Hidrojen Enerjisi

Başta karbondioksit (CO₂) olmak üzere halokarbonlar, metan, ozon, azot oksitler gibi gazların ve partikül maddelerin miktarları atmosferde giderek artmakta ve özellikle sebep oldukları sera etkisi nedeniyle küresel ısınmaya neden olmaktadırlar.

1995-2015 ölçümlerine göre CO₂ miktarı ortalama olarak yılda 2 ppm artmıştır.

Özellikle CO₂ güneşten gelen ve genelde kısa dalga boyunda olan ışınımları geçirmekte buna karşılık, yerden yansıyan uzun dalga boyundaki ışınımları emmektedir. Bu nedenle son yüzyılda atmosferdeki artan CO₂ miktarına bağlı olarak dünyamızın ortalama sıcaklığında bir artış yaşanmakta olup buna küresel ısınma denmektedir.

Dünyanın ortalama sıcaklığının artması sonucu yeryüzüne yakın yerlerde neden olduğu ısınma ve hava kürenin yukarı kısımlarındaki soğuma nedeniyle yüksek basınç sistemlerinin etkilendiği, buna bağlı olarak da nem, yağış ve hava hareketleri gibi diğer iklim elemanlarında değişimlerin olduğu tespit edilmiştir. Bunun sonucunda son zamanlarda küresel ısınmadan kaynaklanan çok sayıda fırtına ve kasırganın meydana geldiği, kuraklığın birçok bölgede etkili olduğu, kutuplardaki buzulların erimeye başladığı, su baskını afetlerinin artan sıklık ve şiddette yaşanmaya başlandığı bilinmektedir.

Birleşmiş Milletler (BM) tahminine göre 2050 yılına kadar dünya nüfusuna 2,5 milyar insanın daha eklenmesi ile nüfusun 9 milyar olması beklenmektedir. Buna karşın günümüz dünyasının temel enerji kaynağı olan fosil yakıtların sınırlı rezervleri olduğu için, bu kaynakların artan nüfus, sanayileşme ve yeni enerji ihtiyaç portföyü ile birlikte gelecek enerji talebine cevap veremeyeceği bir noktaya doğru gidilmektedir. Bütün bu nedenler yeni enerji kaynakları gereksinimini doğurmaktadır. Fosil yakıtların sınırlı kaynakları olması yanında çevreye verdikleri salımların telafisi güç zararları nedeniyle alternatif enerji kaynaklarına yönlenmenin gerekliliği gün geçtikçe artmaktadır.

Hidrojen enerjisi, nükleer enerji, güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, jeotermal enerji.

(1) Sınırsız rezervlere sahip olmalı veya kendini yenileyebilmeli, (2) mevcut enerji sistemlerine rahatlıkla entegre olabilmeli, (3) üretim sürecinde fosil yakıtlar mümkün olduğu kadar kullanılmamalı, (4) ihtiyaca rahatlıkla cevap verebilecek şekilde bol üretilebilmeli ve uzun süre özelliğini kaybetmemeli, (5) kullanıcılara her alanda kesintisiz, sürekli aynı kalitede, yeterlikte, kapasitede ve miktarda hizmet verebilmeli, (6) teknolojik gerekliliklere ve uygulamalara yeterince enerji sağlayabilecek güçte ve kapasitede olmalı, kolay ve güvenli olarak üretilebilmeli, (7) enerji kaybı olmaksızın nakledilebilmeli, depolanabilmeli, enerji gerektiren her alanda ihtiyaca yüksek kalitede ve verimlilikte cevap verebilmeli, (8) üretim, nakil, depolama ve tüketim aşamalarında çevre ile uyum içinde olmalı ve olabildiğince çevreye ve ekolojik dengenin varlığına ve sürekliliğine pozitif katkı sağlayabilmeli, (9) birim kütle başına yüksek ısıl değerine sahip olmalı, diğer enerji kaynaklarına verimli bir şekilde dönüşebilmeli, (10) karbon içermemeli ve küresel ısınma, sera etkisi ve iklim değişimi gibi istenmeyen olaylara katkı sağlamamalı ve ekonomik olmalıdır.

Hidrojen bütün yıldızların ve gezegenlerin temel adresidir. Renksiz, kokusuz, tatsız ve zehirli olmayan bir yapıya sahip olan hidrojen, doğadaki en basit atom yapısına sahip olup en hafif ve en yaygın elementtir.

