Hidrojen
Enerjisi:
1--Hidrojen motorlu araçlarda
kullanılacaktır.Bunun için bu araçlarda:
1-Hidrojeni depolayacak yakıt depoları,büyük yüzey
alanına sahip-nanoparçacıklı bir malzeme kullanılmalıdır.
1.1--Madde nano düzeye gelince yüzey,parçacığın
küçülmesine oranında karesiyle dopru orantılı olarak yüzeyi büyür.
1.2--Bu yüzeyde,bağ kuvvetlerle hidrojen normal
şartlarda depolanabilir.Bu depoda hidrojen çekildikçe ,motora doğru yollanır.
1.2.1—Hidrojenli araçların yakıt depolarındaki
kazalara karşı ciddi anlamda teknik çözümler bulunmalıdır.
2-Bu motorların kullandığı hidrojen,yakıt piline
gönderilerek,yakıt pilinde elektrik elde edilir.Elde edilen elektrik ile aracın
elektrik motoru çalıştırılır.
3-Mevcut bütün araçlar bu yapıya gelmesi için,yakıt
pili ve elektrik motoru ile olacak şekilde tadil edilebilir.
2--Hidrojen
Enerjisinin Üretimi:
1-Doğalgazı üreten Rusya vs devletler için hidrojen
metandan üretilebilir
2-Petrol üreten ülkeler ise petrolden üretebilir.
3-İsteyen ülkeler ise yenilenebilir
kaynaklar(rüzgar-güneş vs)dan elde edilen elektrik ile suyun hidrolizinden üretecektir.Suyun
hidrolizinden yoğun hidrojen elde etmekte kullanılan katalizörler nano
boyutlarda parçalanmak suretiyle yüzey alanı yüksek seviyelere çıkarılarak,yoğun hidrojen üretimi mümkün
kılınacaktır.
3-Üretilen Hidrojen mevcut petrol kartelleri ve
istasyon ağları ile kullanıcılara- otomobillere aktarılacaktır.
4-Ülkelere sevk edilen doğalgaz borularının ,ülke
içinde ulaştığı terminallerde Uluslararası kartellerce hidrojen üretim
fabrikalarının kurulması.ve bunların,doğalgaz yerine üretilen hidrojeni
istasyonlarına dağıtması sözkonusu olabilir.
3—Hidrojen
Enerjisinin Küresel Isınmaya Etkisi:
1—Araçlar Hidrojene geçtikçe atmosfere daha fazla su
buharı gönderilecektir.Bu durumda iklim daha yağışlı hale geldiği
düşünülebilir.Bir sera gazı olan su buharı atmosferde daha yoğun hale gelirse
gelen güneş ışınımı daha fazla tutulacak küresel ısınma artacaktır.Kıasaca
hidrojen enerjili dünyada iklim sıcak ve yağışlı ve nemli hale gelebilir.
4--Hidrojen Enerjisi Üretimi Ve Kullanımı:
1--
Hidrojenin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri
1.1-- Fiziksel Özellikleri:Renksiz,Kokusuz,Doğadaki en basit atom yapısına sahiptir.,-252.77 °C'da sıvı hale getirilebilir.,Havadan 14.4 kez daha hafiftir.yoğunluğu havanın 1/14 ü, doğal gazın ise 1/9 u, sıvı halede benzinin 1/10 dur.Sıvı hidrojenin hacmi gaz halindeki hacminin sadece 1/700'ü kadardır.
1.2--Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına
en yüksek enerji içeriğine sahiptir. Üst ısıl değeri 140.9 MJ/kg, alt ısıl
değeri 120,7 MJ/kg.,1 kg hidrojen
1.3--Kimyasal
Özellikleri:Hidrojen doğada serbest
halde bulunmaz, bileşikler halinde bulunur.,Yakıt olarak kullanıldığında
atmosfere atılan ürün sadece su ve/veya su buharı olmaktadır.,hidrojenin
çekirdeğinde bir proton ve çevresinde yalnız bir elektron bulunur., 5000
hidrojen atomunun birinin çekirdeğinde birde nötron bulunur.(döteryum),Döteryum
ile oksijen ile birleştirilmesinden elde edilen suya ağır su oluşur.,Çekirdeğinde
iki nötron bulunan izotopu (tridyum) hidrojen bombası yapımında kullanılır.
2-- Hidrojen
Üretimi:
1--Hidrojenin üretim kaynakları su, hava,
kömür, doğal gazdır.
