Yakıt Pili

Hazırlayanlar
•Beyza Nur Gök
•Beyza Özdemir
•Zeynep Zehra Çiçek
•Murat Toksoy
•Hüseyin Emre Akman

1. GİRİŞ

İnsanoğlunun yegane ihtiyacı olan enerjinin fosil yakıtlar tarafından karşılanması, çevre kirliliğine sebebiyet vermesi ve bu enerji kaynağının hızla tükeniyor olması insanoğlunu yeni kaynak arayışına sokmuştur. Doğadaki en basit atom yapısına ve bütün klasik yakıtların ağırlığı başına en yüksek enerji içeriğine sahip olan hidrojen, evrende en çok bulunan element olması ve günümüzde kabul gören evrenin oluşumu kuramında da belirtildiği gibi, bütün yıldızların ve gezegenlerin temel adresidir. Evrende %90 dan fazla hidrojen bulunmaktadır. Güneş ve diğer yıldızların termonükleer tepkimeye vermiş olduğu ısının yakıtı da yine hidrojen olup, evrenin temel enerji kaynağıdır. Hidrojen elementinin dağılımı atmosferde %0.07 ve yer kabuğunda %0.14 şeklindedir. Hidrojen, yakıt olarak kullanıldığında atmosfere atılan ürün sadece su veya su buharı olduğundan enerji taşıyıcısı olarak kullanımı uygun görülmüştür. Hidrojen sayesinde üretilen enerji bir yerden başka bir yere güvenli bir şekilde taşınabilmektedir. Hidrojeni ideal bir enerji taşıyıcısı yapan bir diğer özellik ise yüksek enerji içeriğine sahip olmasıdır.

Sanayi sektöründe de hızla yayılan alternatif enerji gereksinimi, bilim insanlarını yenilenebilir enerji kaynaklarına yönlendirmiş ve buna ek olarakta yakıt pilleri üzerine araştırmalar yapmaya itmiştir. Hidrojen, bu düğümü çözebilecek en önemli ve temiz bir enerji taşıyıcısıdır. Saf hidrojenin enerji yoğunluğu bir bataryadan 236 kat daha fazladır. Yakıt pilleri, hidrojeni tamamen sessiz bir şekilde elektro kimyasal olarak yüzde 50 verimle elektrik enerjisine dönüştüren teknolojidir. İlk yakıt pili 1838 yılında suyun elektrolizinin ters reaksiyonu sonucunda ters akım ve gücün açığa çıktığını fark eden William Grove tarafından icat edilmiştir ve yakıt pillerinin tarihi çok eski tarihlere dayanmasına rağmen ilk olarak 1958 yılında NASA’nın uzay programındaki Apollo, Gemini ve Space Shuttle uzay gemilerinin yakıtı olarak kullanılmıştır.

2. HİDROJEN EKONOMİSİ

Hidrojen ekonomisi, taşıtların ve elektrik dağıtım şebekesinin dengelenmesi için ihtiyaç duyulan enerjinin, hidrojen (H₂) olarak depolandığı, varsayılan bir gelecek ekonomisidir.

2.1. MEVCUT HİDROJEN PAZARI

Hidrojen üretimi oldukça geniş ve büyüyen bir endüstridir. Tüm dünyada, 2004 yılında üretilen toplam hidrojen 50 milyon tondur ve bu üretilen hidrojenin petrol cinsinden karşılığı 170 milyon ton yapar. Yıllık büyüme miktarı yaklaşık %10 civarındadır. Amerika Birleşik Devletlerinde, 2004 yılında yaklaşık 11 milyon ton üretim gerçekleştirilmiştir ve bu değerin enerji cinsinden karşılığı 48 gigawatt’tır (karşılaştırılacak olursa, 2003 yılındaki ortalama elektrik üretimi 442 gigawatt’tır). Hidrojenin depolanması ve nakledilmesi oldukça pahalı olduğu için, üretimin büyük çoğunluğu bölgesel olarak gerçekleşmiş ve genellikle üretici firma tarafından hemen tüketilmiştir. 2005 itibarıyla, tüm dünyada, bir yıl içerisinde üretilen hidrojenin ekonomik değeri 135 milyar ABD doları’dır.

Hidrojen sentetik bir enerji taşıyıcısıdır. Üretim kaynakları son derece bol ve çeşitlidir. Bunların en başta gelenleri su, kömür ve doğalgaz. Hidrojen, bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim ağırlık başına en yüksek enerji içeriğine sahip (120,000 kJ/kg). Sıvı haline dönüştürüldüğünde gaz halindeki hacminin sadece 1/700’ünü kaplıyor. Saf oksijenle yandığında sadece su ve ısı açığa çıkarıyor. Hava ile yandığında ise azot oksitler açığa çıksa da diğer yakıtlara göre kirliliği son derece az. Dünyada üretilen hidrojenin çok büyük bir bölümü, metanın su buharı ile katalitik olarak oksidasyonu yöntemi ile doğal gazdan elde edilmekte. Doğal gazın yanı sıra diğer hidrokarbon yakıtlardan da (metanol, LPG, Nafta, Benzin) su buharı ile katalitik olarak hidrojen üretilebilmekte. Hidrojen, alternatif olarak, saf oksijen veya hava ile kısmi oksidasyon, piroliz ve ototermal reforming (kısmi oksidasyon ve su buharı oksidasyonu bir arada) reaksiyonları ile de üretilebilmekte.

Bugün hidrojenin kullanımının iki temel nedeni vardır. Tüm tüketimin yaklaşık yarısı haber prosesi yardımı ile amonyum (NH₃) üretmek için yapılır. Dünya nüfusu arttıkça, onu desteklemek için artmak zorunda olan tarım, amonyuma duyulan talebi sürekli büyütmektedir. Hidrojen tüketiminin diğer yarısı ise, ağır petrol kaynaklarını, yakıt olarak kullanılabilecek daha hafif türevlere dönüştürmek için gerçekleştirilir. Artan petrol fiyatları petrol şirketlerini katran gibi fakir maddelerden yakıt elde etmek için daha da cesaretlendirerek, hidrojen tüketiminde ilk uygulamaya göre daha da yüksek bir büyümeye neden olmuştur.

Eğer hidrojen üretimi için ihtiyaç duyulan enerji, rüzgar, güneş ya da nükleer santrallerden kolay ve ekonomik bir şekilde elde edilebilseydi, hidrojenin hidrokarbon yakıt elde etmek üzere kullanılması, toplam hidrojen tüketimini örneğin ABD için 5 ila 10 kat kadar artırabilirdi. Bugün ABD’de bu amaçla hidrojen tüketimi yaklaşık yılda 4 milyon tondur. ABD için yıllık 37.7 milyon ton hidrojenin, petrolde dışa bağımlılığı kaldıracak miktarda, kömürden dönüştürülmüş sıvı yakıt elde etmek için yeterli olacağı sanılmaktadır. Ancak kömürün sıvı yakıta dönüştürülmesi dışa bağımlılığı azaltmakla birlikte sera gazı etkisi sorununa çözüm üretmemektedir.

Günümüzde hidrojen üretiminin %48’i doğal gazdan, %30’u ham petrolden, %18’i kömürden ve %4’ü suyun elektroliz yolu ile ayrıştırılmasıyla üretilmektedir.

Büyüyen pazar ve hızla artan fiyatlar hidrojenin daha ekonomik yöntemlerle üretilmesi konusunda ilgi yaratmıştır.

2.2. ÖNGÖRÜLEN MERKEZİ HİDROJEN KAYNAKLARI

Önümüzdeki 30-40 yıllık dönemde Çin, Hindistan gibi yükselen ekonomilerin hızla artan talebiyle birlikte petrolün fiyatının bugünkü fiyatını düzeyini bekleniyor. Petrolün bugünkü ve gelecekte öngörülen durumu, ithalat bağımlılığı, fosil yakıtların yarattığı karbondioksit emisyonları ve Kyoto Sözleşmesinin emisyonlara getirdiği sınırlamalar hidrojenin hazır ve sınırsız bir alternatif olarak nitelendirilmesine neden oluyor. Şu anki problem fiyat ve altyapı maliyetleri. Bu nedenle de petrole bağlı enerji sektörünün dönüşümünün sağlanmasında özel sektör kadar destekleyici hükümet politikaları da kilit rol oynayacak.

Hidrojen ekonomisinde, hidrojen gazı üretmek için, temel enerji kaynakları ile biyokütleler kullanılır. Petrol, kömür, doğal gaz gibi fosil yakıtların dışında kalan enerji kaynakları, fosil yakıtlara göre çok daha düşük sera gazı emisyonlarına sahiptirler.

Yüksek verimlilikli hidrojen jeneratörlerinin ürettiği gazın, doğal gaz dağıtım şebekesine benzer bir sistemle dağıtılması beklenir. Ancak doğal gaza göre aşılması gereken zorluklar vardır. Örneğin hidrojenin contalardan daha kolay sızabilmesi ya da dağıtım borularında çatlaklara neden olur. Hali hazırda geniş doğal gaz dağıtım şebekesi üzerinde kurulu kojenerasyon tesisleri sağladıkları elektrik dönüşümü ile yukarıda bahsedilen sisteme benzerlik gösterirler.

Tam bir hidrojen ekonomisinde, rüzgar ya da hidroelektrik tesislerinin ürettiği enerjinin tamamı elektrik şebekesine verilmeyerek, bir kısmı ile hidrojen üretilir. Nükleer enerji tesislerinin bir çıktısı olan ısı enerjisi, elektroliz sıcaklığını arttırmak şeklinde verimliliğe katkısı bulunacaktır.

2.3. ÜRETİM

Dünyadaki hidrojenin büyük bir kısmı denizlerde hapsolmuş durumdadır. Yakıt hidrojenin temelde, sudan yenilenebilir enerjilerle üretilmesi ana ilkedir. Hidrojen üretim yöntemlerinin başında suyun direkt elektrolizi gelir. Elektroliz için elektrik gereksinimi fosil yakıtlardan, hidroelektrik kaynaktan, nükleer güçten, jeotermal enerjiden, güneş, rüzgar ve deniz dalga enerjilerinden elde olunabilir. Gelecek için üzerinde en çok durulan yöntem fotovoltaik güneş üreteçlerinin kullanılmasıdır. Hidrojen suyun ısıl parçalanması (termal krakingi) ile de üretilebilmektedir. Bir diğer hidrojen üretim yöntemi doğal gazın ve gaz hidrokarbonların buhar reformasyonudur.

Hidrojen üretimi için ayrıca kömür gazifikasyon yöntemi vardır. Gazifikasyon işlemi kolaylıkla kükürtün elimine edilmesine olanak tanıdığından çekici bulunmaktadır. Ortalama olarak 6 kg kömürden 3.785 lt benzine eşdeğer 1 kg hidrojen elde olunur. Kömür dünyanın en zengin fosil yakıtıdır. Bilinen kömür yataklarına biçilen güvenilir ömür 200 yıl kadarsa da, bunun 400 yıla uzanabileceği söylenmektedir. Katı atıklar ve kanalizasyon materyalleri de hidrojen üretimi için hammadde olup, gazifikasyon işlemine bağlı olarak, sentez gazının hava veya oksijenle reformasyonu hidrojen vermektedir. Termokimyasal çevrimlerle sudan, fotokimyasal işlemle organometalik bileşikler veya enzim su karışımından hidrojen üretilebilir.

