Hidrojen Enerjisi
Dipl.-Ing.- Cemal ÇELİK
Hidrojen enerjisi Nedir?
Hidrojen enerjisi, doğada bileşikler halinde bulunan hidrojen gazının işlenmesi ve
dönüştürülmesi ile oluşan enerji kaynağıdır.
Doğal enerji kaynağı olmamasına rağmen, sürdürülebilir ve alternatif enerji kaynakları arasında yer alır.
Hidrojen Enerjisi
NEDEN HİDROJEN NENERJİSİ ?
➤ 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.
Hidrojen Enerjisi
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.
Hidrojen Enerjisi
HİDROJENİN GENEL ÖZELLİKLERİ Hidrojenin Keşfi
● 1493-1521 yılında T. von Hohenheim
● 1761 yılında Robert Boyle
● 1766 yılında Henry Covendish
● 1783 yılında Antonie Lavosier tarafından
keşfedilmiş ve ilk kez hidrojen adını vermiştir.
PV=k
P paskal olarak basınç,
V kübik metre olarak hacim, k gaz sabiti (8.3145 J/(mol K).
Hidrojen Enerjisi
Hidrojen Enerjisi
Hidrojenin Özellikleri
Sembolü: HRenksiz, kokusuz, tatsız bir element Atom Ağırlığı : 1.00797g/ mol
Yoğunluğu : 0.0899g/L
Kaynama Noktası: -252.76 OC Erime Noktası : -259.06 OC
Hidrojenin üç tane izotopu vardır.
Kütle numarası:
1 olan izotopa, protiyum 2 olan izotopa, döteryum
3 olan izotopa, trityum denir.
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 çözeltidek konsantrasyonu pH cinsinden ifade edilir.
pH bir çözeltinin asitlik veya bazlık derecesini tarif eden ölçü birimidir.
pH hidrojen iyonun aktivitesi cinsinden bir asit veya bazın derecesini ifade etme yoluyla ihtiyaç duyulan kantitatif bilgiyi sağlar.
Hidrojen Enerjisi
Hidrojenin 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)
Hidrojen Enerjisi
Hidrojen Enerjisi
HİDROJEN ENERJİSİ VE UYGULAMALARI
Hidrojen 1500'lü yıllarda keşfedilmiş, 1700'lü yıllarda
yanabilme özelliğinin farkına varılmış, evrenin en basit ve en çok bulunan elementi olup, renksiz, kokusuz, havadan 14.4 kez daha hafif ve tamamen zehirsiz bir gazdır. Güneş ve diğer yıldızların termonükleer tepkimeye vermiş
olduğu ısının yakıtı hidrojen olup, evrenin temel enerji kaynağıdır. Hidrojen -52.77°C'da sıvı hale getirilebilir. Sıvı hidrojenin hacmi gaz halindeki hacminin sadece 1/700'ü kadardır. Isı ve patlama enerjisi gerektiren her alanda kullanımı temiz ve kolay olan hidrojenin yakıt olarak kullanıldığı enerji sistemlerinde, atmosfere atılan ürün sadece su ve/veya su buharı olmaktadır.
Hidrojenin özellikleri
Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle
başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir (Üst ısıl Değeri 140.9 MJ/kg, alt ısıl değeri 120,7 MJ/kg).
1 kg hidrojen 2.1 kg doğal gaz veya 2.8 kg petrolün sahip olduğu enerjiye sahiptir. Ancak birim enerji başına hacmi yüksektir.
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz, bileşikler halinde bulunur. En çok bilinen bileşiği ise sudur.
Hidrojen Enerjisi
Hidrojen enerjisi tüketiciye yakıt ve/veya elektrik
biçiminde sunulan bir enerji kaynağıdır. Bu enerji, sudan elde edilebilmekte ve yüksek verimlilikle, çevre üzerinde hiçbir olumsuz etki yaratmadan yararlı bir enerjiye
dönüştürülebilmektedir. Doğadaki miktarı sonsuz olup tükenmez, yanması ile çok yüksek verim elde edilir ve sonuçta su buharı meydana gelir.
Doğada bileşikler halinde bol miktarda bulunan hidrojen serbest olarak bulunmadığından doğal bir enerji kaynağı değildir. Bununla birlikte hidrojen birincil enerji kaynakları ile değişik hammaddelerden üretilebilmekte ve
üretiminde dönüştürme işlemleri kullanılmaktadır.
Hidrojen Enerjisi
Hidrojen Enerjisi
Hidrojen petrol yakıtlarına göre ortalama 1.33 kat daha verimli bir yakıttır. Hidrojenden enerji elde edilmesi esnasında su buharı dışında çevreyi kirletici ve sera etkisini artırıcı hiçbir gaz ve zararlı kimyasal madde üretimi söz
konusu değildir.
Benzinli bir otomobil ortalama olarak 65 litre ( 47kg )
benzin almakta olup, bu da enerji olarak 17 kg hidrojene karşılık gelmektedir.
Hidrojen içten yanmalı motorlarda doğrudan kullanımının yanı sıra katalitik yüzeylerde alevsiz yanmaya da uygun bir yakıttır. Ancak dünyadaki gelişim hidrojenin yakıt olarak kullanıldığı yakıt pili teknolojisi doğrultusundadır.
