayılabilir. Hidrojen, bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim ağırlık başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir (120,000 kJ/kg). Sıvı haline dönüştürüldüğünde gaz halindeki hacminin sadece 1/700'ünü kaplar. Saf oksijenle yandığında sadece su ve ısı açığa çıkar. Hava ile yandığında ise azot oksitler açığa çıksa da diğer yakıtlara göre kirliliği son derece azdır. Bu açılardan hidrojen, geleceğin kayda değer ikincil enerji kaynağı alternatiflerinden bir tanesidir.
Bugün dünyada teknolojik gereksinimlerle yılda ortalama 50 milyon ton hidrojen üretilmektedir. Hidrojenin kullanım alanları aşağıda sıralanmıştır;

 

Katalitik Hidrojenleme       

• Bitkisel yağ katılaştırma
• Yapay iplik eldesi
• İlaç üretimi
• Amonyak sentezi
• Metil alkol sentezi
• Yağ asitlerinden alkol eldesi
• Fenolden kapalı hegzanol, benzenden kapalı hegzan eldesi
• Metal hidritleri hazırlamada
• Yakıt olarak
• Roketlerde    
• Metal ısı birleşiminde
• Elektrik üretiminde
• Yakıt pillerinde
• Metalurji'de
  • İndirgeme maddesi
  • Tungsten ve molibden eldesi

 

Hidrojen doğal gaz, petrol ürünleri, kömür gibi fosil yakıtlardan ve sudan elde edilmektedir. Dünya genelinde üretilen hidrojenin % 48'i doğal gazdan üretilmektedir. Bunun nedeni doğal gazın hidrojen oranı yüksek, nispeten ucuz, temiz, şebeke altyapısı yeterli ve rezervleri yüksek bir yakıt olmasıdır.
Enerji Enstitüsünde hidrokarbon temelli yakıtlardan (özellikle doğalgaz ve dizel) termokimyasal yöntemlerle hidrojen üretimi konusunda çalışılmaktadır.

Termokimyasal Yöntemlerle Hidrojen Üretimi

Termokimyasal yöntemlerle, hidrojen üretiminde kullanılan yöntemler, ototermal dönüşüm sistemleri (autothermal reforming), kısmi oksidasyon (partial oxidation) sistemleri ve su buharı ile katalitik dönüşüm sistemleri (steam reforming) şeklindedir.

Su buharı ile dönüşüm yönteminde, su buharı ve yakıt birleşerek endotermik bir reaksiyon sonucunda hidrojen ve karbon monoksiti oluşturur. Su-gaz dönüşüm reaksiyonu da bu reaksiyona paralel olarak gerçekleşir. Bu iki reaksiyon 500°C'nin üzerinde, desteklenmiş Nikel katalizör üzerinde gerçekleşir.

Kısmi oksidasyon yönteminde, yakıt, stokiometrik orandan daha az miktarda oksijen ile reaksiyona sokulur. Metanın kısmi oksidasyonu 1200-1300°C'lerde gerçekleşmektedir. Katalizör kullanılması ile reaksiyonun daha düşük sıcaklıklarda gerçekleşebilir. Reaksiyon ekzotermik olarak gerçekleşir ve üretilen ısının uzaklaştırılarak faydalı bir şekilde kullanılması gereklidir.

Ototermal dönüşüm yöntemi, su buharı dönüşümü ve kısmi oksidasyon yönteminin birleşimi olarak tarif edilir. Bu yöntemde her iki reaksiyon da bir arada ilerler. Bu reaktörlere doğalgaz, su ve hava (veya oksijen) birlikte belirli oranlarda beslenir ve sonuçta hidrojence zengin bir gaz karışımı elde edilir. Ototermal dönüşüm yönteminde endotermik ve ekzotermik reaksiyonlar birlikte gerçekleştiklerinden, sisteme ısı beslenmesi veya ısı uzaklaştırılmasına gerek yoktur.
Tüm bu sistemlerde elde edilen gaz karışımı, hidrojen ile birlikte belli miktarlarda karbon dioksit, metan, su buharı, karbon monoksit ve kaynak olarak kullanılan fosil yakıtın içerisindeki kükürt miktarına bağlı olarak kükürt içermektedir. Bu gaz karışımının düşük sıcaklık yakıt piline beslenebilmesi için karbon monoksit ve kükürtten arındırılması gerekir. Bu amaçla, hidrojence zengin gaz karışımı, hidrojen saflaştırma reaktör sistemleri ile (su gaz dönüşüm reaktörleri (WGS), seçici oksidasyon reaktörleri (PROX), basınç salınımlı adsorpsiyon (PSA) , kükürt adsorpsiyon yatakları) saflaştırılır. 

