Hidrojen, geleceğin temiz enerji sistemlerinde elektronlar için mükemmel bir tamamlayıcıdır. Hidrojen en küçük atomdur ve periyodik tablodaki ilk elementtir. Yeryüzündeki hidrojen su molekülünde, canlılarda ve fosil maddelerde bulunur. Örneğin, güneş en çok bulunan element hidrojendir. Kimyasal olarak çok aktif olduğundan, doğada saf halde element olarak bulunması çok zordur.
Hidrojen Enerjisinin Tarihçesi:
Hidrojen 1500’lü yıllarda keşfedilmiş, 1700’lüyıllarda yanabilme özelliğinin farkına varılmış, evrenin en basit ve en çok bulunan elementidir.
19. yüzyılda buharın bulunması ile başlayan ve devamında Sanayi Devrimi ile devam eden süreçte insan gücünden ziyade makine gücüne duyulan ihtiyacın artmasıyla beraber enerjiye duyulan ihtiyaç da sürekli olarak artmıştır. Bu enerji ihtiyacını karşılamak için günümüze kadar odundan kömüre, daha sonraları hidrokarbon kökenli fosil yakıtlara kadar birçok kaynağa başvurulmuştur. Böylece yaşam standartları, daha üst düzeylere ulaşarak günümüze kadar gelmiştir.
hidrojen enerjisi
Hidrojenin literatürde kendisinden söz ettirmesi 1974 yılında ABD Florida’da Miami Üniversitesi Temiz Enerji Enstitüsü tarafından düzenlenen “Hidrojen Ekonomisi Miami Konferansı”nda gerçekleştirdiği söylenebilir. Bu toplantı ile Uluslararası Hidrojen Enerjisi Birliği (IHEA) kurulmuştur.
Yakıt olarak hidrojenin uçaklarda kullanılması ilk kez 1956 yılında ABD’de denenmiştir. Bu yıldan sonra hidrojenin yakıt olarak kullanılması için çeşitli motor teknolojileri denene gelmiştir.
Hidrojen Enerjisi Nedir?
Güneş ve diğer yıldızların termonükleer tepkimeye vermiş olduğu ısının yakıtı hidrojen olup, evrenin temel enerji kaynağıdır. 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.
İlgili İçerik – Yenilenebilir Enerji Kaynakları Nelerdir?
Hidrojen bir doğal yakıt olmayıp, birincil enerji kaynaklarından yararlanılarak su, fosil yakıtlar ve biyokütle gibi farklı hammaddelerden üretilebilen sentetik bir yakıttır. Üretilmesi aşamasında buhar iyileştirme, atık gazların saflaştırılması, elektroliz, foto süreçler, termokimyasal süreçler, radyoliz gibi alternatif birçok hidrojen üretim teknolojileri mevcuttur. Üretilen hidrojen boru hatları veya tankerler ile büyük mesafelere taşınabilir. Hidrojenin taşınmasında engellerin olmaması, daha fazla kullanımı sağlayacaktır.
Hidrojen, bilinen tüm yakıtlar içinde birim başına 120,7 kJ/kg değeri ile en yüksek enerji içeriğine sahiptir. Hidrojen -252,77°C’da sıvı hale getirilebilir ve sıvı hidrojenin hacmi gaz halindeki hacminin sadece 1/700’ü kadardır. Sıvı hidrojenin birim kütlesinin ısıl değeri 141,9 MJ/kg olup petrolden 3,2 kat daha fazladır. Sıvı hidrojenin birim hacminin ısıl değeri ise 10,2 MJ/m3’tür ve petrolün %28’i kadardır. Gaz hidrojenin birim kütlesinin ısıl değeri sıvı hidrojenle aynı olup doğal gazın 2,8 katı kadardır. Gaz hidrojenin birim hacminin ısıl değeri ise 0,013 MJ/m3’tür ve doğal gazın %32,5’i kadardır.
