Hidrojen

Hidrojen, evrende bulunan en basit ve en yaygın elementtir. Bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim ağırlık başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir (120,7 kJ/g). Sıvı haline dönüştürüldüğünde, gaz halindeki hacminin sadece 1/700’ünü kaplar.

Hidrojen, serbest haldeyken ve normal koşullar altında renksiz, kokusuz ve tadı olmayan bir gazdır. Temel hidrojen molekülü 2 hidrojen atomundan oluşur. Her atom, bir proton ve bir elektrondan meydana gelir. Evrende bulunan en basit atom olduğu için, bilim adamları tüm diğer elementlerin hidrojenin füzyonu sonucunda oluştuğuna inanmaktadırlar. Doğada genellikle diğer elementlerle bileşik halinde bulunur (örneğin; suda oksijen, metanda karbonla birlikte). Kimyasal olarak çok aktif olduğundan, tek başına element olarak bulunması çok zordur.

Saf oksijenle yandığında, sadece su ve ısı açığa çıkar. Hava ile yandığında ise, bazı azot oksitler açığa çıksa da diğer yakıtlara göre kirliliği son derece azdır.

Hidrojen Üretimi

Buhar-Metan Yeniden Oluşturma Yöntemi

Günümüzde hidrojen üretimi için en yaygın olarak kullanılan yöntemdir. Bu üretim biçimi iki adımdan oluşmaktadır. Birinci adımda doğal gaz yüksek sıcaklıkta (392°C) buhara tâbî tutularak hidrojen, karbonmonoksit ve karbondioksit elde edilir. İkinci adımda ise, karbonmonoksit buhara tâbî tutularak ilâve hidrojen ve karbondioksit elde edilir. Hidrojen üretmek için en verimli yöntem, bu yöntemdir ve hidrojen ürün miktarı %70-%90 arasında olur. Uygulanan prosesin kimyasal formülü aşağıda verilmiştir:

Birinci adım:

CnHm + nH2O ‡ nCO + (n+m/2)H2

İkinci adım:

CO + H2O ‡ CO2 + H2

Elektroliz Yöntemi

Su moleküllerine elektrik şarjı uygulanarak hidrojen ve oksijen atomlarının bağlarının kopması sağlanır. Oluşan yüklü parçacıklardan hidrojen iyonu, pozitif elektrik yüküne sahiptir ve negatif elektrotta toplanır. Oksijen ise negatif yüke sahip olduğundan, pozitif elektrota doğru hareket eder. Suyun içine eklenen tuz gibi elektrolitler, iletkenliği ve dolayısıyla prosesin verimliliğini arttırırlar. 25°C sıcaklık ve 1 atm basınçta saf su içersindeki hidrojen ve oksijeni ayırmak için gerekli gerilim 1,24 Volt’tur. Bir mol suyun elektrolizi için gerekli en düşük enerji miktarı 65,3 W-saat ve bir m3 hidrojen üretmek için gerekli en düşük enerji miktarı 4,8 kW-saat’tir.

Buhar Elektrolizi Yöntemi

Geleneksel elektroliz yönteminin bir çeşitlemesidir. Bu yöntemde, suyun ayrıştırılması için gerekli enerjinin bir kısmı, sisteme ısı enerjisi olarak verilerek verim yükseltilir. 2500°C sıcaklıkta suyun içersindeki hidrojen ve oksijen serbest hale geçer. Buradaki problem, sistemin çalıştığı yüksek sıcaklıkta hidrojen ve oksijenin yeniden birleşmesinin önlenmesidir.

Termo-Kimyasal Ayrıştırma Yöntemi

İyot ya da brom gibi bazı kimyasallar kullanılarak ısı yardımıyla su moleküllerinin parçalanması sağlanır.

