Hidrojenin Kullanım Yerleri ve Yakıt Olarak Özellikleri

Hidrojenin alevli yanması; içten yanmalı motorlar (Otto - Diesel), gaz türbinleri, jet motorları, roket motorları, ısıtma, pişirme alanlarında kullanılmaktadır. Hidrojenin direkt buhara dönüşme işlemi ise buhar türbinleri, buharlı tahrik, endüstriyel buhar, buharla ısıtma uygulamalarda kullanılır. Hidrojenin katalitik yanması; pişirme, su ısıtma, hacim (ortam) ısıtma, absorpsiyonlu soğutma işlemlerine uygulanmaktadır.
Hidrojenin hidridleşme çevrimi önemli bir özelliği olup, pekçok uygulamada bu özelliğinden yararlanılmaktadır. Bu uygulamalar; H2 depolama, H2 zenginleştirme-ayırma, D2 ayırma, kompresyon, pompaj, ısı pompası, soğutma, iklimlendirme, elektrik üretimi biçiminde sıralanabilir.
Hidrojen Carnot çevriminin sınırlayıcı etkisi altında kalmadan, yakıt hücreleri yardımıyla ve elektrokimyasal çevrimle direkt elektrik üretiminde kullanılabilen bir yakıttır. Bu işlemde hidrojen alkali, fosforik asit, katı polimer, ergimiş karbonat, katı oksit tip elektrolitli yakıt hücrelerinde %50-80 verimle kullanılabilmektedir. Genel olarak hidrojen; ulaştırma için en uygun, en iyi dönüşebilirliği olan, kullanım verimi en yüksek, çevre ile en uyumlu, emniyetli bir yakıttır.
Dünya Teknolojisinde Ulaşılan Düzey
Hidrojen yakıtı veya hidrojen enerjisi teknolojisi; hidrojenin üretim teknolojisi, hidrojenin taşınması ve depolanması teknolojisi, hidrojen kullanım teknolojisi alt bölümlerine ayrılır. Bu alt bölümlerin tümünde önemli gelişmeler sağlanmış olup, uygulanabilir teknoloji birikimi bulunmaktadır. Uygulamaların yaygınlaştırılmasının önündeki engeller, ekonomik faktörler ve mevcut enerji sistemleri ile konvansiyonel motorların demodeleşmesinin getirebileceği stratejik sakıncalardır. Ancak, çevresel koşullar bir an önce kullanımının başlamasını gerektirmektedir.
Kullanımı ilk sıralarda yer alan petrol ve doğal gazın sınırlı sunumuna karşın, hidrojen su içinde bol bulunan bir maddedir ve yerli enerji kaynakları ile üretimi olanaklıdır. Çeşitli yakıtların yerini kolaylıkla alabilecek karakterdedir. Başlıca yanma ürünü kirletici değildir. Projelenen üretim maliyetleri 10-15 yıllık süreçte fosil yakıtlarla kolayca rekabet edeceğini göstermektedir. Birincil kaynakların en verimli biçimde değerlendirilmesine olanak tanıyan bir enerji taşıyıcısıdır. Hidrojen aynı zamanda birincil enerji kaynaklarından elde olunacak enerjinin depolanması için de bir araçtır. Hidrojen üretiminde tüm enerji kaynakları kullanılabilir. Kullanılan hammaddeler ise su, fosil yakıtlar ve biyokütle materyalidir. Bugün dünyada teknolojik gereksinimlerle yılda 500-600xl09 m3 hidrojen fosil yakıtlardan üretilerek kullanılmaktadır. Ancak, yakıt hidrojeninin temelde, sudan yenilenebilir enerjilerle üretilmesi istenmektedir. Hidrojen üretim teknikleri aşağıda sıralanarak kısaca tanıtılmıştır.
Hidrojen suyun direkt elektrolizi ile üretilebilir. Elektroliz için elektrik gereksinimi fosil yakıtlardan, hidroelektrik güçten, nükleer enerjiden, jeotermal güçten, 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, doğal gazın ve gaz hidrokarbonların buhar reformasyonu ile üretilmektedir. Kömür gazifıkasyon teknolojisi ile de üretilebilmektedir. Gazifıkasyon işlemi kolaylıkla kükürtün elimine edilmesine olanak tanıdığından çekici bulunmaktadır. Katı atıklar ve kanalizasyon materyalleri de hidrojen için hammadde olup, gazifıkasyon işlemine bağlı olarak, sentez gazının hava veya oksijenle reformasyonu hidrojen vermektedir. Termokimyasal çevrimlerle, sudan hidrojen üretilebilir. Fotokimyasal işlemle de hidrojen üretilebilir.