2--Hidrojen sentetik bir yakıt olup, üretim
kaynakları son derece bol ve çeşitlidir. Ancak, sayılan bu kaynaklardan kömür
ve doğal gaz fosil yakıt olup, sınırlı rezerve sahiptir.
3--Dünyada her yıl 600 milyar metreküp
hidrojen üretilmektedir.
4--Hidrojen üretimi için çok eskiden beri
bilinen bir yöntem, bileşiği H2O olan suyun içindeki hidrojeni elektroliz
yoluyla ayırmaktır.
5--Günümüzde sanayide kullanılan hidrojen
büyük miktarlarda, doğal gaz, petrol ürünleri veya kömür gibi fosil yakıtlardan
elde edilmektedir.
5.1--En çok kullanılan yöntemler, doğal gazın
katalitik buhar ıslahı, petrolün kısmi oksidasyonu, buhar demir işlemi ve kömür
gazlaştırılması şeklindedir.
6--Kömür ve doğal gaz sınırlı ve karbon
içerdiğinden hidrojen üretimi için tercih edilmez. Sudan üretim en doğru
seçimdir.
7--Bunun yanı sıra fotosentetik
mikro-organizmalar kullanılarak hidrojen üretimi gerçekleşmektedir.
8--Günümüzde hidrojen ağırlıklı olarak doğal
gazdan buhar reformasyonu sonucu elde edilmektedir.
9--Güneş, rüzgar, dalga enerjisi, jeotermal
enerjilerden de suyun hidrolizi yöntemi ile hidrojen üretimi yapılabilir.
10--Enerji üretimi amacıyla ticari boyutlu
hidrojen üretimi mevcut değildir.
2.1—Elektroliz:
1--Suyun doğru akım kullanılarak hidrojen ve
oksijenlerine ayrılması işlemine elektroliz denmektedir.
2--Hidrojen üretimi için en basit yöntem
olarak bilinmektedir. İlke olarak, bir elektroliz hücresi içinde, genelde
düzlem bir metal veya karbon plakalar olan, iki elektrot ve bunların içine
daldırıldığı, elektrolit olarak adlandırılan iletken bir sıvı bulunmaktadır.
3--Doğru akım kaynağı ile elektrolite akım
verilirse su ,katottan çıkan hidrojen ve anottan çıkan oksijene ayrışacaktır.
Burada elektrolit in içine iletkenliği artırıcı olarak genelde potasyum
hidroksit gibi bir madde eklenir.
4--Suyun elektrolizi için, normal basınç ve
sıcaklıkta, ideal olarak 1.23 volt yeterlidir.
5-- Hidrojen üretim hızı, gerçek akım şiddeti
ile orantılı olduğundan, ekonomik nedenlerle yüksek akım yoğunlukları
yeğlenmektedir.
6--Bundan dolayı pratikte suyun
ayrıştırılması için hücre başına uygulanan gerilim genelde 2 volt dolayındadır.
7--Kuramsal olarak, her metreküp oksijen için
2.8kW-saat elektrik enerjisi yeterli olmakla birlikte, pratikte kullanılan
elektrik enerjisi miktarı bir metreküp hidrojen üretimi için 3.9-4.6 kW-saat
arasında değişmektedir.
8--Buna göre elektroliz işleminin verimi %70
dolayında olmaktadır. Ancak, son yıllarda bu alanda yapılan çalışmalar ve
gelişen teknoloji sayesinde %90 verim elde edilmiştir.
9--Pratikte kullanılan elektroliz
hücrelerinde, nikel kaplı çelik elektrotlar kullanılmaktadır.
10-Sulu çözelti-elektrolit içindekiler
sülfirik asit veya çamaşır sodası (Na2CO2) olabilir.
11--Suyun elektrolizinde katotta ( - )
“hidrojen, anotta( + ) ise oksijen gazı toplanır.
12--Deney sırasında bir süre sonra tüplerde
toplanan hidrojen gazı hacim olarak oksijen gazının iki katı olur. Yapılan
deneyde yaklaşık olarak 1 coulomb'luk yükün devreden geçmesi halinde yaklaşık
olarak 0,12 cm3 hidrojen, 0,06 cm3 oksijen gazının açığa çıktığı görülmüştür.
13--Elektrolizin verimi verilen bir akım
değeri için ayrışma voltajını düşürmek ile arttırılabilir. Bunu sağlamak için
elektrot yüzeylerini işlemi hızlandıracak şekilde yapılmalıdır. Pratikte nikel
kaplı çelik elektrotlar kullanılmaktadır.