Hidrojen Enerjisi
Yakit Pilleri
1950'lerin sonlarında, NASA tarafından uzay
çalışmalarında kullanılmaya başlayan yakıt pilleri, son yıllarda özellikle ulaştırma sektörü başta olmak üzere sanayi ve hizmet sektörlerinde başarı ile kullanıma sunulmuştur.
Yakıt pilleri, taşınabilir bilgisayarlar, cep telefonları
gibi mobil uygulamalar için kullanılabildiği gibi elektrik santralleri için de uygun güç sağlayıcılardır. Yüksek
verimlilikleri ve düşük emisyonları nedeniyle, ulaşım sektöründe de geniş kullanım alanı bulmuşlardır.
Hidrojen Enerjisi
Yakıt pilleri:
Bunlar hidrojeni ve oksijen ile birleştirerek elektrik üretirler. Yakıt pillerinin çalışması elektroliz işleminin tam aksidir. Enerji dönüşümü için çok uygundurlar. Uygulanmalarında çevre sorunlarının fazla olmaması ve kolaylıkla taşınabilmesi, gelecekte çok yaygın olarak kullanılabileceklerinin işaretidir.
Avantajları
Yakıt pillerinin yüksek verimlilikleri dışında, hareketli parça
içermeme, sessiz, modüler, kompakt yapılı, geniş yakıt yelpaze ile çalışabilme (doğal gaz,LPG,Metanol,Etanol ), düşük emisyon,
yüksek güvenilirlik, kolay kurulum, hızlı enerji dönüşümü gibi özelliklere sahip olmaları onları avantajlı kılar.
Dezavantajları
Yüksek maliyet, büyük hacim ya da ağırlıkta yakıt depolama
gereksinimi , direkt hidrojen kullanımı halinde yüksek yakıt fiyatı, kullanım ömürlerinin tam olarak bilinememesi olarak özetlenebilir.
Yakıt pilleri, temiz, çevreye zarar vermeyen ve yüksek verime sahip enerji dönüşüm teknolojileridir.
Bir buhar kazanı veya türbin kullanılmadan, sadece kimyasal reaksiyon ile elektrik enerjisi üretilir. Hidrojen (H2) ve oksijen (O2) arasındaki elektrokimyasal reaksiyon ile elde edilen ve toplam verimlilikleri % 80'lere kadar ulaşabilen yakıt pilleri, sürekli çalışan piller veya elektrokimyasal makinalar olarak da bilinir. Yakıt pilleri, bünyesinde kullanılan elektrolitin cinsine göre çeşitli isimler alır.
• Fosforik asit yakıt pili
• Katı oksit yakıt pili
• Erimiş karbonat yakıt pili
• Polimer elektrolit yakıt pili(PEM)
• Alkali yakıt pili
Hidrojen Enerjisi
Her ne kadar çalışma prensipleri benzer olsa da, çalışma koşulları ve uygulama alanları farklılık göstermektedir.
Aşağıdaki tabloda yakıt pili çeşitlerinin temel özellikleri verilmiştir. Atık olarak su ve ısı elde edilmesi ve özellikle minimum seviyedeki emisyonları yakıt pillerini
avantajlıkları. İçten yanmalı motorlarda, toplam kontrol edilemeyen emisyonlar 2370 ppm, gaz türbinli sistemlerde 120 ppm olduğu halde, yakıt hücreli sistemlerde sadece 5 ppm(Parts per million)'dir.
Hidrojen Enerjisi
Yakıt Pilleri Çeşitleri
Hidrojen Enerjisi
Yakıt pilleri, boyutlarının küçük olması, yüksek verimle
çalışmaları ve atık ısılarının kullanılabilir olmasının yanı sıra aşağıdaki özellikleri nedeniyle de diğer güç sistemlerine göre daha üstündürler.
• Modüler olmaları
• Kullanıcıya yakın inşaa edilebilmeleri
• Yakıt olarak saf hidrojenin yanı sıra doğal gaz, metanol veya kömür gazlarının kullanılabilmesi
• Sessiz çalışmaları
• Minimum seviyede kükürt oksit ve azot oksit emisyonları-
>İnşa edilecek alanda çok az çevre kısıtlamaları gerektirmeleri ve kısa sürede inşaa edilebilmeleri.
• Katı atık problemlerinin olmaması.
Hidrojen Enerjisi
Hidrojen, 1839'da keşfedilmiş, 1932'de üzerinde gelişmeler sağlanmış ve 1952
yılında NASA tarafından uzay çalışmalarında enerji sağlayıcı olarak kullanılan yakıt pilleri, 1960'lı yıllarda ilk yakıt hücreli traktör yapımı ile kara ulaşımında kullanıma sunulmuş
1980'li yıllarda yakıt hücreli tren, 1990'lı yıllarda yakıt hücreli denizaltı ve uçak ile
gelişim göstermiş son yıllarda kara araçlarında ve güç santrallarında yaygın araştırma ve uygulama konusudur.
Hidrojen Enerjisi
Hidrojen Enerjisi
MALİYETİ NE KADAR?