Sıralanan tekniklerin dışında; fotoelektrokimyasal hidrojen üretimi, biyolojik ve biyokimyasal hidrojen üretimi gibi başka teknikler de vardır. Biyolojik üretim yöntemleri kapsamında, mikroalgaeler ve cyanobacterialar ile biofotoreaktörlerden fotobiyolojik yöntemlerle hidrojen elde olunmaktadır. Ayrıca, denizlerde direkt güneş enerjisi çevrimi ile hidrojen üretimi, uzay güneş güç istasyonlarının enerjisiyle hidrojen üretimi gibi yöntemler üzerinde çalışılmaktadır.
Yukarıda sıralanan hidrojen üretim tekniklerinin yanı sıra, endüstriyel uygulamalar için kullanılabilen hidrojen üretim teknolojileri, alışılmış ve yeni geliştirilmiş diye iki grupta toplanmaktadır. Alışılmış teknolojiler, ana amacı hidrojen üretimi olan ve yan ürün olarak hidrojen veren teknolojiler diye ikiye ayrılır. Alışılmış teknolojiler, bugün endüstriyel gereksinimlerle talep olunan hidrojenin karşılanmasında kullanılmaktadır.
Hidrojen üretimi için geliştirilmiş teknolojiler; buharın yüksek sıcaklıkta elektrolizi, gazlaştınlmış kömürün elektrokondüktif membran işlemi, kömür gazifıkasyonu ile bütünleştirilmiş yüksek sıcaklık elektrolizi (CG-HTE), doğal gazın ısıl krakingi, kömürün HYDROCARB ısıl dönüşümü olarak tanıtılabilir. Ayrıca suyun termokimyasal parçalanması, plazma-güneş ve radyasyon işlemleri (plazma-ark işlemi - fotolitik lazer işlemi - yüksek enerjili radyasyon işlemi), güneş fotovoltaik su elektrolizi diğer ileri yöntemlerdir.
Hidrojen esas olarak, hidrokarbon içeren hammaddelerin buhar reformasyonuna tabi tutulmasıyla üretilir. Amonyum ve metanol eldesi için doğal gazın buhar reformasyonu yapılır, az sermaye gerektirmesi ve üretim maliyetlerinin düşük olması nedeniyle buhar reformasyonu yöntemine devam edileceği sanılmaktadır. Enerji verimi buharlı metan reformasyonu için %86 ve kömür gazlaştırma yöntemi için %59'dur. Doğal gazın buhar reformasyonunun maliyeti, kömür ya da su elektrolizi ile elde edilenden %33 daha ucuzdur. Hammadde, doğal gazdan petrol, kömür ve katı atıklar gibi diğer kaynaklara kaydıkça üretim maliyeti artacaktır. Katı atıkların ve atık suyun reformasyon yoluyla sentetik gaza dönüştürülmesi ile hidrojen açığa çıkar.
Yakıt olarak kullanılacak kütlesel üretim için suyun direkt elektrolizi, fotoelektrokimyasal üretim, termokimyasal üretim, fotobiyolojik üretim yöntemleri ağırlık kazanmıştır. Amorf nikel-kobalt alaşımı anot ve katot materyallerle, alkali suyun elektrolizi için geliştirilmiş çeşitli işlemler bulunmaktadır. Hidrojen üretiminde özellikle güneş enerjisinden yararlanma istemiyle, güneş fotovoltaik-hidrojen enerji sistemleri üzerinde önemle durulmaktadır.
Üretilen hidrojen depolanabilmekte, boru hatları ve/veya tankerlerle taşınabilmektedir. 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. Gaz hidrojenin zeolit ortamlarda depolanması çalışmaları da vardır. Ancak, enerji içeriğinin yüksekliği açısından gaz yerine sıvı hidrojen depolama teknikleri üzerinde durulmaktadır.
