YENİLENEBİLİR ENERJİ SİSTEMLERİ DERS 4: HİDROJEN ENERJİSİ SİSTEMLERİ İstanbul Arel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik Müh. Lisansüstü Programı YENİLENEBİLİR ENERJİ SİSTEMLERİ DERS 4: HİDROJEN ENERJİSİ SİSTEMLERİ Dersin Öğretim Üyesi: Yrd. Doç. Dr. Yavuz ATEŞ yates@yildiz.edu.tr
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Doğadaki en basit atom yapısına sahip olan hidrojen, günümüzde kabul gören evrenin oluşumu kuramında da belirtildiği gibi bütün yıldızların ve gezegenlerin temel maddesidir. Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir. Suyun elektrolizi, doğalgaz vb. konvansiyonel yakıtların dönüşümü gibi yöntemler ile elde edilen hidrojen enerjisi, güç sistemlerinde yakıt hücresi teknolojisi vasıtası ile kullanılmaktadır. Yakıt hücresi, gaz halindeki bir yakıt (hidrojen) ile oksidantı (havadaki oksijen) elektrokimyasal olarak birleştirerek elektrik enerjisi ve ısı üreten bir enerji dönüştürücüsüdür. Bu işlem sonucunda atık olarak sadece su oluşmaktadır. 4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Yakıt hücresi, negatif yüklü bir elektrottan (anot), pozitif yüklü bir elektrottan (katot) ve bir elektrolit membran tabakasından oluşmaktadır. Yakıt olarak kullanılan hidrojen anotta yükseltgenmekte, oksijen ise katotta indirgenmektedir. Protonlar ise anottan katoda doğru elektrolit membran içerisinden geçerek transfer edilmekte, elektronlar ise dış bir devre üzerinden katoda taşınmaktadır. Bu sayede, elektronların yolunu tamamladığı bu dış devre üzerine bağlanan bir yük beslenebilmektedir. Katotta ise oksijen, proton ve elektronlar ile tepkimeye girmekte ve çıkışta su ve ısı oluşmaktadır. Hem anot hem de katotta bu elektrokimyasal işlemi hızlandıracak katalizör tabakaları bulunmaktadır. 4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Yakıt hücresi sistemleri ve bataryalar yapısal anlamda benzerlikler içermektedir. Ancak batarya sisteminin aksine yakıt hücreleri girişindeki yakıt sağlandığı sürece enerji üretmekte ve şarja ihtiyaç duymamaktadır. Yakıt hücrelerinin kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştürebilme yetenekleri, konvansiyonel termo-mekanik sistemlere oranla daha yüksek dönüşüm verimliliğine sahip olmalarını sağlamaktadır. Yani aynı miktardaki bir yakıt ile yakıt hücresi sayesinde daha fazla miktarda elektrik enerjisi üretilebilmektedir. Isıl geri kazanım işlemi ile birlikte elektrik üretiminde %80’lere varan bir verimliliğe ulaşmak mümkündür. Bir yanma olayı gerçekleşmediğinden ve hareketli parçalar içermediğinden ötürü yakıt hücreleri sessiz bir işletime ve çevresel anlamda oldukça avantajlı bir konuma sahiptirler. 4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Yakıt hücresi teknolojisinin temel prensipleri 1838 yılında İsveç’li bilim insanı Christian Friedrich Schönbein tarafından ortaya konulmuştur. 1839 yılında ise Sir William Grobe suyun elektrolizi işleminin tam tersini uygulayarak ilk yakıt hücresi sistemini oluşturmuştur. 1950 yılında Cambridge Üniversitesi’nden Francis Becon ilk 5 kW’lık alkalin yakıt hücresi sistemini geliştirmiştir. 1970’lerde Amerikan Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi’nin (NASA) uzay istasyonlarında kullanılmak üzere 12 kW’lık bir alkalin yakıt hücresi geliştirilmiştir. 1960’ların ortalarından itibaren de ulaşım sistemleri, portatif sistemler, vb. uygulamalarda kullanılmak için farklı yakıt hücresi çeşitlerinin araştırılmasına yoğunlaşılmıştır. 4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Yakıt hücresi sistemlerinin bazı avantajları şu şekilde sıralanabilir: Yakıt hücreleri yüksek işletme verimliliği sağlama potansiyeline sahiptir. Yakıt hücreleri için pek çok yakıt ve yakıt sağlama seçeneği bulunmaktadır. Yakıt hücreleri oldukça modüler bir yapıya sahiptir. Yakıt hücreleri çevreye zararlı atık üretmezler. Hareketli parçalar içermediklerinden ötürü yakıt hücreleri oldukça az bakım gereksinimi duyarlar. Yakıt hücreleri tekrar şarj edilmeye ihtiyaç duymazlar ve girişinde yakıt beslemesi olduğu sürece güç üretimi yaparlar. 