2.2--
Fotobiyolojik Sistemler:
1--Bu güne kadar H2/O2 üretebilen en verimli
foto biyolojik sistemlerin, yeşil alg ve cyano-bakteria gibi algler olduğu anlaşılmıştır.
Burada en önemli problem, alg sistemlerinin 0.03 güneşten daha yüksek ışınım
altında doyuma ulaşmalarıdır.
2--1995 de bazı mutantlarda %15-20’ye
yaklaşan verimin mümkün olabileceği gösterilmiştir.
2.3--Isıl
Kimyasal Yöntem:
1--Elektrik üretim verimi, modern fosil yakıt
santralleri için %38 ve nükleer tesisler için %32 dolayındadır.
2--Elektroliz hücresinin ticari olarak %80
verimde çalıştığı düşünüldüğünde, fosil yakıtlardan elektroliz yoluyla hidrojen
elde etmede toplam verim %25-30 olmaktadır.
3--Elektrik üretimi sırasında oluşan ısı
enerjisi, suyun ayrıştırılması için kullanıldığında, daha yüksek verim elde
etmek olanaklıdır. Ancak, suyun ısı enerjisi ile ayrıştırılması için en az
2500°C’lik bir sıcaklık gerekmektedir.
4--Burada, çok basamaklı ısıl kimyasal
işlemlerde gerekli sıcaklık
2.4--Odunsu
Atıkların Hızlı Pirolizi ile Hidrojen Üretimi:
1--Odun, buğday ve pamuk sapı gibi
lignoselülozik materyallerden hidrojen üretimi yukarıda denildiği gibi, iki
türlü teknoloji ile mümkündür.
1--Lignoselüloziklerin buharlı ortamda direkt
olarak gazlaştırılması.
2--Lignoselüloziklerin ilk önce piroliz
edilmesi ve daha sonra piroliz sonucu elde edilen piroliz yağının katalitik buhar
reformu ile muamele edilmesidir.
3--İkinci teknoloji, biyo-yağ üretmek için
lignoselülozik atıkların hızlı pirolozi ile başlar ve elde edilen yağın tümü
veya fraksiyonlarından bazıları 800-
3--Piroliz, gazlaştırma ve bunu takip eden
kayma dönüşümü yoluyla hidrojen üretimi için hammadde olarak lignoselülozik
atıkların kullanımı son yıllarda büyük bir önem kazanmaktadır.
4--Yenilenebilir lignoselülozik atıkların,
büyük bir verime (kuru madde esasına göre tipik olarak % 75) sahip biyolojik
kalıntı veya biyo-yağ olarak da bilinen piroliz yağına dönüştürecek küçük çaplı
bir teknoloji ile mümkün olmaktadır.
4.1--Bu biyo-yağ daha sonra katalitik buhar
reformu ile biyoyağı H2 ve CO2`ye dönüştürmek amacıyla kullanılacağı yerdeki
merkezi bir hidrojen üretim tesislerine gönderilebilir.
5--Son zamanlarda geliştirilen hızlı piroliz
metotlarından dolayı atık lignoselülozik maddelerden H2 üretimi ekonomik olarak
kabul edilmeye başlanmıştır.
5.1-- Lignoselülozik atıklar 450 ve
6--Biyo-yağ basit aldehitler, alkoller,
asitler ve kompleks karbonhidrat ve su ile emilsüfe edilen ligninden türetilmiş
oligomerik materyallerdir. Biyo-yağa su ilave edilerek, biyo-yağ iki kısma ayrılır:
6.1-- Karbonhidratlardan türetilmiş
bileşikleri içeren ve su bakımından zengin faz.
6.2-- Esas olarak ligninden türetilmiş
oligomerden oluşan pirolitik lignin (hidrofobik faz). Bu son faz fenol
formaldehit reçinelerinin (tutkal ve bakalit reçinesi) üretiminde fenol yerine
kullanılabilmektedir.
6.3--Piroliz yağı: Karbonhidrattan oluşan
türetilmiş sulu fraksiyon.Piroliz yağı yaklaşık olarak, %46,8 karbon, %7,4 H2,
%6,8 O2 içermektedir.
6.3.1--Bu yağa 2:1 oranında su ilave edilerek
sulu ve organik maddelere ayrılmaktadır. Son sulu fraksiyon (bütün yağın
%55’i), %22,9 oranında organik ve %77,1 oranında su içermektedir.
6.4--Sulu fraksiyon, piroliz yağının
bütününden daha az kompleks olmasına rağmen 100 farklı bileşik içermektedir.
