Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi TÜRKİYE 10. ENERJİ KONGRESİ FOTOELEKTROLİZ YOLUYLA HİDROJEN ÜRETİMİ

Transkript

1 Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi TÜRKİYE 10. ENERJİ KONGRESİ FOTOELEKTROLİZ YOLUYLA HİDROJEN ÜRETİMİ İ. Engin TÜRE Birleşmiş Milletler Sinai Kalkınma Örgütü -Uluslararası Hidrojen Enerjisi Teknolojileri Merkezi (UNIDO-ICHET), Sabri Ülker Sok. 38/4 Cevizlibağ İSTANBUL, ÖZET Dünyamızın giderek artan enerji ihtiyacını çevreyi kirletmeden ve sürdürülebilir olarak sağlayabilecek en ileri ve tek enerji kaynağının güneş-hidrojen sistemi olduğu bugün bütün bilim adamlarınca kabul edilmektedir. Burada fotoelektroliz, güneş enerjisinden hidrojen üretimi için gelecek vaat eden önemli bir yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Güneş enerjisini absorbe eden ve yarıiletken bir diyot olan fotoelektrot, elektroliz için gerekli voltajı üretmektedir. Fotoelektroliz, hidrojenin güneş enerjisinden üretimi için en verimli yöntem olarak kabul edilmekte olup, günümüzde geliştirilen fotoelektrotlar % 10 civarında verime sahiptir. Hidrojen üretimi için halen kullanılan tekniklerin, gerek fosil yakıtların tükenmesi gerekse verimlilik açısından uzun vadede yeterli olmadığı açıkça anlaşılmaktadır. Örneğin doğal gazdan buhar reforming tekniği ile hidrojen üretiminin, doğal gazın tükenmekte olan bir fosil yakıt olması yanında işlemin sonucu olarak yüksek miktarda CO 2, yani sera gazı çıkartması nedeniyle uzun süreli kullanımı mümkün değildir. Hidrojen üretimi için çok kullanılan diğer bir yöntem ise çeşitli kaynaklardan elde edilen elektrik yardımıyla suyun elektrolizidir. Elektroliz için gerekli elektriğin rüzgar veya fotovoltaik paneller yardımıyla güneşten elde edilmesi ise halen oldukça pahalı ve verimi düşük bir teknik olarak görülmektedir. Buna karşın fotoelektroliz, güneş enerjisini sudan doğrudan hidrojen üretimi için etkin olarak kullanabilmekte ve suyun elektrolizi için gereken elektriği üretecek fotovoltaik paneller ile elektroliz hücresini entegre ederek hem verim hem de ekonomik açıdan avantaj sağlamaktadır. Bu çalışmada %10 verimle çalışan bir fotoelektroliz hücresi ile fotovoltaik sistemlerden elde edilen hidrojenin ekonomik analizi karşılaştırmalı olarak yapılmıştır. 417

2 1. GİRİŞ Fotoelektroliz henüz araştırma safhasını tamamlamamış olmasına rağmen güneş enerjisinden hidrojen üretimi için gelecek vaat eden önemli bir yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Burada güneş enerjisini absorbe eden ve yarıiletken bir diyot olan fotoelektrot, su molekülünün elektrolizi için gerekli voltajı üretmektedir. Fotoelektrot, katalitik, koruyucu ve fotovoltaik tabakalara sahiptir [1]. Fotoelektroliz, hidrojenin güneş enerjisinden üretimi için en verimli yöntem olarak kabul edilmekte olup, yenilenebilir kaynaklardan hidrojen üretimi ve hidrojen ekonomisine geçiş için büyük önem taşımaktadır. Fotoelektrotların, düşük maliyetli ve yüksek verime sahip olması gerekmektedir. Günümüzde geliştirilen fotoelektrotlar % 10 civarında verime sahiptir. 2. FOTOELEKTROLİZ Fotoelektroliz, fotoelektrokimyasal ışık toplama sistemi yardımıyla suyun elektrolizini sağlama olarak tarif edilebilir. Sıvı elektrolit içine batırılmış bir yarıiletken güneş ışığına maruz bırakıldığında hidrojen ve oksijeni açığa çıkartacak kadar elektrik enerjisi üretebilir. Burada hidrojen açığa çıkaran reaksiyon sonucu elektronlar elektrolite bırakılırken, oksijen açığa çıkaran reaksiyonun da elektron ihtiyacı karşılanmış olur. Yarıiletkenin cinsine ve gelen güneş ışınımının şiddetine bağlı olarak üretilen akım yoğunluğu yaklaşık ma/cm 2 dir. Bu akım yoğunluğunda elektroliz için gerekli voltaj ise 1.35 Volttur [2]. Suyun doğrudan elektroliz edilebilmesi için aşağıdaki şartların sağlanması gerekir; Kullanılan yarıiletken maddelerin enerji bant aralıkları, oksijen ve hidrojen indirgenme reaksiyonun enerji seviyeleri ile aynı olmalı, Yarıiletken sistem fotoelektroliz şartlarında kararlı halde olmalı, Yarıiletkenin yüzeyinden yük transferi korozyonu önleyecek ve voltaj fazlası nedeniyle enerji kayıplarını azaltacak kadar hızlı olmalıdır. Fotoelektroliz performansı güneş-hidrojen (G-H) çevrim verimi ile ölçülür ve G-T çevrim verimi aşağıdaki bağıntı ile verilir. Burada, η mw E T = 100 cm J T G H (%) =.100 = ET 1.23J ve J T = hidrojen akım yoğunluğudur. T (1) G-H çevriminin teorik maksimum verimi % 42 olmakla beraber, halen kullanılan fotoelektroliz sistemlerinde verim yalnız % 8 - %14 civarındadır [3]. 418

