Hidrojen enerjisi nedir? Hidrojen enerjisi ile elektrik üretimi

Hidrojen enerjisi nedir?

Hidrojen enerjisi, doğada en çok bulunan elementlerden biri olan hidrojen elementinden elde edilen ve oksijenle yandığında sıfır emisyon bırakan temiz bir enerji türüdür. Elektrik üretiminde ve araç yakıtlarında hidrojen enerjisinin kullanılması mümkündür.

Hidrojen, evrendeki en basit ve en bol bulunan elementtir. Periyodik cetvelin ilk sırasında yer alır ve 1 proton içerir. Doğal olarak oluşmaz. Hemen hemen her yerde var olsa da su gibi diğer elementlerle birlikte elde edilebilir. Örneğin su, hidrojen ve oksijenden oluşur. Bu nedenle hidrojenin kullanılabilir bir enerji kaynağı olması için bir dönüştürme işlemine tabi tutulması gerekir. Hidrojen ayrıca birçok doğal bileşikte, örneğin doğal gaz, benzin, propan ve metanol gibi yakıtlarla sonuçlanan hidrokarbonlarda da ortaya çıkar.

Hidrojen gazı renksizlik, tatsızlık ve görünmezlik gibi dikkat çekici özelliklere sahiptir. Ayrıca yenilenebilir, kirletici olmayan ve sıfır emisyonlu bir enerji kaynağına dönüştürülebilir. Yeni enerji ekonomisinin temel taşı olarak kabul edilir. Hidrojen enerjisi arayışı, 1776 yılında İngiliz bilim adamı Henry Cavendish tarafından yeniden başlatılmıştır.

İlk olarak, çinko metali hidroklorik aside maruz bırakılarak hidrojen gazı geliştirildikten sonra zamanla ayrı bir element olarak tanımlanmıştır. Henry Cavendish, Londra Kraliyet Cemiyeti’ne yapılan su ürettiği bir gösteri sırasında hidrojen gazıyla bir kıvılcım çıkarmasıyla dikkat çekmiştir. Bu tarihi gelişme sonucu suyun (H20) hidrojen ve oksijenden oluştuğu sonucuna varılmıştır. O zamandan beri hidrojen teknolojisi sıçrama yapmış ve bugün arabalarda, elektrik sistemlerinde ve saf su üretimini sağlamada bir enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır.

Hidrojenin yapısı çok basittir. Tek bir atomdan; sadece bir proton ve bir elektrondan oluşur. Gaz halinde, yakıt olarak yakılabilir. Patlayıcı enerji üreten ve roketleri ve uzay gemilerini iten güç hücrelerinde depolanabilir. Uçucu, yanıcı ve çok çok güçlüdür.

Hidrojen donmuş veya basınçlı hava kaplarında bir gaz halinde depolanabilir. Önemli miktarda hidrojen barındırmak için çok fazla depolama alanı gerekir. Bunun nedeni, moleküllerin birbirinden çok uzak olması, gazın hafif olması ve çabuk yayılmasıdır.

Hidrojen enerjisi nasıl üretilir?

Hidrojen gazı, pahalı ve karmaşık bir yakıttır; çünkü birleştiği her elemandan ayrılması gerekir. Hidrojen gazı üretmek masraflıdır ve çok fazla işlem gerektirir. Hidrojeni oluşturan elementlerinden ayırmanın birkaç yolu vardır.

Buhar reformu ile hidrojen üretimi

Bu yöntem metan, petrol, yenilenebilir sıvı yakıtlar, gazlaştırılmış biyokütle, gazlaştırılmış kömür ve doğal gaz gibi hidrokarbon yakıtlardan hidrojen üretir. Bu hidrojen üretim sürecinde reformer adı verilen bir işleme cihazı kullanılır. Reformer, hidrojeni oluşturmak için buharı aşırı yüksek sıcaklıklarda hidrokarbon yakıtlarla reaksiyona sokar. Bugün, buhar reformu tekniği kullanılarak % 90’dan fazla hidrojen gazı üretilmektedir.

Elektroliz ile hidrojen üretimi

Elektroliz, kimyasal bir reaksiyon başlatmak için doğru akımı (DC) kullanan bir yöntemdir. Hidrojen üretiminde, elektroliz suyu ayrıştırır ve bunu elektrik akımı kullanarak hidrojen ve oksijen olan ana elementlerine böler. Elektroliz işleminde kullanılan elektrik, petrol, doğal gaz ve kömür veya hidrokarbonlar gibi fosil yakıtlardan elde edilebilir.

