HİDROJEN ENERJİSİ VE UYGULAMA ALANLARI

Transkript

1 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 4, No, 7-0, 999 J. Fac. Eng. Arch. Gazi Univ. Vol 4, No, 7-0, 999 HİDROJEN ENERJİSİ VE UYGULAMA ALANLARI İbrahim ATILGAN Makina Mühendisliği Bölümü, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Gazi Üniversitesi Maltepe Ankara, koravfsimmf.gazi.edu.tr ÖZET Bilindiği gibi dünyanın fosil kaynakları son derece hızlı bir şekilde azalmaktadır. Ayrıca bu yakıtların neden olduğu global kirlilik doğal dengeyi bozmakta ve dünyada yaşayan canlıların sağlığını bir çok yönden tehdit etmektedir. Dünyanın artan enerji ihtiyacına karşın azalan enerji kaynağı gereksinimini karşılayabilecek ve global kirliliği önleyebilecek en önemli çözüm, hidrojen enerjisinin kullanımıdır. Birincil enerji kaynaklarını kullanarak ve bu kaynaklardan hidrojen üreterek meydana gelen enerji sistemine, "Hidrojen Enerji Sistemi" denilmektedir. Hidrojen, yenilenebilir bir yakıttır ve yakıtlar içerisinde çevresel açıdan en temizi ve en verimlisidir. Çevre dostu olan hidrojen enerjisi, yakın zamanda yakıtlar içerisinde ön plana geçmesi beklenmektedir Türkiye'de hidrojen üretimi için, birincil enerji kaynağı olarak tükenmez kaynaklardan hidrolik enerji, güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, jeotermal enerji ve uzun dönemde nükleer enerji kullanılabilir. Ancak, sayılan bu kaynaklar grubu içerisindeki en ekonomik kaynak, güneş enerjisi olabilir. Hidrojen enerjisi ile ilgili yapılan bu çalışmalar başlangıç olarak kabul edilerek daha fazla gecikmeksizin, ulusal planda çalışmalara başlanması, ülkemizin enerji sorununu çözme yönünde, önemli bir adım teşkil edecektir. Anahtar Kelimeler: Hidrojen, enerji, çevre. HYDROGEN ENERGY AND ITS APPLICATIONS ABSTRACT it is a well known fact that the fossil fuel sources are being consumed rapidly. it is also clear that fossil fuel combustion creates a series air pollution problem in the extend that jeopardize the ecological balances. To provide the necessary energy and prevent the pollution of environment, the hydrogen energy should be used. Energy systems that uses primary energy sources to produce hydrogen from these sources

2 İ. Atılgan Hidrojen Enerjisi ve Uygulama Alanları are called "Hydrogen Energy System". Hydrogen is an inexhaustable and the environmentaly cleanest fuel. Hydrogen can be burned with high efficiency. Hydrogen as the cleanest fuel will soon replace the other fuels. in Turkey, hydraulic energy, solar energy, wind energy, geothermal energy and also nuclear energy in long term can be used as a primary energy the work given in sources to produce hydrogen. Among the above primary energy sources, the solar energy is the most economic and exist in wide amount. Considering literatüre, hydrogen energy should be considered in the national energy planning as a majör energy source as soon a possible. This will be an important point in solving energy problem of our country. Keyvvords: Hydrogen, energy, environment.. GİRİŞ Hidrojen enerjisi son derece verimli, sınırsız ve boldur. Hammaddesi sadece, dünyada sınırsız bir şekilde bulunan sudur. Hidrojen enerjisi otomotiv sektöründen, hava taşımacılığına kadar tüm sanayi sektörünün enerji ihtiyacını karşılayabilecek potansiyele sahiptir. Yakılmasıyla direk yakıt olarak kullanılacağı gibi ayrıca fuelcell kullanan araçlarda enerji kaynağı olarak da kullanabilmektedir. Günümüzde dünyanın enerji talebinin %88'i fosil yakıtlardan (kömür, petrol ve doğalgaz) sağlanmaktadır. Bunun %8'i petrol, %0'u kömür, %0'si de doğalgazdır. Bunlar içersinde en kullanışlısı ve en çok kullanılanı petroldür. Petrol üreten ülkeler zaman zaman politik veya ekonomik nedenlerle, petrol üretimini kısıtlamakta veya tamamen durdurmaktadır. Bu durum petrol fiyatlarının artmasına ve enerji YILLIK ÜRETİM/ İHTİYAÇ (0 GJ).6 r W YAKI! IHm H I SIVI/GAZ FOSU. YAKITLAR Şekil. Sıvı ve gaz fosil yakıtların yıllara göre durumu [] Gazı Ümv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 4, No, 999