3 2.1 FOTOELEKTROT BİLEŞENLERİ Bir fotoelektrot, fotovoltaik, katalizör ve koruyucu tabakalardan oluşmaktadır. Her tabaka fotoelektrokimyasal sistemin güneş-hidrojen verimine ayrı ayrı etki yapmaktadır. Örneğin, fotovoltaik tabaka ışığı absorbe eden titanyum oksit veya galyum arsenit gibi maddelerden yapılmış olup, bu yarıiletken maddelerin ışığı absorbe etme gücü, fotoelektrodun performansı ile doğru orantılıdır. Band aralığı geniş olan yarıiletkenler suyun ayrıştırılması için gerekli potansiyel farkını sağlamakla birlikte, güneş spektrumunun ancak belirli bir kesiminden yararlanabildikleri için güneş-hidrojen çevrim verimi sınırlıdır. Yarıiletken maddede yapılacak değişiklikle veya fotonlara hassas boya katmakla güneş spektrumunun daha geniş bir aralığını absorbe etmek, yani verimliliği arttırmak mümkündür [4]. Foto-elektrokimyasal hücrelerin katalitik tabakaları da elektroliz performansında etkili olup, uygun katalizörler kullanmakla suyun ayrıştırılması reaksiyonu hızlandırılabilir. Hidrojen açığa çıkarma reaksiyon katalizörü, elektronlar elektrolit içine bırakıldığında hidrojen üretirken, elektronların elektrolitten dönüşü sırasında oksijen açığa çıkarma reaksiyon katalizörü ise oksijen üretir. Fotoelektrodun diğer önemli bir parçası da koruyucu kılıf olup, fotoelektrodun elektrolit etkisiyle korozyana uğramasını önler. Bu tabakanın sistemin güneş ışığından azami derecede yararlanmasına olanak sağlayacak şekilde olabildiğince şeffaf olması gerekmektedir. Şekil -1 Fotoelektrot Yapısı [1] 419