Foto-Elektrokimyasal Yöntem

Bu yöntemde hidrojen üretmek için iki elektro-kimyasal sistem kullanılır. Bunlardan birisi katalizör olarak çözünebilir metal bileşikleri kullanırken, diğeri yarı-iletken yüzeylerinden faydalanır. Çözünebilir metal bileşiğinin çözülmesi sırasında, bileşik, güneş enerjisini soğurarak bir elektrik şarjı oluşturur ve su moleküllerinin parçalanmasını sağlar. Bu proses fotosentez olayını taklit etmektedir. Diğer yöntemde ise, yarı-iletken elektrotlar bir foto-kimyasal pil içersinde optik enerjiyi kimyasal enerjiye çevirirler. Yarı-iletken yüzeyi iki amaca birden hizmet eder: Bir taraftan güneş enerjisini soğururken, diğer taraftan elektrot olarak çalışır.

Biyo-Kütle Gazifikasyonu ve Pirolizi

Biyo-kütlenin yüksek sıcaklıkta gazifikasyonu ve düşük sıcaklıkta pirolizi ile hidrojen üretilir.

Foto-Biyolojik Yöntem

Bazı bakteriler ve algler güneş enerjisinden faydalanarak hidrojen üretirler. Mühendislik sistemleri ve katalizörler kullanılarak verimin %24’e kadar çıkartılabileceği düşünülmektedir.

Hidrojenin Kullanım Alanları

Ulaşımda, endüstride ve evlerde hidrojen kullanımı aslında sanıldığı kadar yeni değildir. Dünyanın pek çok yerinde hâlâ evlerde kullanılmakta olan havagazı, aslında hidrojen ve karbonmonoksidin bir karışımıdır. Zeplin ve bazı balonlar gibi hava taşıtlarında hidrojen kullanılmıştır. Sanayide petrolün rafine edilmesinde, amonyak ve metanol üretiminde, metalürji ve gıda sektörlerinde kullanılmaktadır. Uzay mekiğinin roketlerinin yakıtı da hidrojendir.

Evlerde, sanayide ve ulaşımda elektrik üretimi ve yakıt olarak hidrojen kullanımı için araştırmalar devam etmektedir.

Uygun şekilde depolanabildiği takdirde, hidrojen, ister gaz ister sıvı halde bulunsun, yakıt olarak kullanılabilir. Motorlu araçlar ve fırınlar hidrojen yakacak şekilde modifiye edilebilirler. 1950’lerden beri bazı hava taşıtlarında yakıt olarak hidrojen kullanılmıştır. Otomobil üreticileri hidrojenle çalışan otomobiller geliştirmişlerdir. Hidrojen, benzinden %50 daha verimli yanar ve daha az kirliliğe yol açar. Kirliliğin azaltılması için benzin, etanol, metanol ve doğal gazla karıştırılabilir. Benzin/hava karışımına sadece %5 oranında hidrojen eklenmesiyle, azot oksit salınımı %30-%40 arasında azaltılabilir. Tamamıyla hidrojen yakan bir motor, sadece su ve az miktarda azot oksit üretecektir. Hidrojen, daha yüksek ateşleme hızına, daha geniş ateşleme sınırlarına, daha yüksek patlama sıcaklığına sahiptir, daha yüksek sıcaklıkta yanar ve benzinden daha düşük ateşleme enerjisine ihtiyaç duyar. Bu, hidrojenin daha hızlı yandığı, ama erken ateşleme tehlikesi taşıdığını gösterir. Hidrojenin taşıtlarda yakıt olarak kullanılması için önemli avantajları olsa da, benzinin yerini alabilmesi için daha pek çok araştırma yapılmalıdır. Hidrojenle çalışan taşıtların yaygınlaşması için, en azından 20 yıllık bir sürenin geçmesi gerektiği öngörülmektedir.

Hidrojenin birim ağırlık başına enerji kapasitesi çok yüksek olduğu için, hidrojenle çalışan hava taşıtları daha fazla yük taşıyabilirler ya da menzilleri önemli ölçüde artabilir.