3 Hidrojen Enerjisi ve Uygulama Alanları İ. Atılgan krizine neden olmaktadır. Fosil yakıtların rezervleri incelendiğinde bunlar er geç tükeneceklerdir. Petrol ve doğalgaz üretiminin yıllarından sonra düşüşe geçmesi beklenmektedir (Şekil ). Şekil l'de belirtildiği gibi 00 yılından sonra, dünyada fosil yakıtlardaki üretimin düşmesinin yamsıra gittikçe artan taleple yakıt üretim ihtiyacı görülecektir. Diğer taraftan fosil yakıtların canlıların sağlıklarına ve çevreye zararları gittikçe artmaktadır. Hava kirliliği, asit yağmurları, ozon tabakası nın incelmesi, dünyanın ısınması, buzulların erimesi, denizlerin yükselmesi, sellerin ve kuraklıklarının artması, fırtınaların şiddetlenmesi ve iklim değişiklikleri, fosil yakıtların kullanılmasından meydana gelen zararlı yan etkilerdir []. Dünyanın en önemli çevre sorunu, fosil yakıt kullanımından kaynaklanan C0 emisyonu nedeni ile, sera etkisinin artması ve bunun dünya ortalama sıcaklığını artış eğilimine sok muş bulunmasıdır. Buna göre C0 emisyonunun engellenmesi ayrıca fosil yakıtların neden olduğu çeşitli çevre sorunlarının çözümlenebilmesi için enerji sektöründe ya pılması gereken değişikliklere gidilmesi ve yeni arayışlara geçilmesi gerekmektedir. Fosil yakıtların yerini alabilecek birçok primer enerji kaynakları vardır. Bunlar arasında güneş, rüzgar, su enerjisini, akıntıları, jeotermik enerjiyi ve nükleer enerjiyi sayabiliriz. Fakat bunlar petrol gibi, doğalgaz gibi kullanışlı değillerdir. Bunları araçlar (otomobil, uçak, vb.) da kullanabilmek için, taşınır ve depolanabilir yapabilmek için, bunlardan bir yakıt üretmek gerekir. Yakıtlar içinde de en verimlisi ve en temizi hidrojendir. Birincil enerji kaynaklarını kullanarak hidrojen üretilirse bu enerji sistemine " Hidrojen Enerji Sistemi " denir (Şekil ). Hidrojen yenilenebilir bir yakıttır. Bu yeni enerji sisteminde hidrojen sudan elde edilecek ve kullanılınca yan ürün su veya su buharı olacaktır. Dolayısıyla hiçbir zaman hidrojen tükenmeyecektir [,]. Şekil. Hidrojen enerjisi üretim çevrimi [,] Gazı Ünıv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 4, No, 999 9

4 İ. Atılgan Hidrojen Enerjisi ve Uygulama Alanları. GÜNEŞ PİLLERİ İLE HİDROJEN ELDE EDİLMESİ Hidrojen genellikle, doğal gaz veya diğer petrol ürünlerinden kimyasal yöntemlerle veya suyun elektrolizi ile elde edilmektedir. Özellikle güneş pilleri gibi yenilenebilir kaynaklardan elde edilen elektriği verimli bir şekilde kullanabildiği için, elektroliz metodu son yıllarda büyük önem kazanmıştır. Suyun elektrolizi asitik veya bazik bir sıvı içerisine yerleştirilmiş iki elektrot arasına, elektrik akımı uygulanmasıyla gerçekleşir. Bu işlem sonucu katotta hidrojen ve anotta da oksijen oluşmaktadır. Çok geniş kapasite aralığında hidrojen üreten santraller kurmak mümkündür. Güneş pilleri gibi yenilenebilir kaynaklardan elde edilen elektrik, hidrojen üretimi için önemli bir kaynak oluşturmaktadır. Suyun elektrolizi için düşük voltajlı ve yüksek akım şiddetli doğru akım gerekmektedir. Dolayısıyla güneş pillerinden elde edilecek elektrik herhangi bir değişikliğe uğramaya gerek duymadan doğrudan elektrolizde kullanılabilmektedir. Genel olarak hidrojen üretiminde fotovoltaik enerji ile beraber en çok kullanılan yöntem olan suyun elektrolizi yöntemidir. Elektroliz olayı, çift fazlı akış prensibine dayanır. Elektrotların üzerinde hidrojen gazının oluşumu, büyümesi ve sıvının içindeki hareketin elektrik alanı, ısı ve kütle transferini karakterize eden matematiksel denklemlerle ifade edilebilir. Elektroliz olayı iki boyutlu veya boyutlu olarak ele alınabilir.elektroliz kabına elektrik akımı uygulandığında aşağıdaki reaksiyonlar oluşur: Katodda: Anodda: Genel olarak: H 0(lq)+e -> H (g)+0h(aq) 0H(aq) -> l/0 (g) +H 0(lq) H 0(lq) -> H (g) +0 (g) Elektroliz olayının gerçekleşmesi için gereken elektrik potansiyeli E=AG/nF formülü ile hesaplanabilir. Bu formülden elde edilen teorik potansiyel E=l,9 Volttur. Fakat elektroliz olayı sırasında oluşan tersinmezlikler nedeniyle gerçek potansiyel,75 -,05 Volt arasında değişmektedir. Elektrotta oluşan reaksiyon sonucu ortaya çıkan H miktarı Nernst denklemi ile hesaplanmaktadır. Bunun için elektrotların üzerinde ve kabın içindeki elektrik alan dağılımının bilinmesi gerekmektedir. Elektrodun etrafında oluşan H habbecikleri yoğunluk farkıyla ve konveksiyonla yüzeye hareket ederler. Oluşan hidrojenin yüzeyden hemen uzaklaştırılması gerekir. Kontrolsüz elektroliz olayında elektrodun etrafını kapatan gaz habbecikleri hem termal, hemde elektriksel isolator gibi davranırlar ve bunun sonucu olarak elektrodlar arasındaki direnç artar ve verim düşer. Elektroliz kabında hidrojen üretimiyle ortaya çıkan akışı karakterize etmek için çift fazlı akış modeli kullanılabilir. Sıvı elektrolit birinci faz üretilen hidrojende ikinci faz olarak düşünülür. Teorik çalışmada elektroliz kabının her noktasındaki hızlar, sıvı ve hidrojen gazı miktarı, sıcaklık ve potansiyel dağılımı, süreklilik, momentum, enerji ve elektirik alan denklemlerinin aynı anda çözülmesi gerekir. 0 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 4, No, 999