Hidrojenin bir özelliği, ekzotermik kimyasal reaksiyon altında bazı metal ve alaşımlarla kolayca büyük miktarlarda hibrit biçimine dönüşmesidir. Metal hibritler hidrojenin depolanması ve taşınması için kullanılmaktadır. Metal hibritlerin kütlesel enerji içeriği 2-10 MJ/kg ile sıvı hidrojene göre çok küçükken hibritlerin hacimsel enerji içeriği 12,6-14,3 MJ/m3’ değeri ile gaz ve sıvı hidrojenden daha büyüktür.
Hidrojenden Enerjisi Nerelerde Kullanılır?
Günümüzde hidrojenden yakma ve yakıt pili olmak üzere iki yöntemle enerji elde edilebilmektedir. Bu iki teknoloji hidrojenin enerjisinin kullanım alanlarını belirlemektedir.
Yakma Teknolojileri: Hidrojen, benzin ve doğal gaz gibi yakılabilir. Petrol türevleri yakıtlara göre üstünlüğü salımların daha az olmasıdır. Askeri ve endüstriyel amaçlar için hidrojen türbinleri ve araçlar için içten yanmalı motorlar geliştirilmektedir. Benzinli bir otomobil ortalama olarak 65 litre ( 47kg ) benzin almakta olup, bu da enerji olarak 17 kg hidrojene karşılık gelmektedir.
Yakıt Pili Teknolojileri: Yakıt pilleri elektrolizin tersi olarak çalışan malzemelerdir. Hidrojen ve havadaki oksijen birleştirilerek (anot ve katot oluşturularak) elektrik akımı elde edilir. Yakmaya göre verimi fazladır ve daha çok tercih edilen yöntemdir.
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 telofonları 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 Yakıtının Özellikleri Nelerdir?
Fosil yakıtlar ise sadece alevli yanmaya uygunken hidrojen; alevli yanmaya, katalitik yanmaya, direkt buhar üretimine, hibritleşme ile kimyasal dönüşüme ve yakıt hücresi ile elektrik dönüşümüne elverişli bir yakıttır.
Hidrojen alevli yanma özelliği ile içten yanmalı motorlarda, gaz türbinlerinde ve ocaklarda yakıt olarak kullanılabilmektedir. Hidrojenin direkt buhara dönüşme özelliği buhar türbinlerinde uygulanmasında da kolaylık sağlamaktadır. Hidrojenin katalitik yanma özelliğinden mutfak ocakları, su ısıtıcıları ve soba uygulamalarında yararlanılabilmektedir. Hibritleşme özelliği sayesinde ise hidrojen emniyetli bir şekilde depolanabilmektedir.
Hidrojen, diğer yanma türlerine göre daha verimli yanma özelliğine sahiptir. Bünyesinde karbon, azot ve kükürt içermediği için yandığında CO, CO2, HC, SOx gibi maddeler açığa çıkarmaz, çok az miktarda NOx çıkarır. Hidrojen yandığı zaman sadece su ve ısı açığa çıkmaktadır.
Yanması için 0,15-4,35 değerleri ile diğer yakıt türlerine göre daha düşük hava fazlalık katsayısına ihtiyaç duyar. Bu da daha az yakıt/hava karşımı ile tepkimenin gerçekleştirilebilmesini sağlamaktadır.
Hidrojen sudan elde edilebildiği gibi fosil yakıtlardan da elde edilerek yüksek verimli bir yakıt olarak karşımıza çıkmaktadır. Örneğin, ulaştırmada bir otobüsün gideceği mesafe üzerinden analizinde şu sonuçlar elde edilmiştir:
1 ton kömürü benzine dönüştürülüp kullanıldığında otobüsün gideceği mesafe: 708 km
1 ton kömürü elektriğe dönüştürülüp kullanıldığında otobüsün gideceği mesafe: 722 km
1 ton kömürü hidrojene dönüştürülüp kullanıldığında otobüsün gideceği mesafe: 1030 km
Hidrojenin Fosil Yakıtlara göre üstünlükleri şu şekilde sıralanabilir:
Yüksek alev hızı ve tutuşma yeteneği,
Düşük ateşleme enerjisi gerektirmesi,
Geniş tutuşma ve yanma sınırları,
Benzin ve dizel ile birlikte çeşitli karışım oranlarında çift yakıtlı motor olarak çalışabilme olanağına sahip olması,
Yüksek ısıl değer ve termik verim,
Sahip olduğu yüksek oktan sayısı nedeni ile vuruntuya kaşı dirençli olması,
Az miktarda NOx dışında hiçbir emisyon üretmemesi.