Aromatik bileşenler organik materyalin yaklaşık olarak %5’ini içermektedir.
6.5--Katı kısmın ise %25’i (uçucu değildir.
Bu uçucu olmayan materyallerin, gazlaştırmayı yavaşlatan karbonlu maddelere
piroliz olmaya eğilimli olduklarından reformları zordur.Ayrıca bunlar katalizörlere
taşındığında, katalizör yüzeyini bloke ederler. Böylece katalizörün etkisini
azaltırlar.
6.6-- ABD`nin Enerji Bakanlığına bağlı
bulunan en büyük laboratuarlarının birinde (NREL), vorteks reaktörler
kullanılarak yerfıstığı kabukları, çam ve diğer yapraklı ağaç karışımlarından
verimli oranlarda H2 elde edilmektedir.
2.5--
Katalitik Buhar Reformu ile Hidrojen Üretimi:
1-- Herhangi oksijenli organik bileşiğin
buhar reformu aşağıdaki formüle göre meydana gelmektedir:
1--CnHmOk +(n-k )H2O = nCO + (n+m/2-k)H2 (1)
Bu reaksiyonu, su-gaz dönüşüm reaksiyonu
takip eder:
2--nCO + nH2O = nCO2 + nH2 (2)
Sonuç olarak, bütün işlemler aşağıdaki gibi
yazılabilir:
3--CnHmOk+(2n-k )H2O=nCO2+(2n+m/2-k)H2 (3)
4--Katalizör aktivitesinin azalması ile H2 ve
CO2 üretimi azalıyor, CO artıyor.
5--H2 verimi 825°C reaksiyon sıcaklığı ve
4,92 buhar/su oranı kullanılmak üzere, stoikiometrik potansiyel olarak %83,8
oranında ifade edilmektedir.
5--Katalizör kullanıldığında H2 verimi %83,8
olmasına rağmen, katalizör kullanılmadığında bu verim %40`a kadar düşmektedir.
6--Buhar-karbon oranının artmasıyla H2
veriminin exponansiyel olarak artığı gözlenmektedir.
7--Ayrıca, H2 veriminin buhar reformu
sıcaklığının
8--Su buharı-karbon oranının 5-11 olması
işlemin ekonomikliği bakımından yeterlidir.
3--Hidrojenin
Depolanması:
1—Akarsuyu bol ülkeler Hidroelektrik
santrallerinin belirli yoğunlukta sürekli çalıştırmakta, ihtiyaç fazlası enerji
ise suyun elektrolizi ile hidrojen üretiminde değerlendirilmekte ve bu şekilde
enerji depolanmaktadır. Hidroelektrik enerji kaynağı bol olan Kanada ve Yeni
Zelanda gibi ülkelerin bu doğrultuda programlar başlattığı bilinmektedir.
2--Hidrojenin en hafif element olması,
depolanma açısından sorun oluşturmaktadır.
3--Hidrojen gazını depolamanın belki de en
ucuz yöntemi, doğal gaza benzer şekilde yer altında, tükenmiş petrol veya doğal
gaz rezervuarlarında depolamaktır.
3.1--Maliyeti biraz yüksek olan bir depolama
şekli ise, maden ocaklarındaki mağaralarda saklamaktır.
3.2--Orta veya küçük ölçekte depolamak için
en çok kullanılan yöntem, sıvılaştırılmış hidrojenin yüksek basınç altında
çelik tüpler içinde tutulmasıdır.
3.3--Sıvı hidrojeni düşük sıcaklıktaki
tanklarda saklamaktır. Uzay programlarında, roket yakıtı olarak sürekli şekilde
kullanılan sıvı hidrojen bu yöntemle depolanmaktadır.
3.4--Hidrojenin kimyasal olarak bazı metal ve
alaşımlarla kolayca büyük miktarlarda hidrit biçimine dönebilmesi, depolama
için kullanılabilir.Metalde aranan özellikler şunlardır;Metal veya alaşım
oldukça ucuz olmalıdır,Birim hacim başına en çok hidrojen depolamalıdır,Metal,
hidrojenle kolayca tepkimeye girip hidrit oluşabilmeli ve oda sıcaklığında
kararlı olmalıdır,Hidrojen gazı oldukça yüksek bir sıcaklıkta belirgin bir
basınçta metalden ayrılabilmelidirler.
3.1--
Sıvı Hidrojen:
1--Hidrojen petrole göre 4 kat fazla hacim
kapladığından dolayı, bu hacmi küçültmek için hidrojeni sıvı halde depolamak
gerekir.