Yakıt pilleri, hidrojenden enerji elde edilmesi için geliştirilen bir teknolojidir. Yakıt pillerinde elektroliz prosesi tersine çevrilerek, hidrojenle oksijen elektro-kimyasal bir prosesle birleştirilir. Bunun sonucunda elektrik, su ve ısı açığa çıkar. ABD’nin uzay programında uzay araçlarına enerji sağlamak için onlarca yıldır yakıt pilleri kullanılmaktadır. Otomobil ve otobüsleri çalıştıracak güçte yakıt pilleri geliştirilmiştir ve geliştirilmeye devam edilmektedir. Çeşitli şirketler, yerleşik enerji üretimi için yakıt pilleri geliştirmek üzere çalışmalar yapmaktadır.

Hidrojen, sürekli üretim yapamayan (güneş, rüzgâr) ya da enerji tüketim merkezlerinin çok uzağında inşa edilen (hidro-elektrik, jeo-termal) enerji üretim tesislerinde üretilen enerjinin tamamının ya da o an için kullanılmayan kısmının depolanması için kullanılabilir. Örneğin; Humbold State Üniversitesi’nin Schatz Enerji Araştırma Merkezi’nde tasarlanan ve inşa edilen bir güneş enerjisi-hidrojen sistemi, güneş enerjisi ile bir akvaryumun havalandırılmasını sağlayan kompresörleri çalıştırılmakta, artan enerji ile de bir elektroliz cihazı yardımıyla hidrojen üretilmektedir. Güneş enerjisinin yetersiz olduğu zamanlarda, üretilen hidrojen bir yakıt pilinde yakılarak enerji ihtiyacı karşılanmaktadır.

Hidrojenin büyük elektrik santrallarında yakılıp enerji üretilmesine yönelik çalışmalar bulunmakla beraber, maliyetlerin çok yüksek olması sebebiyle yakın zamanda bu mümkün görülmemektedir. Ancak, doğal gaza hidrojen eklenerek doğal gaz santrallarının yarattığı kirlilik azaltılabilir. ABD, 2030 yılından sonra toplam enerji ihtiyacının %10’unu hidrojenden karşılamayı düşünmektedir.

Hidrojenin Depolanması

Hidrojenin kullanılabilmesi için büyük ölçekli, güvenli ve pratik depolama yöntemlerinin geliştirilmesi gereklidir. Hidrojen sıvı olarak depolanabilmesine rağmen, -253°C sıcaklığa kadar soğutulması gerektiğinden, bu zor bir işlemdir. Soğutma işlemi, hidrojenin depoladığı enerjinin %25-%30’u kadar enerjiye mal olur ve sıvılaştırılmış hidrojenin depolanması özel yöntemleri ve malzemeleri gerektirir. 1 kg hidrojenin soğutulması, yaklaşık 10 kW-saat elektrik enerjisi gerektirir.

Hidrojen gaz halinde de depolanabilir. Bu yöntem, sıvı hidrojenin depolanmasından daha az enerji gerektirir. Büyük ölçekli kullanım için, basınçlandırılmış hidrojen gazı mağaralarda, gaz sahalarında ve madenlerde depolanarak doğal gaz gibi kullanım alanlarına boru hatlarıyla iletilebilir. Bu yöntem, ısıtma için uygun olsa da taşıma için uygun değildir. Hidrojen gazının depolanması için kullanılan basınçlı metal tanklar çok pahalıdır.

Depolama için ümit vadeden bir yöntem, hidrojenin hidritler içersinde depolanmasıdır. Hidrit, hidrojenin diğer maddelerle yaptığı bileşiklere verilen addır. Magnezyum-nikel, magnezyum-bakır ve demir-titanyum gibi bazı metal alaşımları, hidrojeni soğurup ısıtıldıklarında yeniden açığa çıkarmaktadır. Ancak hidritler birim enerji başına çok az enerji depolayabilmektedir. Yüksek enerji yoğunluğunda önemli miktarda hidrojen taşıyabilen, hidrojeni bir yakıt olarak serbest bırakabilen, hızlı tepki gösteren ve uygun maliyetli bir bileşiğin geliştirilmesi için çalışmalar yapılmaktadır.