5 Hidrojen Enerjisi ve Uygulama Alanları İ. Atılgan Giineş Oı Depolama H Depolama Su Girişi Kullanım Şekil. Kurulması planlanan deney düzeneğinin şematik resmi Konu ile ilgili olarak yapılabilecek bir deneysel çalışma Şekil 'te şematik olarak görülmektedir. Deney düzeneği, DC üreten güneş pilleri, elektroliz kabı, üretilen hidrojeni depolamak için kullanılacak bir depo, sıcaklık, voltaj ve akım ölçmeğe yarayan ölçüm cihazlarından oluşur. Geniş bir parametre aralığında elektroliz olayı hidrodinamik olarak incelenebilir. Akım yoğunluğunun, sıcaklığın, elektrod malzemesinin, diyafram malzemesinin uygulanan potansiyelin hidrojen üretimine etkisi deneysel olarak incelenebilir.. UYGULAMA ALANLARI Çevre dostu olan hidrojen enerjisi, yakın zamanda tüm yakıtların önüne geçecek, elektrik üretiminde; araba, uçak, gemi, denizaltı ve trenlerde; orta ve uzun menzilli roketlerde; uzay taşımacılığında; konutlarda; askeri ve sivil amaçlı çok geniş kullanım alanına sahip olacaktır. Hidrojen için dünya standartları belirlenmiştir [4]. Son yıllarda "Fotovoltaik Panellerin" yardımı ile güneş enerjisinden elde edilen elektrik enerjisi, suyun elektrolizinde kullanılmaktadır [5]. Bu yöntemle m sudan 08,7 kg hidrojen üretilmektedir. Bu miktar yaklaşık 4 litre benzine eş değerdir. Hidrojen; gaz, sıvı ve katı fazlarda metal-hidrid ortamda depolanabilir [6]. Diğer enerji kaynakları ile mukayese edildiğinde, ekonomik olması, hidrojeni daha cazip hale getirmektedir. ABD'de 58, Almanya'da 0, Rusya'da adet konu ile ilgili çalışan enstitü, laboratuvar, kurum ve kuruluşlar bulunmaktadır []. Türkiye'de de Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 4, No, 999