4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Bütün yakıt hücresi sistemlerinin daha da yaygınlaşmasının önündeki engeller ise şu şekilde sıralanabilir: Yakıt hücreleri, yapılarında bulunan özel malzemeler nedeni ile günümüzde konvansiyonel sistemlere kıyasla pahalı konumdadır. Burada araştırmacılar özellikle bahsi geçen malzemeler yerine daha ucuz ikamelerini bulmak üzerine yoğunlaşmış durumdadırlar. Hidrojen üretimi için yakıt dönüşümü yapılacak ise bu teknoloji de önemli derecede pahalıdır ve bu dönüşümün gerçekleşmesi de belli bir güç tüketimine neden olmaktadır. Eğer yakıt hücresi sisteminde hidrojenden başka bir yakıt ile kullanılırsa, sistem performansı katalizörün kalitesinin bozulması ve elektrolit zehirlenmesi adı verilen durumlardan ötürü zamanla önemli oranda azalabilmektedir. 4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Konvansiyonel sistemler ile rekabet edebilir duruma gelebilmesi için yakıt hücresi sistemlerinin birim fiyatları farklı uygulamalar için aşağıdaki düzeylerde olmalıdır: Hususi taşıtlar için 50 €/kW, Kamyonlar ve otobüsler için 200-300 €/kW, Taşınabilir uygulamalar için 400-600 €/kW, Binalardaki kojenerasyon sistemleri ve güç üretimi için 400-600 €/kW. Yakıt hücresi sistemlerinin günümüzdeki maliyetleri 3000-5000 €/kW civarındadır. Bu değerlerin yukarıda yazılan seviyelere inmesi için özellikle yakıt hücresi sistemlerinde kullanılan platinyum, membran gibi pahalı bileşenlerin maliyetlerinin azaltılması açısından yoğun araştırma çalışmaları gerçekleştirilmektedir . 4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Yakıt hücresi çeşitlerinden proton değişim membranlı (PEM) yakıt hücresi yüksek ömrü, hızlı cevap verebilme yeteneği, yüksek güç yoğunluğu ve düşük sıcaklıklarda çalışabilmesi gibi özellikleri nedeniyle taşınabilir küçük güçlü uygulamalardan dağıtık üretim sistemleri gibi büyük çaplı uygulamalara kadar birçok alanda en çok gelecek vaat eden yakıt hücresi sistemidir. Bu açıdan Ballard, UTC, Nuvera, PlugPower, General Electric, Toshiba, Sanyo, vb. birçok büyük firma PEM yakıt hücresi üretmektedir. Daimler-Chrysler, Ford, Renault, Toyota, Nissan, General Motors, BMW, Hyundai, vb. büyük otomotiv firmaları ile Samsung, IBM, vb. gibi önde gelen dünya markaları PEM yakıt hücresi teknolojisini farklı uygulamalarda ticari olarak kullanmışlardır. Proton değişim membranlı (PEM) yakıt hücreleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri PEM yakıt hücrelerinin başlıca avantajları şu şekildedir: Elektrolit yapısı diğer yakıt hücresi sistemlerine kıyasla daha güvenilir bir yapıdadır. Yüksek gerilim, akım ve güç yoğunluğuna sahiptirler. Düşük basınçlarda başarıyla çalışabilmekte, bu durum da sistem güvenilirliğini arttırmaktadır. Reaksiyona giren maddelerin basınç farklılığına toleransları yüksektir. Dayanıklı bir yapıya ve basit bir mekanik tasarıma sahiptirler. Proton değişim membranlı (PEM) yakıt hücreleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri PEM yakıt hücrelerinin bazı dezavantajları şu şekildedir: Hidrojenin saflığına oldukça bağımlı bir yapıya sahiptirler. Karbon monoksit ve sülfür parçacıklarına oldukça düşük toleransları vardır. Reaksiyona giren gazların nemlendirilmesine ihtiyaç duymaktadırlar. Oldukça pahalı bir platinyum katalizör ve katı polimer bir membran içermektedirler. PEM yakıt hücresi sistemlerinin farklı uygulamalarda konvansiyonel teknolojilerin yerine geçmesi açısından özellikle maliyet azatlımı için çalışmaların daha da arttırılması gerekmektedir. Proton değişim membranlı (PEM) yakıt hücreleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri 1930’ların sonunda E. Baur ve H. Preis tarafından ilk çalışmaları yapılan katı oksit yakıt hücresi sistemleri, genel olarak zirkonyum, vb. katı oksit bir elektrolit içermektedirler. 