Maliyet

Üretim Teknolojileri

Tablo 1’den Tablo 7’ye kadar hidrojen üretim teknolojileri ile ilgili değişik kaynaklardan derlenen maliyet analizleri verilmiştir. Tablolarda üretim kapasitesine göre yatırım maliyeti kW-saat enerji başına cent cinsinden ve hidrojen maliyeti ise elde edilen hidrojenin enerjisi başına cent cinsinden verilmiştir. Biyo-kütle üretimlerinde hesaplarda kullanılan biyo-kütle fiyatları tablolarda yer almaktadır. Bunların dışında, hidrojen üretim maliyeti tesis büyüklüğü ile orantılı olduğundan, hesaplarda kullanılan tesis büyüklükleri de tablolarda yer almaktadır. Tesis büyüklüğü üretim kapasitesi cinsinden verilmiştir (Nm3 = 15,6°C sıcaklıkta ve 1 atm basınçta 1 m3 gaz hacmine eşittir).

Hidrojen Depolama Teknolojileri

Hidrojen depolama teknolojileri ile ilgili ekonomik analizler Tablo 8’de verilmiştir. Tesis kapasitesine göre yatırım maliyeti ve depolama maliyeti kW-saat başına cent cinsinden verilmiştir. Depolama sisteminin büyüklüğü ise, depolanan hidrojenin enerjisi cinsinden MW-saat olarak verilmektedir. Depolama sisteminin kapasitesi ve depolama süresi maliyeti etkilemektedir.

Uygulamalar

Tablo 9’da yakıt pillerinin maliyetleri, tiplerine ve güçlerine göre, birim güç başına dolar cinsinden yatırım maliyeti ve elde edilen birim enerjinin dolar cinsinden maliyeti olarak verilmektedir. Tablo 10’da ise, hidrojen yakıt kullanan taşıtların kendi aralarında ve benzin kullanan taşıtlarla bir karşılaştırması yer almaktadır. Hidrojen yakıt kullanan dört tip taşıt göz önüne alınmıştır:

– İçten yanmalı motorlu sıvı hidrojen kullanan

– İçten yanmalı motorlu hidrit kullanan

– İçten yanmalı motorlu hidrojen benzin karışımı yakıt kullanan

– Hidrojen yakıt pili kullanan

Taşıma

Taşıma maliyetleri boru hattıyla taşıma için Tablo 11’de, karayoluyla taşıma için Tablo 12’de, demiryoluyla taşıma için Tablo 13’te ve deniz yoluyla taşıma için de Tablo 14’de verilmiştir. Taşıma yöntemi ve mesafe, taşıma maliyeti üzerinde etkili olan faktörlerdir. Boru hattı ile taşımada birim zamanda taşınan enerji miktarı da maliyet üzerinde etkilidir. Yapılan maliyet çalışmalarında, genellikle doğal gaz boru hatları temel alınmıştır. Oysa Veziroğlu ve Barbir, 1998 yılında yaptıkları çalışmada hidrojen boru hatlarının maliyetinin doğal gaz boru hattı maliyetinin %50-80 üzerinde olacağını öngörmüş, Kirk-Othmer ise 1991 yılındaki çalışmalarında hidrojenin doğal gaza göre düşük enerji yoğunluğu nedeniyle maliyetin 5 katına kadar çıkabileceğini belirtmiştir. Yine Kirk-Othmer’e göre, doğal gaz boru hatlarının bazı parçaları hidrojen taşımasında kullanılabilse de, kırılganlık problemi nedeniyle kompresör ve ölçü cihazlarının değiştirilmesi gerekmektedir. Karayolu ile taşımada, mesafe ve taşınan miktar arttıkça, taşıma masrafları da artmaktadır. Bu taşıma yönteminde maliyet üzerinde işçilik maliyeti de önemli bir yer tutmaktadır. Deniz yolu ile taşımada, uzun seyahat süresi nedeniyle sadece sıvılaştırılmış hidrojenin taşınması uygun görünmektedir.