6 İ. Atılgan Hidrojen Enerjisi ve Uygulama Alanları bu konuda çalışmalara başlanılmıştır. Sanayileşmiş ülkelerin hidrojen enerjisine hızla geçmesinin siyasi yönüne bakıldığında: Petrolü yakıt olarak kullanmadan, Yeni teknolojilerin anahtarlarını ellerinde tutarak. Enerji konusunu istedikleri gibi yönlendirmektir. "Hidrojen Enerji Sistemi" veya "Hidrojen Ekonomisi" kavramı, 97 yılındaki enerji krizinden sonra 974 Mart ayında Miami'de düzenlenen konferansta ortaya atılmıştır [7]. Dünyanın birçok üniversite ve araştırma merkezlerinde hidrojen enerji sistemi ile ilgili araştırmalar devam etmektedir. Gelişmiş ülkeler sanayilerinde hidrojen enerji sistemini,. yüzyılda fosil yakıt sisteminin yerini alacak enerji sistemi olarak benimsediler [8, 9]. Uygulamalara bakıldığında metal-hidrid elektrik pillerinin bilgisayarlarda ve elektrikli otomobillerde kullanılmaya başlandığı görülür. Tokyo'da MW'lık bir hidrojen yakıt pili elektrik üretiminde kullanılmaktadır [0]. Westinghouse Şirketi doğalgazdan üretilen hidrojenle çalışacak yüksek verimli elektrik santrallarını 00 yılından itibaren üretmeye başlıyacaktır. Mercedes Şirketi, 00'ten itibaren hidrojen ile çalışacak otobüsleri üretmeye başlayacaktır. Diğer otomobil şirketleri de 004 yılından itibaren hidrojen ile çalışan otomobilleri üretmeye hazırlanmaktadırlar [-]. Hidrojenle çalışan ocak ve fırın gibi cihazlar da imal edilmiştir [4]. Almanya imal edeceği denizaltıların hidrojen yakıt pilleri ile çalışmasına karar vermiş ve imalata başlamıştır. Hidrojenle çalışacak denizaltılar su altında daha uzun müddet kalabilmekte ve hidrojen yakıt pilleri sessiz çalıştığı için sonar-radar sistemleri tarafından tespit edilmeleri zorlaşmaktadır. Benzer denizaltı Rusya'da da imal edilmiştir. Amerika, Kanada, İtalya ve Avusturya bu konuda araştırmalar yapmaktadırlar. Airbus uçak şirketi hidrojen ile çalışacak bir yolcu uçağı üzerinde çalışmalara başlamıştır. Bu uçağın 00 yılında hizmete girmesi beklenmektedir. En hafif yakıt olduğu için roketlerde ve uzay programlarında yakıt olarak hidrojen tercih edilmektedir. Sonuç olarak, dünyada hidrojen enerji sistemine geçiş başlamıştır. Hidrojen enerjisi fikri ortaya atıldığından beri (974), bir çeyrek yüzyıl geçmiştir. Bu zaman içerisinde birçok araştırma, geliştirme yapılmış ve bu yeni enerji sisteminin temelleri atılarak, şimdi de hidrojen enerjisine geçiş dönemi başlamıştır [5-7]. Buna göre yapılan çalışmalarla ilgili olarak geçiş döneminin üç çeyrek yüzyıl süreceğini göstermektedir (Şekil 4)... İlgili Projeler Hidrojen enerjisi alanında birçok uluslararası program başlatılmıştır. Bunlardan başlıcalarını aşağıdaki gibi sıralayabiliriz []. Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 4, No, 999

7 Hidrojen Enerjisi ve Uygulama Alanları İ. Atılgan HİDROJEN HAREKETİNİN ÇEYREK YÜZYILI Şekil 'den beri üç çeyrek yüzyıl içersinde hidrojen hareketi HYSOLAR PROGRAM: Bu projede güneş enerjisinden hidrojen üretilmesi planlanmıştır. Almanya ve Suudi Arabistan tarafından ortak olarak yürütülmektedir. Riyad'da güneş enerjisinden hidrojen üreten bir pilot tesis kurulmuş ve çalışmaktadır. Petrol üretimi ve tüketimi azaldıkça, Suudi Arabistan hidrojen satmayı planlamaktadır [8]. EURO-QUEBEC PROJESİ : Bu proje, Kanada'daki su enerjisi potansiyelini kullanıp sıvı hidrojen üretilmesini ve bunun gemilerle Avrupa'ya ihraç edilmesini öngörür. Hidrojenin üretimi, sıvılaştırılması, taşınması ve kullanılması konularında birçok çalışma yapılmıştır [9]. İZLANDA PROJESİ : Hidrojen Enerjisine geçmek için İzlanda uluslararası bir konsorsuyum kurmuştur. Bu konsorsuyumda İzlanda Hükümeti, üniversiteler, İzlandalı ve çok uluslu şirketler vardır. Bu projeye göre İzlanda 00 yılma kadar tamamen hidrojene dönüşmüş olacaktır. Hidrojen su ve jeotermik enerji kaynaklarından üretilecektir [0]. WE-NET PROJESİ : Bu proje Japonya tarafından yürütülmektedir. Bu proje için Japonya 00 yılma kadar 4 milyar dolar harcayarak hidrojen enerjisi için gerekli teknolojilere sahip olacaktır. ULUSLARARASI UZAY İSTASYONU : Bu istasyon inşa halindedir. İnşaat 006 yılında tamamlanmış olacaktır. İstasyonun yapımında çalışan uzay mekiklerinin gücü, mekiklerin elektriği ve istasyonun elektriğinin bir kısmı hidrojen tarafından sağlanacaktır. Hidrojen yakıt pillerinden elektrik üretilince, yan ürün olarak saf su üretilecektir []. Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 4, No, 999

