CC BY
244УДК 544.54
HiDROJEN GAZININ URETiM YÔNTEMLERÎ VE ENERJi KAYNAGI OLARAK
AVANTAJ VE DEZAVANTAJLARI
ÇiÇEK FETHULLAH ABDULBAKi OGLU
PhD, Radyasyon Problemleri Enstitusu, AMiA, Baku, Azerbaycan
ALiYEVA-ÇiÇEK SAMiRA FAHRETTiN KIZI
Genç araçtirmaci, Radyasyon Problemleri Enstitusu, AMiA, Baku, Azerbaycan
Ozet: Enerji, surdurulebilir kalkinma hedefine ulaçmada oldukça stratejik bir oneme sahiptir. Ozellikle fosil orjinli yakitlarin toplumlarin enerji ihtiyacini karçilamada kullanilmasi onemli ekonomik, çevresel ve sosyal sorunlara yol açmaktadir. Bu açidan bakildiginda hidrojen enerjisi bu problemlerin çozumunde onemli bir alternatif kaynak olarak karçimiza çikmaktadir. Ekolojik açidan temiz ve verimli bir enerji ta§iyicisi olan hidrojenin, gelecegin enerjisi olma yolunda onemli bir yere sahip olacagi beklenmektedir. Bundan dolayi bu çaliçmada, surdurulebilir kalkinmada enerjinin rolunu degerlendirirken, hidrojen enerjisinin uretim yontemlerini ve enerji kaynagi olarak avantaj ve dejavantajlarini ele alacagiz.
Anahtar kelimeler: yenilenebilir enerji kaynaklari, hidrojen enerjisi, elektroliz, fosilyakitlari.
Giriç
Gunumuzde yenilenebilir enerji kaynaklari ile ilgili birçok çaliçma yapilmaktadir. Bu kaynaklar içerisinde ruzgar ve gune§ enerjisi one çikmaktadir. §u anda yeryuzunde kullanilan fosil yakitlarin çevreye zarar vermesinden ve kaynaklarin azalmasindan dolayi, insanlar alternatif bir enerji arayiçi içerisindedirler. Bu arayiçlar sonucunda hidrojen enerjisinin oneminin farkina varilmi§tir. Temiz, bol, çevreye zarar vermemesi gibi bazi ozelliklerinden dolayi insanlar hidrojeni gelecekte kullanabilecek en çevreci enerji kaynagi olarak duçunmektedir. Hidrojen periyodik tabloda birinci grup ve birinci periyotta bulunan ilk elementtir ve elementlerin en hafifidir. Hidrojen havadan daha hafif oldugundan, atmosferde yukselir ve bu sebeple nadiren saf hali olan H2 formunda bulunur. Havada yanan saf hidrojen gazi alevi (H2) oksijenle (O2) tepkimeye girer ve su (H2O) oluçur. Bu tepkime sonucunda enerji açiga çikar.
2H2 (g) + O2 (g) ^ 2H2O (g) + enerji
Hidrojen, dogada çok bulunmasina ragmen saf halde degildir. Yani çeçitli yontemler ile hidrojeni saf olarak elde etmek gereklidir. Hidrojenin uretim yontemleri de burada devreye giriyor. Hidrojen uretimi, fosil yakitlar veya yenilenebilir kaynaklar ile çeçitli hidrojen uretim teknikleri ile yapilabiliyor. Hidrojen uretimi, hidrojen gazi uretimi için gerekli endustriyel metotlarin bir parçasidir. Gunumuzde hidrojen uretimi %95 oraninda fosil yakitlardan saglanmaktadir. Dogal gazin buhar reformasyonu, metanin kismi oksidasyonu ve komur gazlaçtirma gibi teknikler fosil yakitla hidrojen uretimi yontemleri arasinda one çikiyor. Diger bilindik metotlar ise biyokutle gazlaçtirmasi ve elektroliz yontemleridir.
Bu çaliçma hidrojenin bir enerji kaynagi olarak dunya ekonomisindeki onemini ve çevresel yararlarini ortaya koymanin diçinda, tum enerji kaynaklari kapsaminda; Hidrojen kavrami, enerji kaynaklari içerisinde hidrojenin yeri, hidrojenin uretimi, enerji kaynagi olarak avantaj ve dejavantajlarina baki§ geçirecegiz.
HiDROJENiN URETiM YÔNTEMLERÎ
Dogada en çok bulunan element olan hidrojen, endustriyel içlemlerde de ihtiyaç duyulan çok onemli bir maddedir. Dogada çok bulunmasina ragmen saf halde degildir. Yani çe§itli yontemleri ile hidrojeni saf olarak elde etmek gereklidir. Hidrojen uretim yontemleri de burada devreye giriyor.