Hidrojen Enerjisinin Özellikleri Nelerdir?
Hidrojen enerjisi; fosil enerji kaynaklarının (kömür, petrol, doğal gaz) hızla tükenmesi nedeniyle çevreye zarar vermeyen “geleceğin enerjisi” olarak anılmaktadır. Kolayca ve güvenli olarak her yere taşınabilen, taşınmasında çok az enerji kaybı olan, her yerde (sanayide, evlerde ve taşıtlarda) kullanılabilen, tükenmez, temiz, kolaylıkla ısı, elektrik ve mekanik enerjiye dönüşebilen, karbon içermeyen, ekonomik ve hafif olan hidrojenin; güneş ömrü olarak tahmin edilen gelecek 5 milyar yılın da yakıtı olacağı söylenmektedir. Hidrojen, diğer yakıtlara göre pahalı olmasına rağmen uzun dönemde teknolojik ilerlemelerle enerji kullanımında önemli rol oynayacağı düşünülmektedir.
hidrojen elde etme yöntemleri
Hidrojen ve elektrik birbirine kolaylıkla dönüştürülebilir enerji türleri olduğundan hidrojen, tüm sektörleri doğrudan ya da dolaylı etkileyebilmesi, toplumsal gelişme ve refah düzeyini belirleyici oluşu açısından gün geçtikçe daha da önemli bir konuma geleceği öngörülmektedir. Yaklaşık otuz yılı aşkın bir süredir hidrojen üretiminin gelişmesiyle, dünya genelinde kimya ve petrol sanayine bağlı olan ve giderek büyüyen bir hidrojen ekonomisi söz konusudur. Bu nedenle hidrojenin; petrol, kömür ve doğal gazın gelecekte yaygınlaşabilecek alternatiflerinden biri olacağı belirtilmektedir.
Yenilenebilir enerji kaynakları içerisinde güneş enerjisi gibi her zaman enerji üretmek mümkün değildir. Ama hidrojen ihtiyaç olan yerlere taşınabilir ve stoklanabilir. Bunlar, hidrojenin diğer alternatif enerji kaynaklarından ayıran en önemli özelliklerinden birkaçıdır.
Akaryakıt motorlarında görülen buhar tıkacı, soğuk yüzeylerde yoğuşma, yeterince buharlaşamama, zayıf karışım gibi sorunlar hidrojen motorlarında görülmez. Hidrojen motorları 20,13 Kelvin (-273 Santigrad derece)’de ilk hareketine başlarken bile sorun çıkarmaz.
Hidrojen geniş bir tutuşma sıcaklığına sahip olduğundan değişik hava fazlalık katsayılarında çalışabilmektedir. Ayrıca hidrojenle çalışan motorlar, yüksek alev hızına, geniş alev cephesine ve yüksek detanasyon sıcaklığına sahiptir ve kotrolsüz yanmaya (vuruntuya) karşı dayanıklıdır.
Neden Yaygınlaşamıyor?
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 gösteriyor. Bununla birlikte, günlük veya mevsimlik periyotlarda oluşan ihtiyaç fazlası elektrik enerjisinin hidrojen olarak depolanması günümüz için de geçerli bir alternatiftir.
Kaynaklar:
1) TESAB, “Elektrik Enerjisi Teknolojileri ve Enerji Verimliliği” kitabı
2) https://abis.bozok.edu.tr/user_dosyalar/651-50643.pdf
3) https://www.academia.edu/4260172/Hidrojen_Enerjisi_Nedir_Sunumu