Evlerde enerji ihtiyacını karşılayacak olan katı oksit yakıt pillerinin 1 kW enerji üretim gücü başına satış fiyatı 5 bin dolar civarındadır. Türkiye de bir evin ortalama saatlik enerji ihtiyacının 2.5 kW düzeyinde olduğu tahmin ediliyor.
Böylece evlerinde enerji harcamalarını yüzde 90 azaltmak isteyenlerin yapacağı yatırım yaklaşık 12.500 dolar
olmaktadır. Eğer bir teşvik politikası olursa evlerde kullanılacak bu yakıt pillerinin fiyatlarının da yüzde maliyet düşüşü gerçekleşebileceğine kesin gözüyle bakılmaktadır.
Hidrojen Enerjisi
Yakıt pilleri, 100 W ile 10 MW arasında değişen geniş bir güç aralığına sahip olabilir.
Bugün maximum 1 MW gücünde yakıt pilleri
üretilmektedir. Ancak seri şekilde bağlanırsa 15 MW’a kadar güç elde etmek mümkündür. Bugün için birim maliyeti yüksektir.
Yakıt pillerinin elektriksel verimi yüksektir. %50-60 arasında değişmektedir.
Hidrojen Enerjisi
Yakıt pilleri (Fuel Cell) nasıl çalışır?
Son olarak Sony tarafından ele sığdırılabilecek boyutlara indirdiler. 50x30mm boyutlarına sahip olan yakıt pili, özellikle mobil cihazlar için geliştirildi. Petrole alternatif enerji kaynakları geliştirmek amacıyla hidrojen yakıt pili prototipleri üzerinde çalışan Zorlu Grubu, geliştirdiği teknolojiyi tanıttı.
Toschiba firmasının mobil telefonlar için yapmış olduğu hidrojenli gaz bataryası gibi.
Hidrojen Enerjisi
Araştırmalar, mevcut koşullarda hidrojenin diğer
yakıtlardan yaklaşık üç kat pahalı olduğunu ve yaygın bir enerji kaynağı olarak kullanımının hidrojen üretiminde maliyet düşürücü teknolojik gelişmelere bağlı olacağını göstermektedir. Bununla birlikte, günlük veya mevsimlik periyotlarda oluşan ihtiyaç fazlası elektrik enerjisinin
hidrojen olarak depolanması günümüz için de geçerli bir alternatif olarak değerlendirilebilir. Bu tarzda depolanan enerjinin yaygın olarak kullanılabilmesi.
Örneğin toplu taşım araçları için yakıt piline dayalı
otomotiv teknolojilerinin geliştirilmesine bağlı olduğu düşünülmektedir.
Hidrojen Enerjisi
Hidrojenin gelecekteki tahmini kullanım Alanları:
Hidrojen yakıtının en önemli kullanım alanı;
• Ulaşım sektörü (otomobil, otobüs, uçak, tren ve diğer taşıtlar) olmaktadır.
• uzay mekiği ve roketlerde yakıt olarak
• Yağların hidrojene edilmesinde.
• Amonyak elde edilmesinde.
• Plastik madde yapımında.
• Hava gemilerini şişirmede.
• Petrol rafinasyonun da.
• Metanol imalatında.
• Silah sanayisinde.
• Kaynak işlerinde.
Hidrojen Enerjisi
Uzay aracı Apollo’da kullanılan Alkali HEÜ
(Günümüzde ABD, Neva-Meksiko uzay tarih müzesinde sergilenmektedir.)
Hidrojenli enerji üreteçle çalışan jip
Hibrid Jip’de HEÜ jeneratörü 10 kW (13,5 HP), akünün
yardımıyla güç 60 kW (80,5 HP). Maksimum hız-agrossora 120 km/s, 4 saniye içerisinde hızı 60 km/s’e ulaşmaktadır.
Hidrojenli enerji üreteçle çalışan jip.
Tupolev 155, hidrojen yakıtı kullanan ilk ticari uçak Geçmişteki uygulamalara örnek olarak; Nisan 1988 tarihinde ilk ticari uçak olan Tupolev 155 Sovyetler Birliği’nde havalandı. Üç adet türbin motorlarından birinde yakıt olarak sıvı hidrojen kullanılıyordu.
Tupolev 155, hidrojen yakıtı kullanan ilk ticari uçak.
Hidrojen enerji sistemi
Hidrojen enerji sistemi şu kısımlardan oluşur:
- Hidrojen üretimi - Depolama ve iletim - Enerji çevrimi
Hidrojen Üretimi:
Hidrojen doğal bir yakıt olamayıp, birincil enerji
kaynaklarından yararlanarak değişik hammaddelerden üretilebilen bir sentetik yakıttır. Hidrojen üretiminde tüm enerji kaynakları kullanılabilmektedir.
Kullanılan hammaddeler ise su, kömür, doğal gaz sayılabilir.
Ancak sayılan bu kaynaklardan kömür ve doğal gaz fosil yakıt olup, sınırlı rezerve sahiptir.