Enerji Enstitü'sünde Gerçekleştirilen Faaliyetler,

Tasarım ve modelleme

Enerji enstitüsünde, hidrokarbon temelli yakıtlardan hidrojen üretimi sistemlerinin tasarım, imalat ve testleri yapılabilmektedir.
Hidrojen üretim sistemi birincil yakıttan hidrojence zengin gaz karışımının üretildiği reformer reaktörü ile hidrojence zengin gaz karışımının CO, kükürt ve diğer safsızlıklardan arındırıldığı hidrojen saflaştırma reaktörlerinden oluşur. Bir hidrojen üretim sisteminin blok diyagramı Şekil 1'de gösterilmiştir.

Enerji enstitüsündeki hidrojen teknolojileri çalışmaları modelleme/tasarım, deneysel çalışmalar, imalat ve test aşamalarından oluşur.

Proses tasarımı çalışmalarında, hidrojen üretim sisteminin bir kimyasal proses simülasyon programında simülasyonu yapılmaktadır. Enstitüde kimyasal proseslerin kararlı hal ve dinamik simülasyonlarında ASPEN Plus, ASPEN HYSYS, HYSYS Dynamics ve MATLAB programları kullanılmaktadır. Şekil 2'de, bir hidrojen üretim sisteminin ASPEN HYSYS programında gerçekleştirilmiş bir simülasyonunun arayüzü görülmektedir.

HYSYS'te koşturulmuş bir Hidrojen Üretim ve Yakıt Pili Sistemi simülasyonu
Prosesteki kritik komponentlerin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) modelleme çalışmaları enstitünün önemli çalışma konularından bir tanesidir. Tasarımın, bileşen içerisindeki akış, sıcaklık dağılımı, dönüşüm ve verim üzerine etkisi CFD modelleme çalışmaları ile incelenmektedir. Enstitüde bu amaçla FLUENT yazılımı kullanılmaktadır.  Gerçekleştirilen bir proje kapsamında, bir reaktörde, gaz besleme ünitesi tasarımının gaz bileşimi üzerine etkisi CFD yöntemiyle incelenmiştir. (Şekil 3)

Laboratuar ölçekli test ve analiz

Enstitüde laboratuar ölçekli reaktör/katalizör test çalışmalarının gerçekleştirilebileceği iki adet sistem bulunmaktadır. Bu sistemlerde istenilen bileşim, sıcaklık ve basınçta gaz karışımları oluşturularak reaktör testleri yapılabilmektedir. Bu sistemlerin şematik gösterimi Şekil 4'te verilmiştir.

İmalat ve montaj

Tasarımı ve testleri gerçekleştirilen sistemlerin imalat ve montajları konusunda da önemli bir bilgi birikimi oluşturulmuştur. Reaktör ve diğer komponentlerin enstitü bünyesinde üretilebilmesi için bir mekanik atölye faaliyet göstermektedir. Mekanik atölyede torna, freze vb. altyapı bulunmaktadır.
Enstitüde bir proje kapsamında dizel yakıttan hidrojence zengin gaz karışımının üretilebilmesi için bir yakıt dönüştürme sistemi kurulmuştur. Bu yakıt dönüştürme sistemi yaklaşık 450 Nm3/saat hidrojence zengin gaz karışımı üretebilmektedir.

HİDROJEN DEMONSTRASYON SAHASI

 

DPT tarafından desteklenen ve TÜBİTAK MAM Enerji Enstitüsü tarafından yürütülen HYDEPARK projesi, temel olarak 5 iş paketlinden oluşmaktadır:

1. Proje yönetimi

 

Proje iş paketlerinin bir bütün olarak yönetimi, TÜBİTAK MAM liderliğinde bir yönetim grubu, yürütme komitesi ve işbirlikleri aracılığı ile sağlanmaktadır.

