Prototype development and experimental validation of a modular rooftop solar-driven PV–PEM green hydrogen system as a natural gas alternative for decarbonizing textile manufacturing

The increasing impacts of global climate change, the depletion of fossil fuel reserves, and risks associated with energy supply security have necessitated the transition toward low-carbon and sustainable energy systems in the industrial sector. In this context, green hydrogen produced from renewable energy sources is considered a promising alternative energy carrier for energy-intensive industrial applications due to its high energy density, storage capability, and absence of direct carbon emissions at the point of use. The textile sector, characterized by substantial natural gas and electricity consumption, represents one of the industrial domains where this transition requirement is particularly significant. This doctoral thesis presents the design, implementation, and experimental validation of a modular and scalable rooftop photovoltaic–proton exchange membrane (PV–PEM) hydrogen energy system developed to support decarbonization in textile manufacturing. The proposed system integrates photovoltaic electricity generation, hydrogen production via a PEM electrolyzer, hydrogen storage, and electricity regeneration through a PEM fuel cell, thereby constituting a complete renewable energy conversion chain. Moving beyond simulation-based or laboratory-scale approaches commonly found in the literature, the study provides experimentally validated performance data obtained under real industrial rooftop conditions. Experimental results indicate that the system achieved daily photovoltaic electricity generation in the range of 8–15 kWh, stable hydrogen production at an average rate of 3.6 L/h via PEM electrolysis, and continuous fuel cell power output between 80–90 W. Environmental assessment supported by GUM-based uncertainty analysis and Monte Carlo simulations revealed an average monthly emission reduction potential of approximately 222 kg CO₂e. vi Furthermore, theoretical and quantitative analyses demonstrated that the produced hydrogen offers a technically feasible pathway for the gradual substitution of natural gas in textile process applications. In conclusion, this thesis proposes a modular system framework enabling on-site renewable hydrogen production and multi-energy utilization, thereby providing a practical engineering model for the transition toward low-carbon and sustainable industrial energy infrastructures.

Küresel iklim değişikliği etkileri, fosil yakıt rezervlerindeki azalma ve enerji arz güvenliğine ilişkin riskler, sanayi sektöründe düşük karbonlu ve sürdürülebilir enerji sistemlerine geçişi zorunlu hale getirmiştir. Bu kapsamda yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen yeşil hidrojen; yüksek enerji yoğunluğu, depolanabilirdik özelliği ve kullanım aşamasında doğrudan karbon emisyonu oluşturmaması nedeniyle enerji yoğun sanayi uygulamaları açısından önemli bir alternatif enerji taşıyıcısı olarak değerlendirilmektedir. Yüksek düzeyde doğalgaz ve elektrik tüketimine sahip olan tekstil sektörü, söz konusu dönüşüm ihtiyacının belirgin şekilde hissedildiği alanlardan biridir. Bu doktora tezinde, tekstil sektöründe karbonsuzlaşma sürecine katkı sağlamak amacıyla modüler ve ölçeklenebilir bir çatı üstü fotovoltaik–proton değişim membranlı (PV–PEM) hidrojen enerji sisteminin tasarımı, kurulumu ve saha koşullarında deneysel doğrulaması gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen sistem; fotovoltaik elektrik üretimi, PEM elektrolizörü aracılığıyla hidrojen üretimi, hidrojen depolama ve PEM yakıt pili ile elektrik geri üretimini kapsayan bütüncül bir yenilenebilir enerji dönüşüm zinciri sunmaktadır. Çalışma, literatürde ağırlıklı olarak yer alan simülasyon veya laboratuvar ölçekli yaklaşımların ötesine geçerek, gerçek bir endüstriyel çatı ortamında elde edilen deneysel verilerle sistem performansını ortaya koymaktadır. Deneysel sonuçlar, sistemin günlük 8–15 kWh aralığında fotovoltaik enerji üretimi sağladığını, elektrolizörün ortalama 3,6 L/saat hidrojen üretim kapasitesiyle kararlı biçimde çalıştığını ve yakıt pilinin 80–90 W aralığında sürekli elektrik üretimi gerçekleştirdiğini göstermektedir. GUM tabanlı belirsizlik analizi ve Monte Carlo simülasyonları ile desteklenen çevresel iv değerlendirme sonucunda sistemin aylık ortalama yaklaşık 222 kg CO₂e emisyon azaltım potansiyeline sahip olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, üretilen hidrojenin tekstil tesislerinde doğalgaz kullanımının kademeli olarak azaltılmasına olanak sağlayabilecek teknik bir çerçeve sunduğu teorik ve nicel analizlerle ortaya konmuştur. Sonuç olarak bu tez, yenilenebilir enerji kaynaklarıyla desteklenen yerinde hidrojen üretimini mümkün kılan modüler bir sistem yaklaşımı sunmakta ve enerji yoğun sanayi uygulamalarında düşük karbonlu ve sürdürülebilir enerji altyapılarına geçişe yönelik uygulanabilir bir mühendislik modeli ortaya koymaktadır.