Hidrojen Enerjisi
Hidrojen Enerjisi
Ayrıca bu kaynakların gerek birincil enerji kaynağı, gerekse hidrojen üretim kaynağı olarak kullanılması çevreye zarar vermektedir. Bu nedenle hidrojenin temiz enerji kaynakları ile sudan üretilmesi en doğru seçimdir
Her türlü birincil enerji kaynakları yardımıyla üretilen hidrojen, günümüzde suni gübre sanayisi, bitkisel yağ üretimi, petrokimya endüstrisi ve roket yakıtı gibi çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Bunun için dünyada her yıl 600 milyar metre küp hidrojen üretilmektedir.
Hidrojen üretimi için çok eskiden beri bilinen bir yöntem, bileşiği H2O olan suyun içindeki hidrojeni elektroliz yoluyla ayırmaktır.
Hidrojen Enerjisi
Buhar-Metan Yeniden Oluşturma Yöntemiyle Hidrojen Üretimi
Günümüzde hidrojen üretimi için en yaygın olarak kullanılan yöntemdir. Bu üretim biçimi iki adımdan oluşmaktadır.
Birinci adımda doğal gaz yüksek sıcaklıkta (392 °C) buhara tabi tutularak hidrojen, karbonmonoksit ve karbondioksit elde edilir.
İkinci adımda ise karbon monoksit buhara tabi tutularak
ilave hidrojen ve karbondioksit elde edilir. Hidrojen üretmek için en verimli yöntem bu yöntemdir ve hidrojen ürün
miktarı % 70–% 90 arasında olur. Fakat ikinci adımdan sonra çevre kirliliğine neden olan CO2 açığa çıktığı için geçerli bir yöntem değildir.
Hidrojen Enerjisi
Elektroliz Yöntemiyle Hidrojen Üretimi
Suyun doğru akım kullanılarak hidrojen ve oksijenlerine ayrılması işlemine elektroliz denmektedir.
Hidrojen üretimi için en basit yöntemdir. Bir elektroliz hücresi içinde, düzlem şeklinde iki elektrot ve bunların içine daldırıldığı, elektrolit olarak adlandırılan iletken bir sıvıdan oluşmaktadır.
Doğru akım kaynağı bu elektrotlara bağlandığında akım iletken sıvı içinde, pozitif elektrottan negatif elektrota doğru akar.
Hidrojen Enerjisi
Bunun sonucunda, su moleküllerine uygulanan doğru akım, 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.
Elektroliz işleminin verimi % 70 dolayında olmaktadır.
Ancak, son yıllarda bu alanda yapılan çalışmalar ve gelişen teknoloji sayesinde % 90 verim elde edilmiştir
Hidrojen Enerjisi
Buhar Elektrolizi Yöntemiyle Hidrojen Üretimi
Geleneksel elektroliz yönteminin bir çeşitlemesidir.
Bu yöntemde, suyun ayrıştırılması için gerekli enerjinin bir kısmı sisteme ısı enerjisi olarak verilerek verim
yükseltilir. ?°C sıcaklıkta suyun içersindeki hidrojen ve oksijen serbest hale geçer. Buradaki problem sistemin çalıştığı yüksek sıcaklıkta hidrojen ve oksijenin yeniden birleşmesinin önlenmesidir. Bu yöntemde hidrojen
üretimi tek basamak yerine birkaç basamakta gerçekleştirilir.
Bu alanda yapılan çalışmalar sonucu gerekli sıcaklık 950 °C ye kadar indirilmiş, toplam verim ise %50 olarak elde edilmiştir.
Hidrojen Enerjisi
Hidrojen Sülfür’den Hidrojen Üretimi
Hidrojenin önemli rezervlerinden biri de hidrojen sülfür (H2S) içermesi nedeniyle Karadeniz’in dip
sularıdır. Buradan hidrojen üretilmesi amacıyla şuan kapsamlı bir çalışma yoktur. Hidrojen sülfür
potansiyeline bağlı olarak toplam hidrojen
potansiyelinin en yüksek olduğu tabaka 1500–2000 metre derinlikler arasıdır. Hidrojen sülfürden
hidrojenin ayrıştırılması da elektroliz yöntemiyle
gerçekleştirilir. Fakat hidrojen sülfürün elektrolizinde kullanılan enerji suyun elektrolizine göre 3 kat daha azdır.
Hidrojen Enerjisi
Güneş Enerjisinden Hidrojen Üretimi
Güneş enerjisinden, ısıl (termal) ve fotonsal olarak iki şekilde yararlanılır. Isıl işlemlerde, güneş enerjisi önce ısıya çevrilir ve ya bu ısı enerjisinden yararlanılır ya da mekaniksel veya elektriksel enerjiye dönüştürülür.
Işık fotonları kullanılarak hidrojen elde etmek için
fotokimyasal sistemler, güneş pili sistemleri veya foto biyolojik sistemlerden biri kullanılır. Çözünebilir metal bileşiğinin çözülmesi sırasında bileşik, güneş enerjisini soğurarak bir elektrik şarjı oluşturur ve su moleküllerinin parçalanmasını sağlar.
Hidrojen Enerjisi
Hidrojenin Sıvılaştırılması
Hidrojen petrole göre 4 kat fazla hacim kaplar;
hidrojenin kapladığı hacmi küçültmek için hidrojeni sıvı halde depolamak gereklidir. Ancak büyük miktarlar için oldukça pahalı bir yöntemdir.