• Tedarik aşaması

• Yakıt dönüştürme reaktörlerinin ve yardımcı alt ekipmanların (vana, kontrol üniteleri, software vb.) temini
• Ticari metal hidrit silindirlerinin temini
• Ticari/ticari olmayan farklı metal hidritlerin temini
• Yüksek basınç silindirlerinin temini
• 5 kW rüzgar türbini ve 13 kW güneş pili sistemlerinin temini
• Batarya temini
• 2.4 kW PEM yakıt pilinin temini
• 1.05 Nm3/saat hidrojen üretimi kapasitesine sahip PEM tipi elektrolizörün temini
• Hidrojen kompresörünün temini
• Demineralize su besleme sisteminin temini
• Kükürt giderme ve hidrojen saflaştırma için PSA gaz saflaştırma ünitelerinin temini
• Hidrojen gaz analiz cihazının temini
• Güvenli çalışma şartlarını oluşturmaya yönelik gaz sensör/kontrol sistemlerinin ve araç laboratuvarı çeker ocak sistemlerinin temini

 

3. Entegrasyon aşaması

• Yakıt dönüştürme sistemlerinin (Yakıttaki kükürdü giderme, kısmi oksidasyon, ototermal, v.b.) kurulumu, deneysel optimizasyon çalışmaları ve hidrojen saflaştırma üniteleri (PSA) ile entegrasyonu,
• Rüzgar türbini, güneş pili (PV), elektrolizör, kompresör ve yakıt pili sistemlerinin kurulumu, deneysel optimizasyon çalışmaları ve entegrasyonu,
• Yakıt dönüştürme ve elektrolizör sistemleri kullanılarak üretilen hidrojenin, metal hidrit silindirlerinde ve yüksek basınçlı silindirlerde depolanması,

4. Teknolojik araştırma aşaması

• Yakıt dönüştürme teknolojilerinin çalışma koşullarının araştırılması,
• Tasarım ve sistem optimizasyon çalışmaları,
• Ticari olmayan farklı tipte metal hidritler kullanılarak araç uygulaması için depolama sisteminin hazırlanması ve verimlerinin değerlendirilmesi,

5. Uygulama ve test aşaması

• Hidrokarbon yakıtlardan hidrojen üretim sisteminin ve alt sisteminin testleri,
• Yenilenebilir enerji kaynaklarından (PV, Rüzgâr türbini)  elektrik üretim testleri,
• Batarya testleri
• Elektrolizör testleri
• Yakıt pili ve alt sistemlerinin testleri,
• Metal hidrit depolama sistemlerinin hidrojen kapasitelerinin değerlendirme testleri,

İş paketleri kapsamında doğal gazdan hidrojen üretimi reaktör sistemleri ve yardımcı alt üniteleri, PEM tipi yakıt pili sistemi (2.4 kWe), yenilenebilir enerji ile hidrojen üretimi için PV panelleri (145 adet, 12 kWe) ve kontrol üniteleri, rüzgâr türbini (5 kWe) ve elektroliz ünitesi (1.5 Nm3H2/saat), hidrojen kompresörü (1.1 Nm3H2/saat) ve hidrojen depolama ünitelerinin (100 bar) entegrasyonu planlanmıştır. Proje kapsamında, doğal gazdan hidrojen üretimine yönelik reformer reaktörlerinin çalışma koşulları, tasarımı, optimizasyonu ve çeşitli metal hidrit hidrojen depolama sistemlerinin hazırlanarak, verimlerinin değerlendirilmesi çalışmaları yapılmaktadır. Projenin yenilenebilir enerji ile hidrojen üretimine yönelik demonstrasyon sahasının entegrasyon çalışmaları devam etmektedir. Entegrasyon aşamasında çalışılmış tüm sistemler için testler ve deneysel çalışmalar gerçekleştirilecektir. Bu proje devam ederken, hidrojen konusunda ülkemizin kazanması gereken teknolojiler değerlendirilmiştir.

Entegrasyon aşamasında çalışılmış olan tüm sistemler için testler ve deneysel çalışmalar, bir program dahilinde gerçekleştirilecek, projenin bir sonraki aşamasında ise hidrojenli araçlar için Türkiye'de bir ilk olacak "Hidrojen yakıt dolum istasyonu demonstrasyonu" ile birlikte performans testlerinin yapılması planlanmaktadır. Şekil 6'da sistem bileşenleri gösterilmiştir.