Hidrojenin eşsiz bir özelliği, ekzotermik kimyasal reaksiyon kapsamında, bazı metal ve alaşımlarla kolayca büyük miktarlarda hidrid biçimine dönüşebilmesidir. Hidridler, bir tank içinde gaz hidrojenin metal alaşım parçacıkları ile bileşik oluşturmuş biçimde depolanmasıdır. Depolamada hafif kütleli metal hidridler yeğlenmektedir. Hidridlere ısı verildiğinde hidrojen serbest kalmaktadır. Hidridlerin düşük sıcaklık hidridleri ve yüksek sıcaklık hidridleri diye iki çeşidi vardır. Demir titanyum alaşımı düşük sıcaklık hidridi iken, mağnezyum-nikel alaşımı yüksek sıcaklık hidrididir. Uygulamada bazen düşük ve yüksek sıcaklık hidridlerinin kombinasyonu kullanılmaktadır. Metal hidridler paket olarak taşımaya uygundurlar.
1970'li yıllara girilirken hidrojen enerji taşıyıcısı olarak göz önüne alınmıyor, hidrojen enerjisi kavramına enerji literatürlerinde pek rastlanmıyordu. 18-20 Mart 1974 tarihlerinde Amerika Florida Miami Üniversitesi Temiz Enerji Araştırma Enstitüsü'de, Enstitü Direktörü Türk bilim adamı Prof.Dr. T. Nejat Veziroğlu'nun başkanlığında düzenlenen "Hidrojen Ekonomisi Miami Enerji Konferansı (THEME), çağdaş boyutta hidrojen enerjisi kullanımı için bir başlangıç noktası oluşturmuştur. Hidrojen enerji sisteminin yanı sıra, birbirleri ile bağlantılı biçimde enerji ve çevre sorunlarının tartışıldığı bu uluslararası forumda, Uluslararası Hidrojen Enerjisi Birliği (IHEA) kurulması kararlaştırılmıştır.
1974’de az bilinen hidrojen enerjisi, hidrojen ekonomisi ve hidrojen enerji sistemi, 1998’de iyi bilinen ve kabul olunan kavramlardır. Artık A.B.D., Almanya, Kanada, Rusya gibi ülkelerin yanı sıra, Uluslararası Enerji Ajansı gibi kuruluşlar hidrojen araştırma ve geliştirme çalışmalarına bütçe ayırmaktadırlar. Birincisi 1974 yılında yine Miami'de yapılan Dünya Hidrojen Enerjisi Konferanslarının (WHEC) onbirincisi, geçtiğimiz 1996 yılında Almanya Stuttgart'da yapılmıştır. 12. Dünya Hidrojen Enerjisi Konferansı 1998 yılında Arjantin Buenos Aires'de yapılacaktır. Bugün dünyada hidrojenle ilgili onu aşkın sivil toplum kuruluşu vardır ve ona yakın periyodik yayınlanmaktadır.
Hidrojen enerjisi alanında, çeşitli ülkelerin işbirliği sonucu uluslararası programlar başlatılmıştır. Sürdürülen bu çalışmalardan en büyüğü olan, Euro-Quebec Hidro-Hidrojen Pilot Projesi (EQHHPP) 100 MW'hk kapasitededir. Kanada Quebec'de hidrolik kaynaktan üretilecek elektrikle, suyun elektrolizinden elde olunacak gaz hidrojen, yine Kanada'da sıvı hidrojen (LH2), amonyak (NH3) ve metilsiklohekzan (MCH) biçiminde bağlanacak, sonra Atlantik’den gemilerle Avrupa'ya taşınacaktır. Avrupa'da enerji uygulamasıyla, 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 $) kadardır. Özgül hidrojen enerjisi maliyeti ise 14.8 sentECU.kWh-1 (-18.3 ABD sent.kWh-1) düzeyinde bulunmaktadır.
Tokyo Elektrik ?irketi, birkaç yıl öncesinde 4.5 MW'lık hidrojen yakıt hücreli elektrik üretimi deneme çalışmalarını başlatmış olup, şimdi bir diğer 11 MW'lık yakıt hücresini ele almış bulunmaktadır. Hidrojen yakıt hücreli elektrik üretimi üzerinde adı geçen şirketten başka; International Fuel Cells, Kansai Electric Power, Pratt & Whitney, Siemens, Toshiba, Westing-house, EPR? gibi şirketler de çalışmaktadır. Almanya'da ısı ve elektriğin birlikte üretildiği santrallarda hidrojenin kojenerasyon yakıtı olarak kullanımı için çalışmalar yapılmaktadır.
