YAKIT HÜCRESİ (FUEL CELL)TEKNOLOJİSİ

Transkript

1 YAKIT HÜCRESİ (FUEL CELL)TEKNOLOJİSİ Yakıt hücresi veya yakıt pilleri, hidrojenin yakıt olarak kullanıldığı ve kimyasal enerjinin elektrik enerjisine çevrildiği sistemler olarak adlandırılmaktadır. Bu sistemlerde hidrojenin yanma ürünleri yalnızca su ve su buharlarıdır. Yeni geliştirilen bu sistemlerde hidrojen doğrudan ya da hidrojen salan herhangi bir kaynak yardımıyla sisteme verilmekte ve istenilen enerji elde edilmektedir. Yakıt olarak H2 (Hidrojen) kullanılmakta olup bu işlem sonucunda yan ürün olarak su ve ısı çıkmaktadır. Dolayısıyla hava kirliliğine neden olan karbon ve türevlerinin olmaması nedeniyle çevre dostu bir enerji üretim şeklidir. Yakıt hücresine yönelik ilk çalışmalar İngiltere de 1800 yıllarda William Nicholson ve Anthony Carlisle tarafından yapılmıştır. Bu ilk çalışmalarda su molekülündeki Hidrojen ve Oksijeni elektrik akımı kullanarak ayrıştırma işlemi gerçekleştirilmiştir. Daha sonra bu alanda yapılan çeşitli araştırma ve geliştirme çalışmalarında önemli mesafeler kat edilmiştir. Günümüzde hidrojen yakıtı ile çalışan değişik konfigürasyonlarda yakıt hücreleri içeren modüler yapıdaki güç kaynakları üretilmiş ve kullanıma sunulmuştur. Fosil yani karbon temelli yakıtların artan bir oranda tüketilmesi durumunda petrole yıl, doğalgaza yaklaşık 100 yıl ömür biçilmektedir. Karbon kökenli enerji kaynaklarının sonlu olduğu düşünüldüğünde orta ve uzun vadede hidrojen temelli enerji üretimine geçiş bir zorunluluk haline gelecektir. Karbon temeli yakıtların bu hızla tüketilmesine devam edilmesi durumunda yükselen CO2 emisyon değerlerinin yaratacağı küresel ısınmanın 1

2 dünya üzerindeki tüm yaşamı tehdit edebilecek boyutlara ulaşabilecektir. Yakıt hücresinin temel çalışma prensibini şekilde görüldüğü gibidir. PEM yakıt hücreleri anod, katot olmak üzere iki elektrot ve bu elektrotları birbirinden ayıran polimer mebrandan (elektrolit) oluşmaktadır. Her iki elektrot bir kenarından ince platinyum katalizör tabakası ile örtülmüştür. Elektrotlar katalizör ve mebran ile birlikte mebran elektrotu oluştururlar. Hidrojen yakıt olarak kullanılır ve yakıt hücresinin anot kenarından beslenir. Anotta platinyum katalizör görevi yapar ve hidrojendeki elektronları ve protonları birbirinden ayırır. Şekilde görüldüğü gibi yüklü elektronlar mebrandan geçemez dış çevrime yönlendirilir. + Yüklü protonlar ise mebrandan geçerek katoda doğru hareket ederler. Dış çevrime yönlendirilen elektronlar elektrik akımı formunda lambayı yakar ve döngüsünü tamamlamak üzere katoda doğru hareketine devam ederler. Katot bölgesinde dış çevrimden gelen elektronlar ve mebrandan geçerek gelen protonlar buraya uygulanan hava içerisindeki oksijenle birleşerek bildiğimiz saf suyu ve reaksiyon sonucunda ısıyı oluştururlar. En temel anlamda çalışma prensibi anlatılan bu yakıt hücrelerinde gerçekleşen işlem sonucunda yaklaşık 1,17-1,23 voltluk gerilim üretilmiş olur. Söz konusu bu yakıt hücrelerinden birden fazlasının seri şeklinde bağlanarak bir araya getirilmesiyle oluşturulan üniteler ile istenilen güçlerde enerji kaynakları oluşturulabilmektedir. Yakıt hücresine hidrojen sağladığı müddetçe kesintisiz elektrik elde edilebilmektedir. Günümüzde yakıt hücrelerini araştırma ve geliştirme konusunda özellikle ABD ve Avrupa da milyarca dolar seviyesinde bütçeler ayrılmakta ve harcanmaktadır. Hidrojen teknolojisi stratejik öneme haiz bir teknoloji olarak ABD ve Avrupa ülkeleri tarafından kabul görmekte ve bu teknolojinin tam anlamıyla ticarileşmeye geçebilmesine yönelik büyük ölçekli firmalara önemli destekler verilmektedir. Yakıt hücresinin ana girdisi olan hidrojen, bir proton ve bir elektrondan oluşan ve periyodik tablonun başında yer alan en hafif bir elementtir. Hidrojen evrendeki en bol bulunan elementlerden biridir. Evrendeki görünür maddenin yaklaşık %90 dan fazlası 2