Su içerisinde hidrojen, oksijen ile bileşik hâlindedir ve suyun %11,2’sini hidrojen oluşturmaktadır. Ayrıca hidrojen insan vücudunun yaklaşık %10’unu teşkil eder. Atmosferde serbest hâlde eser miktarda, yaklaşık on binde yedi oranda bulunan hidrojen, hemen tüm organik moleküllerin yapısında yer alır. Kömür ve ham petrol içinde karbonla bileşik hâlde bulunur. Bunun yanında kil ve mineraller genellikle oksijenle bileşik hâlde önemli ölçüde hidrojen içerirler. Hidrojen tabiatta metallere nüfuz etmiş olarak veya alkali metallerle bileşik hâlinde bulunur. Bütün nebati ve hayvani maddeler, karbon, azot, kükürt, oksijen gibi elementlerle bileşik hâlde bulunan hidrojeni bünyelerinde bulundurur.

Hidrojen atomunun çekirdeğinde bir proton ve çevresinde yalnız bir elektron bulunur. Ancak 5000 hidrojen atomundan birinin çekirdeğinde bir nötron bulunur. Bu durumdaki hidrojen atomuna “döteryum” adı verilir.

Döteryum, hidrojenin önemli bir izotopu olup bu izotopun zenginleştirilmesi ve oksijenle birleştirilmesiyle elde edilen suya “ağır su” denir. Ağır su, nükleer reaktörlerde, uranyumun parçalanması sırasında açığa çıkan nötronların yavaşlatılması için ılımlayıcı olarak kullanılır.

16.yüzyılda Paracelsus isimli bilim insanı tarafından ortaya çıkarılmıştır.

1874 yılında Jules Verne tarafından hidrojenin yenilenebilir enerji kaynağı olarak kullanılması fikri ileri sürülmüştür.

1839 yılında, William Robert Grove'un hidrojenden elektrik enerjisini üretebilmek için yakıt hücresini keşfetmesi.

1970’lerde hidrojene enerji taşıyıcısı olarak bakılmaya başlanmış ve bu tarihten sonra hidrojen ile ilgili araştırmalar hız kazanmıştır.

Miami Üniversitesi, Temiz Enerji Enstitüsü’nde enstitü müdürü T. Nejat Veziroğlu’nun başkanlığında 1974 yılında düzenlenen "Hidrojen Ekonomisi Miami Enerji Konferansı (THEME)", çağdaş boyutta hidrojen enerjisi kullanımı için bir başlangıç noktası oluşturmuş ve Uluslararası Hidrojen Enerjisi Birliği (IHEA) kurulması kararlaştırılmıştır.

1970’lerde başlayan 21. yüzyılın neresinde biteceği henüz bilinmeyen yeni bir enerji dalgalanması içerisindeyiz. Bu yeni dalgalanmayı yönlendirecek olan ve yüksek kullanım verimli enerji taşıyıcısının hidrojen olduğu fikri yaygın olarak kabul görmektedir. Ancak uzay programları dışında şimdiye kadar hidrojen bir yakıt veya enerji taşıyıcısı olarak pek kullanılamamış, daha çok kimyasal ve metalürjik uygulamalar ile rafinerilerde ham petrol yükseltgenmesi süreçlerinde kullanmıştır.

• Kaynak çeşitliliği nedeniyle uygulama esnekliği sağlar. • Üretimi, taşınması ve depolanması için gerekli teknoloji yeterli olgunluğa erişmiştir.

• Büyük ölçekli altyapı gereksinimi duymadığından, önceden tahmin edilemeyen büyüme veya enerji talep değişimlerine daha hızlı uyum sağlama imkânı sunar.

• Dolayısıyla, merkezî sistemlere bağımlılığı azaltır, izole edilmiş küçük topluluklara yerel çözümler ve ekonomik faydalar sunar.

• Temiz bir enerji taşıyıcısı olması nedeniyle çevresel sürdürülebilirliğe katkıda bulunur.

• Boru hatlarıyla emniyetli olarak taşınabildiğinden taşınması sırasında da çevre kirliliğine yol açmaz.

• Sürdürülebilir enerji politikaları için ideal bir enerji taşıyıcısıdır.