4 3. FOTOELEKTROLİZ SİSTEM TASARIMI Yüksek verimli ve düşük maliyetli fotoelektroliz sistemi içindeki fotoelektrot, bakırindiyum-galyum diselenit (CIGS) yarıiletken, katalitik ve paslanmaz çelik tabaka üzerine kaplanmış koruyucu filmden oluşmaktadır. Burada CIGS den oluşturulan yarıiletken eklem güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmekte olup, elektriksel iletkenliğe sahip indiyum kalay oksit (ITO) filmi, oluşan bu akımı hidrojen reaksiyonu katalizörü olarak davranan nikel molibden tabakaya aktarır. Yarıiletken tabakanın üzeri korozyona karşı şeffaf bir koruyucu tabaka ile kaplanmıştır. Paslanmaz çelik tabakanın arka yüzeyi ise oksijen reaksiyon katalizörü olarak davranan demir-nikel oksit (Fe:NiO x ) ile kaplanmıştır. Fotoelektroliz sisteminin şematik gösterimi şekil-2 de verilmiştir. Şekil-2 Fotoelektroliz Sistemi Bu tasarımın, elektriksel akımın ITO tabakası boyunca toplanması nedeniyle verimi ters yönde etkilemesi ve NiMo tabakasının küçük alanın hidrojen çevrim verimini azaltması gibi dezavantajları bulunmaktadır. Bununla beraber, CIGS fotoelektrodu % 10 nun biraz üzeri bir verime sahip olup, gelecek için ümit vermektedir. 4. FOTOELEKTROLİZİN HİDROJEN EKONOMİSİ ÜZERİNE ETKİSİ Yakıt pili ile çalışan araçların özellikle çevre üzerindeki olumlu etkileri göz önüne alındığında, son zamanlarda hidrojen enerjisi üzerindeki çalışmalar gittikçe yoğunluk kazanmıştır. Yapılan hesaplar 2010 yılında 100,000 den fazla hidrojenli arcın yollarda olacağını göstermektedir. Buna göre yılda yaklaşık 40 milyon ton civarında hidrojen yakıtı üretilmesi gerekmektedir [5]. Günümüzde fosil yakıtlardan hidrojen üretim maliyetleri, yenilenebilir enerji kaynaklarından yapılan hidrojen üretimine göre daha ucuzdur. Mevcut doğal gaz fiyatları ile hidrojen üretimi Giga Joule başına yaklaşık 7.0 USD dir [6]. Buna karşın Fotoelektroliz yöntemi ile hidrojen üretim maliyeti Giga joule başına halen yaklaşık 41.0 USD civarındadır [7]. Ancak, fotoelektroliz yöntemi üzerindeki çalışmalarla bu fiyatların giderek düşeceği buna karşın petrol ve gaz fiyatlarının artışı ile fosil yakıtlardan 420

5 hidrojen üretim maliyetlerinin de giderek artacağı açıktır. Buna göre aradaki fiyat farkının önümüzdeki yıl içerisinde kapanması beklenmektedir. 5. SONUÇ Fotoelektroliz, hidrojenin yenilenebilir enerji kaynaklarından üretimi içinde halen en ucuz ve en verimli yöntem olarak görülmektedir. Bunun başlıca nedeni ise, güneş enerjisinden doğrudan elektrik enerjisi üretimini sağlayan fotovoltaik sistemlerle elektroliz olayını bir yarıiletken fotoelektrot kullanarak entegre etmesi ve işlemleri tek bir sistem halinde yapmasıdır. Bu teknoloji henüz araştırma safhasında olmasına rağmen, gerek gösterdiği yüksek performans gerekse maliyet açısından en ümit verici metot olarak karşımıza çıkmaktadır. Bilindiği üzere fosil yakıt kaynaklarından hidrojen üretimi halen daha ucuz görünmekle birlikte, bu kaynakların sınırlı olması ve atmosfere yaydıkları emisyon nedeniyle verdikleri çevre zararı ile uzun sure kullanımları zaten mümkün değildir. Sürdürülebilir ve çevre dostu enerji olarak Kabul edilen hidrojen ekonomisine geçiş için yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı büyük önem taşımakta olup, bu alandaki çalışmalara hız verilmesi gerekmektedir. 6. KAYNAKLAR 1. Miller, E. and Rocheleau R. Photoelectrochemical Production of Hydrogen, University of Hawaii at Manoa: Hawaii Natural Energy Institute, 2002, p Archer MD, Bolton JR (1990) Requirements for ideal performance of photochemical and photovoltaic solar energy converters. J. Phys. Chem. 94: Miller, Eric and Rocheleau, Richard. Photoelectrochemical Production of Hydrogen, University of Hawaii at Manoa: Hawaii Natural Energy Institute, pp Warren, Scott. Photoelectrochemical Splitting of Water: Using Porphyrins as Catalysts. DOE ERULF Program, Whitman College, National Renewable Energy Laborotory p National Hydrogen Energy Roadmap. United States Department of Energy, pp Goswami, D. Yogi. Et. Al. Task 4: Hydrogen Production. University of Florida, Department of Aerospace and Mechanical Engineering p Production and Delivery of Hydrogen, Hydrogen Fuel Cells & Infrastructure Program, US Depertment Energy