8 İ. Atılgan Hidrojen Enerjisi ve Uygulama Alanları 4. HİDROJEN TEKNOLOJİSİ Hidrojen enerji teknolojisi; hidrojenin üretim tekonolojisi, hidrojenin taşınması ve depolanması teknolojisi, hidrojen kullanım teknolojisi gibi alt bölümlerine ayrılmaktadır. Sıralanan bu alt bölümlerin tümünde önemli gelişmeler sağlanmış olup, kısa zamanda kullanılabilecek teknoloji birikimi bulunmaktadır. Hidrojen üretiminde kullanılan konvansiyonel ve geliştirilmiş yöntemlerin sıralanması aşağıda verilmiştir. Hidrojen üretimi için kullanılan konvansiyonel işlemler: Doğalgazm katalitik buhar reformasyonu, Ağır petrolün kısmi oksidasyonu (POX), Kömürün gazifikasyonu, Buhar-demir işlemi, Suyun ısıl ayrıştırılması (decomposition), Biyolojik ve biyokimyasal hidrojen üretimi Suyun elektrolizi/güneş. Hidrojen üretim yöntemlerinin başında suyun direkt elektrolizi gelir. Elektroliz için elektrik gereksinimi fosil yakıtlarda, hidroelektrik kaynaktan, nükller güçten, jeotermal enerjiden, güneş ve rüzgar gibi enerji kaynaklarından elde edilebilir. Gelecek için üzerinde en çok durulan yöntem fotovoltaik güneş üreteçlerinin kullanılmasıdır. Suyun ısıl parçalanması (termal krakingi) ile de hidrojen üretilebilmektedir. Kömür gazifıkasyon yönteminde ise, kolaylıkla kükürdün elimine edilmesine olanak tanıdığından çekici bulunmaktadır. Ortalama olarak 6 kg kömürden,785 litre benzine eşdeğer kg hidrojen elde olunur. Katı atıklar ve kanalizyon materyalleri de hidrojen üretimi için hammadde olup, gazifikasyon işlemine bağlı olup, sentez gazının hava veya oksijenle refermasyonu hidrojen vermektedir. Yakıt olarak kullanılacak hidrojenin kütlesel üretim için suyun direkt elektrolizi, fotoelektro-kimyasal üretim, termokimyasal üretim, fotobiyolojik üretim yöntemleri ağırlık kazanmıştır. Amorf nikel-kobalt alaşımı anot ve katot materyallerle, alkali suyun elektrolizi için geliştirilmiş çeşitli işlemler bulunmaktadır. Hidrojen üretiminde güneş enerjisinden yararlanma istemiyle, elektrolizde kullanılacak elektrik enerjisinin fotovoltaik panellerden üretilmesine yönelik olarak, güneş fotovoltaik-hidrojen enerji sistemleri üzerinde önemle durulmaktadır []. Diğer bazı işlemlerle de yan ürün olarak hidrojen elde edilmektedir. Buna göre, klor-alkaliden karşıt klor üretiminde, ham petrolün rafineri işleminde hafif gazların üretiminde, kok fırınlarında kömürden kok üretimi ve kimyasal dehidrojenerasyon işlemlerinde hidrojen eldesi, yan ürün olarak da mümkün olmaktadır. Büyük miktarda enerji depolanması için en uygun madde hidrojendir. Bilindiği üzere, günümüzde büyük miktarlarda enerji depolamak için halen uygun bir yöntem bulunmuş değildir. Orta veya küçük ölçekte depolamak için en çok kullanılan yöntem sıvılaştırılmış hidrojenin yüksek basınç altında çelik tüpler içinde tutulmasıdır. Ancak bu uygulama, büyük miktarlar için oldukça pahalı bir yöntem olarak görülmektedir. Bir diğer pratik çözüm ise sıvı hidrojeni düşük 4 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 4, No, 999