Hidrojen ile elektrik enerjisi üretimi nasıl yapılır?

Hidrojeni oksijene dönüştürmenin en etkili yolu bir yakıt hücresi kullanmaktır. Bir yakıt hücresi kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Yakıt hücresi, elektrokimyasal reaksiyonda hidrojen ve oksijenin karışmasını sağlar. Sonuç: elektrik, su ve ısı üretimidir.

Yakıt hücreleri elektrokimyasal reaksiyonun ürettiği enerjiyi yararlı elektrik enerjisine dönüştürdüğü için adeta bir pil gibidir.

Teknik olarak şöyle izah edebiliriz:

Yakıt hücresinde katot terminali pozitif olarak yüklenir ve anot terminali negatif olarak yüklenir. Bu elektrotlar bir membranla ayrılır. Hidrojen gazı anotta elektronlara ve protonlara (pozitif hidrojen iyonları) dönüştürülür. Protonlar, membrandan katoda geçerek negatif yüklü elektronları geride bırakır. Bu, harici bir devre ile bağlandığında, terminaller arasında doğru akımda elektrik akışı oluşturur. Bu akım, bu devreye yerleştirilen bir elektrik motorunu çalıştırabilir. Hidrojen iyonları, elektronlar ve oksijen katotta birleşerek işlemin tek yan ürünü olan suyu oluştururlar.

Yakıt hücreleri, binalar için elektrik ve ısı kaynağı kullanmak için potansiyel bir teknolojiyi temsil eder. Aynı zamanda elektrikli ve hibrit araçlar için umut verici bir güç kaynağıdır. Yakıt hücreleri en iyi şekilde saf hidrojen üzerinde çalışır. Bununla birlikte, benzin, metanol veya doğal gaz gibi diğer yakıtlar, yakıt hücreleri için gereken hidrojeni üretmek üzere yeniden düzenlenebilir.

Teknoloji hızla ilerlerken, hidrojen hayati bir enerji taşıyıcısı olarak elektriğe eşlik edebilir. Bir enerji taşıyıcısı, kullanıma hazır bir biçimde müşteriye enerji iletir. Rüzgâr ve güneş gibi bazı yenilenebilir enerji kaynakları, günün her saati enerji üretemeyebilir, ancak hidrojen ile elektrik enerjisi üretebilir ve daha sonra kullanılmak üzere saklanabilir.

Hidrojen enerjisi kullanım alanları

“Hidrojen enerjisi nerelerde kullanılır?” sorusunu madde madde şöyle cevaplayabiliriz:

• Petrolün rafine edilmesi, metallerin işlenmesi, gübre üretimi ve gıdaların işlenmesi için kullanılmaktadır.
• Ulusal Havacılık ve Uzay İdaresi (NASA), 1950’lerde sıvı hidrojen kullanmaya başlamıştır. NASA, uzay aracı üzerindeki elektrik sistemlerini çalıştırmak için hidrojen yakıt hücrelerini kullanmıştır.
• Hidrojen yakıt hücreleri, hidrojen ve oksijen atomlarını birleştirerek elektrik üretir. Bu kombinasyon elektrik akımı ile sonuçlanır. Bir yakıt hücresi, benzinde çalışan içten yanmalı motordan iki ila üç kat daha verimlidir. Küçük yakıt hücreleri dizüstü bilgisayarlara, cep telefonlarına ve askeri uygulamalara güç verebilir. Büyük yakıt hücreleri, binalarda ve elektrik şebekelerine bağlı olmayan uzak alanlarda acil durum gücü için elektrik sağlayabilir.
• Hidrojen yakıtlı araçların çoğu, bir hidrojen yakıt hücresi tarafından çalıştırılan bir elektrik motoruna sahip olan otomobiller ve transit otobüslerdir. Bu araçlardan birkaçı doğrudan hidrojeni yakar. Yüksek yakıt hücresi maliyeti ve sınırlı miktarda hidrojen yakıt istasyonu bulunması, hidrojen yakıtlı araçların sayısını sınırlamıştır.