1.1--Bunun için de yüksek basınç ve soğutma
işlemine ihtiyaç duyulur.
2--Hidrojen gazı 20,25 K sıcaklıkta
sıvılaştığı için, sıvı depolarında izolasyon önemlidir.
3--Sıvı hidrojen, özellikle uzay
teknolojisinde ve bazı roketlerde kullanılmaktadır.
4--Sıvı hidrojen, 900 bar basınç altındaki
hidrojen gazıyla aynı yoğunluğa sahiptir: 71 kg/m3. Ancak sıvı depolama, gaz
sıkıştırmaya göre daha düşük basınçlarla çalışıldığı için daha emniyetlidir.
4.1--Ayrıca depolama tankı ile sıvı
hidrojenin ağırlık oranı %26 civarındadır.Bu yöntem orta veya küçük ölçekte
depolama için en çok kullanılan yöntemdir, ancak büyük miktarlar için oldukça
pahalıdır. Çünkü hidrojeni sıvılaştırmak için gereken enerji, hidrojenin
sağlayacağı yakıt enerjisinin %28’i civarındadır.
4.2--Bu oran büyük olsa bile, uzay araçları
ve roketlerdeki sıvılaştırma masrafları göz ardı edilmektedir. Ayrıca,
Mercedes, GM ve Honda gibi üreticiler, sıvı hidrojenle çalışacak modeller
geliştirmektedir.
5--Bir diğer pratik çözüm ise, sıvı
hidrojenin düşük sıcaklıktaki tanklarda saklanmasıdır. Örneğin, dünyanın en
büyük sıvı hidrojen tankı, Kennedy Uzay Merkezi’nde olup,
6--Sıvı hidrojen büyük tanklarda depolanmışsa
günlük %0,06’sı, küçük tanklarda depolanmışsa günlük %3’ü buharlaşarak
kaybolmaktadır. Bu oranın azaltılması izolasyona bağlıdır.
3.2--Sıkıştırılmış
Hidrojen:
1--Hidrojen konusunda en bilinen depolama
yöntemi, gaz olarak basınçlı tanklarda depolamaktır.
2--Hidrojen, günümüzde genellikle 50 litrelik
silindirik depolarda 200-250 barlık basınç altında depolanmaktadır (bu basınç
değeri 600-700 bar’a kadar çıkabilir).
3--Ancak hidrojen çok hafif olduğundan dolayı
hacimsel enerji yoğunluğu çok düşüktür.
4--Bunun dışında, yüksek basınç sebebiyle
depolama tankları çok ağır olmaktadırlar. hidrojenden alınacak olan verimi
düşürür. Örneğin, basınçlı depo malzemesi olarak ostenitik çelik ve bazı
alüminyum türleri kullanıldığında, depolanan hidrojenin, tüm depo ağırlığına
oranı %2-3 civarında kalmaktadır. Ancak bu malzemelerin yerine karbon kompozit
kullanılmasıyla, ağırlık oranı daha da artmış ve %11,3 seviyesine yükselmiştir.
3.1.2—Hidrokarbon
Kaynaklı Hidrojen:
1--Metanol veya etanol gibi hidrokarbonlu
yakıtlar, saf sıvı hidrojenden daha fazla hidrojen içerirler.
2--Yüksek sıcaklıklarda su buharı
kullanılarak, hidrokarbonlardan hidrojen ayrıştırılabilir.
2.1--Böylece, %70-75 oranında hidrojenin yanı
sıra, karbondioksit, karbonmonoksit ve su oluşur.
3--Hidrokarbonlu yakıtlar, hidrojenli araçlar
için daha iyi bir alternatif sunarlar.
3.1--Örneğin, metanol kullanımı ile, ağır
hidrojen tanklarına veya dolum istasyonlarına gerek kalmayacaktır.
3.2--Daimler-Chrysler’e göre metanol, sıvı
hidrojenden daha yaygın olarak kullanılacaktır. Çünkü normal şartlar altında
sıvı olarak bulunması sebebiyle, kullanılan arabalar üzerinde fazla bir
değişiklik yapılmadan adapte olunması mümkün olacaktır.
3.1.3--
Hidrür Kaynaklı Hidrojen Depolama:
1--Hidrojen kimyasal olarak metallerde,
alaşımlarda ve ara metallerde hidrür olarak depolanabilmektedir.