9 Hidrojen Enerjisi ve Uygulama Alanları İ. Atılgan sıcaklıktaki tanklarda saklamaktır. Uzay programlarında, roket yakıtı olarak sürekli şekilde kullanılan sıvı hidrojen bu yöntemle depolanmaktadır. Dünyadaki en büyük sıvı hidrojen tankı, Kennedy Uzay Merkezi'nde olup, 400 m kapasitesindedir. Bu miktar hidrojenin yakıt olarak değeri, 9 milyon Mega Joule veya 8 milyon kw saate karşılık gelmektedir []. Hidrojenin diğer depolama yöntemlerinde ise, tüplenmiş alçak basınçlı gaz ( bar), yüksek basınçlı gaz (50 bar), kriyojenik (dondurulmuş) tanklarda (0 kpa) ve metalik-hidrid biçiminde olabilmektedir. Hidrojen gaz biçiminde boru hatlarıyla taşınabildiği gibi, yüksek basınçlı gaz ve sıvılaştırılmış biçimde tankerlerle de taşınabilin ektedir. Hidrojenin en önemli özelliği, ekzotermik kimyasal reaksiyon kapsamında bazı metal ve alaşımlarla kolayca büyük miktarlarda hidrid biçimine dönüşebilmesidir. Bu özellik hidrojenin, metal veya metal alaşımlarla metal-hidrid olarak depolanmasını sağlar. Hidridler, bir tank içerisinde gaz hidrojenin metal alaşım parçacıkları ile bileşik oluşturmuş biçimde depolanmasıdır. Dolayısıyla metal-hidridler paket olarak taşımaya uygundur. Dezavantajı ağır oluşlarıdır, bu yüzden kütlesi hafif olanlar tercih edilmektedir. Hidrojenin hidridlerle depolanması ve taşınması da önemle ele alınmaktadır. Geliştirilen hidridler; titanyum alaşımları (özellikle demir-titanyum), palladyum alaşımları, zirkonyum alaşımları, titanyumzirkonyum-vanadyum-nikel alaşımları gibi materyallerle oluşturulmaktadır. Hidridler ısıtıldığında hidrojen serbest kalmaktadır. Hidrojen; fuel-oil, benzin, jet yakıtı, LPG (likit petrol gazı), doğalgaz, LNG (likit doğalgaz), metanol ve etanol gibi yakıtlarla karşılaştırıldığında belirli miktar enerji eldesi için en hafif yakıttır. 4. Hidrojen Yakıtının Özellikleri Bugün yakıt seçiminde kriterler olarak; motor yakıtı olma özelliği, dönüşebilirlik ya da çok yönlü kullanıma uygunluk, kullanım verimi, çevresel uygunluk ve emniyet açısından yapılan değerlendirmeler, hidrojen lehine sonuç vermektedir. Hidrojen en hafif kimyasal elementtir. Sıvı ve gaz halindeki hidrojenin, kütlesel ve hacımsal ısıl değerlerinin diğer motor yakıtlarıyla karşılaştırılması Çizelge l'de verilmiştir. Ayrıca bu çizelgede devindirme (tahrik etme, ivmelendirme) faktörü karşılaştırması da yapılmıştır. Çünkü bu faktör önemli olup, yakıtın kütlesi ve buna karşılık olan hacmine bağlı biçimde, en yüksek ısıl değerli yakıtta analitik karşılaştırılması sonucu hesaplanır []. Çevresel zarar ve uygunluk faktörü (çevre zararlarını içeren maliyet ile kullanım verimini ortaya koyan faktör) için fosil yakıt sistemi, kömür/sentetik yakıt sistemi ve güneş-hidrojen sistemi karşılaştırılması Çizelge 'de verilmiştir []. Yapılan karşılaştırma, güneş PV panellerinden sağlanacak enerji ile hidrojen üretim sistemine ait veriler ışığında yapılmıştır. Yakıtın zehirliliği, yanma ürünlerinin zehirliliği, diffüzyon katsayısı, ateşleme enerjisi, patlama enerjisi, alev emissivitesi gibi faktörlere göre yapılan emniyet değerlendirmesi açısından, hidrojen en Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 4, No, 999 5

10 İ. Atılgan Hidrojen Enerjisi ve Uygulama Alanları Çizelge. Hidrojen ve diğer yakıtların karşılaştırılması YAKIT Fuel-Oil Benzin Jet Yakıtı Sıvı Petrol Gazı Sıvı Doğal Gaz Methanol Ethanol Sıvı Hidrojen Doğal Gaz Gaz Hidrojen Isıl Değer (MJ/kg) Isıl Değer (MJ/m ) Devindirme Faktörü (%) emniyetli yakıttır. Hidrojenin diğer yakıtlarla emniyet faktörü açısından kıyaslanması Çizelge 'te verilmiştir [, ]. Türkiye'nin hidrojen üretimi açısından bir şansı, uzun bir kıyı şeridi olan Karadeniz'in tabanında kimyasal biçimde depolanmış hidrojen bulunmasıdır. Karadeniz'in suyunun %90'ı anaerobiktir ve hidrojensülfid (H S) içermektedir. 000 m derinlikte 8 ml/ olan H S konsantrasyonu, tabanda,5 ml/ düzeyine ulaşmaktadır. Elektroliz Çizelge. Çevresel zarar ve çevresel uygunluk faktörleri Enerji Sistemi Yakıt Çev. Zarar ABD $/GJ Çev. Uygunluk Faktörü Kömür Fosil Yakıt Petrol Doğalgaz Kömür-Sentetik Yakıt Sent. Gaz Sent. Doğ. Gaz Güneş-Hidrojen Hidrojen Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 4, No, 999