Çünkü hidrojen enerjisinin yaklaşık ¼'ü sıvılaştırma
işlemi için harcanmaktadır. Hidrojenin sıvılaştırılması; gaz hidrojenin kompresörlerde yüksek basınçta sıkıştırılması, sıkıştırılmış gazın sıvı nitrojen ile soğutulması Türbinlerde genişletilmesiyle olur
Hidrojen Enerjisi
Hidrojenin Depolanması
Sıvı hidrojenin düşük sıcaklıktaki tanklarda saklanmasıdır.
Nano tüplerde depolanabilmektedir.
Çelik tanklarda; Hidrojen gaz veya sıvı olarak
depolanabilir. Gaz olarak depolamada yüksek basınç nedeniyle tank ağırlıkları problem yaratmaktadır.
Hidrojen gazını depolamanın belki de en ucuz yöntemi, doğal gaza benzer şekilde yeraltında, tükenmiş petrol veya doğal gaz rezervuarlarında depolamaktır.
Maliyeti biraz yüksek olan bir depolama şekli ise, maden ocaklarındaki mağaralarda saklamaktır.
Hidrojen Enerjisi
Son Kullanımda Hidrojenin Depolanması
Araçlarda hidrojen kullanımında başlıca engel hidrojenin depolanmasıdır. Hidrojen gaz formunda oda sıcaklığı ve
basıncında aynı eşdeğer enerji miktarına sahip bir gazdan 3000 kat daha fazla yer kaplar. Bu nedenle de hidrojenin araçta
kullanımı için sıkıştırma, sıvılaştırma veya diğer teknikler
gereklidir. Dört ana teknik mevcuttur. Bunlar sıkıştırılmış gaz, karyojenik sıvı, metal hidrit ve karbon adsorpsiyonudur.
Kısa dönemde en uygulanabilir olanları ilk ikisidir.
Metal hidrit yöntemi gelişmiş bir yöntem olsa da rekabet edebilir olması için daha fazla araştırma gereklidir.
Karbon adsorpsiyonu ise henüz olgunlaşmış bir teknik değildir, ancak araştırma-geliştirme çalışmalarının sonunda hedefler gerçekleştirilirse uygulanabilir yöntem olarak görülmektedir.
Hidrojen Enerjisi
Sıkıştırılmış Gaz Olarak Hidrojen Depolanması
Bu depolama oda sıcaklığında yüksek basınca dayanıklı tankta yapılmaktadır. Sıkıştırılmış gaz depolamada tankın ağırlığına dolayısıyla tankın tipine bağlı olarak ağırlıkça %1-7 hidrojen depolanmaktadır.
Daha hafif, dayanıklı ve ağırlıkça daha fazla hidrojen depolayabilen tanklar daha pahalıdır.
Doldurma istasyonunda hidrojen gazının sıkıştırılması için yakıtın enerji içeriğinin %20’si kadarı harcanır.
Hidrojen Enerjisi
Karyojenik (Dondurulmuş) Sıvı Depolama:
Bu teknikte hidrojen atmosfer basıncında, 20 OK’de oldukça iyi izole edilmiş tankta depolanmaktadır. Hidrojen sıvı
şekilde olduğu için, eşdeğer ağırlıktaki gazolinden 3 kat fazla enerji içerir ve eşdeğer enerji içerdiği durumda da 2,7 kat fazla hacim gerektirir.
Bu teknik tank ve yalıtım dahil ağırlıkça %16 hidrojen
depolar. Ayrıca, sıvılaştırma yakıtın enerji içeriğinin %40’ı kadarını gerektirir.
Diğer bir dezavantaj yalıtıma rağmen tanka ısının sızmasıdır.
Bu sızma sonucunda hidrojen kaynar. Ancak basınçlı tank kullanılarak bu problem çözülebilir ama bu da ağırlığı ve boyutu artırır
Hidrojen Enerjisi
Sıvı hidrojen deposu Metal Hidrit Sistemi ile Depolama:
Bu teknikte hidrojen granüler metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır. Bu amaçla çeşitli metaller kullanılmaktadır. Kullanım sırasında da ısıtma ile hidrojen salınır. Metal hidrit sistemleri güvenilir ve az yer kaplar, ancak ağırdır ve pahalıdır.
Karbon Adsorpsiyon Tekniği: Bu teknik hidrojeni basınç altında oldukça gözenekli süper aktif grafit yüzeyine
depolar. Bazı uygulamalarda soğuk ortam bazılarında oda sıcaklığı gereklidir. Adsorpsiyon, bir yüzey veya ara kesit üzerinde bir maddenin birikmesi ve derişiminin artması olarak tanımlanmaktadır.
Hidrojen Enerjisi
Sıvı hidrojen treyleri Dünyadaki uygulamaları
Dünyadaki en büyük sıvı hidrojen tankı, Kennedy Uzay Merkezinde olup 3400 m3 sıvı hidrojen alabilmektedir. Bu miktar hidrojenin yakıt olarak değeri 29 milyon MJ veya 8 milyon kWh’e karşılık gelmektedir.