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
Hidrojen üretimi, fosil yakitlar veya yenilenebilir kaynaklar ile ge§itli hidrojen üretim teknikleri ile yapilabiliyor.
Hidrojen üretimi, hidrojen gazi üretimi ifin gerekli endüstriyel metotlarin bir par9asidir. Günümüzde hidrojen üretimi %95 oraninda fosil yakitlardan saglanmaktadir. Dogal gazin buhar reformasyonu, metanin kismi oksidasyonu ve kómür gazla§tirma gibi teknikler fosil yakitla hidrojen üretimi yóntemleri arasinda one 9ikiyor. Diger bilindik metotlar ise biyokütle gazla§tirmasi ve elektroliz yontemleridir. Hidrojen üretimi, bir9ok farkli yóntemde ger9ekle§tirilebilir. Genel olarak kullanilan hidrojen üretim yontemleri a§agida gósterilmi§tir.
Hidrojen 1500'lü yillarda ke§fedilmi§, 1700'lü yillarda ise yanici ozelliginin farkina varilmi§, evrende en 90k bulunan en basit elementdir. Güne§'te dahil olmak üzere bütün yildizlarin termonükleer tepkimeyle vermi§ oldugu isinin yakiti hidrojendier. Bu nedenle evrenin temel enerji kaynagidir. Hidrojen enerjisi, dogada bile§ikler halinde hidrojen moleküllerini barindiran kaynaklarin i§lenmesi ve dónü§türülmesi sonucu elde edilen hidrojen gazinin elde edilmesi sonucu olu§an enerji kaynagidir. Dogal enerji kaynagi olmadigi halde, enerji verimliligi ve 9evre dostu olmasi dolayisiyla, alternatif enerji kaynaklari arasinda ónemini güngittik9e artirmaktadir . Bu enerji, 9e§itli yóntemlerle isi ve elektriksel eneji formona dónü§türülebilmektedir. Hidrojen enerjisi ta§imaciliktan sanayiye, uzay roketlerinden petrol üretimine kadar bir9ok yerde kullanilmaktadir. Verimliligin yüksekligi ve 9evre dostu bir kaynak olmasi nedeniyle hidrojen enerjisi ile ilgli ara§tirmalar 1970'li yillarda hiz kazanmi§tir. ilk defa 1974 yilinda yapilan bir konferans ile dünya hidrojen enerjisi terimi ile tani§mi§tir. Hidrojenin bir9ok kimyasal proseste ihtiya9 duyulan bir madde olmasindan dolayi, hidrojen üretimi endüstri i9in 9ok ónemli hal almi§tir. Dünya genelinde petrol damitilmasi, amonyak ve metanol üretimi, ayrica ula§im gibi i§lemler i9in, 2019 yilinda yillik yakla§ik 70 milyon ton hidrojen üretildi.
§ekil-1'de gósterildigi gibi Hidrojen üretimi, bir9ok farkli yóntemde ger9ekle§tirilebilir. Ozellikle kómür, dogal gaz ve petrol gibi fosil yakitlar üzerinde ger9ekle§tirilen bir takim i§lemler ile hidrojen üretimi yapilir. Günümüzde en yaygin olarak kullanilan hidrojen üretim yóntemleri a§agidaki gibidir.
Buhar Reformasyonu: Buhar reformasyonu, dogal gazdan hidrojen üretimi yóntemidir. Bu method en ucuz hidrojen üretim yontemidir. Bu yóntemde dogal gaz ve 700-1000 0C arasinda sahip buhar, bir nikel katalizor ile reaksiyona sokulur. Endotermik reaksiyon sonucu, metan moleküllerinin
baglari kirilarak, CO ve H2 elde edilir. Bu reaksiyonun en temel yan ürünleri CO, CO2 ve diger sera gazlaridir. Dogal gaz, zengin gazlar ve neft yagi gibi ham maddelerin kalitesine bagli olarak, bir ton hidrojen üretimi 9 ton ile 12 ton arasinda CO2 oluçumuna sebep olur. Bu proses için yüksek sicakliktaki su buhari ile metan bir endotermik reaksiyonda tepkimeye girerek hidrojen ve CO oluçturur.