2.4. DEPOLAMA VE TAŞIMA

Üretilen hidrojen depolanabilmekte, boru hatları ve/veya tankerlerle taşınabilmektedir. Doğal gaz boru hatlarının gelecekte hidrojen taşınması için kullanılabileceği belirtilmektedir. Hidrojenin depolama yöntemleri; tüplenmiş alçak basınçlı gaz (12 bar) ve yüksek basınçlı gaz (150 bar) dışında sıvılaştırılmış biçimde, kriyojenik (dondurulmuş) tanklarda (220 kPa) ve metalik hidrid biçiminde olabilmektedir. Hidrojen gaz biçiminde boru hatlarıyla taşınabildiği gibi, yüksek basınçlı gaz ve sıvılaştırılmış biçimde tankerlerle taşınabilmektedir. Gaz hidrojenin zeolit ortamlarda depolanması çalışmaları vardır. Ancak, enerji içeriğinin yüksekliği açısından gaz yerine sıvı hidrojen depolama teknikleri üzerinde durulmaktadır.

Hidrojenin hidridlerle depolanması ve taşınması da önemle ele alınmaktadır. Geliştirilen hidridler; titanyum alaşımları (özellikle demir-titanyum), paladyum alaşımları, zirkonyum alaşımları, titanyum-zirkonyum-vanadyum-nikel alaşımları, titanyum-zirkonyum-vanadyum-demir-krom-mangan alaşımları, mağnezyum-nikel alaşımları gibi materyallerle oluşturulmaktadır. Düşük sıcaklık ve yüksek sıcaklık hidridleri vardır. Demir-titanyum alaşımı düşük sıcaklık hidridi iken, mağnezyum-nikel alaşımı yüksek sıcaklık hidrididir. Düşük ve yüksek sıcaklık hidridlerinin kombinasyonu da kullanılmaktadır. Metal hidridler paket olarak taşınmaya uygundur.

2.5. MALİYET

Yakıtların ekonomik kıyaslaması efektif maliyete göre yapılır. Efektif maliyet ise çıplak maliyet ve çevre zararlarını içeren maliyet ile kullanım veriminin fonksiyonudur. İç maliyet de denilen çıplak maliyet, alışılagelmiş görünür maliyettir. Çevre zararlarını içeren dış maliyet ise yeni bir kavramdır. Burada yakıtın birim miktarının çevrede oluşturduğu maddi zarar anlaşılmaktadır. 1990 ABD verileri ile fosil yakıt, kömür-sentetik ve güneş hidrojen sistemlerinin efektif maliyetleri Tablo 12.4’te gösterilmiştir. Efektif maliyete göre hesaplanan ekonomiklik faktörü hidrojende 1 iken doğal gaz dışındaki fosil yakıtlarda 0.37-0.61 arasında değişmekte olup, hidrojenden daha az ekonomiktirler. Ancak, doğal gazın ekonomiklik faktörü bugün için hidrojenden yüksektir.

Yukarıda açıklandığı gibi, temelde efektif maliyet önemli olmakla birlikte, günümüzde maliyet karşılaştırmaları, daha çok iç ya da çıplak maliyetle yapılmaktadır. Bu nedenle, yalnız iç maliyet açısından bakıldığında, en ucuz hidrojen üretimi kömürden sağlanmakta, onu hidro-hidrojen izlemektedir. En düşük hidrojen maliyeti, ulaştırma sektörü için benzinden ucuz olabilmektedir. Dış maliyet, yani çevre maliyeti gözönüne alınmaksızın hidrojen endüstri, konut ve elektrik sektörlerinde doğal gazdan 1.5-3.7, petrol ürünlerinden 1.3-3.5 ve kömürden 4.7-5.8 kat daha pahalı görünmektedir. Ancak, yakıt hidrojenin kütlesel üretimi yapılmadığından bu karşılaştırmalar göreceli kalmaktadır.

2.6. ÖRNEKLER VE PİLOT UYGULAMALAR

Hidrojenin taşımacılık amacıyla dağıtımı İzlanda, Almanya, Kaliforniya, Japonya ve Kanada’da test edilmektedir.

Yakıt pilli elektrik santralleri yüksek enerji verimlerinin yanı sıra, çok az yer kaplamaktadırlar. Örneğin 2 MW’lık yakıt pilli santralın kapsadığı alan 20 m²‘den az olmaktadır.

Büyük yer kapsayan konvansiyonel santralların yerleşim birimlerinden belli uzaklıkta kurulması ve elektrik iletimi sorunu, geleceğin yakıt pilli elektrik santralları ile çözüme kavuşacak görünmektedir. Gelecekte tüketicilerin bulundukları yerin yakınına kurulacak yakıt pilli santrallarla iletim ve dağıtım kayıpları olmaksızın gereksinimler karşılanabilecektir.

Hidrojenin alevsiz yanması için katalitik yakma düzenleri geliştirilmiştir. Hidrojenin katalitik yanması mutfak ocaklarına, fırınlara, su ısıtıcılara ve özel sobalara uygulanmıştır. Yine gösterim amacıyla bu tür beyaz eşya üreten firmalar vardır. Böylece, konutlarda yakıt olarak hidrojen kullanımının önü açılmış bulunmaktadır. Hidrojenin boru hatları ile evlere kadar ulaştırılması olanaklı olup, bu konuda projeler geliştirilmekte ve doğal gaz hatlarından yararlanılması tasarlanmaktadır. Hidrojen enerjisi alanında çeşitli ülkelerin işbirliği sonucu uluslararası programlar başlatılmıştır. Avrupa Topluluğu ile Kanada’nın EURO-QUEBEC (hidro-hidrojen) projesi, Norveç ve Almanya’nın NHEG projesi, Almanya ve Suudi Arabistan’ın HY-SOLAR (güneş-hidrojen) Projesi, İskandinav ülkeleri ile Yunanistan’ın işbirliği, Uluslararası Enerji Ajansı (IEA) hidrojen enerjisi projeleri, Birleşmiş Milletler UNIDO-ICHET hidrojen çalışmaları bunlara örnek gösterilebilir. Henüz uygulanmasına girişilememiş olan UNIDO-ICHET projesi kapsamında, İstanbul’da Hidrojen Enstitüsü kurulması gündemdedir.

Bu çalışmalardan Euro-Québec Hidro-Hidrojen Pilot Projesi (EQHHPP) 100 MW’lık bir kapasitededir. Bu proje ile Kanada’da hidrolik kaynaktan elde olunacak elektrik enerjisi suyun elektrolizinde kullanılacak, üretilecek gaz hidrojen, yine Kanada’da sıvı hidrojen (LH2), amonyak (NH3) ve metilsiklohekzan (MCH) biçiminde bağlanarak, Atlantikten gemilerle Avrupa’ya taşınacaktır. Avrupa’da enerji uygulaması ile gaz ve/veya sıvı hidrojene dönüştürülerek konutlarda, termik santrallarda, kent otobüslerinde ve araçlarda, uçaklarda yakıt olarak kullanılacak, ayrıca kimya endüstrisi için toluen üretilecektir. Enerji ekonomisi analizlerine göre Kanada’daki 100 MW’lık hidrolik güç, Almanya Hamburg’da 74 MW’lık hidrojen gücüne dönüşmüş olacaktır. Bu güçle yılda 614 GWh enerji sağlanacaktır. Proje tesis maliyeti 415 milyon ECU (~514.4 milyon ABD $’ı) dır.

Bir teknoloji standartsız kökleşemeyeceği ve tanımlanamayacağı için, hidrojen enerjisi konusunda uluslararası standart çalışmaları yapılmaktadır. Uluslararası Standartlar Organizasyonu (ISO) tarafından ISO/TC-197 Komitesi oluşturularak, hidrojen enerjisi için uluslararası standartlar çalışmalarına girişilmiştir. Standart çalışmaları tanımlar, ölçümler, taşıma, emniyet, araçlar, uçaklar, elektro-kimyasal donanımlar, hidridler, çevre ve uygulama alanlarını kapsamaktadır.

Değişik senaryolara göre 2025 yılında dünya genel enerji tüketiminin ulaşacağı düzey 12 000-16 000 Mtep olarak kestirilmektedir. Aynı yılda dünyada 1 500-2 600 Mtep hidrojen enerjisinin kullanılması planlanmaktadır. Böylece, bu raporda göz önüne alınan etüt periyodu (2000-2025 dönemi) sonunda, dünya birincil enerjisinin % 9-21 açıklığı arasındaki bir bölümü hidrojene dönüştürülerek kullanılabilecek demektir. Bu oran daha çok % 10 olarak öngörülmektedir.

Kuzey Atlantik ada ülkesi İzlanda, 2050 yılında hidrojen ekonomisine geçmiş olma kararını alan tek ülkedir. bugün için tüm taşıtlar ve balıkçı filoları için ihtiyaç duyduğu petrolün tamamını ithal eden İzlanda, sahip olduğu jeotermal ve hidroelektrik kaynakları ile hidrokarbon enerji kaynaklarından daha düşük maliyetle elektrik üretebilmektedir.

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.Amonyum tüm dünyada üretilir ve dağıtılır. Amonyum maliyetinin %90’ını enerji oluşturur. Ayrıca İzlanda, maliyeti büyük ölçüde enerjiye dayanan, alüminyum ergitme tesisi kurmaktadır. Reykjavík’te sıkıştırılmış hidrojenle çalışan küçük bir şehir içi otobüs filosu deneme amaçlı faaliyetini sürdürmektedir. Balıkçı filolarının hidrojenle enerjilendirilmesine dair araştırmalar sürmektedir.

2.7. HİDROJEN ENRJİSİ VE TÜRKİYE

Türkiye’nin 7. Beş Yıllık Kalkınma Planı Genel Enerji Özel İhtisas Komisyonu Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Raporu’nda, hidrojen teknolojisine değinilmekle birlikte, resmileşen kalkınma planında hidrojen enerjisinin adı geçmemektedir. Hidrojen konusu üniversitelerimiz ve araştırma kuruluşlarımızda çok sınırlı biçimde ele alınmaktadır.

TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi’nde hidrojen alanında Uluslararası Enerji Ajansı programları kapsamında çalışma başlatılmak istenmişse de, söz konusu işbirliği 1996 yılında kesilmiştir. Birleşmiş Milletler (UNIDO) desteği ile ICHET projesi kapsamında, İstanbul’da Hidrojen Enstitüsü kurulması konusu gündemdir. 20-22 Kasım 1996 tarihlerinde Viyana’da yapılan 16. UNIDO Endüstriyel Kalkınma Kurulu Toplantısı’nda, UNIDO işbirliği ile Türkiye’de Uluslararası Hidrojen Enerjisi Teknolojileri Merkezi (ICHET) kurulması kararı alınmıştır. Buna göre, UNIDO hukuksal çerçevesinde özerk bir kurum olarak çalışacak ICHET, İstanbul’da kurulacaktır.

ICHET’in tasarlanan amacı, gelişmiş ve gelişmekte olan ülkeler arasında hidrojen teknolojileri köprüsünü oluşturmak, hidrojen teknolojilerinin geliştirilmesini sağlamak ve uygulamalı Ar-Ge çalışmalarını yürütmektir.