2--Önemli ölçüde hidrojen absorbe eden metal
hidrürler, hidrojen depolamak için çok uygun bir yöntem olmasına karşın, kendi
ağırlıkları ciddi sorun olarak ortaya çıkmaktadır.
3--Şu anda en öne çıkan metal hidrür cinsi
olan Titanyum emdirilmiş NaAIH4, gelecek vaat etmekte ve 250°C’de %4,5 oranında
hidrojen depolamaktadır. Ancak 35 defa tekrarlanan doldurma-boşaltma sonunda
hidrojen depolama kapasitesinin %4,5’ten %3,5’e indiği gözlenmiştir.
4--Metal hidrürlerin çok ağır olması, belli
bir doldurma-boşaltma kapasitelerinin olması ve ayrıca nadir bulunan
elementlerden oluşmaları, eksi yanlarıdır.
5--Son 10 yıldır yüksek depolama kapasiteleri
nedeniyle alüminyum ve bor içeren kompleks hidrürler yoğun olarak
çalışılmaktadır.
6--Bor içeren kompleks hidrürler sıvı
koşullarda kullanılması nedeni ile de önem taşımaktadır.
7--Bor esaslı sistemler ana olarak sodyum bor
hidrürü esas almaktadır. NaBH4, katı halde ağırlıkça %10,5 hidrojen içerir.
Çözelti halindeki sodyum bor hidrür, aşağıdaki reaksiyona göre hidrojenini
vererek sodyum metaborata dönüşür:
NaBH4 + H2O -> 4H2 + NaBO2
7.1--H2O ve NaOH ilavesi ile sodyum bor
hidrürün sıvı içerisindeki miktarı ağırlıkça %20-35 arasında olabilmekte, bu da
sistemde ağırlıkça %4,4-7,7 arasında hidrojenin depolanmasına olanak
vermektedir.
8--Sodyum bor hidrürde hidrojen depolamanın
en önemli üstünlüğü depolanan hidrojenin oda sıcaklığında geri alınabilmesi ve
geri alımın katalizör yardımı ile kolaylıkla kontrol edilebilmesidir.
8.1--Sodyum bor hidrürün hidrojen amaçlı
kullanımında en önemli sorun, oluşan metaboratın tekrar NaBH4’e
dönüştürülmesidir.
9--Hidrojen depolamada sodyum bor hidrür
kullanmanın bir diğer avantajı, hidrojene geçişte en önemli sorun olarak
görülen hidrojenin patlayıcılık riskinin azaltılmasıdır.
10--Hidrojen kullanımının verimli hale
gelebilmesi için, patlama riskinin mutlaka azaltılması gerekmektedir.
10.1--Sodyum bor hidrür, belli koşullarda
yanmayan, ancak istendiğinde hidrojeni açığa çıkartan bir özelliğe sahiptir.
10.2--Halen özel camlar veya izolasyon
malzemeleri gibi alanlarda kullanılan sodyum bor hidrürün ana maddesi olan bor,
Türkiye’de de bolca bulunmaktadır.
3.1.4--
Karbon Nanotüp Kaynaklı Hidrojen Depolama:
1--Hidrojen, gaz veya sıvı olarak saf halde
uygun çelik tanklarda depolanabileceği gibi, fiziksel olarak karbon
nanotüplerde de depolanabilmektedir.
2--Karbon, özellikle yüksek oranda gözenekli
çok küçük parçalar haline getirilebilmesi ve karbon atomları ve gaz molekülleri
arasında oluşan çekim kuvveti nedeniyle gaz depolamaya en elverişli maddelerden
biridir.
3--Karbon nanotüpler, grafit tabakaların tüp
şekline dönüşmüş halidir.
4--Çapları birkaç nanometre veya 10-20
nanometre mertebesinde, boyları ise mikron seviyesindedir.
5--Elastiklik modülleri çelikten 5 kat daha
fazladır.
6--Tek cidarlı nanotüpler %14, çok cidarlılar
%7,7, içlerine alkali elementler yerleştirilenler ise %20 ağırlık oranına kadar
hidrojen depolayabilirler. 20 bar basınç altında yapılan deneylerde, bu oran
%70’e kadar çıkarılmıştır.
7--Nanotüpleri en büyük dezavantajı
maliyetlerinin oldukça yüksek olmasıdır. Eğer gelecekte ucuz üretim yöntemleri
gelişirse, yaygın olarak kullanılabilecek hale gelebilirler.
8--Nanotüplerdeki absorbe işlemi, karbon
atomlarının hidrojen moleküllerine uyguladığı Van Der Waal’s kuvveti ile
gerçekleşmektedir. Yani kimyasal değil, fiziksel bir olaydır.