CH4 + H2O ^ CO + ЗН2
Bu reformasyonun ikinci açamasinda ise ilk açama sonucu açiga çikan CO yine H2O ile 360oC altinda, egzotermik su-gaz degiçim reaksiyonu ile tekrardan tepkimeye sokularak bir kez daha hidrojen üretimi gerçekleçtirilir. Burada ise hidrojen diçinda CO2 oluçan yan ürün olarak açiga çikar.
CO + H2O ^ CO2 + H2
Oksijen (O) atomu sudan ayrilarak karbonmonoksidi (CO) oksitler bu olay reaksiyonun devami için enerji saglar. Reaksiyonun oluçturulmasi için ek isi gereklidir, bu isi da bir miktar metanin yakilmasi ile elde edilir.
Kismi Oksidasyon: Kismi oksidasyon yöntemi ile de dogal gaz veya diger hidrokarbonlar kullanilarak hidrojen üretimi yapilir. Bir yakit-hava veya yakit-hidrojen kariçimi kismi olarak yakilarak, hidrojen açisindan zengin bir sentez gaz elde edilir. Hidrojen ve karbonmonoksit, su-gaz degiçimi reaksiyonu ile elde edilir.
Kismi oksidasyon yakit-hava veya yakit-oksijen kariçiminin bir kismi oksidasyon reaktörü içerisinde kismi olarak yakilmasi ile gerçekleçir. Termal kismi oksidasyon (TPOX) ve katalitik kismi oksidasyon (CPOX) arasinda bir ayrim yapilir. Kismi oksidasyonun kimyasal olarak gösterimi açagidaki gibidir.
CnHm + n/2 O2 ^ n CO + m/2 H2
Metan Pirolizi: Piroliz, organik maddelerin oksijensiz ortamda yüksek sicaklikta ayriçtirilmasidir. Metanin yani dogal gazin pirolizi sonucunda da hidrojen üretimi gerçekleçir. Reaksiyon 1065oC sicaklik altinda gerçekleçiyor. Bu üretim yönteminin genel denklemi açagidaki gibidir.
CH4(g) ^ C(s) + 2 H2(g) AH° = 74 kJ/mol
Kömür Gazlaçtirilmasi: Kömür ile hidrojen üretim yöntemi de kömür gazlaçtirma içlemidir. Kömür gazlaçtirma içleminde, kömür içerisindeki moleküler baglari kirmak için kontrollü bir gaz kariçimi ve buhar kullanilir ve hidrojen gaz kariçimi ve karbon monoksit (CO) oluçur. Bu hidrojen kaynagi, temel ürünü yakit için kullanilabilen kömür türevi gaz oldugu için degerlidir. Kömür gazlaçtirmasindan elde edilen gaz, kömürün geleneksel olarak yakilmasindan daha verimli elektrik üretmek için kullanilabilir.
Elektroliz ile Hidrojen Üretimi: Su ayriçtirma yöntemi olarak da bilinen elektroliz yönteminde iki elektrot arasindan elektrik akiminin geçirilmesi ile su, hidrojen ve oksijene ayriçtirilir. Ticari dü§ük sicakliktaki elektroliz sistemleri %56 ile %73 arasinda verimlilik degerlerine sahiplerdir. En yaygin kullanilan elektroliz yöntemi alkaline elektroliz hücreleri (AECs), fakat proton degiçim membranli (PEM) elektroliz ve kati oksit elektroliz hücreleri (SOEC) de geliçtiriliyor.
En çok kullanilan hidrojen üretim yöntemi olan buhar reformasyonu 700°C ile 1100°C arasinda bir sicakliga ihtiyaç duyarken, suyun elektrolizi 50°C ve 80°C arasinda gerçekleçtirilebilir. Bu iki yöntem arasindaki en temel fark birincil enerji kullanimidir. Elektroliz için birincil enerji kaynagi elektrikken, buhar reformasyonu için dogalgazdir. Elektrolizin maliyetinin dü§mesi ve yenilenebilir kaynaklardan üretilen elektrigin elektrolizde kullanilmasi hidrojen üretimi için önemli bir hedeftir.