ICHET’in işlevi; kısa ve uzun dönemli eğitim vermek, bilimsel toplantılar düzenlemek, danışmanlık hizmetleri sunmak ve benzeri kuruluşlarla işbirliği oluşturmak biçiminde belirlenmiştir.

Merkezin çalışma konuları; hidrojen enerjisi politikaları, hidrojen ekonomisi, enerji ve çevre, hidrojen üretim teknolojileri, hidrojen depolama teknikleri, hidrojen uygulamaları ve demonstrasyonlar olacaktır.

Türkiye, ilk beş yıllık dönem için arazi, tesis, ilk yatırım ekipmanı ve işletme faaliyetlerini finanse etmek üzere, 40 milyon ABD $’ı verecektir. ICHET projesi Türkiye’nin hidrojen çağına tutarlı biçimde adım atmasını sağlayacak, Türkiye’ye avantaj kazandıracak önemli bir girişimdir.

TÜBİTAK-TTGV Bilim Teknoloji-Sanayi Tartışmaları Platformu tarafından yapılan çalışma ile 1998 yılında tamamlanan, Enerji Teknolojileri Politikası Çalışma Grubu Raporu’nda, hidrojen enerjisinin önemi ve yapılması gerekenler sıralanmıştır. Hidrojen enerjisi ile ilgili çalışmaların Ar-Ge alanları arasında yer alması gerektiği belirtilmiştir. Hidrojen programlarının esas itibarı ile uzun döneme yönelik olduğu vurgulanmakla birlikte, mevcut enerji alt yapısıyla kısa dönemli uygulamalar üzerinde durulması, ICHET’in kurulması için başlatılmış olan çalışmaların hızla olumlu sonuca götürülmesi istenmiştir. Rapor, Bilim ve Teknoloji Yüksek Kurulu tarafından uygun bulunarak, Başbakanlık kanalıyla Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı’na sunulmuştur.

Türkiye’de hidrojen yakıtı üretiminde kullanılabilecek olası kaynaklar; hidrolik enerji, güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, deniz-dalga enerjisi, jeotermal enerji ve adım atılması gereken nükleer enerjidir. Türkiye gibi gelişme sürecinde ve teknolojik geçiş aşamasındaki ülkeler açısından, uzun dönemde fotovoltaik güneş-hidrojen sistemi uygun görülmektedir. Fotovoltaik panellerden elde olunacak elektrik enerjisi ile suyun elektrolizinden hidrojen üreten bu yöntemde, 1 m³ sudan 108.7 kg hidrojen elde olunabilir ki, bu 422 litre benzine eşdeğerdir.

Türkiye’nin hidrojen üretimi açısından bir şansı, uzun bir kıyı şeridi olan Karadeniz’in tabanında kimyasal biçimde depolanmış hidrojen bulunmasıdır. Karadeniz’in suyunun % 90’ı anaerobiktir ve hidrojensülfid (H2S) içermektedir. 1000 m derinlikte 8 ml.lt-1 olan H2S konsantrasyonu, tabanda 13.5 ml.lt-1 düzeyine ulaşmaktadır. Elektroliz reaktörü ve oksidasyon reaktörü gibi iki reaktör kullanılarak, H2S den hidrojen üretimi konusunda yapılmış teknolojik çalışmalar vardır. Bu konuda yapılmış bir diğer teknoloji geliştirme çalışması, semikondüktör partikülleri kullanarak fotokatalitik yöntemle hidrojen üretimidir. Güneş ve rüzgar enerjisinden yararlanarak, Karadeniz’in H2S içeren suyundan hidrojen üretimi için literatüre geçmiş bilimsel araştırma olup, Bulgaristan proje geliştirmeye çalışmaktadır.

2020-2025 döneminde yerli hidrojen üretiminin 10 Mtep’in üzerine çıkabileceği, 2015 yılından sonra fosil yakıt dışalımını azaltıcı etki yapacağı bulgulanmıştır. Giderek sağlanacak hidrojen üretimi artışıyla, yerli petrol, doğal gaz ve kömür üretiminin sıfırlanabileceği 2065 yılında, yaklaşık 290 Mtep hidrojen üretilebileceği görülmüştür.      Hidrojen üretimine bağlı biçimde ulusal kazancın artacağı saptanmıştır. Model bulguları, diğer bazı ülkeler ve dünya geneli için yapılmış benzer çalışmalara koşut durumdadır.

ABD’nin Enerji Departmanı tarafından, 2025 yılında Amerika’nın toplam enerji tüketiminin % 10’unun hidrojenle karşılanması ve böylece petrol dışalımının yarı yarıya azaltılmasının hedeflediği göz önüne alınırsa, Türkiye için yapılmış simülasyon modeli çalışmasının bir abartma olmadığı anlaşılır. Kuşkusuz, bu bir bilimsel senaryo olup, gerçekleşmesi koşullara ve alınacak önlemlere bağlıdır. Modelin verdiği en önemli sonuç, hidrojenin Türkiye için umut olabileceğidir.

3. HİDROJEN ÜRETME YÖNTEMLERİ

Hidrojen, biyolojik ve kimyasal olarak iki farklı biçimde üretilebilir. Kimyasal yöntemler maliyetli olduğu için çok tercih edilmez. Biyolojik yöntemler ise maliyeti düşük, sürdürülebilir çevre dostu yöntemlerdir. Hidorojen üretme yöntemleri şu şekilde sıralanabilir: hidrokarbonlardan hidrojen üretimi, kömürden hidrojen üretimi, nükleer enerjiden hidrojen üretimi, rüzgar enerjisinden hidrojen üretimi, termokimyasal biyokütle işleme ile sürdürülebilir hidrojen üretimi, güneş enerjisinden hidrojen üretimi.

3.1. HİDROKARBONLARDAN HİDROJEN ÜRETİMİ

   Hidrokarbon yakıtların doğasında bulunan avantajlar göz önüne alındığında, bunların mevcudiyeti, maliyet rekabet    gücü, depolama ve dağıtım kolaylığı, nispeten yüksek H/C oranı gibi, yakın – orta vadeli gelecek için hidrojen üretiminde önemli bir rol oynaması muhtemeldir. Hammadde kullanılabilirliği ve maliyeti, kapasite gereksinimleri, ürün saflığı, basınç ihtiyaçları, potansiyel yan ürünler ve buhar veya güç kojenerasyonu dahil olmak üzere hidrojen üretim sürecinin seçimini kontrol eden bir dizi faktör vardır. Hidrokarbonların (doğal gaz ve petrol), dünyanın hidrojen üretiminin %78’ini oluşturduğu bilinir. Bununla birlikte, petrol bazlı hammaddelerden üretilen hemen hemen tüm hidrojenin (örneğin, gaz dışı gazlar ve artık yağ) rafinerilerde dahili olarak tüketildiği belirtilmelidir. Küçük bir hidrojen yüzdesi (yaklaşık %4) su elektrolizi ile üretilir (elektriğin önemli bir kısmının hidrokarbon bazlı birincil enerji kaynaklarından üretilmesi dikkat çekicidir). Hafif hidrokarbonlardan hidrojen üretimi en az miktarda enerji gerektirir, su elektrolizi ile hidrojen üretimi en yoğun enerji seçenektir. Hammaddedeki H/C oranı arttıkça, hidrojen verimi de artar; CO2 yan ürün verimi ters sırayı takip eder. Bu nedenle, hafif hidrokarbonlardan hidrojen üretme tercihi, ilgili işlemlerin daha az yoğun enerjili olması ve alternatif hammaddelere (örneğin kömür) kıyasla daha yüksek hidrojen verimi ve daha düşük CO2 emisyonlarına sahip olması gerçeğine büyük ölçüde atfedilebilir.

3.2. KÖMÜRDEN HİDROJEN ÜRETİMİ

   Hidrojen esas olarak su molekülünü H2 ve O’ya bölerek sudan (H2O) üretilir. Sudan hidrojen üretiminin temel yönleri, su molekülünü bölmek ve üretilen oksijeni sabitlemek için yeterli enerji tedarik etmektedir. Sudan hidrojen üretmek için bir yöntem, bir oksidasyon indirgeme reaksiyonunda bir indirgeyici M kullanmayı içerir.

enerji

H2O + M  → H2 + MO

M metal veya karbon (C) olabilir. Neyse ki, karbon kömür (CHmOn) gibi bol malzemelerden kolayca temin edilebilir.

enerji

(2-n)H20 + CHmOn → (2 + m/2)H2 + CO2

Yukarıdaki denklem, dünya çapında hidrojen enerjisi ihtiyaçlarını karşılamak için kolayca ve ucuz bir şekilde

elde edilen su ve kömürden hidrojen üretimi için büyük ölçekli bir yöntem sunar.

Kömürden hidrojen üretimi, H2’nin ayrıldığı H2, CO ve CO2 karışımı üretmek için kömürden O2 veya buharın

geçtiği köklü bir teknolojidir.

Son birkaç on yıl boyunca, kömür yapımı hidrojen ağırlıklı olarak amonyak, metanol, metan ve Fischer-Tropsch

ürünleri gibi kimyasalların üretimi için alanlarda kullanılmaktadır.

Kömürden hidrojen üretmek, petrol veya doğal gazdan hidrojen üretmek kadar uygun maliyetli olmasa da, kömür,

petrol veya doğal gazın hazır olmadığı ve kömürün bol olduğu yerlerde kullanılabilir.

3.3 NÜKLEER ENERJİDEN HİDROJEN ÜRETİMİ

Bugün, fosil enerjisinin tükenmesi, iklim değişiklikleri ve asit yağmuru gibi fosil yakıtların çevreye hızlı bir şekilde yakılmasının olumsuz etkilerinden endişe duyuyoruz, çünkü hayatlarımız hala fosil enerjisine bağlı. Bu nedenle, hidrojenin gelecekteki önemli enerji taşıyıcılarından biri olduğu, çünkü karbondioksit, sera gazı ve atmosferik kirleticilerin emisyonu olmadan kullanıldığı ve yakıt hücreler geliştikçe ve yaygın olarak uygulandığında buna olan talebin yakın gelecekte büyük ölçüde artması bekleniyor. Bununla birlikte, hidrojen doğal olarak pek yoktur. Su moleküllerinin doğrudan termal ayrışmasıyla hidrojen üretimi, binlerce Kelvin’in yüksek sıcaklıklı bir ısısını gerektirir. Suyun elektrolizini kullanarak veya yüksek sıcaklıkta endotermik kimyasal reaksiyonları ve düşük sıcaklıkta ekzotermik kimyasal reaksiyonları birleştirerek, bileşen kimyasal reaksiyonların dizisinden kaynaklanan net kimyasal değişim, su ayrışmasıdır; prensip olarak, su molekülünü ısı ile önemli ölçüde daha düşük bir sıcaklıkta bölmek mümkündür. Ve küresel çevreyi korumak için pratik bir cevap, karbon emisyonu ve hava kirliliği olmadan ekonomik ve enerji kaynaklarından hidrojen üretmek olacaktır.