• Hidrojen, enerji taşıyıcısı olarak kullanılması dışında, gıda, petrokimya, elektronik ve metalurji gibi pek çok endüstriyel alanda da kullanılmaktadır.

• Hayatın ve ekonominin hemen her alanında kullanılma potansiyeli bulunduğundan sosyal ve ekonomik sürdürülebilirliğe katkıda bulunur.

Bir yakıtın dönüşebilirliği ya da çok yönlü kullanımı, yanma işlemi dışında, diğer enerji türlerine dönüşüm uygunluğunu gösterir. Hidrojen, alevli yanmaya, katalitik yanmaya, direkt buhar üretimine, hidridleşme ile kimyasal dönüşüme ve yakıt hücresi ile elektrik enerjisi üretimine uygundur.

Hidrojen alevli yanma özelliği ile içten yanmalı motorlarda, gaz türbinlerinde ve ocaklarda yakıt olarak kullanılabilmektedir. Hidrojenin direkt su buharına dönüşüm özelliği, buhar türbinleri uygulamasında kolaylık sağlamaktadır. Bu özelliği ile endüstriyel buhar üretimi de kolaylaşmaktadır. Hidrojenin katalitik yanma özelliğinden mutfak ocakları, su ısıtıcıları ve sobalara uygulanmasında yararlanılmaktadır. Hidridleşme özelliği, emniyetli hidrojen depolaması açısından önemlidir. Hidrojen Carnot çevriminin sınırlayıcı etkisi altında kalmadan, yakıt hücrelerinde elektrokimyasal çevrimle direkt elektrik enerjisi üretiminde kullanılmaktadır.

Hidrojenin diğer gaz yakıtlara göre çok daha yüksek olan hava içinde yayılma katsayısı (0,61 cm²/s), emniyet açısından önemli bir sorun oluşturur. Ayrıca kâğıt, kumaş, kauçuk gibi malzemelerden geçebilmesi, platin, demir, çelik gibi metallere nüfuz etmesi yakıt deposu ve nakil hatlarının kırılganlığını artırmaktadır. Yine yüksek difüzyon özelliği nedeniyle depolama ve nakil hatlarında kaçak sorunları ortaya çıkabilmektedir.

Hidrojen üretim yöntemlerinin başında suyun elektrolizi gelir. Bir diğer hidrojen üretim yöntemi ise doğal gazın ve gaz hidrokarbonların katalitik su buharı dönüşümü (reformasyonu)dür. Biyolojik kökenli katı atıklar da hidrojen üretimi için hammadde olup bu maddelerden gazlaştırma işlemine bağlı olarak elde edilen sentez gazının katalitik su buharı reformasyonu ile hidrojen elde edilebilmektedir. Hidrojen, kömürün gazlaştırılmasıyla da üretilebilmektedir. Bunların dışında fotoelektrokimyasal, biyolojik ve biyokimyasal gibi başka teknikler de bulunmaktadır.

Suyun elektrolizi ile hidrojen üretimi yöntemi.

Fosil yakıtlardan, hidroelektrik kaynaktan, nükleer güçten, jeotermal enerjiden, güneş, rüzgâr ve deniz dalgası gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilebilmektedir.

Doğal gaz, petrol ürünleri veya kömür gibi aynı zamanda birincil enerji kaynağı olarak bilinen fosil yakıtlardan elde edilmektedir.

Önce güneş, rüzgâr, dalga, jeotermal gibi temiz enerji kaynakları ile elektrik enerjisi üretilmesi sonra da bu elektrik enerjisinin suyun elektrolizinde kullanılmasıyla hidrojen üretilmesi en doğru seçim olacaktır.

Hidrojenin kömürün gazlaştırılmasıyla elde edilmesi en eski üretim metodudur.

Dünya üzerinde üretilen hidrojenin yüzde 18’i kömürün gazlaştırılması yöntemiyle elde edilmektedir.

Kömürün gazlaştırılmasıyla hidrojen üretimi yöntemi, önceleri kolaylıkla kükürdün elimine edilmesine olanak tanıdığından cazip bulunmaktaydı ancak kömür taşıma, kırma, öğütme işlemleri ve yüksek sıcaklıklar gerektirmesi, kirlilik yaratması, büyük miktarda kül atığı olması nedenlerinden dolayı günümüzde fazla tercih edilmemektedir. Genel olarak kömür ucuz bir yakıt olmasına karşın kömür gazlaştırma işlemi hidrojen elde etmek için ucuz bir yöntem değildir.