Hidrojen Enerjisinin Mevcut Durumu, avantaj ve dezavantajlari
Hidrojen enerjisi teknolojileri günümüz §artlarinda üretim maliyeti, depolama zorluklari ve tarima maliyetlerinin yüksek olmasindan dolayi endüstride yeterli düzeyde yer almamiçtir. Özellikle iklim krizinin küresel piyasalarda ön plana çiktigi, hava kirliligi ve küresel isinmayi sinirlandirmak için temiz enerji kaynaklarinin öncelikli görüldügü bu zamanda, temiz hidrojen de hiz kazanmiçtir. Son yillarda çok sayida uzman, çe§itli kaynaklardan hidrojen üretimi, taçinmasi ve depolanmasi ile
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
emisyonsuz nihai enerji arzi saglamasi için bu kaynagin kullanim potansiyelini araçtirmaktadir. Hidrojen, neredeyse tüm bölgelerde giderek artan bir §ekilde ana akim enerji tartiçmalarinin temelini oluçturmaktadir. Çeçitli ülke ve §irketler hidrojeni, enerji sektörünün geleceginde rol oynamasi muhtemel önemli bir kaynak olarak görmektedir. Hidrojenin iki özelligi, yaygin kullanimina yönelik artan ilgiyi açiklayabilmektedir. Bu özellikler, hidrojenin dogrudan hava kirleticileri veya sera gazi emisyonlari olmadan kullanilabilmesi ve dü§ük karbonlu enerji kaynaklarindan üretilebilmesidir. Hidrojen; taçimacilik, petro-kimya ve demir-çelik gibi emisyonlari azaltmanin zor oldugu sektörlerde dekarbonizasyonu saglayabilecek yöntemler öneren bir kaynaktir. Ayrica, hidrojen, hava kalitesini iyileçtirmeye ve enerji güvenligini artirmaya da yardimci olabilmektedir. Hidrojen sayesinde enerjiyi farkli §ekillerde üretebilecek, depolayabilecek, taçiyabilecek ve kullanabilecek teknolojiler bulunmaktadir. Boru hatlariyla, tankerlerle ve gemilerle sivi hâlde taçinabilen hidrojen, elektrige ve metana dönü§türülerek haneler veya üretim sektörleri için enerji olarak veya arabalarda, kamyonlarda, gemilerde ve uçaklarda yakit olarak kullanilabilmenin yaninda hidrojen çok hafif ve diger gazlara göre hacminin çok fazla olmasi üretim ve taçinmada bazi zorluklari, daha çok organik fosil kaynaklardan elde edilmesi dolayisiyla da çevresel sorunlara da neden olabilir. Bu baglamda hidrojen enerjisinin genel olarak avantaj ve dezavantajlarini açagidaki maddeler halinde siralayabiliriz.
1. Hidrojen Enerjisinin Avantajlari
a) Hidrojen bütün enerji kaynaklari kullanilarak üretilebilir. Buna yenilenebilir enerji kaynaklari da dahildir.
b) Hidrojen elektrik üretiminde, diger kaynaklara nispeten daha yüksek verimlidir.
c) Fosil yakitlar son kullanimda sadece bir sûreç ile dönü§türülürken, hidrojen kullanilacak enerji çekline be§ farkli sûreç ile dönü§türülmektedir.
d) Son kullanimda hidrojen kullanilacak enerji §ekline dönü§ürken en yüksek verime sahiptir. Hidrojen fosil yakitlardan %39 daha verimlidir. Kisaca hidrojen birincil enerji kaynaklarini korur.
e) Hidrojen gaz çeklinde (büyük ölçekli depolamada), sivi çeklinde (hava ve uzay ulaçiminda) veya metal hidrit çeklinde (araçlar ve diger kûçûk ölçekli depolamada) depolanabilir.
f) Hidrojen boru hatlari veya tankerler ile büyük mesafelere taçinabilir (bir çok durumda elektrikten daha ekonomik ve verimlidir).
g) Hidrojen diger yakitlardan farkli güvenlik ekipmani ve prosedürü gerektirse de onlardan daha fazla tehlikeli degildir. Hidrojen güvenlik siralamasinda propan ve metanin (dogal gaz) arasindadir. Yangin tehlikesi ve zehirlilik dikkate alindiginda hidrojen en güvenilir yakittir.
h) Hidrojen elektrikten veya güne§ enerjisinden üretilirken, taçinirken veya depolanirken ve son kullanimda herhangi bir kirletici üretmez veya çevreye zararli herhangi bir etkisi yoktur. Hidrojenin yanmasi veya yakit hücresinde tüketilmesi sonucu son ürün olarak sadece su üretilir. Yanma yüksek sicaklikta olursa havadaki azot ve oksijenden NOx oluçabilir. Ancak bu sorun diger yakitlarla aynidir ve kontrol edilebilir.
i) Çevresel hasarlar ve yüksek kullanma verimi dikkate alindiginda solar hidrojen enerji sistemleri en dü§ük etkin maliyete sahiptir.