Nükleer enerji kullanarak sudan hidrojen üretimi, en cazip sıfır emisyonlu enerji stratejilerinden birini ve önemli

ölçüde pratik olan tek şeyi sunar. Son zamanlarda, yüksek sıcaklık gaz soğutmalı reaktör (HTGR), a.k.a, çok

yüksek sıcaklık reaktörü (VHTR) çok yüksek sıcaklık gelişmiş tasarım şeklinde ısı kullanılarak hidrojen üretiminde

güçlü bir ilgi görülmektedir. HTGR özellikle caziptir, çünkü potansiyel gelecek nesil, nükleer güç seçenekleri

arasında, nükleer ısıtılmış hidrojen üretimi için ideal olarak uygun yüksek sıcaklıkta ısı üretmek için doğal ve pasif

olarak güvenli ve yakın vadede konuşlandırılabilir olma özelliğine sahiptir.

3.4. RÜZGAR ENERJİSİNDEN HİDROJEN ÜRETİM

Rüzgar enerjisinden hidrojen üretme süreci, yani tam olarak suyun elektrolizinden hidrojen üretimi, ana güç girişi olan elektriksel güç rüzgar enerjisinden üretilir; kavram olarak hidrojen üretmek için umut verici bir yol. Sadece prosedürlerin yenilenebilir ve kirlilik yapmaması yanı sıra rüzgar enerjisi dönüştürücü sistemler, ortalama bir rüzgar enerjisi depolamaya sahip olan çok yönlü rüzgar enerjisi taşıyıcısıyla birleşirlerse çok daha etkili olurlar. Rüzgar enerjisi etkisi elektriksel ızgaralarda artmakla beraber hala genişliyor. Hemde uygun enerji tekniğini hiç

benimsemeden ki bu teknik birçok problem çözer. Bunlardan biri de stabil olmayan rüzgar enerjisi sistemleri.

Rüzgar tarlaları ürettikleri enerjinin bir bölümünü depolarlar. Bunun amacı yüklerini dengeleyip güncel hava

koşullarına uygun olmak ve şebekedeki enerji talebi için hidrojen üretimi ve dağıtımı.

3.5. TERMOKİMYASAL BİYOKÜTLE İŞLEMİ İLE SÜRDÜRÜLEBİLİR HİDROJEN ÜRETİMİ

Küresel ölçekte, artan dünya nüfusu ve artan zenginlik standartları nedeniyle enerji tüketimi artmaktadır. Günümüzde enerji esas olarak fosil yakıtlardan üretilmektedir. Bu durum, sınırlı ucuz fosil rezervlerinin daha da tükenmesine, fosil yakıt ithalatına bağımlılığın artmasına ve ayrıca atmosferde artan bir sera gazı konsantrasyonuna (özellikle CO2) yol açmaktadır. Bunun küresel iklim değişikliklerine önemli ölçüde katkıda bulunan bir faktör olduğuna dair artan göstergeler var. Bu soruna antropojenik katkıyı azaltmanın yollarından birişu anda kullanılan net CO2 üreten fosil yakıtlar yerine bir CO2 nötr enerji taşıyıcısının uygulanmasıdır. Küresel enerjide birincil yenilenebilir enerji kaynaklarının rolü kolayca depolanan ve taşınan bir enerji taşıyıcısına dönüştürülebildikleri takdirde ekonomi büyük ölçüde uzatılabilir ve bu, elektrikle kolayca sunulmayan sıvı yakıt pazarlarına hizmet edebilir. Potansiyel olarak, hidrojen, fosil yakıtlara olan özel bağımlılığı da azaltabilen bir taşıyıcıdır. Günümüzde hidrojen tüketimi, esas olarak petrokimya süreçlerinde (hidrotreating, kükürt giderme, dealkilasyon ve çatlama gibi) gerçekleşir; kimyasal üretimde (örneğin, amonyak ve metanol); metalurjik işleme; elektronik endüstrisi; ve gıda işleme (yağ ve yağ hidrojenasyonu) ve enerji üretim amaçları için çok fazla değil.

Bugün, hidrojen üretmek için en ucuz ve en yaygın olarak uygulanan teknoloji, doğal gazın katalitik buhar

reformudur. Küresel hidrojen üretimi şu anda 1 milyar m3/gün’ ü aşıyor, bunların %48’i doğal gazdan, %30’u

petrolden (genellikle rafinerilerde), %18’i kömürden ve kalan (%4) su elektroliziyle üretilmektedir. Bununla birlikte,

fosil yakıtlardan hidrojen üretimi, doğal sera etkisinin arttırılmasına katkıda bulunan CO2, CH4 ve diğer kirletici

gazların üretimi ile birlikte görülür. Bununla birlikte, günümüzde hala büyük ölçekte uygulanmayan sürdürülebilir

teknolojiler kullanılarak hidrojen üretilebilir: en umut verici olanlar, sürdürülebilir olarak üretilen elektrik (örneğin,

rüzgar, hidro ve güneş) ve sürdürülebilir üretim ve biyokütle kullanımına dayanan süreçler kullanılarak elektroliz ile

su bölünmesidir.

Hidrojen üretiminin kaynağı olarak biyokütle, çeşitli çalışmalara göre yakın ve orta vadeli gelecek için önde gelen

pratik ve uygulanabilir bir seçenek olarak kabul edilir, ancak bu rota ile ilgili maliyetler ve biyokütle arzı ile ilgili

kritik yorumlar yapılmıştır.

Ucuz fosil yakıtların keşfinden önce, toplumumuz enerji taleplerini karşılamak için bitki biyokütlesine oldukça

bağımlıydı.

Sürdürülebilir olarak üretilen hidrojenin büyük ölçekli tanıtımını sağlamak için, üretim teknolojisi zincirinin

konfigürasyonu, depolama seçenekleri, mevcut enerji sistemine sorunsuz entegrasyon ve sosyal kabul gibi bir dizi

teknik ve teknik olmayan konu ele alınmalıdır. Mevcut fosil yakıt bazlı enerji sisteminden, sürdürülebilir, hidrojen

bazlı bir enerji sistemine geçişin parçalanması bekleniyor ve fosil ve yenilenebilir enerji kaynakları ve taşıyıcılarının

çeşitli bir karışımını içeriyor. Fosil yakıtlardan üretilen hidrojenin kullanımı, muhtemelen hidrojene dayalı

sürdürülebilir bir enerji sisteminin gerçekleştirilmesine yönelik ilk adım olacaktır. Enerji kaynağı için çeşitli

biyokütle kaynakları dönüştürülebilir. Bunlar dört genel kategoriye ayrılabilir: enerji bitkileri, Tarımsal kalıntılar ve

atıklar, ormancılık atıkları ve kalıntıları, sanayi ve belediye atıkları.

3.6. GÜNEŞ ENERJİSİNDEN HİDROJEN ÜRETİMİ

Hidrojen geleceğin enerji taşıyıcısı olarak görülmektedir. İçten yanmalı motorlarda veya yakıt pillerinde direkt enerji üretmede kullanılabileceği gibi aynı zamanda enerjinin depolandığı (mesela, metal hidritler) form olarak da karşımıza çıkmaktadır. Hidrojen günümüzde büyük miktarlarda fosil yakıt olan doğalgazdan üretilmekte, çevreye sera gazı ve diğer iklim değiştirici emisyonların yayılmasına neden olunmaktadır. Diğer tarafta ise üretimi fosil kaynağa bağlı olduğu için sürdürülebilir yakıt olma opsiyonundan uzaklaşılmaktadır. Termokimyasal çevrimler ve suyun elektrolizi gelecek için çevreye karşı zararsız hidrojen üretiminde en çok arzu edilen proseslerdir. Aynı zamanda hidrojen farklı yollarda güneş enerjisini güneş elektrik ve güneş termal enerji kullanarak üretilebilir. Güneşten üretilen elektrik elektrolizde kullanılarak su, hidrojen ve oksijene ayrıştırılabilir. Güneşten üretilen termal enerji iki alt başlığa ayrılabilir:

1-) Düşük Sıcaklık

2-) Yüksek Sıcaklık Uygulamaları

Güneş enerjisinin hidrojen üretiminde kullanılması fikri çevreyi istenmeyen sera gazı salınımlarından korumaktadır.

Steinfeld güneş enerjisini kullanarak sudan hidrojen üretimi için iki adımdan oluşan termokimyasal çevrimi

analiz etmiş ve sırasıyla 5.000 ve 10.000 güneş yoğunlaştırma oranları için ekserji verimliliklerini %29 ve %36

olarak bulmuştur. Çevrimin iki adımı şöyledir:

1-) Proses ısısı olarak yoğunlaştırılmış güneş enerjisini kullanarak 2300 K’deZnO(s)’nın Zn(g) ve O2’ne dönüştüğü   endotermik adım

2-) Zn(1)’nin 700 K’de hidroliziyle H2 ve ZnO(s)’nın üretildiği güneşsiz ekzotermik adım

İkinci adımdaki ZnO(s) doğal olarak ayrışır ve ilk adımdaki çevrimde tekrar kullanılır. Hidrojen ve Oksijen farklı adımlarda üretildikleri için yüksek sıcaklık gaz ayrıştırma ihtiyacına gerek yoktur.

Z’Graggen ve diğer araştırmacılar yoğunlaştırılmış güneş enerjisi kullanarak petrol atıklarının gazlaştırılması ile

hidrojen üretimini analiz etmişler ve güneş enerjisi dönüşüm verimini %17 olarak bulmuşlardır. Charvin ve diğer

araştırmacılar ZnO/Zn, Fe3O4/FeO ve Fe2O3/Fe3O4 termokimyasal çevrimlerin proses analizlerini yapmışlar ve

2000 K’e kadar sıcaklıkta işletilen yoğunlaştırılmış güneş termal enerjisi ile hidrojen üretimi için bu çevrimlerin

yüksek verimli, büyük ölçekli ve çevresel açıdan uygun olduklarını bulmuşlardır. Aynı zamanda yukarda

belirtilen çevrimler için gerçek enerji verimliliğini sırasıyla %25.2, 28.4 ve 22.6 olarak bulmuşlardır. Joshi ve

diğerleri, güneş enerjisinden hidrojen üretim yöntemlerini yüksek ve düşük sıcaklık üretimleri olarak

sınıflandırmış, bu hidrojen üretim yöntemlerinin ekserjetik değerlendirmesini ekserji verimliliğinine bağlı olarak

önerdiği sürdürülebilirlik indeksini kullanarak sunmuşlardır.

Hidrojenin güneş enerjisi kullanımı ile üretilmesi, hem çevre hem de ekonomik yönden büyük bir avantaj

sağlamaktadır. Fosil yakıtların zaten yakın bir gelecekte tükeneceği gerçeği de göz önüne alındığında, son

yıllarda çalışmalar güneş-hidrojen sistemi üzerinde yoğunlaşmıştır. Güneş-hidrojen sistemi son derece temiz ve

güvenli bir enerji üretim yoludur. Güneş enerjisinden yararlanarak hidrojen elde etmek için bugüne kadar çeşitli

yöntemler ortaya atılmış ve bu alandaki çalışmalar halen devam etmektedir.

4. KÖMÜRDEN HİDROJEN ELDE ETME PROSESİ VE EKONOMİSİ

4.1. KÖMÜRDEN ENERJİ ELDE EDİLMESİ

Yaşadığımız dünyada enerjiye olan ihtiyaç her geçen gün artarak devam etmektedir. Enerji ve hammadde ihtiyacının büyük kısmı doğadan madenlerin çıkarılması ile sağlanmaktadır. Bugün Çin, ABD, Hindistan, Endonezya, Avustralya, Rusya ve Güney Afrika gibi ülkelerde kömür üretiminde ön sıralarda gelmektedirler. Ülkemiz açısından yerli enerji kaynaklarının kullanılması ise ayrı bir önem taşımaktadır.