11 Hidrojen Enerjisi ve Uygulama Alanları İ. Atılgan Çizelge. Emniyet Faktörüne göre yakıtların sıralanması KARAKTERİSTİKLER Benzin Metan Hidrojen Yakıtın Zehirliliği Yanma Ürünleri Zeh. (CO, SO x, NO x, HC) Yoğunluk Diffüzyon Katsayısı Özgül Isısı Ateşleme Sınırı Ateşleme Enerjisi Ateşleme Sıcaklığı Alev Sıcaklığı Patlama Enerjisi Alev Emissivitesi TOPLAM PUAN Emniyet Faktörü "" En emniyetli, "" Az emniyetli, "" En az emniyetli reaktörü ve oksidasyon reaktörü gibi iki reaktör kullanılarak, H S'den hidrojen üretimi konusunda yapılmış teknolojik çalışmalar vardır. Bu konuda yapılmış bir diğer teknoloji geliştirme çalışması, semikondüktör partikülleri kullanarak fotokatalitik yöntemle hidrojen üretimidir. Güneş ve rüzgar enerjisinden yararlanarak, Karadeniz'in H S içeren suyundan hidrojen üretimi için literatüre geçmiş bilimsel araştırma olup, Bulgaristan proje geliştirmeye çalışmaktadır [, 4]. Yakıtların ekonomik kıyaslaması efektif maliyete göre yapılır. Efektif maliyet ise, iç maliyet (çıplak maliyet) ve çevre zararlarını içeren dış maliyet ile kullanım veriminin fonksiyonudur. İç maliyet alışılagelmiş görünür maliyet, dış maliyet de Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 4, No, 999 7

12 İ. Atılgan Hidrojen Enerjisi ve Uygulama Alanları yakıtın birim miktarının çevrede oluşturduğu maddi zarar anlaşılmaktadır. Fosil yakıt, kömür-sentetik ve güneş hidrojen sistemlerinin efektif maliyetleri Çizelge 4'de verilmiştir []. Çizelge 4. Enerji sistemleri için efektif maliyetler ve ekonomiklik faktörleri Enerji Sistemi Fosil yakıt Kömür/sentetik Güneş-hidrojen Yakıt Benzin Doğalgaz Sentetik gaz Sen. Doğalgaz Hidrojen Efektif maliyet (ABD $/GJ) Ekonomiklik faktörü SONUÇ Hidrojen, bir birincil enerji çeşidi olmayıp, bir başka enerji tüketilerek elde olunan sentetik yakıt durumundaki enerji taşıyıcısıdır.. Yüzyılın yakıtı olarak varsayılmaktadır. Giderek ağırlaşan çevre sorunu ve küresel ısınma, tükenen hidro karbon kaynakları hidrojen gibi sentetik yakıtları cazip duruma getirmektedir. Uygulamaya aktarılabilecek üretim, taşıma, dağıtım, kullanım teknolojileri geliştirilmiş, uluslararası standartlar çıkarılmıştır. Hidrojen, yakın zamanda oluşabilecek enerji pazarının her yerinde ve genel olarak ulaştırmada, elektrik üretiminde, endüstride, tarımda, konut ve iş yerlerinde yakıt olarak kullanılabilecektir. Hidrojen enerji taşıyıcısı olarak, taşıtlarda, denizaltılarda, uzay araçlarında, hava taşıtlarında, uçaklarda, elektrik güç üretiminde, katalitik yanma işleminde kısmi olarak kullanılabilmektedir. Şekil 4'te düşünüldüğü gibi önümüzdeki çeyrek yüzyıl içerisinde hidrojene bir geçiş başlayacaktır. Yakıtın dönüşebilirliği ya da çok yönlü kullanımı, yanma işlemi dışında, diğer enerji dönüşümlerine uygunluğunu gösterir. Buna göre hidrojen alevli yanmaya, katalitik yanmaya, direkt buhar üretimine, metal hidrid durumu ile kimyasal dönüşüme ve yakıt hücresi ile elektrik dönüşümüne uygun bir yakıt iken; fosil yakıtlar yalnızca alevli yanmaya uygundur. Bu durumda, hidrojen enerjisinin önemim bir kez daha ortaya koymaktadır. Türkiye'de hidrojen yakıtı üretiminde kullanılabilecek olası kaynaklar; hidrolik, güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, jeotermal enerji ve adım atılması gereken nükleer enerjidir. Türkiye gibi gelişme sürecinde ve teknolojik geçiş aşamasındaki ülkeler açısından, uzun dönemde fotovoltaik güneş-hidrojen sistemi uygun görülmektedir. Birleşmiş Milletler (UNIDO) desteği ve işbirliği ile ülkemizde Uluslararası Hidrojen 8 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 4, No, 999