2. Hidrojen Enerjisinin Temel Dezavantajlari
a) Dogada son derece bol olmasina kar§in enerji üretiminde kullanilan hidrojen gazinin son derece saf olmasi gerekir. Saflaçtirma içlemi maliyeti artiran en önemli süreçtir. Bu nedenle saf hidrojen üretiminin maliyeti petrol ve dogalgaza göre yaklaçik 4 kat daha yüksektir. ilave olarak, hidrojen ile çaliçan yakit hücreleri içten yanmali motorlardan 10 kez daha pahalidir.
b) Hidrojen enerjisinden yararlanilirken uygulamada birtakim zorluklarla kar§ila§ilmaktadir. Örnegin enerjinin üretildigi yakit hücreleri ve hidrojenin depolandigi tanklarin hacmi geni§ yer kaplamaktadir. Hidrojen petrole göre 4 kat fazla hacim kaplar; hidrojenin kapladigi hacmi k^ültmek için hidrojeni sivi halde depolamak gereklidir. Bunun için de yüksek basinç ve sogutma içlemine gerek vardir.
c) Öte yandan bu iki sorunla yakindan ilgili bir baçka temel problem yakit hücresi ile çaliçan araçlar yakit takviyesi yapmak istedikleri zaman ortaya çikacaktir. Petrol istasyonlarinda yakit hücreleri için hidrojen, yani yakit malzemesi bulmak bir sorun olabilir; veya bu tip enerji kaynaklarina yatirim yapmanin yatirimci açisindan mü§teri bulamama, yani ölü yatirim yapma gibi riskleri mevcuttur. Bu tip sorunlarin çözümü de belli bir ekonomik maliyet ve zaman gerektirir. d) Petrol ile çaliçan motorlar içten yanmali motorlardir. Bu motorlarin yakit hücresi ile çaliçmalarinda çeçitli zorluklar vardir. Dolayisiyla yakit hücresi ile uyumlu çaliçacak motorlarin geliçtirilmesi zarureti vardir.
Sonuç: Hidrojen endüstriyel prosesler için çok önemli bir yakittir. Ama hidrojenin kullanimi sadece bu alan ile sinirli degildir. Temiz enerji kaynaklarina geçiçte hidrojenin önemi çok büyüktür. Hidrojen depolama, temiz hidrojen üretimi ve ulaçimda hidrojen ile çaliçan araçlarin yayginlaçmasi küresel enerji dönü§ümünün hizlandirilmasi için önemlidir. Bu sebepten hidrojen üretim yöntemlerinin verimliliginin arttirilmasi ve temiz enerji kaynaklari kullanilarak hidrojen üretilmesi büyük önem arz etmektedir.
Sonuç olarak hidrojene birçok alanda ihtiyacimiz var ve §uan fosil yakit bazli hidrojen üretim yöntemleri, daha fazla kullanilmaktadir. Bu da hidrojen elde etmek için ciddi oranda sera gazi salinimina sebep olmaktadir. Bu §ekilde hidrojene olan talep arttikça sera gazi salinimi da artmaktadir. Hidrojen üretiminde ilk acamada fosil yakitla üretim sistemlerinin verimlerinin arttirilmasi ve yenilenebilir enerji kaynaklari ile hidrojen üretim yöntemlerinin yayginlaçtirilmasi saglanmalidir. §öyleki, güne§ ve rüzgar santrallerinde üretilen talep fazlasi elektrik ile hidrojen üretimi yapilmasi veya hidrojenin diger formalara dönü§türülerek enerji depolanmasi da önemlidir. Hidrojen diger formlara dönü§türülerek depolanabilir ve hidrojenin oksitlenmesi ile de tekrar elektrige dönü§türülebilir. Böylece hidrojen enerjisindeki dezavantajlar, ilave çaliçmalarla avantaja dünü§türülebilir.
KAYNAKLAR
1. Aydemir S. Enerji Kaynagi Olarak Hidrojen Üretim Yöntemlerinin incelenmesi.Yüksek Lisans Tezi, Trakya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Edirne, 1998, s. 10-15.
2. Kademli M. HiDROJEN TEKNOLOJiSi, POTANSiYELi VE GELECEGi. Mesleki Bilimler Dergisi (MBD), 6 (2), 2017, s.106-110.
3. Veziroglu T. N., Bockirs J., Smith D. L. Gelecegin Enerjisi Güne§ ve Hidrojen, Kaynak Yayinlari, izmir, 2002, s.55-57.
4. Altork L.N. & Busby J.R. (2010 Oct). Hydrogen fuel cells: part of the solution. Technology & Engineering Teacher, 70(2), 2010, p.22-27.