1000oC civarındaki yüksek sıcaklıklarda çalışmakta ve hücre başına 0.8-1 V gerilim üretmektedirler. Bu yakıt hücresi sistemlerinin çıkışındaki atık gazların sıcaklığı 500-850oC civarında olup bu sıcaklık seviyesi özellikle kojenerasyon uygulamaları için ilgi çekici bir değerdedir. Katı oksit yakıt hücresi sistemleri genellikle yedek güç üniteleri gibi durağan uygulamalarda kullanılmaktadırlar. Bu sistemlerin taşıt sistemlerinde uygulanması da araştırılan ve literatürde yer alan bir husustur. Katı oksit yakıt hücreleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Katı oksit yakıt hücresi sistemlerini özellikle endüstriyel uygulamalar gibi bazı alanlarda oldukça ilgi çekici kılan bazı avantajlar mevcuttur. Yakıtın saflığına olan yüksek dereceli bağımsızlık bu avantajlardan biridir. Reaksiyonların yüksek sıcaklıklarda gerçekleşmesinden ötürü pahalı katalizör gereksinimi yoktur. Katı oksit yakıt hücresi sistemleri oldukça kararlıdır. Elektrolit içerisinde sıvı fazda bir işlem gerçekleşmediğinden ötürü sellenme, vb. problemler ortaya çıkmamaktadır. Katı oksit yakıt hücreleri, sıvı elektrolit içeren yakıt hücresi sistemlerinde sağlanamayacak birçok konfigürasyonda imal edilebilmektedir. Katı oksit yakıt hücreleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Katı oksit yakıt hücrelerinin bazı dezavantajları şu şekildedir: Sonradan kullanılabilecek büyük miktarda ısı üretilmektedir. Kimyasal reaksiyonlar oldukça hızlıdır. Yüksek verimliliğe sahiptirler. Yüksek akım yoğunluklarında çalışabilmektedirler. Katı elektrolit sıvı elektrolite kıyasla güvenilirlik açısından daha olumludur. Katı oksit yakıt hücreleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Katı oksit yakıt hücrelerinin bazı dezavantajları şu şekildedir: Özellikle hacim ve ağırlık azatlımı bakımından araştırma-geliştirme çalışmaları gereklidir. Sülfüre karşı oldukça düşük toleransları vardır. Eski bir teknoloji olmamasından ötürü farklı alanlarda daha uzun süreli deneme uygulamalarına ihtiyaç duymaktadır. Katı oksit yakıt hücreleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Alkalin yakıt hücresi sistemleri, en eski ve en basit yapılı yakıt hücresi teknolojilerinden birisidir. Bu yakıt hücresi sistemleri bir süre uzay uygulamalarında kullanılmışlardır. Günümüzde de farklı uygulamalarda çeşitli boyutlarda kullanılmaktadırlar. Alkalin yakıt hücresi sistemleri %70 elektriksel verimliliğe ulaşabilmektedir. Ticari uygulamalar için oldukça pahalı bir konumdadırlar, ancak maliyetleri azaltmak üzerine yapılan araştırma-geliştirme çalışmaları yoğunlukla sürdürülmektedir. Alkalin yakıt hücreleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Alkalin yakıt hücrelerinin başlıca avantajları şu şekildedir: Düşük sıcaklıklarda çalışabilmektedirler. Hızlı bir ilk çalışma yeteneğine sahiptirler. Yüksek bir verimliliğe sahiptirler. Oldukça düşük bir katalizör içeriğine ihtiyaç duymakta ve bu sayede maliyetler azalmaktadır. Basit bir işletime sahiptirler. Düşük bir ağırlığa ve hacime sahiptirler. Alkalin yakıt hücreleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Alkalin yakıt hücrelerinin bazı dezavantajları ise şu şekildedir: Karbondioksit ve karbon monoksit içeriğine karşı toleransları oldukça düşüktür. Oldukça kısa bir çalışma ömrüne sahiptirler. Karmaşık bir su tahliye mekanizmasına ihtiyaç duymaktadırlar. Alkalin yakıt hücreleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Fosforik asit yakıt hücresi sistemleri en eski yakıt hücresi teknolojisidir ve 200 kW’tan 11 MW’a kadar değişen farklı boyutlarda ticari olarak üretilmektedir. Bu yakıt hücresi sistemlerinin temelleri G. V. Elmore ve H. A. Tanner’in 1961’deki çalışmalarına dayanmaktadır. Bu yakıt hücresi sistemleri ile elektrik enerjisi üretiminin verimliliği %40 civarlarındadır. Bahsi geçen yakıt