Hidrojen enerjisinin avantajları

Hidrojen enerjisinin faydaları şunlardır:

• Toksik olmayan bir fosil yakıta rastlamak zordur. Hidrojen toksik olmayan bir yakıt türüdür, çünkü çevreye zararlı gazlar salmaz. Benzin, kömür, petrol ve nükleer enerji gibi bazı yakıt kaynakları zehirlidir ve tehlikeli ortamlara sahip alanlarda ortaya çıkar. Hidrojen yandığında, tek yan ürün toksik olmayan su buharıdır. Hidrojen doğa dostu olduğu için diğer yakıt türlerinin çalışamadığı yerlerde kullanılabilir.
• Hidrojen hemen hemen her yerde bol miktarda bulunur ve bu hiç bitmeyen bir enerji kaynağı olduğu anlamına gelir. Petrol, doğal gaz ve kömür gibi diğer enerji kaynakları yenilenemez olarak kabul edilir, bu da bir noktada tükenecekleri anlamına gelir. Hidrojen, talep üzerine üretilebilecek bir enerji kaynağıdır.
• Hidrojen üretmek için kullanılan yöntemler güçlü ve verimli bir enerji kaynağı sağlar. Hidrojenin gücü ve verimliliği, roketlerde kullanılmasının sebepleridir. Ayrıca uzay gemilerinde de tercih edilir çünkü sera gazı üretmez. İstatistiklere göre, hidrojen, benzin ve diğer fosil bazlı yakıt kaynaklarından 3 kat daha güçlüdür, yani daha azıyla daha fazlasını gerçekleştirme kabiliyetine sahiptir.
• Hidrojen, ham petrolün dizel ve benzin gibi rafine yakıtlara işlenmesi için kullanılmaktadır. Hidrojen ayrıca bu yakıtlardan kükürt gibi kirletici maddelerin uzaklaştırılmasında kullanılır. Kimyasal üretim, gıda işleme, metal arıtma ve elektronik üretimi gibi diğer endüstriler de hidrojen yakıtından da yararlanır.

Hidrojen enerjisinin dezavantajları

Hidrojen enerjisinin zararları şunlardır:

• Hidrojen enerjisi yeni bir teknolojidir. Dolayısıyla depolama ve destek altyapısı büyük ölçüde geliştirilmemiştir. Hidrojen molekülleri çok incedir, bu durum da hidrojeni sızıntıya daha duyarlı hale getirir. Bu nedenle yeterli enerji yoğunluğunu sağlamak için yüksek basınçta depolanması gerekmektedir. Doğal haliyle, hidrojen uçucudur ve oldukça yanıcıdır, bu da taşımayı çok daha zorlaştırır.
• Hidrojen hazır bulunmasına rağmen, elektroliz gibi özütleme işlemi son derece pahalıdır. Bunun temel nedeni, hidrojen ve oksijen gibi temel elementlerin ayrılmasının göz korkutucu olmasıdır. Hidrojen yakıt hücreleri hibrit otomobillerde giderek daha fazla kullanılsa da, herkes için uygun değildir. Bilim adamları, hidrojenin enerji kullanımını çok daha kolaylaştıracak teknolojileri keşfetmeye çalışıyorlar, ancak o zamana kadar fiyat yüksek kalmaya devam edecektir.
• Hidrojenin yenilenebilir bir kaynak olduğu ve çevreye etkisi olmadığı bir gerçektir. Bununla birlikte, üretim sürecinde hidrojen bileşenlerinin ayrılması hala petrol, kömür ve doğal gaz gibi fosil yakıtlara dayanmaktadır. Fosil yakıtlar sera gazı emisyonlarına güçlü katkı sağlar.
• Hidrojenin uçuculuğu ve son derece yanıcı özelliği, nihai tüketiciye taşınmasını zorlaştırır. Depolamayı zorlaştıran benzersiz karakteristik, taşımacılığını da korkutucu kılar. Hidrojen büyük ölçüde pazara boru hatları veya tankerlerle taşınmaktadır. Tankerler, sıvılaştırılmış veya sıkıştırılmış halde piyasaya hidrojen verirler. Bu işlem hidrojen sızıntısına neden olur.

Hidrojen enerjisinin geleceği

Gelecekte, “sıfır emisyonlu” araçlar için, ev ve ofisleri ısıtmak, elektrik üretmek ve uçak yakmak için yakıt olarak kullanılacaktır. Hidrojen, petrol gibi ithal edilen enerji kaynaklarına bağlılığı azaltmanın bir yolu olarak büyük potansiyele sahiptir. Hidrojenin daha büyük bir enerji rolü oynayabilmesi ve benzine alternatif haline gelebilmesi için, birçok yeni tesis ve sistemin inşa edilmesi gerekir.