13 Hidrojen Enerjisi ve Uygulama Alanları İ. Atılgan Enerjisi Teknolojileri Merkezi (ICHET), kurulması kararı alınarak ETKB gündemine alınmıştır. ICHET'in tasarlanan amacı, gelişmiş ve gelişmekte olan ülkeler arasında hidrojen teknolojileri köprüsü oluşturmak, hidrojen teknolojilerinin geliştirilmesini sağlamak ve uygulamalı Ar-Ge çalışmalarını yürütmektir. KAYNAKLAR. Veziroğlu, T.N., "Enerji, Eğitim ve Türkiye'nin Ekonomik Kalkınması", Konf. Raporları, Ankara, Barbir, F., Veziroğlu, T.N. ve Plass, H.J., "Enviromental Damage due to Fossil Use" International Journal of Hydrogen Energy, 5 (0), Veziroğlu, T.N., "Hydrogen Energy and Transportation", Conf., Clean Energy Research Institute, University of Miami, Coral Gables, FL 4, A.B.D., Grop, G.R., "Implementation of a Standardized World Hydrogen System", Hydrogen Energy Progress VIII, Cilt, Editör: Veziroğlu, T.N. ve Takahashi, P.K., Pergamon Press, Oxford, 95-00, Lehman P.A. ve Chamberlin C.E., "A Photovoltaic Hydrogen-Fuel Celi Energy System", Preliminary Operational Results, in loth European Photovoltaic Solar Energy Conference Proceedings of the International, Portugal, 708-7, Vanhanen, J.P., Hagström, M.T. ve Lund, P.D., "Combined Hydrogen Compressing and Heat Transforming Through Metal Hydrides", International Journal of Hydrogen Energy, Cilt 4, , Veziroğlu, T.N., eds., "Hydrogen Energy", Parts A and B, Proc. The Hydrogen Economy Miami Energy (THEME) Conf, Plenum Press, New York, Veziroğlu, T.N., eds., Proc. İst WHEC ( vols.), Clean Energy Research Inst, University of Miami, Coral Gables, FL, Mao, Z.Q. ve Veziroğlu, T.N., "Hydrogen Energy Progress XIII ( vols.)", Proc. WHEC, International Association for Hydrogen Energy, Coral Gables, FL, Hirschenhöfer, J.H., "International Developments in Fuel Cells", Mech. Eng., 78-8,989.. Nadal, M. ve Barbir, F., "Development of a Hydrid Fuel Cell-Battery Powered Electric Vehicle", Cilt, Editör: Block, D.L. ve Veziroğlu, T.N., Hydrogen Energy Progress X, International Association for Hydrogen Energy, Coral Gables, FL, , Emonts, B., eds., "Fuel Celi Drive System with Hydrogen Generation in Test", Journal of Power Sources, Cilt 86, 8-6, Brown, L.F., "A Comperative Study of Fuels for On-Board Hydrogen Production for Fuel-Cell Powered Automobiles", International Journal of Hydrogen Energy, Cilt 6, 8-97, 00. Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 4, No, 999 9

14 İ. Atılgan Hidrojen Enerjisi ve Uygulama Alanları 4. Ledjeff, K., "New Hydrogen Appliances", in Hydrogen Energy Progress VIII, Cilt, Editör: Veziroğlu, T.N. ve Takahashi, P.K., Pergamon Press, Oxford, , Veziroğlu, T.N., "Qarter Century of Hydrogen Movement ", InternationalJournal of Hydrogen Energy, Cilt 5, 4-50, Bockris, J.M., "Hydrogen Economy in the Future", International Journal of Hydrogen Energy, Cilt 4, -5, Victor, A.G. ve Veziroğlu, T.N., "From Hydrogen Economy to Hydrogen Civilization", International Journal of Hydrogen Energy, Cilt 6, , Winter, C.J. ve Fuchs, M., "Hysolar and Solar-Wasserstoff-Bayern:Research, Development and Demonstration of Two Solar Hydrogen Energy Projects", International Journal of Hydrogen Energy Cilt 6 (), 7-74, Wurster, R. ve Malo, A., "The Euro-Quebec Hydro-Hydrogen Pilot Project", in Hydrogen Energy Progress VIII, Cilt, Editör: Veziroğlu, T.N. ve Takahashi, P.K., Pergamon Press, Oxford, 59-70, Bragi, A. ve Thorsteinn I.S., "Iceland a Future Hydrogen Economy", International Journal of Hydrogen Energy, Cilt 5, 89-94, Türk Sanayicileri ve İşadamları Derneği, ". Yüzyıla Girerken Türkiye'nin Enerji Stratejisinin Değerlendirilmesi", TÜSİAD-T/98-/9, İstanbul, 0-, Türe, İ. E., "Elektrik Enerjisi Depolamanın Önemi ve Yeni Gelişmeler", Enerji 000 Ulusal Enerji Verimliliği Kongresi, Ankara, 69-77, Sherif, S.A., Barbir, F. ve Veziroğlu, T.N., "Hydrogen Energy Systems", Wiley Encylopedia of Electrical and Electronics Engineering, Editör: Webster, J.G., Cilt 9, 70-40, Devlet Planlama Teşkilatı, "Elektrik Enerjisi", Özel İhtisas Komisyonu Raporu, DPT:569-ÖİK:585, Ankara, Böl.4, 7-8, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 4, No, 999