hücresi sistemlerinin daha yaygın kullanımı için gerekli iyileştirmeler, ilk yatırım ve işletim maliyetlerinin azaltılması ve işletim ömrünün önemli oranda arttırılması üzerine gerçekleştirilmelidir. Fosforik asit yakıt hücreleri ağırlık açısından olumsuz konumdadırlar ve bu durum bahsi geçen yakıt hücresi sistemlerinin taşıt uygulamalarında kullanılabilirliğini azaltmaktadır . Fosforik asit yakıt hücreleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Fosforik asit yakıt hücrelerinin başlıca avantajları şu şekildedir: Fosforik asit yakıt hücresi sistemleri %30’luk karbon dioksit içeriğini tolere edebilmekte, yani atmosferdeki havayı doğrudan kullanabilmektedir. Çalışması esnasında ortaya çıkan atık ısı kullanılarak sistemin çalışma verimliliği oldukça arttırılabilir. Bu yakıt hücresi sistemleri 200oC’lik sıcaklıklarda bile sorunsuzca çalışabilmektedir. Fosforik asit yakıt hücreleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Fosforik asit yakıt hücrelerinin bazı dezavantajları ise şu şekildedir: Bu yakıt hücresi sistemlerinin karbon monoksit içeriğine toleransı oldukça düşüktür. Bu sistemlerde ortaya çıkacak su içeriği asit içerikli elektrolite zarar verebilir. Bu sistemler büyük ve ağır bir yapıya sahiptir. Bu yakıt hücresi sistemleri harici bir dönüşüm ünitesine ihtiyaç duymaktadır. Çalışmadan önce belli bir çalışma sıcaklığına kadar ısıtılmaya ihtiyaç duymaktadırlar. Fosforik asit yakıt hücreleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Erimiş karbonlu yakıt hücresi sistemlerinin temelleri katı oksit yakıt hücresi, vb diğer yakıt hücresi sistemlerine dayanmaktadır. 1950’lerde fizikçi H. J. Broers ve J. A. A. Ketelaar katı oksit materyalin sınırlamasını görerek çalışmalarını eriyik karbonu tuzların araştırılmasına doğru yönlendirmişlerdir. Ancak eriyik karbonlu olarak geliştirilen ilk yakıt hücresi prototiplerinde yüksek kayıplardan ötürü beklenen güç yoğunluğunun oldukça altında kalınmıştır. 1960’ların ortasında Amerikan donanması için Texas Instruments firması tarafından geliştirilen eriyik karbonlu yakıt hücresi sistemleri ise bu alanda yaygınlaşmanın önünü açmıştır. Erimiş karbonlu yakıt hücresi sistemlerinde verim %60 civarlarındadır. Erimiş karbonlu yakıt hücreleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Erimiş karbonlu yakıt hücrelerinin başlıca avantajları şu şekildedir: Sistem içerisinde dönüştürülen yakıtı kullanabilme Özellikle kojenerasyon sistemlerinde kullanılabilecek kadar çok ısı üretimi Yüksek hızlı cevap verebilme yeteneği Yüksek verim Özel katalizör bileşenine ihtiyaç duyulmadığından nispeten az maliyet Erimiş karbonlu yakıt hücreleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Erimiş karbonlu yakıt hücrelerinin bazı dezavantajları ise şu şekildedir: Korozyona karşı daha dayanıklı bileşenler ile yeniden tasarım yapılması gereksinimi Bünyesindeki sıvı elektrolitin muhteva edilmesindeki problemler Çalışmaya başlamadan önce ön ısıtma ihtiyacı Özellikle büyük güçlü üretim sistemlerinde kullanılmak açısından düşük ömür Erimiş karbonlu yakıt hücreleri
4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri Bahsi geçen yakıt hücresi çeşitlerinin özellikleri özet olarak şu şekildedir: 4. Hidrojen Enerjisi Sistemleri YH Çeşidi İşletim Sıcaklığı [0C] Kullanılan Elektrolit Yakıt Kullanılan Oksitleyici Verimlilik (%) Alkalin YH 70-100 Potasyum hidroksit Doğrudan Hidrojen Saf oksijen 50-70 Erimiş Karbonlu YH 650 Erimiş karbon çözeltisi Doğal gazın ya da havagazının dönüştürülmesiyle elde edilen hidrojen ve karbon monoksit Havadan elde edilen oksijen 40-55 Fosforik Asit YH 160-210 Dengelenmiş fosforik asit Doğal gazdan elde edilen hidrojen 35-50 Katı Oksit YH 800-1000 Seramik katı oksit elektrolit 45-60 Proton değişim membranlı YH 50-100 Geçirgen polimer elektrolit Doğrudan ya da dönüştürülmüş hidrojen Saf ya da havadan elde edilen oksijen 35-60
Teşekkürler….