Söz konusu yerli kaynaklarımızdan birisi de kömür rezervlerimizdir. Türkiye enerji konusunda dışa bağımlı olan bir ülkedir. Bu nedenle enerjinin üretilmesi konusunda çok ciddi adımların atılması ve dışa bağımlılığın azaltılması gerekmektedir. Dünyada birincil enerji kaynaklarının en önemlisi ve en ucuzu kömür olarak görülmektedir. Tüm gelişmiş ve gelişmekte olan ülkeler öncelikle arz güvenliği yüksek olan kendi öz kaynaklarını kullanmaktadırlar. Kömür dünya çapında enerji güvenliği için hayati öneme sahiptir: bol miktarda, zararsız bir şekilde elde edilebilir kolay ve güvenli bir şekilde taşınabilir.. Ülkemizde Petrol ve doğal gaz kaynakları bakımından dışa bağımlı olunması nedeniyle kömür stratejik bir madde haline gelmektedir ve enerji yatırımları bu yönde de değerlendirilmelidir.

4.2. BİRİNCİL ENERJİ ARZI VE KÖMÜRÜN PAYI

Dünya birincil enerji arzı 1973 ve 2013 yılları arasındaki 40 yılda iki kattan fazla artarak 2013 yılı itibariyle 13.541 mtep (milyon ton eşdeğer petrol) düzeyine ulaşmıştır. 2013 yılındaki artış oranı bir önceki yıla göre %1,3 düzeyindedir. Enerji arzı yeni yüzyılın ilk 12 yılında %35 oranında büyürken, artışın yaklaşık dörtte üçü Asya kıtasından kaynaklanmıştır. Söz konusu 12 yılda, enerji arzı Çin’de %159 ve Hindistan’da ise %76 oranında büyümüş, buna karşılık Avrupa Birliği’nde %4 ve ABD’de ise %2,9 oranında azalmıştır. 1973-2013 yılları arasındaki dönemde; Dünya’da petrolün payı %46,2’den %31,1’e düşerken, doğal gazın payı %16’dan %21,4’e, nükleer enerjinin payı %0,9’dan %4,8’e ve hidrolik dâhil yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarının payı ise %1,9’dan %3,6’ya yükselmiştir. Aynı dönemde kömürün payı 4,4 puan artışla %24,5’dan %28,9 düzeyine ulaşmıştır.

4.3. KÖMÜRDEN HİDROJENLİ YAKIT ÜRETİMİ

Kömürden düşük maliyetli (low-Btu) temiz gaz üretim tarzı için itici güç elektrik santrali işletmelerinden gelmiştir. Ancak daha önce kömür kullanan ve şimdi doğal gaza geçen ısıtma ve proses işletmeleri de doğal gazdan ucuz olan bu gazı kullanabilirler. Temiz gaz üretimi için ilk sistem Lurgi, ikinci jenerasyon ise Texaco prosesidir.

4.3.1. LURGİ PROSESİ

Bu proseste önce kömür 1 inç (25,4 mm)’lik elekten geçecek şekilde ufalanır. 28 mesh’den küçük kısmı yine bu prosesten elde edilen katran ile briketlenir ve 1 inç-28 mesh arası franksiyonla birlikte gazlaştırıcıya beslenir. Gazlaştırıcı esas itibari ile refrakter tuğla ile astarlanmış su ile soğutulan silindir bir kap olup 20 atm basınç altındadır. Hava ve buhar tabandan girer, yaklaşık 2,1 m kalınlığa sahip sabit yakıt yatağını geçer. Besleme oranları 1 lb (1,6897 kg/j) kömür için 0,8 lb (1,351 kg/j) buhar ve 2,7 lb (4,562 kg/j) hava şeklindedir. Yatağın alt kısmında karbon havayla yanar ve ince bir yanma bölgesinde 954-1148 °C) sıcaklıkta karbondioksit oluşturur. Aynı anda endotermik bir reaksiyon ile buhar ve karbondan karbondioksit ve hidrojen meydana gelir. Sonuç olarak beslenen yeni kömür önce kurur sonra uçucu hale gelir. Uçucu bileşenlerden de hidrojen, metan ve yüksek hidrokarbonlar elde edilir. Yanma bölgesi üzerindeki kalın yatak kısmında meydana gelen reaksiyonlar endotermik olup gazlar yatağın üst kısmı yaklaşık 950 F (510 °C)’da terk ederler. Gazlaştırma verimi %95 olup kayıpların %1-2’si küldeki yanmamış karbonlardan %3-4’ü de ısı kayıplarından meydana gelir. Kükürt bileşikleri (H2S ve COS) yaş veya kuru proseslerle giderilebilir. Sıcak karbonat metodunda %30’luk K2CO3 ile H2S ve COS’un %85’i CO2’in %12’si giderilir. böylece gaz yakıt içersindeki kükürt içeriği 220g/106 Btu’ya veya yanmış gazlarda 550 ppm SO2 indirilmiş olur. Kullanılan karbonat sıvısı buharla rejenere edilir. Rejenerasyonda kullanılan gaz çıkışta %10,9 H2O, %67,5 CO2, %21,6 H2S ihtiva eder. Daha sonra 60 °C ’a soğutulup Claus konvertörüne gönderilerek burada kükürtün %90’ı elementel halde kazanılmış olur. Bu proseste gazdaki H2S’in 1/3’ü yanarak SO2 oluşturur. Yanmış gaz soğutulup seri halde işletilen boksit kataliz yatağına geçer burada SO2 ve H2S reaksiyona girer ve kükürt meydana gelir.

4.3.2. TEXACO PROSESİ

Bu sistem, ikinci jenerasyon olarak adlandırılır. Pülverize ham kömürün buhar ve hava ile yüksek basınçta doğrudan gazlaştırılmasına dayanır. Çıkan gaz saflaştırılır. Maliyetin ana unsuru gazlaştırma kabıdır. Yüksek reaksiyon hızı eldesiyle kap küçülür ve maliyet azalır. Hava yerine oksijen kullanımı da cihaz boyutunu ufaltır. Gazlaştırma reaksiyonlarının hızı sıcaklığa bağlıdır. Sıcaklık artışı reaksiyon hızını çok yükseltir. Kül fizyon sıcaklığının üzerinde 1210°C’dan yukarıda gereken gazlaştırıcı hacmi çok küçüktür. Ancak bu sıcaklıkta kömür şişer, yumuşar ve ilaveten külün cürüflaşması sabit yatak operasyonunu çok güçleştirir. “entrainet-flow” adı verilen akımlı işletme için uygundur. Bu sistemde hava, buhar ve pülverize toz kömür aynı yönlü akım içinde reaksiyona girerek CO ve H2 meydana getirir. Gazlaştırıcı silindirik olup reaktifler ya eksenel olarak yukarı veya aşağı doğru veya teğet olarak beslenir. Kül çıkışı katı veya sıvıdır.

Isı değiştiriciler, hava kompresörleri, gaz temizleyiciler gibi yardımcı teçhizat, yatırım tutarının önemli bir bölümünü oluşturur. 1093-1371 °C sıcaklıklarda gazlaştırma reaksiyonları çok hızlıdır. Üretilen temiz yakıt gazında katran ve doymamış hidrokarbon yoktur. Metan, ihmal edilebilir miktarda olup yüksek hidrokarbonlar üretir.

Aynı yönlü akımda sıcaklık zıt yönlüye göre daha yüksek olduğundan çıkan gazın hissedilir ısının kimyasal enerjiye oranı yüksektir. Toplam enerjinin yaklaşık %20’si hissedilir ısıdır. Lurgi sisteminde bu oran %8’dir. Proses randımanını yükseltmek için bu ısı geri kazanılmalıdır. Bunun için iki alternatif vardır:

• Yüksek basınçta buhar üretip bunu gazlaştırma prosesi basıncına genişleten yoğuşturmasız bir türbin kullanılarak bununla hava kompresörlerini çalıştırmak ve daha sonra buharı prosese döndürmek.
• Gazlaştırıcıya giren reaktiflerin ön ısıtmada kullanımı bu şekilde besleme ısıtmaya tabi tutulmazsa, yanma havasını ilave bir yakıtla ısıtmak gerekir ki bu da hem kompresör gücünü arttırır, hem kullanılan yakıt artar, hemde çıkan gazların hissedilir ısısı yükselir. Bu açıdan ikinci alternatif daha ekonomiktir. Kükürt giderme işlemide iki türlü gerçekleştirilebilir:

1. a) Sıvı temizlenme sisteminde apsorpsiyonla veya dolomit, demir oksit gibi kuru katılarla.
2. b) Sıcak karbonatlı temizleme sisteminde gazlar 121 °C’ a soğutulmalıdır. Ferri oksit sisteminde gazların 537 °C’ın altına indirilmesi yeterlidir.

Texaco kısmi oksidasyon prosesi, hareketli çakıl taşı yatağı ısı kazanım sistemi ve sıvı karbonatlı temizleyiciye sahiptir. Kömürün %70’i 200 mesh’ten küçük olacak şekilde ufalanır, eşdeğer miktarda suyla süspansiyon yapılır, 15 atm basınç altındaki gazlaştırıcıya pompalanır. Süspansiyon, sıcak üretim gazıyla ısı transferi sonucunda buharlaşır ve buhar/kömür oranı 40/60 olacak şekilde siklon ile ayarlanır. Fazla buhar süspansiyon tankına geri döndürülür. Buhar-kömür karışımı üretilmiş gaz ile ısınan bir diğer ısı değiştiricide 537 °C’ a ön ısıtılır. Yakmada kullanılan hava ise çakıl yataklı ısı değiştiricide (burada alümina taneleri aşağı doğru hareket eden bir yatak oluşturur) 1037 °C’ a ön ısıtılır. Yatağın üst kısmı 1204 °C’ ta giren yakıt gazıyla 1120 °C’ a ısınır. Bu gaz çakıllarla karşı takımda soğuyarak sıcaklığı 315 °C’ ye iner. Isıtılan buhar kömür ve hava 3,58 m çapında, 10,8 m yükseklikteki refrakter astarlı gazlaştırıcıya girer. Kömürün %95’i 3 dakika içinde gazlaşır. %5’i curuf içinde kalarak kaybolur. Yakıt gazı reaktörü 1204 °C’ de terk eder. Bu gaz, su gazı şift reaksiyonuna uygun denge şartlarındadır. 315 °C’ de soğuyan gazdan kül ve kükürt giderilir.