3 hidrojenden oluşmuştur. Renksiz, kokusuz, tatsız ve zehirsiz özelliklere sahip hidrojen içten yanmalı motorlarda yakıldığında neredeyse hiç zararlı emisyon açığa çıkarmaz, tek yan ürünü sudur. Evrende en bol bulunan bir element olmasına karşın, hidrojen dünyada saf halde bulunmamaktadır. Hidrojen suda oksijenle bileşik olarak veya fosil yakıtlarda ve sayısız hidrokarbon bileşenlerde ve diğer elementlerle bileşik halde bulunur. Yakıt hücreleri, kullanılan elektrolit cinsine bağlı olarak muhtelif çeşitlere ayrılmış olup tabloda detaylı olarak gösterilmiştir. Hidrojen bazlı yakıt hücrelerinden oluşan enerji kaynaklarının; Çevre dostu olması, Düşük veya sıfıra yakın emisyon yayması, Hareketli parçalardan oluşmaması nedeniyle uzun ömürlü olması Hidrojen yakıtının yerel kaynaklardan temin edilebilir olması ve fosil yakıtlara göre dışa bağımlılığın azalması, Modüler yapıda olabilmesi, sabit ve mobil konfigürasyonda üretilebilmesi, Teknoloji ilerledikçe daha basit / düşük maliyet beklentisi Sessiz olması gibi nedenlerden dolayı geniş bir kullanım potansiyeline sahiptir. 3

4 Yakıt hücreleri değişik boyutlarda ve güçlerde, gereksinimlere göre çok değişik alanlarda kullanım yeri bulunmaktadır. Hidrojen teknolojisinde firmalar ve araştırma kurumları; Elektrik Enerjisi Ulaşım Savunma, Havacılık ve Uzay alanlarını öncelikli hedef alanları olarak belirlemişlerdir. Hidrojen kaynaklı elektrik enerji üretimi konusunda ABD ve Avrupa da birçok firma bulunmakta ve bu pazarda pazar paylarını artırabilmek için maliyet etkin çözümler bulmaya yönelik çalışmalar büyük bir hızla devam etmektedir. Bu alanda cep telefonlarında pil olarak kullanmaktan başlayıp, MW lar seviyesinde elektrik enerjisi sağlayabilecek santraller üretilebilmektedir. Bazı Avrupa ülkelerinde ve ABD de elektrik santrallerin kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır. 300 kw güçten başlayan ve 10MW+ seviyesinde elektrik enerjisi üreten yakıt hücre teknolojisi kullanan bazı sabit ve hareketli jeneratör ve elektrik santrallerini aşağıda görebilirsiniz. 4

5 DFC Yakıt Hücreli Güç Santrallerinde verim mikro-türbin, gaz türbin ve doğalgaz kullanan türbine göre verime oldukça yüksektir, % 70 ler seviyesine ulaşmıştır. DFC (Direct Fuel Cell) Güç Santralini yönelik örnek aşağıda verilmiştir. 5

6 Günümüzde hidrojenin güneş enerji kullanarak dünyada bol miktarda bulunan suyun elektrolizi yoluyla temin etme çalışmalarına büyük önem verilmektedir. Ayrıca güneş enerji yanında rüzgar enerjisinden de istifade edilerek hidrojen elde edilmekte ve rüzgarın yeterli olmadığı durumlarda hücreleri tarafından kullanılarak elektrik enerjisinin kesintisiz üretimi sağlanmaktadır. Bu türlü uygulamalar ABD, Almanya, Fransa Norveç, İsveç, Danimarka, Almanya, Fransa ve Japonya gibi ülkelerde kullanılmaktadır. Güneş enerjisi kullanarak hidrojen elde etme çalışmaları Suudi Arabistan da da sürdürmektedir. Şekilde örnek bir konut uygulaması modeli verilmiştir. Özellikle küçük yerleşim bölgelerinde (ada veya remote bölgelerde konuşlu yaşam alanları için) ihtiyaca göre yakıt hücreli elektrik santralleri kullanımı yaygınlaşmaktadır. Hidrojen yakıtı ulaştırma alanında da geniş bir kullanım potansiyeline sahiptir. Dünya otomobil pazarının önde gelen GM, Ford, Daimler Chrysler, Mercedes, BMW, Audi, 6

