GELECEĞİN YAKITI HİDROJEN

NEDEN HİDROJEN ENERJİSİ ? Hidrojen kullanımının temel amacı çevre sorunları ve enerji problemlerinin çözümüdür. Fosil kökenli yakıtların giderek tükenmesi, 21. yy ortalarında bitecek olması ve yaklaşık 100 yıldan beri kullanılan bu yakıt türünün ekolojik dengeye zarar vermesi araştırmacıların dikkatini yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarına çekmiştir. Hidrojen bir çok yönüyle ekolojik açıdan avantajlıdır. Hidrojenin yakılması sonucu egzoz emisyonu olarak sadece su buharı çıkmaktadır. İkincil bir enerji kaynağı olan hidrojen değişik ve yenilenebilir birincil kaynaklardan elde edilebilir olması; bu yakıt türünü geleceğin en önemli enerji taşıyıcısı durumuna sokacağı kabul edilmektedir. Geleceğin yakıtı yenilenebilir ve çevre kirliliğinden bağımsız olarak çalışandır.

Bileşikleri Hidrojenin herkes tarafından bilinen ve tabiatta çok miktarda bulunan bileşiği sudur. Asal gazlar hariç bütün elementler ile bileşik oluşturur. Hidrojenin atomları alkali metallerle iyonik bileşikler oluşturur.Bu bileşiklere hidrür denir ve suda hidrojen vererek ayrışır. Hidrojen, F, Cl, Br ve I ile yaptığı bileşiklerin sudaki çözeltileri asittir. Hidrojen iyonlarının bir çözeltideki konsantrasyonu pH cinsinden ifade edilir.

Elde Edilişi Hidrokarbon bileşiklerinden C3H8(g) + 6H2O(s) → 3CO2(g) + 10H2(g) Kızgın kok üzerinden sıcak su buharı geçirilerek C(k) + H2O(g) → CO(g) + H2(g) Aktif metallere asit etki ettirmekle Fe(k) + 2HCl(suda) →FeCl2(suda) + H2(g) Suyun ya da suda iyi çözünen asit, baz ve tuz çözeltilerinin elektrolizinden 2HCl(g) + H2O(s) ―› H2(g) + CI2(g) + H2O(s) .

Kullanım Alanları Amonyak elde edilmesinde Petrol rafinasyonunda Metanol imalatında Yağların hidrojene edilmesinde Plastik madde yapımında Kaynak işlerinde Hava gemilerini şişirmede Silah sanayisinde füze yakıtı olarak kullanılır

Evrende Hidrojen Hidrojen evrenin kütlece %75’ini, atom sayıca %90’ını oluşturur. Evrende en çok bulunan elementtir. Yıldızlarda,dev gaz gezegenlerinde bulunur. Evrende hidrojen atomik ya da plazma halinde bulunur. Uzayda hidrojen nötral atomik halde bulunur. Normal şartlarda biatomik gaz (H2) halinde bulunur. Dünya atmosferinde hidrojen gazı oranı oldukça düşüktür. Hidrojen atomu ve H2 molekülü uzayda bolca bulunur.

HİDROJEN ENERJİ SİSTEMİNİN HAYATA GEÇİRİLMESİ Birincil enerji kaynakları kullanılarak hidrojen üretilip bunun gereksinim duyulan yerlere iletilerek çeşitli yöntemlerle enerjiye çevrilmesine hidrojen enerji sistemi denir. Hidrojen enerji sistemi şu kısımlardan oluşur: 1.Hidrojen Üretimi 2.Depolama ve İletim 3.Enerji Çevrimi

HİDROJENİN ÜRETİMİ 1.Foto biyolojik hidrojen üretimi 2.Foto elektrokimyasal hidrojen üretimi 3.Termokimyasal hidrojen üretimi 4.Elektroliz 5.Buhar yapılandırması ile üretim

Fotobiyolojik Hidrojen Üretimi Bakteriler ve yeşil yosunlar,klorofil aracılığı ile güneş ışığını absorbe eder ve enzimler sayesinde hidrojenin ayrılmasını sağlar. Foto elektrokimyasal Hidrojen Üretimi Foto elektrokimyasal işlem,optik enerjinin kimyasal enerjiye dönüştürülmesi için bir foto elektrokimyasal pil ve yarı iletken elektrotlar kullanılır. Foto elektrokimyasal sistemin iki tipi vardır:yarı iletken kullanımı ve erimiş metal karışımlarının kullanımı… Birinci tipte;yarı iletken hem enerji absorbe etmek hem de bir elektrot gibi davranacak şekilde kullanılır. İkinci tipte;erimiş metal karışımı katalizör olarak kullanılır.

Termokimyasal Yöntemle Üretim Çeşitli termokimyasal hidrojen üretim teknolojisi vardır.Bu teknolojiler: Kömür,şehir katı atıkları ve bio-kütlenin ısısından yararlanarak hidrojen içeren çeşitli gazlar üretmek Suyun doğrudan oksijen ve hidrojene ayrıştırılmasını sağlayan kapalı çevrimli termokimyasal yöntem İşlem iki aşamada gerçekleşir:ilk aşamada elde edilen bileşikler ikinci aşamada ayrıştırılır. H2O + x → XO + H2 XO + ısı → X + ½ O2

Elektrolizle Hidrojen Üretimi Elektroliz;elektrik enerjisi(hidroliz,rüzgar, jeotermal,güneş ya da nükleer enerji ile üretilen) ile sudan hidrojen üretilmesinde kullanılır. Suyun elektrolizi,elektrotlar aracılığıyla sudan doğru akım elektriğinin geçirilmesiyle yapılır. Kullanılan elektrot malzemeleri çok az bakıma ihtiyaç duyarlar yirmi beş yıldan fazla ömürleri vardır.Bu nedenle hidrojen üretmek için güneş enerjisi ve rüzgar jeneratörleri şehirden uzak yerlere uyarlanması mümkündür.

Buhar Yapılandırması ile Üretim Hidrojen üretim yöntemlerinden biri olan yeniden yapılandırma için üç değişik yöntem uygulanabilir: 1.Katalitik buhar yapılandırma 2.Non-katalitik kısmi oksidasyon 3.Katalitik kısmi oksidasyon Yapılandırma sistemlerinin verimi önemli oranda sistemin işletme sıcaklığına ve basıncına bağlıdır. Yapılandırma sisteminin sıcaklığı da kullanılacak olan yakıtın cinsine bağlıdır.

Katalitik Buhar Yapılandırması Hidrokarbon yakıtların buhar yapılandırması yolu ile hidrojen ve bileşikleri üretimi kullanılan en eski ve en çok uygulanmış yöntemdir. Kısmi Oksidasyon ile Yapılandırma Katalizörsüz bir işlemdir.Reaksiyon için gerekli ısı yakıtın bir kısmının oksidasyonu ile sağlanır. Bu yapılandırma işlemi katalizör olmadığı için avantajlı olsa da;katalizörlü yapılandırma işlemlerine nazaran yüksek sıcaklıklarda(1100-1500 C)çalıştırılmaya ihtiyaç duyar.

Ototermal Yapılandırma Ototermal yapılandırma teknolojisi,buhar yapılandırma teknolojisinin katalizör kısmı ile kısmi oksidasyon teknolojisinin oksidasyon bölümünün bir arada kullanılması sonucu geliştirilmiştir. Ototermal yapılandırma işleminde sıcaklık kısmi oksidasyona göre düşük,fakat katalitik yapılandırmaya göre ise yüksek durumdadır. Bütün bu yapılandırma teknikleri hemen hemen aynı düzenek ve aşamalara sahiptir.Bu yöntemleri birbirinden ayıran temel farklılık endotermik reaksiyonlar için gerekli olan ısıyı sağlama teknikleridir. Yeniden yapılandırma sisteminin dezavantajı;üretilen ürünlerin birbirinden ayrılmasının zorluğundan dolayı hidrojen saflığının düşük olması ve yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duyulmasıdır.

HİDROJENİN DEPOLANMASI VE İLETİM Depolanabilirliği hidrojenin önemli özelliklerinden biridir. Bu günün depolama yöntemleri çok pahalıdır ve çeşitli uygulamaların gereksinimlerini karşılamamaktadır. Depolama konusunda amaç;ağırlık ve hacimsel olarak depolama yoğunluğu açısından benzinle karşılaştırılabilir teknolojilerin üretilmesidir.

Ekonomik ve pratik hidrojen depolama sistemi: Kapasiteye Depo malzemelerinin yapısal bileşenlerine Toplam maliyete Hidrojenin emniyetli kullanımı için gerekli olan basınç ve sıcaklık şartlarına bağlıdır. Hidrojen depolama sistemleri: Sıkıştırılmış gaz Sıvı hidrojen Hidrokarbon Hidrür Cam küreler Mağaralar

Sıkıştırılmış Gaz Hidrojen konusunda en bilinen depolama yöntemi,gaz olarak basınçlı tanklarda depolamaktır.Hidrojen günümüzde genellikle 50 litrelik silindirik depolarda 200-250 barlık basınç altında depolanmaktadır. Ancak hidrojen çok hafif olduğundan dolayı hacimsel enerji yoğunluğu çok düşük tür.Bunun dışında,yüksek basınç tankları çok ağır olmaktadır.Bu da hidrojenden alınacak verimi düşürür.

Sıvı Hidrojen Hidrojen petrole göre 4 kat fazla hacim kapladığından dolayı,bu hacmi küçültmek için hidrojeni sıvı halde depolamak gerekir. Sıvı halde depolamak için;yüksek basınç ve soğutma sistemine ihtiyaç vardır. Bu orta ve küçük ölçekte depolamak için en çok kullanılan yöntemdir.Ancak büyük miktarlar için oldukça pahalıdır. Sıvı hidrojen büyük tanklarda depolanmışsa günlük %0.06’sı küçük tanklarda depolanmışsa günlük %3’ü buharlaşarak kaybolmaktadır.

Hidrokarbonlar Metanol veya etanol gibi hidrokarbonlu yakıtlar,saf sıvı hidrojenden daha fazla hidrojen içerirler. Yüksek sıcaklıkta su buharı kullanılarak hidrokarbonlardan hidrojen ayrıştırılabilir. Hidrokarbonlu yakıtlar,hidrojenli araçlar için daha iyi bir alternatif sunarlar. Örneğin metanol kullanımı ile ağır hidrojen tanklarına gerek kalmayacaktır. Normal şartlar altında sıvı olarak bulunması sebebiyle kullanılan arabalar üzerinde fazla bir değişiklik yapılmayacaktır.

Hidrürler Hidrojen kimyasal olarak metallerde, alaşımlarda ve ara metallerde hidrür olarak depolanabilmektedir. Metal hidrürlerin çok ağır olması,belli bir doldurma-boşaltma kapasitelerinin olması ve nadir bulunan elementlerden oluşmaları eksi yanlarıdır. Çözelti halindeki sodyum bor hidrür,aşağıdaki reaksiyona göre hidrojeni vererek sodyum metaborata dönüşür : NaBH4 + 2H2O → 4H2 + NaBO2

Sodyum bor hidrürde hidrojen depolamanın en önemli üstünlüğü depolanan hidrojenin oda sıcaklığında geri alınabilmesi ve geri alımı katalizör yardımı ile kolaylıkla kontrol edilebilmesidir. Sodyum bor hidrür ün hidrojen amaçlı kullanımında en önemli sorun, oluşan metaboratın tekrar NaBH4 e dönüştürülmesidir. Hidrojen depolamada sodyum bor hidrür kullanmanın diğer bir avantajı, hidrojenenin patlayıcılık riskinin azaltılmasıdır. Sodyum bor hidrür, belli koşullarda yanmayan, ancak istendiğinde hidrojeni açığa çıkartan bir özelliğe sahiptir. Enerji depolamada hidrojenin alternatif olabilmesi pek mümkün değildir. Çünkü bor hidrür içerisinde ağırlıkça %20 hidrojen olduğu hesap edilirse 1300 kg bor hidrür kullanarak bir saat boyunca 5000 watt güç elde etmiş olacağız ki bu da pratikte kaldırılması mümkün olmayan yükleri getirecektir.

Karbon Nanotüpler Hidrojen fiziksel olarak karbon nanotüplerde de depolanabilmektedir. Karbon,yüksek oranda gözenekli çok küçük parçalar haline getirilebilmesi ve karbon atomları ve gaz molekülleri arasında oluşan çekim kuvveti nedeniyle gaz depolamaya en elverişli maddelerden biridir. Karbon nanotüpler, grafit tabakaların tüp şekline dönüşmüş halidir. Nanotüplerin en büyük dezavantajı maliyetlerinin oldukça yüksek olmasıdır. Nanotüplerdeki absorbe işlemi, fiziksel bir olaydır.

Cam Küreler Cam kürelere yüksek basınç ve sıcaklık altında hidrojen depolanmaktadır. Yüksek sıcaklık sonucunda hidrojen atomları camlara girer. Camlar soğutulunca da içeride hapsolur. Depolanan hidrojen camların ısıtılması veya kırılması yoluyla tekrar geri alınabilir. Mağaralarda Depolama Bütün bu yöntemlerin dışında hidrojen gazını depolamanın en ucuz yöntemi,doğalgaza benzer şekilde,yeraltında tükenmiş petrol veya doğal gaz rezervuarlarında depolamaktır. Diğer depolama şekli ise, hidrojeni maden ocaklarındaki mağaralarda saklamaktır. Ancak bu şekilde saklanan hidrojenin yılda %1-3 ü arası , sızıntı nedeniyle kaybolmaktadır.

Enerji Çevrimi Yakma: Hidrojen benzin ve doğalgaz gibi yakılabilir. Bu yakıtlara üstünlüğü emisyonlarının azlığıdır. Karbondioksit çıkmaz,çok az miktarda NOx çıkar. Yakıt Pili: Elektrolizin tersidir. Hidrojen ve havadaki oksijen birleştirilerek elektrik akımı elde edilir. Özellikle otomobiller olmak üzere bütün uygulamalarda tercih edilen yöntemdir. Hidrojeni yakmaya göre daha verimlidir. Çevreye zararlı hiç emisyonu yoktur.

Kullanımı ve Karşılaşılan Problemler Kazanlar ; hidrojen kazanları elektrik üretiminde, endüstri ve evlerin ısıtılması için kullanılabilir. Ocaklar ve fırınlar ; lpg ve doğalgaz ocakları modifikasyonlar ile hidrojenle çalışacak şekilde dönüştürülebilir. Ulaşım ; içten yanmalı pistonlu ve gaz türbinli motorlar ulaşım araçlarında hakim olan güç kaynaklarıdır. Alternatif yakıt arayışının temel sebebi olan , çevre kirliliği ve petrol rezervlerinin azalmasında en çok etkilenecek alanda ulaşım alanıdır. Bu sebeple ,hidrojenin üzerinde en çok araştırma ve geliştirme çalışmalarının yapıldığı alan ulaşımdır. Hidrojenin hava ulaşımında kullanılması konusunda yapılan araştırmalar sonucunda pek çok avantajlara sahip olduğu tespit edilmiştir. Kalkış esnasında bir uçak kendi ağırlığı, yükün ağırlığı ve gideceği yer için ihtiyaç duyacağı yakıtın ağırlığını kaldırması gerekmektedir.hidrojen birim ağırlıkta jet yakıtına göre 2.5 kat daha fazla enerji içermektedir. Bu bir uçak için daha hafif yakıt yükü olarak açıklanabilir.

Geçtiğimiz 15-20 yılda hidrojen üzerine artan HİDROJEN YAKITLI ARABA Geçtiğimiz 15-20 yılda hidrojen üzerine artan çalışmalar standart otomobillerin dönüştürülmesi içindir. Bu konuda gerçekleştirilen projelerin tümünde iki ana unsur bulunmaktadır. Bunlar: İçten yanmalı motorların(İYM) hidrojenle çalışacak şekilde dönüştürülmesi Araç üzerinde hidrojenin depolanması için teknolojilerin geliştirilmesi.

HİDROJEN ENERJİSİ VE TÜRKİYE 20-22 Kasım 1996 tarihlerinde Viyana da yapılan 16. Birleşmiş Milletler Endüstriyel Kalkınma Kurulu toplantısında , ülkemizde Uluslararası Hidrojen Enerjisi Teknolojileri Merkezi(ICHET) kurulması kararı alınmıştır. ICHET in tasarlanan amacı, gelişmiş ve gelişmekte olan ülkeler arasında hidrojen teknolojileri köprüsünü oluşturmak, hidrojen teknolojilerinin geliştirilmesin sağlamak ve uygulamalı Ar-Ge çalışmalarını yürütmektir. ICHET in işlevi ; kısa ve uzun dönemli eğitim vermek , bilimsel toplantılar düzenlemek danışmanlık hizmetleri sunmak ve benzeri kuruluşlarla işbirliği oluşturmaktır.

Merkezin çalışma konuları ;hidrojen enerjisi politikaları, hidrojen ekonomisi,enerji ve çevre, hidrojen üretim teknolojileri, hidrojen depolama teknikleri, hidrojen uygulamalarıdır. TÜBİTAK-TTGV Bilim Teknoloji Sanayi Tartışmaları Platformu tarafından yapılan çalışma ile 1998 yılına tamamlanan, Enerji Teknolojileri Politikası Çalışma Grubu Raporun da , hidrojen enerjisinin önemi ve yapılması gerekenler sıralanmıştır. Rapor ,Bilim ve Teknoloji Yüksek Kurulu tarafından uygun bulunarak, Başbakanlık kanalı ile Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığın a sunulmuştur.

Türkiye de hidrojen yakıtı üretiminde kullanılabilecek olası kaynaklar ; hidrolik enerji, güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, deniz- dalga enerjisi, jeotermal enerji ve adım atılması gereken nükleer enerjidir. Türkiye’nin hidrojen üretimi açısından bir şansı , uzun bir kıyı şeridi olan Karadeniz in tabanında kimyasal biçimde depolanmış hidrojen bulunmasıdır.

Hidrojen enerjisine geçmenin Türkiye ye faydaları: Petrol, doğalgaz ve kömür için sarf ettiğimiz döviz miktarları giderek düşecek, neticede bütün yakıt ihtiyacımızı kendi birincil enerji kaynaklarımızla sağlamış olacağız. Fosil yakıt ithal etmek mecburiyetinden kurtulacağız. Hidrojen enerjisi teknolojileri Türkiye ye girecek ,bazılarını Türk mühendisleri yaratacak ve bu konuda bilgi birikimi olacaktır. Yeni iş sahaları açılacak he tarımda hem de sanayi de istihdam yaratılacaktır. Türkiye ürettiği fazla hidrojeni Avrupa ya satıp döviz kazanacaktır . Küresel ısınmanın , hava kirliliğinin ve asit yağmurlarının getirdiği zararlar ortadan kalkacak, Türkiye temiz çevreye kavuşacaktır. Türkiye KYOTO protokolü kurallarına uymuş olacaktır.

Türkiye’nin yapması gerekenler: Ülkemiz hidrojen enerjisinden hangi zamanlarda ne şekilde faydalanacağını planlamalıdır. Yakıt pilleri ile ilgili olarak özellikle yenilenebilir enerji kaynaklarını değerlendirmek üzere bu konulardaki teknolojik yenilikleri uygulamak ve geliştirmek için Ar- Ge çalışmaları yapmalıdır. Ülkemizdeki enerji ile ilgili Ar- Ge kurumlarının ve otomobil üretici firmalarının bu projeleri aktif olarak katılımları sağlanmalıdır.

Hidrojen için gereken elektrik üretiminde birincil enerji kaynakları olarak özellikle ülkemizde bulunan ve yenilenebilir kaynaklara rağbet edilmelidir. Bunların dışında hidroelektrik enerjisi gelmektedir. Rüzgar enerjisi de elektrik üretiminde önemli bir potansiyele sahiptir. Ancak rüzgardan elektrik üretimi düzensiz olduğu için belli bir miktardan sonra şebeke kullanımına uygun değildir. Diğer bir düzensiz elektrik enerjisi kaynaklarından olan güneş enerjisinden hidrojen elde edilmesi ise en önemli potansiyellerden birini oluşturmaktadır.

HİDROJENİN GELECEĞİ Geleceğe yönelik yapılan programlar hidrojenin üretimi, depolanması, dağıtımı ve kullanımı olmak üzere dört grupta toplanmıştır. Üretim alanında amaç; uygun maliyet ve teknolojilerin bulunması ve uygulanmasıdır. Depolama alanında; karşılaştırılabilir maliyete sahip, güvenilir, taşınabilir veya sabit olarak kullanılabilecek, yüksek hacimsel ve kütlesel yoğunluğa sahip sistemlerin geliştirilmesidir. Dağıtım alanında; ihtiyaç duyulan yerlere zamanında düşük maliyette ve uygun teknolojiler kullanılarak ulaştırılması amaçlanmaktadır. Kullanım alanında; hidrojen diğer yakıtlarla birlikte veya tek başına İ.Y.M da kullanılarak kirliliğin azaltılması, petrol kaynaklarına olan bağlılığı azaltarak emisyonu sıfıra düşürecek yakıt pilleri ile taşıtların çalıştırılması, endüstriyel işlemler ve ısıtma gibi kullanım alanlarında uygun teknolojilerin geliştirilmesi ve uygulanmasıdır. Tüm bu sorunlar çözüldüğünde hidrojen fosil yakıtların yerini alacaktır.