Dünyadaki Durum

Almanya

Yakıt pilleri ve hidrojen teknolojileri, daha önceki programlarda yenilenebilir enerji kaynakları araştırmaları altında yer almış olmalarına rağmen, 1997 yılından itibaren ayrı bir araştırma alanı haline getirilmiş ve 1997 yılı için bu konuya 10 milyon dolar bütçe ayrılmıştır. Alman hükümeti tarafından desteklenen yakıt pili araştırmaları, sanayi ve bilim çevreleri ile işbirliği yapılarak iki ana proje üzerinden ilerlemektedir. Bunlardan birincisi, enerji üretim ve dağıtım şirketlerinin ihtiyaç duyduğu, özellikle dağıtımda kullanılması planlanan 0,2 – 5 mW aralığında yakıt pillerinin geliştirilmesine yönelik Katı Oksit Yakıt Pili (SOFC – Solid Oxide Fuel Cell) geliştirme projesi ve diğeri de özellikle taşıtlarda kullanılmak üzere Proton Değişim Zarı Yakıt Pili (PEMFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cell) geliştirme projesidir. Devlet destekli hidrojen AR-GE çalışmaları, hidrojen üretimini, depolanmasını ve kullanımını geliştirmeye yönelik sistem ve bileşenlerin geliştirilmesini amaçlamaktadır. Hidrojen araştırmaları uzun dönem enerji stratejileri ile uyumludur.

Japonya

Japonya, 1997 yılı için hidrojen araştırmalarına 14,2 milyon dolar ayırmıştır. MITI World Energy NETwork (WE-NET) programı ile, yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak üretilen elektrik kullanılarak elektroliz yoluyla hidrojen üretilmesi ve bu sayede salınım yapmayan bir enerji sisteminin kurulması planlanmaktadır. WE-NET programında ümit verici bir yöntem olarak görülen katı polimer elektrolit elektroliz yöntemi üzerinde çalışılmaktadır. Bunun haricinde, hidrojenin depolanması ve taşınmasına yönelik araştırmalar da devam etmektedir. Japonya, mikrop kullanarak hidrojen üretimi ve hidrojenin sıvılaştırılmasına yönelik araştırmalara da destek vermektedir. Program kapsamında hidrojen-oksijen yakma türbinleri, hidrojen türbin kanatlarının soğutulması, kömürden hidrojen ve yüksek hidrojenli yakıt üretimi ve yakıt pilleri araştırmaları da yapılmaktadır. Yakıt hücrelerinin geliştirilmesine yönelik araştırmalara 1997 yılı için 33,69 milyon dolar ayrılmıştır.

İtalya

İtalya, ENEA tarafından yürütülen yakıt pili araştırmalarına 1998 yılı için 6,1 milyon dolar ayırmıştır. Bu program kapsamında Milano yakınlarında 1,3 MW’lık yakıt pilleri ile çalışan bir santral kurulmuştur. Tesis doğal gazla çalışmakta, doğal gazdan üretiği hidrojen bakımından zengin gazla yakıt pillerini beslemektedir. Projede ENEA, Milano Belediyesi Enerji Şirketi ve Cenova’daki Ansaldo Ricerche firması ortak çalışmaktadır.

1994’den beri İtalyan yakıt pili araştırmaları iki tip yakıt pili üzerinde yoğunlaşmıştır: Erimiş karbonat (MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell) ve proton değişim zarı (PEMFC). 1990-1994 yılları arasında İtalyan hükümeti özellikle Milano’daki tesiste kullanılmak üzere fosforik asit yakıt pillerinin (PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell) geliştirilmesi için yakıt pili AR-GE çalışmalarına yaklaşık 22 milyon dolar harcamıştır.