7 Toyota, Honda gibi otomobil üreticileri hidrojen yakıtlı araç AR-GE çalışmalarına büyük yatırımlar yapmaktadır. Otomobil fuarlarında hidrojenle çalışan araç prototipleri önemli yer tutmaya başlamıştır. Ticarileşmenin orta ve uzun vadede gerçekleşeceği değerlendirilmektedir. Karayollarında hidrojen yakıtlı araç sayısında büyük rakamlara şu aşamada ulaşılamasa da orta vadede ulaşımda geleceğin bu taşıtlar üzerine olacağı kesin gözüyle bakılmaktadır. Global ısınma, hava kirliliği, gürültü, temiz enerji gibi hususlara büyük hassasiyet gösteren ve insan sağlığını büyük önem veren Avrupa nın birçok büyük şehirlerinde ve kısmen ABD de toplu taşım araçların bir kısmı hidrojen yakıtlı araçlardır ve sayısı her geçen gün artmaktadır. 7

8 Toplu taşım araçlarının yanı sıra, bisiklet, motosiklet, fork-lifts, deniz araçları ve golf arabasında hidrojen yakıtı kullanımı da yaygınlaşmıştır. Savunma ve uzay alanında da önemli kullanım yeri olan hidrojen yakıtlı güç kaynakları uzay istasyonunda, insansız hava araçlarında, yeni nesil denizaltı daha birçok askeri araç ve teçhizatlarında kullanılmaktadır. Sonuç: Yeni enerji kaynakları arayışında olan insanoğlu için geleceğin yakıtı hidrojen ve teknolojisi ise yakıt hücresi teknolojisi olarak görülmektedir. Hidrojen teknolojinin geliştirilmesine yönelik AR-GE çalışmalarına büyük yatırımlar yapılmaktadır. Gelişmiş ülkeler büyük fonlar ayırmaktadır. Hidrojen ve yakıt hücre üretme teknikleri geliştirilmeye, maliyetleri fosil yakıt enerji maliyetleri seviyesine getirmeye, ticarileştirme sürecini en kısa sürede tamamlamaya ve hidrojen temelli altyapıyı geliştirmeye yönelik önemli adımlar atılmaktadır. Bu alanda teknolojisini geliştiren gelecekte enerji pazarlarına hakim olacaktır. Avrupa ve ABD de hidrojen teknolojisi üzerine global ölçekteki uluslararası firmalar çalışmalarını sürdürmektedir, geliştirdikleri ürünleri pazara sunmaktadır. Gelişmiş ülkelerde bu alanda çalışan ve yatırım yapan firmalara önemli destekler verilmektedir. Üniversitelerde araştırmalar büyük bir hızla devam etmektedir. Bu konuda ülkeler arası organizasyonlar kurulmakta, çalıştaylar yapılmakta ve her ülke kendi firmalarını, araştırma kurumlarını ve üniversitelerini bu çalışmalarda aktif ve yoğun bir şekilde yer almasını sağlamaktadır. Gelecekte bu alanda söz sahibi olmak, dışarıya bağımlılığı azaltmak, zamanında hidrojen teknolojisi altyapısını oluşturabilmek, geçiş sürecini problemsiz atlatabilmek, ülke kaynaklarının dışarıya gitmesini önlemek ve yüksek teknolojiye sahip olmak için ne gerekiyorsa yapılması gerekmektedir. Başlanılmış çalışmalar da kuvvetle desteklenmeli, 8

9 yeni teşvikler oluşturulmalıdır. Gerek kamu kurum ve kuruluşlarımız gerekse sanayicilerimiz birlikte hareket etmeli ve devletçe desteklenmelidir. Aksi taktirde diğer teknolojilerde olduğu gibi dışa bağımlı kalır kısaca aynı filmi seyretmeye devam ederiz. Kaynaklar; Fuel Ceel EnergyCompany Presentation and Technology Brochure, IEA Hidrogen Coordination Group R&D Priorities Group Document,UNIDO-ICHETHidrojen Enerji Sistemleri Eğitim Programı. 9