Hidrojenin İletimi Hidrojen gazı, borular aracılıyla her yere kolaylıkla ve güvenli olarak taşınabilmektedir.(Uygulamalar, Texas'da kullanılmakta olan 80 km uzunluğuna sahip boru şebekesi ile Almanya'da 204 km'lik boru hattı örnek olarak gösterilebilir.)
Hidrojen Enerjisi
Hidrojen sıkıştırılmış gaz, sıvı ya da metal hidritlerle katı halde taşınabilir.
Hidrojen tüplere doldurularak karayolu, demiryolu ve denizyolu ile iletilmektedir.
Büyük miktarlar ve uzun mesafelerdeki güç iletimi için ; Boru hattı,
Uzun mesafelere taşımada; sıvı hidrojen,
Küçük miktarlar ve kısa mesafelerdeki taşımalarda;
sıkıştırılmış gaz,
Kısa mesafelerde taşımada; metal hidrit, kullanılması en uygun yöntemlerdir.
Hidrojen enerjisinin geleceği
Araştırmalar, mevcut koşullarda hidrojenin diğer yakıtlardan pahalı olduğunu göstermektedir.
Yaygın bir enerji kaynağı olarak kullanımı teknolojik gelişmelere bağlı olarak maliyetin düşmesine bağlıdır.
Bununla birlikte, günlük veya mevsimlik periyotlarda oluşan ihtiyaç fazlası elektrik enerjisinin hidrojen olarak depolanması günümüz için de geçerli bir alternatif olarak değerlendirilebilir.
Hidrojen Enerjisi
İkincil Enerji Dönüşümleri ve dünyadaki uygulamaları
Bunlardan birinci kullanımı olan hidrolik enerji- hidrojen enerjisidir.
Örneğin; Kanada’da 100 MW gücünde bir hidroelektrik santral kurulmuş, bu santralden elde edilen elektrik enerjisi ile nehir suyu elektroliz edilerek hidrojen elde edilmiştir. Elde edilen gaz hidrojen tüplere doldurulmuş, Almanya’ya Hamburg limanına deniz yoluyla gönderilmiştir. 100 MW’lık bu tesisin Almanya’da 75 MW’ lık bir güç santralına eşdeğer olacağı hesaplanmıştır.
Hidrojenin depolama yöntemlerinden biri de metal hidritlerdir.
Metal hidritler çoğunlukla otomobillerde kullanılmaktadır.
Bugün 135 km. yol alabilen metal hidritli otomobiller
çalışmaktadır. Ancak metal hidritler pahalıdır, bu sebeple yakıt pilleri kullanılabilir.
Hidrojen Enerjisi
İkincil enerji dönüşümlerine bir örnek;
Rüzgar enerjisi-hidrojen enerjisi uygulamasıdır. Türkiye’de Bozcaada pilot bölge seçilerek, 10.2 MW kurulu gücündeki rüzgar santralından adanın elektrik enerjisi üretilmektedir.
Günün daha az enerji gerektiren zamanlarında deniz suyu elektroliz edilerek hidrojen elde edilecek ve gaz hidrojen yeraltı boru hatlarıyla tüm adaya iletilecek ve aynı
zamanda yakıt olarak kullanılacaktır. Güneş-hidrojen uygulamaları da dünyada oldukça kullanımı yaygın bir enerji türüdür. Güneş enerjili santrallerden elde edilen elektrik enerjisi elektroliz sisteminde kullanılarak hidrojen üretimi sağlanmaktadır. Üzerinde çalışmalar devam
etmektedir.
Hidrojen Enerjisi
Daha önce de belirtildiği gibi hidrojenden, yakıt pili teknolojisi ile
elektrik elde edilmektedir. Bugüne kadar, yakıt pillerini çeşitli yönleriyle inceleyen 200'den fazla araştırma NASA tarafından desteklenmiştir.
Bugün, Apollo ve Space Shuttle görevlerinde güvenli olarak elektrik (ve su) sağlamış olmaları nedeniyle, yakıt pillleri uzaydaki rollerini
ispatlamış bulunmaktadır.
Bu başarılar, 1960'larda, yakıt pillerinin dünyanın enerji problemlerinin tümüne çözüm olabileceği tahminlerine yol açmış ve 1970'li yıllarda çalışmalara başlanmış, 2000'li yıllarda ülkelerin enerji politikalarında önemli yer tutmaya başlamıştır.
ABD Başkanı G.W. Bush 28 Ocak 2003 tarihinde yaptığı bir konuşmada hidrojen enerjisini hürriyet yakıtı olarak tanımlamış ve bu alandaki çalışmalara destek amacıyla 1.7 milyar dolarlık bir kaynak ayrıldığını söylemiştir. ONSI Corp. adında bir Amerikan firması 200 kW enerji sağlayan fosforik asit tipi (PC25) yakıt pilinin pazarlamasını
yapmaktadır.
Hidrojen Enerjisi
Japonya'da WE-NET (World Energy Network) projesi ile Tokyo metropolitan bölgesinde hidrojen kullanımı ile oluşacak azot oksit emisyonundaki azalma potansiyeli araştırılmaktadır. WE- NET Programı Japonya'nın Uluslar Arası Ticaret ve Endüstri Bakanlığınca desteklenmektedir.