Buhar dönümüşü ile hidrojen üretimi yöntemidir.

Buhar reforming süreçleri ile hidrojen üretiminde doğal gaz, sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG) buharı, benzin buharı, metanol, etanol, Fischer Tropsch (FT) reaksiyonlarından elde edilen distilatlar gibi çeşitli hammaddeler kullanılabilir.

Ototermal terimi, endotermik buhar reformingi ile ekzotermik kısmi oksidasyon reaksiyonları arasındaki ısı alışverişini tanımlar.

Ototermal reforming yöntemi kısmi oksidasyon ve su buharı reformingi yöntemlerinin birleştirilmiş hâlidir. Kısmi oksidasyon, hidrokarbonların gerekenden az oksijenli ortamda yakılmasıdır. Ototermal reforming prosesleri, birleştirilmiş tek bir ototermik reaktörde veya gaz ısıtmalı ototermik reaktörler kombinasyonunda yapılabilir. Bu reaktörlerde hidrokarbonlar, katalizör varlığında oksijen ve su buharı ile reaksiyona sokulur.

Bu yöntemin avantajı, ağır yağ fraksiyonları da dahil her tür hidrokarbonun reformasyonunun yapılabilmesi ve organik maddelerin hava ve oksijensiz ortamda termal olarak parçalanarak ayrışmasıyla karbon dioksit meydana gelmeden hidrojen ve is şeklinde karbon (C) elde edilmesidir.

Güneş enerjisi önce fotovoltaik hücreler yoluyla elektrik enerjisine dönüştürülür, sonra elektrik enerjisi elektrolizle suyu oksijen ve hidrojene ayırmada kullanılır, oksijen atmosfere verilirken hidrojen depolanır, taşınır ve kullanıma sunulur. Son olarak hidrojen ve oksijenin birleşmesiyle açığa çıkan enerji, iş ve ısı için harcanır. Bu sırada oluşan su buharı atmosfere verilir ve çevrim tamamlanır.

Güneş enerjisinin faydalı enerji şekline dönüşümü, ısıl (termal) ve fotonsal olarak iki kısma ayrılabilir. Isıl işlemde, güneş enerjisi önce ısıya çevrilir sonra ya bu ısı enerjisi doğrudan hidrojen üretiminde kullanılır ya da değişik enerji çevrim yöntemleri ile mekanik ya da elektrik enerjisine dönüştürülür ve hidrojen üretiminde kullanılır. Fotonsal işlemde ise fotonlar bir yutucu madde tarafından doğrudan soğurulur. Bu soğurucu maddeler foton enerjisinin bir kısmını ya doğrudan elektrik enerjisine çevirir veya suyu hidrojen ve oksijenlerine ayrıştırır.

Yarı iletken, normal şartlar altında yalıtkan olan ancak üzerine yapılan mekanik işin etkisiyle iletken özelliği kazanabilen maddelerdir.

Güneş pilleri (fotovoltaik hücreler), güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren silikon esaslı yarı iletken malzeme içeren sistemlerdir. Güneş pili panelleri birçok fotovoltaik hücreden meydan gelirler.

Önce gazlaştırma yapılır, elde edilen gaz temel olarak H₂, CO, CO₂ ve CH₄’dan oluşur. Metan katalitik ortamda su buharı ile reforme edilerek hidrojen ve karbon monoksite dönüştürülür. Karbonmonoksit de su buharı ile şift reaksiyonu uyarınca CO₂’e dönüşerek hidrojen verimini artırır. Prosesin yan ürünü olan CO₂, biyokütlenin yaşamı boyunca atmosferden alındığı için tekrar atmosfere verilmesi durumunda atmosferdeki CO₂ dengesi bozulmaz. Biyokütlenin gazlaştırılması sonucunda elde edilen H₂ ve CO₂ gaz karışımı doğrudan yakıt hücrelerinde elektrik elde etmek için kullanılabilir.

Mikroorganizmaların belirli sıcaklıkta tutularak gelişmesini sağlama işlemidir.