Hidrojenden güç üretimi için içten yanmalı motorların yanı sıra, yakıt hücreleri ile elektrik motoru da kullanılmaktadır. 1994 sonrası çalışmalarında Macchi-Ansoldo'nun bir şehir otobüsü yine demonstrasyon için diesel-elektrik karma sistemli olarak, yakıt hücreli hidrojen otobüsü biçimine getirilmiştir. Hidrojen yakıt hücreli denizaltılar; Almanya, Avustralya ve Kanada donanmasında test edilmektedir. Kanada Demiryolları, hidrojen yakıt hücreli lokomotiflerin geliştirilmesi üzerinde durmaktadır. Gelecek 15-30 yıl içinde tüm lokomotiflerin, hidrojen-yakıt hücreli güç sistemine dönüştürülmesi hedeflenmiştir.
Uzay mekiğinde ve uzay araştırma roketlerinde hidrojen kullanıldığı bilinmektedir. Ancak, hidrojenle çalışan ilk uçak, Amerika'nın 1956 yılında birinci uçuşunu yapan B-57 Canberra adlı deneme uçağıdır. Sovyetler Birliği'nin hidrojenle çalışan ilk uçağı Tupolev-155'in deneme uçuşu, 1988 yılında yapılmıştır. Türbin yakıtı olarak hidrojeni kullanacak uçaklar konusunda Almanya-Rusya işbirliği, Avrupa Airbus Konsorsiyumu çalışmaları ve Japon hipersonik uçaklar programı sayılabilir.
Hidrojenli kara taşıma araçları konusunda 1990 öncesi yapılmış çok çalışma vardır. Bu araçlarda hidrojenli içten yanmalı motorların yanı sıra yakıt hücreleri ile elektrik motorları kullanılsalar da, içten yanmalı motorlar ağırlıklı yer kapsamıştır. 1980-1990 döneminde on kadar firmanın ürettiği demonstrasyon otoları vardır. Hidrojenli araçlarda hidrojen depoları sıvı hidrojen ya da aşın soğutulmuş sıvı (kriyojenik - ya da hidrojen buzu) ve metal hidrid biçiminde olmuştur. BMW, Dodge, Buick, Suziki gibi pekçok demonstrasyon otosunda sıvı hidrojen tankları kullanılmıştır. Mercedes marka otobüs, station-vvagon ve minibüs tipi demonstrasyon araçlarında ise, metal hidrid depolara yer verilmiştir. Hidridlerden hidrojenin ayrılması için soğutma suyu veya ekzost ısısından yararlanılmaktadır. Ayrıca, hidrojenli içten yanmalı motorlarla çalışan traktör, motosiklet, çim biçme makinesi da yapılmıştır.
Hidrojenli araçlar konusunda son yılların demontrasyon çalışmaları şöyle sıralanabilir. % 15-20 hidrojen ve %80-85 doğal gaz karışımı yakıt hythane olarak adlandırılmakta olup, bu yakıtla çalışan bir demostrasyon otobüsü 1993 yılında Kanada Montreal'da denenmiştir. MAN firması, içten yanmalı doğal gaz motorundan geliştirdiği tek sıra üzerinde altı silindirli hidrojen motorunu, MAN SL 202 demonstrasyon otobüsüne uygulamıştır. Motor maksimum olarak benzinle 170 kW, hidrojenle 140 kW güç geliştirmektedir. Hidrojen sıvı hidrojen tankından sağlanmakta olup, 1994 yılından bu yana Almanya'da test edilmektedir. MAN D 2566 Diesel motoru da, hidrojene uyarlanmış olarak bir diğer test otobüsüne uygulanmıştır. 85 kW güçlü motoru olan bu otobüs önce metal hidrid depo ile denenmiş, sonra sıvı hidrojen tankı yerleştirilmiştir. Bu otobüsün demonstrasyonu Belçika'da 1994 - 1995 yıllarında yapılmıştır. Bir karma demonstrasyon otobüsü ise, ESAMCO'nun dıştan yanmalı Stirling ve hidrojen motorlu sistemidir.
Bir teknoloji standartsız kökleşemeyeceğinden ve tanımlanamayacağından, hidrojen enerjisi konusunda uluslararası standart çalışmaları vardır. Uluslararası Standartlar Organizasyonu (ISO) tarafından ISO/TC-197 Komitesi oluşturularak, hidrojen enerjisi için uluslararası standart çalışmalarına girişilmiştir. Standart çalışmaları; tanımlar, ölçümler, taşıma, emniyet, araçlar, uçaklar, elektrokimyasal donanımlar, hidridler, çevre ve uygulama alanlarını kapsamaktadır. Çeşitli ülkeler standart hazırlama çalışmasına katılmışken, Türkiye'nin çağırılmasına karşın katılmadığı görülmüştür.