3.1.5--
Cam Küreler Kaynaklı Hidrojen Depolama:
1--Çapları 25-500 µm arasında değişen cam
küreler, cidar kalınlıkları 1 µm olan bir tarafı açık cam baloncuklardır.
2--Bu kürelere yüksek basınç ve sıcaklık
altında depolanmaktadır.
3--Yüksek sıcaklık sonucunda cam cidarı
geçirgen hale geldiğinde, hidrojen atomları camlara girer.
4--Camlar soğutulunca da içeride hapsolur.
Depolanan hidrojen, camların ısıtılması veya kırılması yoluyla tekrar geri
alınabilir.
5--Cam kürelerin depolama kapasitesi 200-490
bar basınç altında %5-6 civarındadır
3.1.6--Mağaralarda
Hidrojen Depolama:
1--Bütün bu yöntemlerin dışında hidrojen
gazını depolamanın belki de en ucuz yöntemi, doğalgaza benzer şekilde,
yeraltında, tükenmiş petrol veya doğal gaz rezervuarlarında depolamaktır.
2--Maliyeti biraz yüksek olan diğer bir
depolama şekli ise, hidrojeni maden ocaklarındaki mağaralarda saklamaktır.
3--Örneğin Almanya’da Kiel şehrinde 1971’den
beri yerin
4--Ancak mağaralarda saklanan hidrojenin
yılda %1-3’ü arası, sızıntı nedeniyle kaybolmaktadır.
5--Büyük kapasitede hidrojen depolamanın en
cazip yollarından biriside yüksek basınçlı kaplarda sıkıştırılmış gaz olarak
hidrojenin depolanmasıdır.
6--Doğal gaz gibi, taşıtlarda kullanılan
diğer gaz yakıtlar içinde tercih edilen yöntemdir.
7--Doğal gaz (NG) fiberglasla kaplı
alüminyumdan imal edilen kuvvetli kompozit basınç kaplarında yaklaşık 200 bar
basınçta depolanmaktadır.
8--Hidrojende benzer şekilde bu basınçta
büyük tanklarda ve araç depolarında depolanabilir.
8.1--Örneğin 14.88 km/l'lik bir benzin
taşıtında, sıkıştırılmış hidrojen gazlarının
8.2--Fakat 200 bar ve 298 K'de
8.3--Bu basınçta hidrojeni emniyetle
depolamak için hafif karbon kaplamalı alüminyum silindir depolar uygun şekilde
kullanılmaktadır.
9-- Ancak, bu depolar şimdiye kadar yalnızca
uzay (roket) çalışmaları için kullanılmışlardır. 690 barda
10--Uygulanan Depolama örnekleri;
1--Texas'da petrol sanayi tarafından
kullanılmakta olan ve
2--Almanya'da Ruhr havzasında 1938 yılında
işletmeye açılan ve bugün 15 atmosfer basınç altında hidrojen taşımaya devam
eden
3--Sıvı hidrojenin düşük sıcaklıktaki
tanklarda saklanmasına örnek, Dünyadaki en büyük sıvı hidrojen tankı, Kennedy
Uzay Merkezi’nde olup
4--Enerji kaynağı olarak hidrojenin kullanım
çok yenidir ve dünya standartlarına henüz yeni girmiştir. Bu nedenle ileride
geliştirilecek üretim ve depolama yöntemleriyle maliyetlerin önemli düzeyde
düşeceği belirtilmektedir.
5--Hidrojenin depolanmasında ilk akla gelen
emniyettir. Son zamanlarda üzerinde çok sayıda araştırmaların yapıldığı konu
metal hidrür şeklinde depolamadır. Ancak bu yöntemle depolamada çok az miktarda
hidrojen emniyetli şekilde depolanabilmektedir.
6--Depo ağırlığı hidrojenin araçlarda kullanımını
sınırlayan en önemli faktör olmaktadır.
7--Sıvı hidrojen depolama da karşılaşılan en
önemli sorun kriojenik depolamanın gerekliliği ve ısı transferi nedeniyle
kaynama olayının önüne geçilememesidir. Aynı zamanda pahalı bir depolama
yöntemidir.
8--Basınçlı gaz hidrojen depolamada ise
depolama ağırlığı yine önemli sorun olmaktadır. Depo ağırlığı hidrür şeklinde
depolama ile hemen hemen aynı ağırlıktadır.