Bugüne kadar H₂/O₂ üretebilen en verimli fotobiyolojik sistemlerin, yeşil alg ve siyanobakteri gibi algler olduğu anlaşılmıştır. Yeşil alglerin havasız ortamda inkübasyonu sonucu hidrojen ürettiği saptanmış ve verim yaklaşık %10’u bulmuştur. Burada en önemli problem, alg sistemlerinin 0,03 güneş sabitinden daha yüksek ışınım altında doyuma ulaşmalarıdır. Bu alanda gen mühendisliği devreye girmiş ve problemin çözümünde bir hayli yol alınmıştır.

Hidrojen gaz veya sıvı olarak saf hâlde tanklarda depolanabileceği gibi, fiziksel olarak nanotüplerde veya kimyasal olarak hidrür şeklinde depolanabilmektedir. Hidrür şeklinde depolama; metallerde ve alanatlarda katı hâlde olabileceği gibi, sodyum bor hidrür bileşiğinde olduğu gibi katı veya sıvı hâlde de olabilmektedir.

Hidrojen, natotüplerde iki şekilde depolanabilmektedir. Zayıf Van der Waals etkileşimi ile depolanan (fiziksel) hidrojen geri alınabilmekte ve sisteme tekrar aynı miktarda hidrojen yüklenebilmektedir. Kovalent bağların oluşumu ile depolanan (kimyasal) hidrojen ise ancak yüksek sıcaklıklarda geri alınabilmektedir.

Depolanan hidrojenin oda sıcaklığında geri alınabilmesi ve geri alımın katalizör yardımı ile kolaylıkla kontrol edilebilmesidir. Nitekim sıvı hâldeki çözelti alevle temas hâlinde olsa bile güvenli olmakta, ancak katalizörün çözeltiyle teması durumunda hidrojen çıkışı sağlanmaktadır.

Hidrojen gazı, doğal gaz veya hava gazına benzer olarak borular aracılığıyla her yere kolaylıkla ve güvenli olarak taşınabilmektedir. Doğal gaz için kurulan yeraltı boru dağıtım ağının ileride çok az bir değişiklikle hidrojen içinde kullanılması olanaklıdır. Boru hatları dışında hidrojen, basınçlı tüplerde gaz olarak veya sıvılaştırılmış hâlde tanklara konularak tankerlerle taşınabilir.

Hidrojen hem enerji elde etmek için hem de petrol rafinerilerinde, kimya endüstrisinde veya kükürt (S), azot (N) giderme ve çift bağ doyurma süreçlerinde ana bileşen olarak uzun yıllardır güvenle kullanılmaktadır.

Yakıt hücreleri (pilleri) kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine çeviren elektrokimyasal cihazlardır. Bunlar yüksek verimlerde çalışmasının yanında sessiz, hafif ve çevre dostudurlar. Günümüzde yakıt hücrelerinin taşınabilir cihazlar, taşıtlar ve güç santrallerindeki uygulamaları yaygınlaşmaktadır.

• Termal enerji sistemlerine oranla daha yüksek verimle çalışırlar.

• Saf hidrojen kullanılması durumunda yakıt hücrelerinde zararlı gaz emisyonu sıfırdır. Yan ürün olarak sadece su oluşmaktadır. Yakıt olarak hidrojenin kullanılmadığı durumlarda bile zararlı gaz emisyonu geleneksel sistemlere oranla oldukça düşüktür.

• Hareketli aksam içermezler ve sessiz çalışırlar. • Dayanıklı ve güvenli sistemlerdir.

• Basit bir yapıya sahiptirler. İstenilen boyutta ve kapasitede üretilebilirler.

• Modülerdirler. İstenen güç değerine ulaşabilmek için çok sayıda hücre seri veya paralel bağlanabilir ve böylece gerekli görülen her yerde kullanılabilirler.

Genel olarak bir yakıt hücresi güç sistemi dört üniteden oluşmaktadır. Bunlar, yakıt işleme ünitesi, güç üretim sistemi (yakıt hücresi grubu), güç dönüştürücü (inverter) ve kontrol sistemidir.

Otomobil sektöründe, yakıt pili ile çalışan araçların geliştirilmesi, petrol tüketimini azaltacağı gibi, araçlardan kaynaklanan hava kirliliğini de minimum düzeye indirecektir. Ayrıca, yakıt hücresinin sessiz çalışması, düşük emisyon vermesi ve benzin ya da dizel motora göre veriminin daha yüksek olması otomobillerde kullanılmasını kaçınılmaz kılmaktadır.