Bu programda Japonya hidrojen enerji sistemini geliştirmek üzere 2020 yılına kadar 4 milyar $'lık bir bütçe ayırmıştır.
Gelecekte de Pasifik denizinin ekvator bölgesinde yapay bir adada solar radyasyon kullanarak deniz suyundan elektrolizle hidrojen üretmeyi planlamaktadırlar.
Halen Japonya'da Tokyo Electric Company tarafından kurulan 11 MW'lık elektrik santralı Rokko adasının elektrik ve ısı
ihtiyacını karşılamakla birlikte, kapasiteleri 50 ile 500 MW arasında değişen yüzlerce yakıt pillli tesis bulunmaktadır.
Sadece Tokyo'da şehrin elektrik ihtiyacının 40.000 kW'lık bölümü hidrojen enerji sistemlerinden sağlanmaktadır.
Hidrojen Enerjisi
Japonya'da Tokyo Electric Company'nin yanısıra Sanyo, Hitachi, Toshiba,
Kawasaki, Fuji Electric, Kansai Electric, Amerika'da, Westinghouse, Institute of Gas Technology (IGT), Unocal, San Diego Gas and Electric, Avustralya'da
Seramic Fuell Cell Ltd, Avrupa'da Siemens KWU, Dornier System, Sulter Innotec, dünyada yakıthücreli sistemleri kullanan ve gelişimi
için çalışmalar yapan şirketlerden bazılarıdır.
Siemens Kaliforniya'da 200 konutun elektrik ve ısı ihtiyacını karşılamak üzere 250kW'lık gaz türbinli, yakıt hücreli bir kojenerasyon sistemi kurmuştur.
Avrupa merkezli Alstom, Asya merkezli Japon
Ebora firmaları ile ortak çalışan Kanada'nın Ballard firması PEM tipi yakıt pili kullanan, 250 kW elektrik, 230 kW ısısal güce sahip jeneratörleri
satışa sunmuştur.
Hidrojen Enerjisi
Honda araştırma ve geliştirme bölümü doğal gazdan yakıt pilli araçlar için hidrojen üreten, elde edilen elektriğin ve sıcak suyun yine
üretildiği evde kullanımını sağlayan 'Hidrojen Ev Enerji İstasyonu' (HES) adlı proje başlatmıştır. Proje çerçevesinde California'da deneysel
amaçlı kurulan evde çalışmalar hidrojen üretimi, depolanması ve yakıt olarak kullanılması gerçekleştirilecektir.
Uluslararası potansiyel yakıt pili pazarı (Sadece 'sabit cihazlar' için) 2030 yılı için 45 milyar Euro olarak tahmin edilmektedir. Hedef fiyat, tüm sistem için kW başına 1000 Euro'dur (1000 Euro/kurulu kW).
Almanya'da Münih havaalanında çalışan otomobil ve otobüslerin
hidrojen enerjisi kullanması yönündeki projenin yanı sıra Neurenburg yakınlarında mini bir hidrojen enerji sisteminin kurulduğu bir program yürütülmektedir. Solar-Wasserstoff-Bayern burada güneş hidrojen tesisi, depolama sistemi ve hidrojen kullanma sistemleri kurmuştur.
Almanya ayrıca Suudi Arabistan ile ortak yürüttüğü Hysolar programı ile Suudi Arabistan'ın Riyad yakınında güneş hidrojen üretim tesisi kurmayı planlanmaktadır. Suudi Arabistan hidrojeni ihraç edecektir.
Hidrojen Enerjisi
Avrupa ve Kanada arasındaki Euro-Quebec diğer uluslar arası başarılı programdır.
Bu programda nispeten ucuz olan hidro güçten üretilerek Kanada'dan
Avrupa'ya ithal edilecek sıvı hidrojenin deniz aşırı taşınımı, depolanması ve kullanım alanları araştırılmaktadır.
Izlanda'da hükümet, üniversiteler, taşıma şirketleri, fabrikalar ve çok uluslu otomobil ve petrol şirketleri konsorsiyumu oluşturulmuş ve 2030 yılına kadar İzlanda'nın tamamen hidrojen enerjisine geçmesi planlanmıştır. Dünyanın ilk hidrojen dolum istasyonu Shell tarafından
İzlanda'da açılmıştır.
Bunlara ilave olarak İspanya'da INTA solar hidrojen tesisi, İtalya, Almanya, Norveç'te SAPHYS küçük ölçekli fotovoltaik-hidrojen enerji sistemi ve
Almanya'da PHOEBUS pilot tesisi gibi birçok proje yürütülmektedir.
Hidrojen Enerjisi
Hidrojen Enerjisi
Ayrıca araçların %65'inin skoter (küçük motosiklet) olduğu Tayvan'da yakıt hücreli skoter kullanımı desteklenmekte ve ZES (sıfır emisyonlu skoter) Asya Pasifik Yakıt Pili Teknolojisi Ltd. ve Kwang-Yang Motor Co. işbirliği ile
üretilmektedir.
Brezilya ve Güney Amerika'da en büyük hidrogüç tesisi Haipu'dur. Burada elektrolitik hidrojen gazı üretilmektedir.
Petrol şirketlerinin enerji ortamı olarak hidrojene bakışları kuşku dolu olsa da son yıllarda bu bakış açısı değişmektedir. Bu şirketlerden Londra'da Royal Dutch Shell, Shell Hidrojen adını verdikleri şubelerine hidrojen konusunda araştırma yapmaları için 500 milyon $ yatırım yapmıştır. BP'de benzer bir girişimde bulunmuştur.
Ulaşım sektöründe, yakıt pili ile çalışan araçların geliştirilmesi, petrol
tüketimini azaltacağı gibi, araçlardan kaynaklanan hava kirliliğini de minimum düzeye indirecektir. Yakıt pilli otobüs üretimini gerçekleştiren Kanada'nın
Ballard Şirketinin yanısıra, General Motors, Ford, Chrysler, Toyota, Honda, BMW, Renault yakıt pilleri ile çalışan otomobilleri ticari anlamda üretmek çabasındadırlar. 1993'ten bu yana çok sayıda prototip araç üretilmiştir.
Hidrojen Enerjisi
Alman Daimler Chrysler'in ürettiği, yakıt pilini Ballard'dan sağladığı, NECAR4 (sıvı hidrojenle çalışır) ve
metanol dönüştürücülü NECAR5, General Motors'un Opel, 'Zafira' adı verilen ve 75 kW' lık Ballard 'tescilli' yakıt pili taşıyan aracı,
Ford tarafından üretilen 'Think FC5'ler, Toyota'nın RAV-4 ve Fine-N'i,
Nissan Renessa ve Mitsubishi,
Daihatsu, Honda ve Mazda ortaklığı Demio FCEV,
Renault'un 30 kW Nora cell kullanan Lagunası prototiplere birer örnektir.
Hidrojen Enerjisi
Taşıtlarda hidrojenin içten yanmalı motorlar veya yakıt pilleri aracılığıyla kullanımı konusunda da, Daimler-Benz şirketinin sıfır salımlı minübüs'ü, BMW, Dodge, Buick, Suzuki
firmalarının deneme otomobilleri, Macchi-Ansoldo'nun ve MAN firmasının SL202 otobüsleri, Kanada demiryollarının Lokomotifi ile Almanya, Avustralya ve Kanada donanmaları için imal edilen deniz altılar sayılabilir.
Mercedes-Crysler firması, büyük şehirlerde çevre kirliliğini önlemek için, 30 adet hidrojen ile çalışan 70 kişilik toplu taşım araçlarını 10 Avrupa başkentinde, her türlü iklim ve arazi şartlarında denemektedir.
Bu araçlarda sistem elektrik motoru ile hareket eder, motor, piston, grank ve şanzıman yoktur.
General Motor hidrojen enerji teknolojiisinin kullanıldığı, 20 cm kalınlığında, 120 cm eninde, 240 cm boyunda bir platform ile dört tekerden oluşan bir otomobil üretimi projelendirmiştir.
Projeye göre bu platforma sahip olan kişi istediği kaportayı takarak otomobilini kullanabilecektir.
Bu otomobillerde içten yanmalı motor, piston ve grank bulunmadığından bunun yerine her tekerleğin göbeğinde 20 kW'lık müstakil elektrik motorları arabaya gerekli
hareketi sağlayıp, yüksek emniyet içinde sistemin süper kompakt bir yapıya kavuşmasına olanak sağlanmaktadır.
Hidrojen Enerjisi
Hidrojen Enerjisi
Bunların dışında, %15-20 hidrojen ve %80- 85 doğal gaz karışımından oluşan hytane adlı yakıt ile çalışan yeni bir otobüs 1993 yılından beri Montreal'de (Kanada)
denenmektedir. Hidrojen, uzun yıllardır uzay mekiği ve diğer tüm roketlerde rakipsiz bir yakıt olarak kullanılmaktadır. Ancak, bunların dışında uçaklarda ilk kullanımı 1956 yılında B-57
Canberra deneme uçağında gerçekleştirilmiştir.
Sovyetler Birliği de 1988 yılında Tupolev-155 deneme uçağında yakıt olarak hidrojen kullanmıştır. Dünya Enerji Ajansı Hidrojen Programı çerçevesinde yürütülen çalışmalarda, Airbus tipi
uçakların yakıt olarak hidrojen kullanması 2007 yılında başlamıştır. Hidrojenin ticari uçaklarda yaygın kullanımı
konusunda Avrupa Airbus konsorsiyumu ile Almanya-Rusya ortak çalışmaları sürmektedir.
Hidrojen Enerjisi
Sıvı hidrojen doğrudan veya dolaylı olarak motorları ve dış yüzeyi soğutmak için de kullanılabileceği için, yüksek hızlı supersonic uçaklar için ideal bir yakıt olarak görülmektedir.
Amerika'nın Duffy-Boats firması elektrikle çalışan ilk
tekneyi geçtiğimiz aylarda üretmişlerdir. Her biri 1.5 kW gücünde 4 yakıt piliyle hareketlendirilmiş olan bu tekne
yakın gelecekte, sahillerde, nehirlerde, kanal ve boğazlarda yani ulaşımın su üzerinde yapıldığı her yerde taksi görevini görecektir