1990’dan beri devam eden PEMFC programı, devlet ve sanayi işbirliği ile yürümektedir. Program, 2004 yılına kadar yakıt pili ile çalışan bir taşıt üretilmesi hedefine yöneliktir. 2000-2004 yılları arasında projenin ihtiyaç duyduğu yatırım miktarı 108,5 milyon dolar’dır.

MCFC programı da sanayi ile işbirliği altında yürütülmektedir. Bu program çerçevesinde 100 kW kapasiteye sahip yakıt pilleri üretilmiştir. Programın hedefi 500 kW’lık yakıt pilleri üretmektir. Teknolojinin 2008 yılına kadar ticarî hale gelmesi amaçlanmaktadır. Bu projenin bütçesi gelecek beş yıl için her yıl başına 5,4-24,4 milyon dolar’lık yatırım gerektirmektedir.

Kanada

Kanada, hidrojen enerjisi konusundaki araştırmalarına 1998-1999 döneminde 5 milyon dolar bütçe ayırdığı yenilenebilir enerji kaynakları araştırmaları, 8 milyon dolar ayırdığı ulaştırma araştırmaları altında devam etmektedir. Bu araştırmalar daha çok yenilenebilir enerji kaynaklarından hidrojen üretimine ve benzine alternatif yakıt üretimine yöneliktir. Ayrıca enterkonnekte sistem dışında elektrik üretimine yönelik araştırmalar da yapılmaktadır.

ABD

ABD, 1998 yılı bütçesinde hidrojen enerjisi araştırmalarına 19,1 milyon dolar ayırmıştır. Hidrojen programının ana hedefi, hidrojen üretiminin daha ekonomik hale gelmesini sağlamak ve çevresel etkilerini en aza indirmektir. Program, sanayi ile işbirliği içersinde, metandan daha temiz ve daha ucuz hidrojen üretmeye yönelmiştir. Karbon içermeyen kaynaklardan hidrojen üretimine yönelik çalışmalar da yapılmaktadır. Ayrıca hidrojenin güvenli ve ekonomik taşınması, depolanması ve taşıtlarda kullanılmasına yönelik araştırmalar da mevcuttur.

Kaynaklar

– http://www.hydrogen.org/

– Hydrogen: The Fuel for the Future, DOE National Renewable Energy Laboratory, Mart 1995.

– http://www.varsitz.com/education/fuellcellprimer.htm

– http://www.clean-air.org/fuellcellfaq.htm

– Pamela L. Spath, Margaret K. Mann, "Life Cycle Assessment of Hydrogen Production via Natural Gas Steam Reforming", DOE National Renewable Energy Laboratory, Ağustos 2000.

– http://www.eren.doe.gov/

– C.E.G.Padro, V. Putsche, "Survey of the Economics of Hydrogen Technologies", DOE National Renewable Energy Laboratory, Eylül 1999.

– JJ Dooley, "Energy R&D in United States", Pacific Northwest National Laboratory, Nisan 1999.

– PJ Runci, "Energy R&D in Canada", Pacific Northwest National Laboratory, Mart 2000.

– PJ Runci, "Energy R&D in Germany", Pacific Northwest National Laboratory, Mayıs 1999.

– Meredydd Evans, "Energy R&D in Italy", Pacific Northwest National Laboratory, Aralık 1999.

– JJ Dooley, "Energy R&D in Japan", Pacific Northwest National Laboratory, Mayıs 1999.

* Tabloların yerleşim problemi nedeni ile makeleye tablo ve şekiller konmamıştır, ilgilenenler yazı işleri bölümünden dokumanları isteyebilirler

Comments

  1. Çok anlaşılır bir çalışma yapmışsınız, yayınlayarak paylaştığınız için teşekkürler.
    Makalenin tümünü iletirseniz memnun olurum.
    Ömer Ergün Çiftçi
    Makine Mühendisi, MbA

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir