GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ (7)

Günümüzde enerji ihtiyacının büyük bir bölümü kömür, petrol ve doğal gaz gibi fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. Fosil yakıt kaynakları sınırlı olup, çevre açısından zararlı emisyonlara (karbondioksit, kükürt dioksit, azot oksit emisyonları vb gibi) neden olmak-tadır. Dolayısıyla, dünyanın giderek artan enerji gereksinimini çevreyi kirletmeden ve sürdürülebilir olarak karşılayabilecek en önemli alternatif enerji taşıyıcısının hidrojen olduğu düşünülmektedir. Hidrojen, karbon ve sülfür içermediği için yanma sırasında poliaromatik hidrokarbonlar ve SO₂ oluşmamaktadır. Hidrojen bir yakıt olarak yakıt pil-lerinde değerlendirildiğinde yalnızca su açığa çıkmaktadır. Yapılan çalışmalar evrende bol miktarda bulunan hidrojenin, bir yakıt için gerekli özelliklerin birçoğuna sahip oldu-ğunu göstermektedir.

Motor ve araç teknolojisi açısından alternatif olarak seçilen yakıtın; kullanımı, depolan-ması, doğal dengenin korunması ve fosil yakıt türleri ile rekabet edebilir bir

karakteristi-ğe sahip olmasını gerektirmektedir. Hidrojenin birçok yönüyle ekolojik açıdan avantajlı olduğu bilinmektedir. Hidrojen yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı ile (rüzgar, güneş, biyokütle vb.) elde edilebilmektedir. Hidrojen geleceğin en önemli enerji taşı-yıcısıdır. Ayrıca hidrojen diğer fosil yakıtlarla kullanılabilme özelliğine de sahiptir. Bu özelliğiyle de birçok avantajlar sağlamaktadır: Bunlar arasında;

Yakıt/hava karışım oranının düşürülmesi sonucu NO

• _X ve CO emisyonlarının

azal-ması ve ısıl verimliliğin artazal-ması,

Yakıt karışımının alev hızının artması, gibi hususlar yer almaktadır.

•

Günümüzde gelişmiş ülkelerde birçok uygulama için hidrojenden faydalanılmaktadır.

Amonyak ve metanol üretimi, petrol rafinasyonunda gerçekleştirilen hidroparçalama ve sülfür giderme prosesleri hidrojenin başlıca kullanım alanlarıdır. Ayrıca cam ve me-tal sanayinde indirgen atmosfer yaratmak için, yağ sanayinde hidrojenasyon için ve uzay çalışmalarında roket yakıtı olarak da hidrojenden faydalanılmaktadır. Son yıl-larda hidrojenin içten yanmalı motoryıl-larda ve yakıt pillerinde bir yakıt olarak kullanımı yönünde de önemli araştırma ve uygulama çalışmaları yapılmakta olup, sonuçlar umut vericidir.

Bugün gelişmiş ülkelerde yoğunlaşan bu araştırmalar artık ticari ve endüstriyel bir bo-yuta taşınmış olup; birçok başarılı projenin tanıtımı yapılmaktadır. Örneğin, BMW Fir-ması bu alanda ilk iki yakıtlı (benzin ve hidrojen) aracı pazara sunmak üzeredir. Yakın bir gelecekte yakıt pilli araçların da üretimine geçileceği beklenmektedir.

Fosil yakıtların yakın bir gelecekte tükenecek olması ve fosil yakıtlardan kaynaklanan çevre kirliliği problemleri (CO₂, SO_x, NO_x vb emisyonları) nedeniyle alternatif enerji kay-nakları ve kullanımı üzerine araştırmalar hız kazanmıştır. Alternatif enerji kaykay-naklarının kullanılabilirliği değerlendirilirken, söz konusu kaynağın dünyanın enerji ihtiyacına ne oranda katkı sağlayabileceği ve kullanım sırasında çevresel açıdan ne oranda zararlı olup olmadığı en önemli iki parametredir.

Hidrojen sentetik bir yakıt olup, üretim kaynakları son derece bol ve çeşitlidir. Bunların en başta gelenleri arasında su, kömür ve doğal gaz sayılabilir. Hidrojen, bilinen tüm ya-kıtlar içerisinde birim ağırlık başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir (120.000 kJ/kg).

Sıvı haline dönüştürüldüğünde gaz halindeki hacminin sadece 1/700’ünü kaplar. Saf oksijenle yandığında sadece su ve ısı açığa çıkar. Hava ile yandığında ise azot oksitler açığa çıksa da diğer yakıtlara göre kirliliği son derece azdır. Bu açılardan hidrojen, geleceğin ikincil enerji kaynağı olma yönünde önemli bir avantaja sahiptir.

Hidrojen doğal gaz, petrol ürünleri, kömür gibi fosil yakıtlardan ve sudan elde edil-mektedir. Elektroliz yöntemi ile sudan hidrojen üretimi oldukça pahalıdır. Günümüzde hidrojen üretimi için en çok kullanılan diğer yöntemler, ototermal dönüşüm reaktör sis-temleri (autothermal reforming), kısmi oksidasyon (partial oxidation) sissis-temleri ve su buharı ile katalitik dönüşüm sistemleri (steam reforming) şeklindedir.

Dünya genelinde üretilen hidrojenin % 48’i doğal gazdan üretilmektedir. Bunun nedeni doğal gazın hidrojen oranı yüksek, nispeten ucuz, temiz, şebeke altyapısı yeterli ve rezervleri yüksek bir yakıt olmasıdır. Ayrıca doğal gazdan hidrojen üretim sistemleri de diğer kaynakları kullanan sistemlere nazaran daha basit ve yatırım maliyeti daha

Üretim esnasında, hidrojen ile birlikte karbon monoksit, karbondioksit ve reaksiyon sırasında ürüne dönüşmemiş metan açığa çıkmaktadır. Açığa çıkan karbon monok-sit, yüksek ve düşük sıcaklık CO-H₂O reaksiyonları ve seçici karbon monoksit reaksi-yonları ile hidrojen ve karbondioksite dönüştürülmektedir. Doğal gazın yanı sıra diğer hidrokarbon yakıtlardan da (metanol, LPG, Nafta, Benzin) su buharı ile katalitik ola-rak hidrojen üretilebilmektedir. Hidrokarbon yakıtın ortalama molekül ağırlığı arttıkça hidrojen üretim prosesinde zorluklar da (koklaşma, buharlaştırma için enerji ihtiyacı v.b. gibi) artmaktadır. Hidrokarbon yakıtın sülfür içeriği de proseste önemli katalizör zehirlenmesi problemlerine yol açmaktadır. Hidrojen, hidrokarbon yakıtların su buharı oksidasyonu üretim yöntemine alternatif olarak, saf oksijen veya hava ile kısmi oksi-dasyon, piroliz ve ototermal reforming (kısmi oksidasyon ve su buharı oksidasyonu bir arada) reaksiyonları ile de üretilebilmektedir.

Yakıt pili teknolojileri, yüksek verimleri ve düşük emisyon değerleri nedeni ile hidrojenin kimyasal enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürüldüğü önemli bir enerji dönüşüm ve üretim teknolojisidir. Geliştirilmiş olan yakıt pilli mikro kojenerasyon sistemlerinin te-melde, yakıt dönüştürme sistemi, yakıcı, enerji koşullandırma sistemi ve yakıt pilinden oluştuğu görülmektedir. Teknoloji olarak ergimiş karbonatlı yakıt pilleri (EKYP), katı oksit yakıt pilleri (KOYP) ve PEM (Proton Exchange Membrane) yakıt pillerinin yoğun olarak çalışıldığı görülmektedir. İki farklı alternatif üzerine odaklanılmıştır; Enerji taşı-yıcısı olarak hidrojen, bu teknolojiler sayesinde önemini giderek arttırmaktadır. Ancak gerçek anlamda hidrojen ekonomisine geçiş için stratejik ve teknolojik anlamda halen çözümlenmesi gereken önemli konuların olduğu değerlendirilmektedir. Şekil 2.37.’de hidrojen teknolojilerinin temel bileşenleri verilmiştir.

Şekil 2.37. Hidrojen ekonomisi bileşenleri

Fotoliz ya da başka bir deyişle güneş enerjisi yardımıyla sudan hidrojenin doğrudan ayrılması fotobiyolojik sistemlerle, fotokimyasal düzeneklerle veya fotoelektrokimya-sal pillerle gerçekleştirilebilir. Bu amaçla redoks katalizörleri, kolloidal yarı iletkenler, immobilize enzimler ve mikroorganizmaların kullanımı gibi konularda çok yoğun araş-tırmalar devam etmektedir.

YARARLANILAN KAYNAKLAR

(1) Dr. Çiğdem TIRIS – TÜBİTAK MAM Enerji Enstitüsü (3) Dr. Çiğdem TIRIS – TÜBİTAK MAM Enerji Enstitüsü