Jeotermal ve biyokütle kaynakları ile hidrojen üreten yeni bir güç sisteminin ileri ekserji ve eksergo-ekonomik analizleri

Bu çalışma, sürdürülebilir hidrojen üretimi sorununa çözüm olarak, ısı talebini karşılarken yeşil hidrojen üretimi sağlayan biyokütle gazlaştırması ve jeotermal enerjiyi entegre eden hibrit bir güç sistemi önermektedir. Sistemin yeniliği, iki yenilenebilir enerji kaynağının bir proton değişim membranlı (PEM) elektrolizör ile birleştirilmesi ve verimsizliklerin belirlenmesinde ileri ekserji tabanlı tekniklerin uygulanmasında yatmaktadır. Yöntem kapsamında geleneksel ve ileri ekserji ile eksergo-ekonomik analizler gerçekleştirilmiş; bunlara ek olarak, maliyet ve verimlilik iyileştirmelerini hedefleyen duyarlılık analizleri ve tek amaçlı optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Sonuçlara göre, en yüksek geri döndürülemezlik ve maliyete sahip bileşenler gazlaştırıcı (76.26 MW), genleşme vanası-2 (4.01 MW), ısı değiştirici-4 (3.83 MW) ve ısı değiştirici-1 (1.16 MW) olmuştur. İleri analiz sonucunda, iyileştirme açısından en kritik bileşenler gazlaştırıcı (4.60 MW), türbin-1 (0.27 MW), kompresör-1 (0.21 MW) ve kompresör-2 (0.12 MW) olarak belirlenmiştir. Optimizasyon sonucunda ekserji verimi (𝜂𝑒𝑘𝑠𝑒𝑟𝑗𝑖) %8.69’dan %14.99’a yükselmiş, ortalama birim ürün maliyeti (𝑐𝑝,𝑎𝑚𝑎ç,𝑡𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚) ise 34.28 $/GJ’den 18.04 $/GJ’ye düşürülerek sırasıyla %72.38 ve %47.37 oranlarında iyileştirme sağlanmıştır. Bu bulgular, önerilen sistemin yenilenebilir enerji kaynaklarını birleştirerek düşük emisyonlu ve maliyet etkin hidrojen üretimi için etkili olduğunu doğrulamaktadır. Kullanılan yöntem ve elde edilen sonuçlar, gelecekteki sürdürülebilir enerji tasarımları için pratik bir rehber sunmaktadır.

This study addresses the challenge of sustainable hydrogen production by proposing a hybrid power system that integrates biomass gasification and geothermal energy to produce green hydrogen while meeting heat demand. The novelty of the system lies in the combination of two renewable energy sources with a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer and the application of advanced exergy-based techniques to pinpoint inefficiencies. The methodology includes conventional and advanced exergy and exergoeconomic analyses, supported by sensitivity and single-objective optimization studies targeting both cost and efficiency improvements. Results show that the components with the highest irreversibility and cost are the gasifier (76.26 MW), expansion valve-2 (4.01 MW), heat exchanger-4 (3.83 MW), and heat exchanger-1 (1.16 MW). Advanced analysis identifies the gasifier (4.60 MW), turbine-1 (0.27 MW), and compressor-1 (0.21 MW) and compressor-2 (0.12 MW) as the most critical for improvement. Through optimization, exergy efficiency (𝜂𝑒𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦) increased from 8.69% to 14.99%, and the average unit product cost (𝑐𝑝,𝑎𝑖𝑚,𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙) decreased from 34.28 to 18.04 $/GJ representing improvements of 72.38% and 47.37%, respectively. These findings confirm the effectiveness of the proposed system in combining renewable energy sources for cost-effective and low-emission hydrogen production. The methodology and results offer practical guidance for future sustainable energy designs.