Sıkça sorulan sorular

Hidrojen enerjisi yenilenebilir mi?

Hidrojen enerjisi zehirli gaz yaymadığı için ve her yerde bulunabildiği için yenilenebilir enerji olarak nitelendirilebilir.

Hidrojen enerjisini kullanan ülkeler hangileridir?

Birkaç ABD’li otomobil üreticisi, hidrojen kullanan araçlar geliştirmeyi taahhüt etmiştir. Hidrojenin taşıma amacıyla dağılımı şu anda dünya genelinde, özellikle Portekiz, İzlanda, Norveç, Danimarka, Almanya, ABD, Japonya ve Kanada’da test edilmektedir. Ancak maliyeti çok yüksektir.

İzlanda 2050 yılı itibariyle Dünya’nın ilk hidrojen ekonomisi olmayı taahhüt etmiştir. İzlanda hali hazırda sahip olduğu enerji fazlasını, ihraç edilebilir ürünlere ve hidrokarbonlara dönüştürmektedir. 2002 yılında, amonyum (NH3) üretiminde kullanılmak üzere, elektroliz yöntemi ile 2000 ton hidrojen gazı üretmiştir.

Norveç’in bir adası Utsira’da hidrojen ekonomisinin denendiği bir pilot proje sürdürülmektedir. Rüzgar jeneratörleri ile üretilen enerjinin fazlası, elektroliz yöntemi ile hidrojene dönüştürülür ve rüzgarın yetersiz olduğu zamanlarda tekrar elektrik elde etmek üzere hidrojen gazı olarak depolanır.

İngiltere 2004 yılının ocak ayında, Londra’da iki otobüsle başladığı yakıt hücresi deneme programını 2005 yılının Aralık ayında tamamlamıştır.

Batı Avustralya Planlama ve Altyapı Departmanı Perth şehrinde, Sürdürülebilir taşıma enerjisi programı için üç adet Daimler Chrysler Citaro yakıt hücreli otobüsleri ile denemelerini sürdürmektedir.

Amerika Birleşik Devletleri’nin birkaç örnekle hidrojen politikası vardır. NREL ve Xcel Energy arasındaki ortak bir girişim, Colorado ve Colorado’daki rüzgar gücü ile hidrojen gücünü bir araya getirmektedir.

Hidrojen enerjisi Türkiye’de nerelerde bulunur?

Hidrojen enerjisinin önemi Türkiye’de henüz tam olarak kavranmış değil. Ancak Karadeniz bu enerji için ümit vadediyor diyebiliriz.

Elektrik mühendisleri odasının hazırladığı bir raporda şu ibareler yer alıyor: “Türkiye kendisi için çok önemli bir kaynak olan Karadeniz dip sularında bulunan hidrojen sülfür potansiyelinin önemini kavramalı ve bu kaynağı yenilenebilir enerji kaynakları ile destekleyerek hidrojene geçiş sürecini başlatmalıdır.”

Raporun içeriğine şuradan ulaşabilirsiniz:

http://www.emo.org.tr/ekler/51c5ffd6b62cc21_ek.pdf

Eğer potansiyeli iyi değerlendirebilirsek ve yakıt hücrelerine yatırım yapabilirsek elektrik üretebilme ve hidrojeni üretip ihraç edebilme şansına sahip olabiliriz.

Hidrojen enerjisinin araçlarda yakıt olarak kullanılması mümkün müdür?

Hidrojenin araç yakıtı olarak kullanılması mümkündür. Ancak hidrojen yakıtlı araçların üretimi sınırlıdır, çünkü hidrojen yakıt istasyonu kolay erişilebilir değilse insanlar bu arabaları almayacaklardır ve hidrojen yakıtlı araçlara sahip müşterileri yoksa şirketler yakıt ikmali istasyonları inşa etmeyeceklerdir.

Örneğin Amerika Birleşik Devletleri’nde yaklaşık 60 hidrojen yakıt istasyonu bulunmaktadır. Bu istasyonların yaklaşık 40’ı, Kaliforniya’da bulunmaktadır. Kaliforniya Eyaleti, sıfır emisyonlu yakıt hücresi araçları için bir tüketici pazarını teşvik etmek amacıyla Kaliforniya genelinde halka açık hidrojen yakıt istasyonlarının geliştirilmesinin finanse edilmesine yardımcı olacak bir programa sahiptir.