4.4. SIVILAŞTIRMA YÖNTEMLERNİN ÜLKEMİZ KÖMÜRLERİNE UYGULANMASI VE ÖNEMİ

Bugün ülkemizdeki toplam taşkömürü rezervinin 1,4 milyar ton, linyitin ise 7,4 milyar ton dolayında olduğu bilinmektedir. Linyitlerimiz ev-endüstri ısıtımı ve termik santrallarde doğrudan yakılmaktadır. Ayrıca Kütahya Azot Sanayii tesislerinde gazlaştırmaktadır. Günümüzde dünyadaki eğilim ise genellikle kömürlerin gazlaştırılması ve sıvılaştırılması ile elde edilen gerek sıvı yakıtların gerekse kimyasal ham maddelerin doğal gaz ve petrolden elde edilen ürünler yerine kullanılması yönündedir. Türk kömürleri ile laboratuvar çapında çeşitli sıvılaştırma deneyleri yapılmış ve elde edilen ürünler ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Burada çeşitli kömürler, belirli bir oranda çözücü ile karıştırılıp 300-400°C ve 120-170 bar basınçta ekstrakte edilip ürünler analiz edilmiştir. Ekstraksiyon koşulları ve kömür cinsine bağlı olarak % 20-30’luk verime ulaşılmıştır. Bir diğer çalışmada Tunçbilek ve Seyitömer linyitleri 100 bar basınçta 2,5°C/dak hızla 550°C a dek ısıtılırken, 2 İt/saat akış hızındaki çözücülerle (toluen ve toluen + tetralin karışımı) kesiksiz bir süreçle ekstrakte edilmiş ve hidrojen verici çözücünün, moleküler hidrojenin ve katalizörün ekstrakt verimine etkisi araştırılmıştır. Hidrojen verici çözücünün etkinliğinin moleküler hidrojenden daha fazla olduğu belirlenmiş; moleküler hidrojen kullanıldığında en uygun besleme hızları saptanmıştır. Aynı koşullarda Tunçbilek linyitindeki ekstrakt veriminin Alman Ensdorf taşkömüründen daha yüksek olduğu gözlenmiştir. Toluen – tetralin karışımı ile yapılan deneylerde yalnız toluen-kullanılmasına göre Tunçbilek linyiti için ekstrakt veriminin % 15 den % 33’e, toplam dönüşümü % 28’den % 68’e çıkması hidrojen verici çözücünün önemini vurgulamaktadır. Yöntemin ekonomik olması için ele geçen naftalin, antrasen ve fenantren gibi aromatik bileşiklerin kısmi katalitik hidrojenasyonla tetralin, dihidroantrasen, dihidrofenantren gibi hidrojen verici bileşiklere dönüştürülmesi ve bunları kömüre ekleyerek oluşan karışımın önce termik parçalanmaya ve daha sonra toluenle ekstraksiyona uğratılması yolları araştırılmalıdır. Türk kömürleri ile laboratuvar çapında yapılan bu araştırmaların kömürden sıvı ürün ve kimyasal ham madde elde edilmesi çalışmalarına yardımcı olacağı düşünülebilir.

4.5. EKONOMİ

Enerji politikası olarak hükümetlerin benimsemiş oldukları politikanın ülkeden ülkeye değişmesi normaldir. ülkelerin ve hükümetlerin ekonomik görüşleri doktrin ve strateji yönünden farklılıklar göstermektedir.

Enerji konusunda benimsenen politikaya, ülkenin ödemeler dengesi durumu, tam istihdamın gerçekleştirilip gerçekleştirilmemesi gibi hususlar yön vermektedir. Avrupa Ekonomik topluluğuna bağlı bazı ülkelerde hükümet politikaları istikâmetinde kömür üretimi azaltılmakta ve bunun yerine yerli veya ithal edilmiş doğal gaz ve fuel-oil ikâme edilmektedir.

Şüphesiz bu konuda Hollanda açıklarında Kuzey denizindeki doğal gaz üretimi önemli bir etken olmuştur. Doğu Avrupa ülkelerinde ise kömür durumu, Batı Avrupadakinden tamamen değişik bir şekilde gelişme göstermektedir. Kıtanın bu. kesiminde, bilhassa Polonya ve S.S.C.B. kömür üretiminde çok önemli artışlar sağlamaktadır. Örneğin Polonyada 1966-1970 dönemindeki kömür üretim artışı % 14,9, aynı dönemde Romanya’da bu artış % 10,0, S.S.C.B. de % 8,9 ve Çekoslovakyada % 5,8 olmuştur. Bu ülkelerde enerji politikası olarak enerji talebinin yurt içi kaynaklara dayalı bir şekilde karşılanmasının benimsendiği ve bu durumun anılan ülkelerin ekonomik tercihlerinin bir sonucu olarak alınması gerekmektedir. A.B.D. ve Kanada da uzun vadede kömür politikası olarak hükümetlerin benimsemiş oldukları politika, kömürün daha fazla üretilmesi ve ihraç malı olarak durumunu kuvvetlendirmek yününde görülmektedir. 1966-1970 döneminde A.B.D. de kömür üretimi artışı % 9,5 Kanada da % 27,8 düzeyinde olmuştur. Kanada da 1970-1971 döneminde yeni kömür ocaklarının üretime geçirildiği ve bazılarının da üretim hazırlığının yapıldığı bilinmektedir. 1973 yılında A.B.D. de kömür tüketimi 593 milyon ton seviyesinde olacağı tahmin edilmektedir.

5. YAKIT PİLLERİ (FUEL CELL)

Yakıt pilleri, çevreyi kirletmeyen sonucunda atık madde oluşturmayan kullanılan yakıt ve oksitleyicinin elektrokimyasal reaksiyonu sonucu ortaya çıkan enerjiyi herhangi bir dönüşüm gerekmeksizin yüksek verimle elektrik enerjisine çeviren cihazlardır. Suyun elektrolizinde suya doğru akım verilerek su hidrojen ve oksijen olarak ayrıştırılır. Yakıt pillerinde ise bu olayın tam tersine hidrojen ve oksijenin reaksiyonu sonucunda elektrik enerjisi elde edilmelidir. Bu da demek oluyor ki yakıt pilleri yakıtın enerjisi elektorkimyasal elektrik enerjisine dönüştürür.

5.1 YAKIT PİLLERİNİN TARİHÇESİ (HISTORY OF FUEL CELL)

1893:  Friedrich Wilhelm Ostwald yakıt hücresi içerisinde bulunan elemanların yakıt pilindeki görevini ve yakıt piline olan etkisini araştırmıştır.

1896:  William W. Jacques eriyik elektrolitli yakıt pillerinin temelini atmış ve kömürün elektrokimyasal enerjisinden doğrudan elektrik üretmeyi amaçlamıştır.

1937: Emil Baur 1900 yılında, ünlü bilim adamı Nerst’ in başlattığı katı oksit elektrolit (SOF’s) ile çalışan yakıt hücresi projesi başarılı olmuştur.

1939: Thomsa Bacon alkalin yakıt pilleri (AFC’s) üzerinde yapılan çalışma yapmıştır ve günümüzde yakıt pillerinin bu aşamaya gelmesini sağlamıştır.

2000’li yıllar: Yakıt pili teknolojisinin üretim maaliyetinin azaltılması ve kullanımının yaygınlaştırılması için çalışmalar yapılmaktadır.

5.2 YAKIT PİLİ YAPISI (FUEL CELL STRUCTURE)

Bir yakıt pili temel olarak anot, katot ve bunlarla temas halinde olan elektrolitten oluşur. Elektrotlar, yüksek gaz geçirgenliğine sahip gözenekli yapıdadır. Tipik bir yakıt pilinde, yakıt anottan yani negatif elektrottan, oksitleyici (oksijen/hava) ise katottan yani pozitif elektrottan sürekli olarak beslenmektedir. Yakıt ile oksijen arasında indirgenme ve yükseltgenme reaksiyonlarının gerçekleşmesi sonucu elektrik akımı ve ısı oluşur.

Yakıt pili sisteminde bir yanma reaksiyonu meydana gelmediği için daha fazla verim elde edilir. Ayrıca yakıt sağlandığı müddetçe sistem calışmaya devam ederek güç üretir. bu özelliği ile bildiğimiz normallerden ayrılır. Tüm yakıt pili çeşitleri ürün olarak sıvı ya da buhar fazda su veya gaz fazında karbondioksit üretir. Su pili terk ederek pilin soğumasına yardımcı olur. Eğer pil çok yüksek sıcaklıklarda çaılışıyorsa soğutma ekipmanı gerekebilir.

5.3 YAKIT PİLİNİN ÖZELLİKLERİ

• Termal enerji sistemlerinin neredeyse iki katına denk gelen ve %70’lere varan bir verimle çalışırlar.
• Yakıt olarak saf hidrojen kullanılması durumunda zehirli gaz emisyonu sıfıra düşer ve yan ürün olarak su oluşur.
• Güvenli, basit, dayanıklı, sessiz ve modüler yapıdalardır. İstenilen boyut ve kapasitede ü

5.3.1. YAKIT PİLLERİNİN AVANTAJLARI VE DEZAVANTAJLARI

5.3.1.1. YAKIT PİLLERİNİN AVANTAJLARI

• Yakıt pilleri diğer enerji kaynaklarına göre daha verimli ve daha temizdir.
• Yakıt pillerinde hareketli aksam parçalar bulunmadığından gürültü kirliliği azalmaktadır.
• Yakıt pillerinde kullanılan yakıt çeşitliliği fazla olduğundan kullanım alanı geniştir.
• Yakıt pilleri istenilen büyüklükte ve kapasitede imal edilebilir.
• Yakıt pilleri diğer termal enerji sistemleri Carnot çevrimi kriterlerinden etkilenmez.

5.3.1.2. YAKIT PİLLERİNİN DEZAVANTAJLARI

• Yakıt pili kullanımı, çok fazla bilgi ve ileri teknoloji gerektiren bir sistemdir.
• Diğer sistemlerden daha pahalıdır.
• Uygulamada tam verimle gerçekleşmesi için uzun zamana ve paraya ihtiyaç vardır.

5.4 YAKIT PİLİNİN SINIFLANDIRILMASI (CLASSIFICATION OF FUEL CELL)

5.4.1. FOSFORİK ASİT YAKIT PİLİ (PAFC)

   1900′ lü yılların başından itibaren kullanılan bu pil çeşidi daha çok sabit üretim güç sistemleri için uygundur. Elektrolit olarak fosforik asit çözeltisinin kullanıldığı bu yakıt pili 150-200℃‘ de çalışır ve verimi diğer çeşitlerine oranla düşüktür. Veriminin arttırılması için sıcaklığının da arttırılması gerekir. Anottaki Pt katalizörün CO zehirlenmesi ise verimi düşüren bir başka önemli nedendir. Ayrıca asidik elektrolit kullanımı oksijen indirgeme reaksiyonunu yavaşlatır ve bu durum soy metal kullanımını zorunlu kılarak maaliyeti, 4,000-4,500 $/kW’ a çıkarmaktadır.         Fosforik asit tipi yakıt pilinin anot ve katotta gerçekleşen reaksiyonlar:

• Anot Reaksiyonu: 2H2 →4H+ +4e-
• Katot Reaksiyonu: 4H+ +4e- +1/2O2→2H2O
• Toplam Reaksiyon: 2H2+O2 →2H2O+Enerji

5.4.2. ALKALİ YAKIT PİLİ (AFC)

Geliştirilen ilk yakıt pili teknolojilerinden biri olup, uzay gemilerinde NASA tarafından kullanılan ilk yakıt türüdür. Elektrolit olarak sıcaklığa bağlı olarak farklı yoğunluklarda KOH kullanılır. Bu yakıt pili çeşidi için kullanılacak oldukça fazla katalizör seçeneği bulunmaktadır. AFC’ nin en önemli dezavantajı CO2 zehirlenmesine olan aşırı duyarlılığıdır. Yakıtta veya havada bulunabilicek az miktardaki CO2 bile hücre işteimini etkilemektedir. Bu durum, saf hidrojen ve oksijen kullanımı zorunlu kılmaktadır.                                                                         Alkali yakıt pilleri anot ve katot kısmında gerçekleşen reaksiyonlar:

• Anot Reaksiyonu: H2+2(OH)-→2H2O+2e-      
• Katot Reaksiyonu: 1/2O2+H2O→2e-+2(OH)-       
• Toplam Reaksiyon: H2+1/2O2→H2O+Elektrik enerjisi +ısı

5.4.3. ERİMİŞ KARBONAT YAKIT PİLİ (MCFC)

Elektrolit olarak alkali metal karbonat kullanılan bu pil yaklaşık 700℃ gibi sıcaklıklarda çalışıyor olması      MCFC’ lerin yüksek verim sağlamasına zemin hazırlar ve pillerinin verimi %60′ a ulaşır. Fakat meydana gelen bu yüksek sıcaklık çalışmada malzemelerin ömürlerini etkileyerek dejavantaj oluşturmaktadır.                                                    Erimiş karbonat yakıt pillerinin anot ve katot kısmında gerçekleşen reaksiyonlar:

• Anot Reaksiyonu: H2 + (CO3)2- => H2O + CO2 + 2e-
• Katot Reaksiyonu: ½ O2 + CO2 + 2e- => (CO3)2-
• Toplam Reaksiyon: H2 +½ O2 => H2O+ Enerji

5.4.4. POLİMER ELEKTOLİT YAKIT PİLİ

1950’li yıllarda General Electric tarafından bulunan PEM teknolojisi, aynı yıllarda NASA tarafından Gemini uzay aracında güç ünitesi olarak kullanılmıştır. Elektrolit olarak katı polimer kullanılan bu teknoloji yüksek güç yoğunluğuna düşük ağırlığa ve hacme sahip olup yaklaşık 80℃ gibi düşük sıcaklıklarda çalışır. Bunların yanı sıra yüksek verimde çalışan bu hücreler %40-50 seviyesinde maksimum teorik voltaj üretebilmeleri ve güç ihtiyacındaki değişikliklere hızlı cevap verebilmeleri de polimer elektrolit yakıt pillerini tercih edilir konuma getirmektedir.

Polimer elektrolit yakıt pillerinin anot ve katot kısmında gerçekleşen reaksiyonlar:

• Anot tarafı: H2 => 2H+ + 2e−
• Katot tarafı: 1/2O2 + 2H + + 2e− => H2O
• Genel reaksiyon: H2 + 1/2O2 => H2O

5.4.5. KATI OKSİTLİ YAKIT PİLİ (SOFC)

Elektrolit olarak gözeneksiz metal oksitlerin kullanıldığı hücrede 1000℃ gibi yüksek sıcaklıklara çıkmak mümkün olduğundan düşük sıcaklık uygulamalarındaki pahalı katalizörlerin kullanımına gerek kalmaz. Açık devrede teorik voltajın %96′ sını sağlayan KOYP’ lerin yakıttan gelebilecek safsızlıklara karşı yüksek tolerans özelliğine sahip olmalarının yanında kömür saflaştırma proseslerinin olması onları daha çekici kılar.

6. YAKIT PİLİ EKONOMİSİ
7. yy’ ın gidişatını etkileyecek en önemli faktör olan enerjinin maliyeti ve mevcudiyeti; yaşam kalitemizle, ulusal ekonomilerin sağlığıyla, uluslar arası ilişkilerle ve çevresel istikrarımız ile oldukça yakından ilişkilidir. Bunların yanı sıra enerji, ekonomik büyümenin sürdürülebilirliği açısından kritik bir unsurdur. Gelişen dünyanın enerji ihtiyacını karşıladığı fosil temelli yakıtlar ise maalesef küresel ısınma, asit yağmurları, hava kalitesinin düşmesi gibi çevresel sorunlara neden olmakta ve sürdürelebilir kalkınmayı sürdürülemez hale getirmektedir. Ekonomik ve politik açıdan da fosil yakıtların ithalatında dışarı bağımlı olunması, bu kaynakların fiyatlarında sürekli olarak değişmeler ve artışlar görüldüğünü gözler önüne sermektedir. Özellikle gelişmekte olan ülkelerin ekonomileri üzerinde baskı yapmakla beraber, bu ülkelerdeki enerji arz güvenliğini tehlikeye sokmaktadır. Günümüzde tüm dünyada alternatif enerji kaynaklarından enerji elde etme çalışmaları yapmatadır.Bu bağlamda yenilenebilir enerji kaynakları ön plana çıkmaktadır.

Yenilenebilir enerji kaynaklarının çevre üzerindeki olumsuz etkileri fosil temelli kaynaklara göre oldukça az olmasına karşın bu kaynaklarının aralıklı olarak kullanılabilmeleri ve teknolojilerinin tam olarak gelişmemiş olmasından dolayı enerji arzı açısından bazı kısıtlara sahiptir. Hidrojen enerji sisteminin tam olarak bu kısıtlamaların çözümü olduğunu düşünen bir çok enerji uzmanı bulunmaktadır. Hidrojen birincil enerji kaynağı olmamakla beraber bir enerji taşıyıcısıdır. Bu da demek oluyor ki hidrojen üretilmiş olan enerjiyi taşıyabilir ya da yakıt olarak kullanılabilir.

Tayvan’ da yapılan hidrojen enerjisine geçiş analizi bu görüşleri destekler niteliktetir. Ayrıca Tayvan ekonomisi için yapılan petrole dayalı bir ekonomi ile hidrojen enerjisine dayalı bir enerji ekonominin karşılaştırılması analizlerinde Reel Gayri Safi Milli Hasıla (GSMH)’ nın artırılması, işsizlik oranının düşmesi, karbondioksit emisyonunun azaltımı  ve hidrojen enerjisi fiyatlarının düşürülmesi açılarından  dört temel unsur elde edilmiştir. Çalışma sonuçlarına göre; GSMH’ deki büyüme, hidrojen ekonomisine dayalı sisteme geçişin maliyetileri nedeniyle, hidrojen ekonomisine göre petrole dayalı ekonomilerde daha yüksek olacaktır. 2021 yılı ve sonrasında hidrojen lehine bir değişme olması beklenmektedir. 2030 yılından sonra ise özellikle önemi artacak olan karbondioksit emisyonunun azaltılmasında hidrojen en önemli rolü oynayacaktır.2010-2030 yılları arasında hidrojen, petrole göre 674,8 milyon ton daha az karbondioksit salınımı yapmaktadır. Ayrıca hidrojen ekonomisi alanında yapılacak büyük yatırımlar ve teknolojik ilerlemeler sayesinde 2030 yılına kadar hidrojen fiyatlarında yıllık %4-6 arasında düşüş yaşanması beklenmektedir.

6.1. HİDROJEN PİLİ EKONOMİSİNDE TÜRKİYE’ NİN ROLÜ                                    

Dünyanın direkt ya da endirekt yoldan ekonomiyi önemli ölçüde etkileyen bu enerji çeşidine geçiş yapmasında Türkiye önemli rol oynamaktadır. Hidrojen kaynakları olarak oldukça zengin olan Türkiye’ nin Güneydoğu ve Doğu Anadolu hidrojen enerjisi elde etmek için güneş enerjisi, Ege ve Orta Anadolu bölgesinde rüzgar ve jeotermal enerjisi bol olmakla birlikte Karadeniz’ in 60 metre altında da hidrojen elde etmeye yarayan hidrojen sülfür miktarı oldukça yoğundur. TÜBİTAK Marmara Eerji Enstitüsü Müdürü Doç. Dr. Mustafa Tırıs ‘ Hidrojen enerjisi alternatif bir kaynak olarak öne çıkacak ve Türkiye stratejik ürün haline gelecek olan bor-hidrür’ ün en önemli sağlayıcısı olacaktır. Sulu bir süngere benzetilen bu bor-hidrür ikilisi sayesinde hidrojeni borla taşımak ve almak mümkündür. Yalnızca Türkiye’ de bulunan bor, hidrojenin dünya pazarında önemli bir şekilde taşınması ihtiyacını gideriyor olmasından dolayı  Türkiye bu konuda tekel olması söz konusudur.’ sözleriyle dünyanın hidrojen kaynaklı enerjiye geçişinde, Türkiye’ nin rolünü açıkça belirtmiştir.

7. YAKIT PİLLERİNİN UYGULANABİLİRLİĞİ VE KULLANIM ALANLARI

Yakıt pillerinin uygulama alanlarına baktığımızda daha çok taşıt uygulamalarında karşımıza çıkmaktadır. Dünya devletleri ve otomotiv sektöründeki önemli firmalar yakıt pilleri teknolojilerini geliştirmek için yüklü miktarda paralar harcamaktadır. Bu çalışmalar sonucunda yakıt pili teknolojisinin yüksek verimli, çevreyi kirletmeyen bir alternatif enerji kaynağı olduğu sonucuna varılmıştır.

Yakıt pillerinin kullanım alanlarına baktığımız zaman PEM(Polimer elektrolit membranli)yakıt pillerinin diğer yakıt pillerine oranla daha düşük sıcaklıklarda çalışması ve bu düşük sıcaklıklardan yüksek güç üretimine geçebilmesi bu yakıt pillerini otomotiv sektöründe avantajlı kılmaktadır. Toyota, Daimler Chryler, GM, Honda, Nissan, BMW, Opel gibi dev otomobil üreticileri yıllardan beri yakıt pillerini araçlarda denemektedirler. Bu teknolojiyle araçlarda bildiğimiz piston, silindir ve krank mili gibi hareket-li parçalar olmamakla birlikte ayrıca aracın sessiz çalışması, düşük emisyon ve otto ya da dizel motora göre veriminin daha yüksek olması otomobillerde kullanılmasını kaçınılmaz kılmaktadır.

7.1 BİR ARAÇ İÇERİSİNDE YAKIT PİLİ SİSTEMİNİN GÖSTERİLMESİ

Otomotivlerde aranılan özelliklere bakıldığında; hızlı yanma, yakıt ekonomisi, düşük oranda egzoz gazı miktarı ve istenilen gücü sağlamalıdır. Yakıt hücrelerinin bugünkü araç karakteristiklerine göre elde edilen güç ortalama 80–90 kW’tır. Yakıt pili ile çalışan bir araca 160 litre saf hidrojen dol-durulduğunda ortalama 400–430 km yol almakta ve çıkabileceği maksimum hız ise 160 km/h’dir.

Yakıt yüksek basınç tanklarında tutulmakta ve bu tanklar da aracın arka koltuğu altına yerleştirilmektedir. Araç çalışmadığı zaman elektrikli alıcılar bir batarya tarafından beslenilmektedir. Hidrojen, tanklardan kılcal borular vasıtasıyla yakıt hücresine girmekte ve buradan da elde edilen elektrik enerjisi, güç kontrol ünitesine geçmektedir. Elde edilen elektrik enerjisini mekanik enerjiye çevirmek için bir elektrik motoru kullanılmaktadır. Elektrik motoru vasıtasıyla araca hareket verilmiş olur. Yakıt hücreleri küçük araçların dışında büyük araçlarda da kullanılmaktadır. Otobüsler buna örnek olarak gösterilebilir. Londra gibi gelişmiş şehirlerde şehir içi ulaşımında bu tür taşıma araçları hizmet vermektedir.

Ulaşımda bu teknolojinin hızla yayılması için birtakım eksikliklerin de giderilmesi gerekmektedir. Bu eksikliklerin başında hidrojen dolum yerlerinin sayısının arttırılması, kullanılan PEM tipi yakıt pilinin çalışma sıcaklığının 100ºC civarına çıkarılması ve daha fazla güç elde edilmesi gelmektedir.

7.2. YAKIT PİLLERİNİN YAPILARDA KULLANILMASI

Hidrojen birçok kaynaktan elde edebileceği ve kolaylıkla temin edilebildiği için yapılardaki elektrik enerjisini de rahatlıkla yakıt pilinden karşılanabilir. IdaTech, Nuvera Plug Power, Proton Energy Systems ve Relion gibi bazı firmalar bu konuda çalışma yapmaktadırlar. New York City’s Times Square bu yapıya bir örnektir.

 7.3. YAKIT PİLLERİNİN ELEKTRONİK CİHAZLARDA KULLANILMASI

Yakıt pili bir batarya ile karşılaştırıldığı zaman veriminin daha iyi olduğu söylenebilir. Şekil de görüldüğü gibi bir cep telefonu göz önünde bulundurulursa, artuş içerisine doldurulan metanol bir enerji kaynaği olarak cihazı uzun süre çalıştıra-bilecek gücü sağlayabilmektedir. Cep telefonlarının yanı sıra diz üstü bilgisayarlarda ve bazı elektronik cihazlarda kullanılmaktadır.

7.4. DİĞER UYGULAMA ALANLARI

Yakıt pilleri ilk olarak NASA’nın uzay gemilerinde kullanım alanı bulmuştur. Askeri alanda yakıt pillerinin kullanımı için çalışmalar yapılmakta örneğin insansız hava araçlarında ve havacılık sektörüyle ilgili diğer alanlarda yakıt pillerinin yakıt olarak kullanılması için çalımalar devam etmektedir.

7.4.1 TÜBİTAK MAM ENERJİ ENSTİTÜSÜ YAKIT PİLİ GRUBU

Enerji Enstitüsü Yakıt Pili Grubu; Türkiye’nin gereksinimleri, müşteri kurum ve kuruluş talepleri doğrultusunda bileşenden prototip seviyesine kadar ürün geliştirmektedir.

Çalışma Alanları:

Yakıt Pili Grubu:

• Yakıt pili modül bileşenlerinin geliştirilmesi ve üretimi
• Yakıt pili sistem alt bileşenlerinin geliştirilmesi ve üretimi
• Yakıt pili modelleme ve tasarım
• Yakıt pill uygulamalarında sistem entegrasyonu
• Sistem entegrasyonu ve güç koşullandırma
• Yakıt pili sistem testleri

konularında çalışmaktadır. Grubun amacı, yakıt pili teknolojisini ulaşım, sabit ve taşınabilir uygulama alanlarında hayata geçirmektir. Bu kapsamda grup;

• Polimer elektrolit membranli yakıt pili (PEMYP)
• Doğrudan sodyum borhidrürlü yakıt pili (DSBHYP)
• Doğrudan metanol yakıt pili (DMYP)
• Katı oksit yakıt pili (KOYP)
• Ergimiş karbonatlı yakıt pili (EKYP)

türlerinde çalışmalarını devam ettirmektedir.

SONUÇLAR

Enerji kaynaklarının hızla tükendiği ve buna karşılık enerji ihtiyacının hızla arttığı bir süreçte hidrojen, yüksek enerji içeriğine sahip olması ve doğada en çok bulunan element olması sebebi ile oldukça ilgi çekici bir hale gelmeye başlamıştır. Saf oksijenle yakıldığında temiz bir yakıt olması ayrıca düşük hacimsel yoğunluğa sahip olması sebebi ile çevre dostu bir enerji kaynağı olarak görülmektedir. Hidrojen, doğada tek başına değil bileşikler halinde bulunur. Bu yüzden hidrojeni üretmek için çeşitli proseslere ihtiyaç duyulur. Günümüzde hidrojen üretiminin %48’i doğal gazdan, %30’u ham petrolden, %18’i kömürden ve %4’ü suyun elektroliz yolu ile ayrıştırılmasıyla üretilmektedir. Ülkemizde . kömür dünya genelinde olduğu gibi enerji güvenliği için hayati öneme sahiptir: bol miktarda, zararsız bir şekilde elde edilebilir kolay ve güvenli bir şekilde taşınabilir. Bu yüzden kömürden hidrojen üretimi dikkat çeken bir hidrojen elde etme yöntemidir. Üretilen hidrojen depolanabilmekte, boru hatları ve/veya tankerlerle taşınabilmektedir. Doğal gaz boru hatları çok yakın zamanda hidrojen taşınması için kullanılabilecektir. Hidrojen; alçak basınçlı ve yüksek basınçlı gaz olarak gaz fazında ve sıvı fazında, kriyojenik (dondurulmuş) tanklarda ve metal hidrid tanklarda depolanabilmektedir.

Dünyada, hidrojenin yakıt olarak kullanılması ile ilgili pek çok çalışma bulunmaktadır. Ancak ülkemizde mevcut kalkınma planında hidrojen enerjisinin olmaması üniversite ve araştırma kuruluşları gibi bilim merkezlerinde bu enerji türünün sınırlı biçimde ele alınmasına sebep olmaktadır.

Hidrojenin bir diğer kullanma alanı olan yakıt pilleri ise yakıtın kimyasal enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren elektrokimyasal cihazlardır. Yakıt pilleri yaklaşık %70 verimle çalışırlar. Ayrıca yakıt olarak saf hidrojen kullanılması durumunda zehirli gaz emisyonu sıfıra düşer ve yan ürün olarak su oluşur. Güvenli, basit, dayanıklı, sessiz ve modüler yapıdalardır. İstenilen boyut ve kapasitede üretilebilirler. Bunun sonucunda ise araçlar, konutlar, elektronik cihazlar, uzay gemileri gibi kullanım alanı oldukça zengindir.

Sonuç olarak, bir enerji taşıyıcı olan hidrojen, üretimi, depolanması, yakıt pillerinde kullanımı gibi süreçlerde mevcut enerji kaynaklarına göre avantajlı ve desteklenebilir konumdadır.

KAYNAKÇA

• Ulusal Sakarya Mezunlar Grubu Fen ve Sosyal Bilimler Sempozyumu
• org.tr
• Batman Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü “Yakıt Hücresinde Hidrojen Tüketiminin Zamana Bağlı Değişiminin İncelenmesi” Doktora Tezi
• İstanbul Üniversitesi Enerji Enstitüsü “Bir Yakıt Pili – Isı Makinesi Hibrit Sisteminin Modellenmesi” Doktora Tezi
• biz.tr ‘Yakıt Pilleri Teknolojileri’
• The future of Hydrogen Economy ” B. Alsson and U. Bassel”
• http//www.greencarcon gress.com/2004/II/hsub2sub_genera.html (Mayıs 2006
• http//www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/future/benefits.html (Haziran 2006)
• Mirza, Umar  ; Nasir,  Ahmad; Khanji,  Harijan;  Tariq, Majeed;  ―A  Vision  for  Hydrogen Economy in Pakistan,
• Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol.13, 2009, p. 1111-1115. Ozgur, M. Arif, ―Review of Turkey‘s Renewable Energy Potential,
• Renewable Energy, Vol. 33, 2008, p. 2346-2347. Ültanır,  Mustafa  Özcan;  ―21.  Yüzyıla  Girerken  Türkiye‘nin  Enerji  Stratejisinin Değerlendirilmesi,
• Türk Sanayicileri ve ĠĢadamları Derneği, Aralık, 1998, s. 203. Yolcular, Sevim;  ―Hydrogen  Production for Energy Use in European Union Countries and Turkey,‖ Energy Sources, Part A, Vol. 31, p. 1329-1337.
• Alnıak, Oktay M., ―Milli Güvenliğin Bir Unsuru  Olarak Enerji Politikalarının incelenmesi,
• Türkiye‘de Enerji  ve  Kalkınma  Sempozyumu  Bildiriler  Kitabı,  26  Nisan  2006,  Tasam Yayınları, s. 155-160.  Bilgen, Selçuk, Sedat KeleĢ, Abdullah Kaygusuz, Ahmet Sarı  ve  Kamil  Kaygusuz,  ―Global Warming and  Renewable  Energy Sources  for Sustainable  Development: A  Case Study  in Turkey,
• Renewable & Sustainable Energy Reviews, Feb2008, Vol. 12 Issue 2, p.372-396. Blanchatte, Stephen Jr., ―A Hydrogen Economy and Its Impact on the World as We Know It,
• Energy Policy, Vol. 36, 2008, p. 523-525. Dougherty,  William;  Sivan  Kartha,  Chella  Rajan,  Michael  Lazarus  and  Alison  Bailie; ―Greenhouse Gas Reduction Benefits and Costs of A Large-Scale Transition to Hydrogen in the USA,
• Energy Policy, Vol. 37, 2009, p. 56-67. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı,-Hidrojen Enerjisi,
• 05.2009, http://www.enerji.gov. tr/index.php?dil=tr&sf=webpages&b=hidrojenenerjisi&bn=225&hn=225&nm=384&id=389, [EriĢim Tarihi: 14.09.2009]. Lee, Duu-Hwa; Shih-Shun, Hsu; Chun-To, Tso; Ay Su and Duu-Jongi Lee; ―An Economy-wide Analysis of Hydrogen Economy in Taiwan,
• Renewable Energy, Vol. 34, 2009, p. 1947-1954
• Filiz Tutar ve Mehmet Vahit Eren’nin ‘Geleceğin Enerjisi: Hidrojen Ekonomisi ve Türkiye’ adlı yazısı
• İstanbul Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü ‘Polimer Elektrolit Membranlı Yakı Pilleri İçin Anot Üretimi’ Yüksek Lisans Tezi
• Enerji Üretiminde Verimliliği Arttırmaya, Çevreyi Korumaya Yönelik İleri Teknolojiler-Alt Grup Raporu
• com ’10 kat daha dayanıklı yerli hidrojen yakıt pili geliştirildi’ haber yazısı
• com.tr ‘Yüksek verimli yerli hidrojen yakıt pilleri geliştirildi’ adlı haber yazısı
• Green Energy and Technology
• Davis, C., Edelstein, B., Evenson, B., Cox, D., Brecher, A., 2003. Hydrogen Fuel Cell Vehicle Study, American Physical Society
• Hydrogen Fuel Cell Car NECAR Mercedes, http://www.cardesignonline.com/technology/necar-fuel-cell.php
• HondaFCX, http://saitem.org/tr.asp?sayfa =sahimo&bolum=sahi…
• Fuel Cell Fact Sheet, KCC Energy, Hata! Köprü başvurusu geçerli değil.
• Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi ‘Hidrojen Enerjisi, Üretimi Ve Uygulamaları’
• org.tr ‘Enerji Taşıyıcısı Olarak Hidrojen Ve Hidrojen Üretim Yöntemleri’
• org.tr ‘Hidrojen Ekonomisi’
• firat.edu.tr ‘Güneş Hidrojen Üretim Metotlarının İncelenmesi’