9--Emniyet yönünden hidrür depolama çok
emniyetlidir. Hidrojen üretim ve depolama problemlerinin giderilmesi halinde
gelecekte insanlığın gereksinim duyduğu enerjinin önemli bir payını
karşılayacağı muhakkaktır.
4--Hidrojen
Taşınması:
1--Hidrojen gazı, doğal gaz veya hava gazına
benzer olarak borular aracılıyla her yere kolaylıkla ve güvenli olarak
taşınabilmektedir.
2--****Doğal gaz için kurulan yer altı boru
dağıtım ağının ileride çok az bir değişiklikle hidrojen içinde kullanılması
olanaklıdır.
3--Boru hatları dışında hidrojen, basınçlı
gaz olarak veya sıvılaştırarak tüplere konup tankerlerle taşınabilir.
4--Çift çeperli yalıtılmış 25m3 hacmindeki
tanklara konulan sıvılaştırmış hidrojen, karayolu ile yine benzer şekilde 130m3
hacminde tanklara konulan sıvı hidrojen ise demiryolu ile taşınabilmektedir.
5--Hidrojen boru ile taşınmasına, Texas da
petrol endüstrisi tarafından kullanılmakta olan ve
4.2.1--
Hidrojenin Taşınması:
1--Günümüzde petrol tankerlerinden sızan veya
kaza sonucu her yıl denizlere saçılan binlerce ton ham petrol, Elektrik
enerjisi taşıma ve dağıtma hatlarında ise, yine büyük enerji kayıpları Kömür
çıkartılması ve dağıtılması oldukça yüksek maliyet gerektiren bir işlem olması,
Doğal gaz ve petrol yataklarının belirli bölgelerde bulunmasından dolayı, bu
yakıtların kullanılacak yere boru hatları ile taşınması için çok uzun, olması
dolayısıyla yatırım maliyeti getirmesi Hidrojen ise her yerde bölgesel olarak
üretilebildiği için çok uzun boru hatlarına gerek yoktur.
3—Güvenlik:
1--Son derece hafif bir yakıt olan hidrojen,gelişen
hidrojen teknolojisi, doğal gaz, petrol, kömür ve uranyum gibi nükleer
yakıtların geniş çapta kullanımı nedeniyle ortaya çıkan kazalar yanında çok
daha güvenli kalmaktadır.
2--Hidrojen diğer yakıtlardan farklı güvenlik
donanımı ve prosedürü gerektirse de onlardan daha fazla tehlikeli değildir.
3--Dünyada hidrojen zaten petrol ve kimya
endüstrisinde veya başka yerlerde güvenle kullanılmaktadır.
4--Hidrojen güvenlik sıralamasında propan ve
metanın (doğal gaz) arasındadır.
5--Hidrojenin fiziksel özelliklerinden dolayı
güvenlik karakteri diğer yakıtlardan oldukça farklıdır.
6--Hidrojen düşük yoğunluklu olduğundan bir
kaçak anında yer seviyesinde birikinti halinde kalmayarak atmosferde yükselir
ve dağılır. Bu durumda iyi havalandırma uygulanarak güvenlik artırılabilir.
7--Düşük yoğunluklu olması demek aynı zamanda
belirli bir hacimde patlayan diğer yakıtlardan daha az enerji verecek demektir.
8--Ayrıca hidrojen diğer yakıtlardan daha
hızlı yayılır, böylece tehlike seviyesi de azalmış olur.
9--Hidrojen gazolin, propan veya doğal gazdan
daha hafiftir.
10--Hidrojenin yanması için havada hacimce %4
- %75 arasında olması gerekir. Bu aralık diğer yakıtlarda düşüktür. Örneğin
doğal gaz için %5,3 -15, propan için %2,1-10 ve gazolin için %1-7,8'dir.
11--Herhangi bir kaçak anında hidrojenin en
düşük tutuşma sınırı gazolininkinden 4 kat, propanınkinden 1,9 kat ve doğal
gazınkinden de çok az büyüktür.
12--Hidrojen kullanımında bazı kurallara
uyulduğunda tehlike yok denecek kadar azalmaktadır.
13--Hidrojen temiz ve kokusuz olduğu için
sızıntısı gazolin veya diğer yakıtlara göre daha az fark edilecektir. Hatta
yanan hidrojenin alevi görülmez. Ancak sızıntı belirleme teknikleri vardır ve
öncelikle de araştırılmaktadır.
14--Ayrıca doğal gaza uygulandığı gibi kokulu
bir maddenin veya renklendiricinin veya her ikisinin hidrojene eklenmesi
yapılabilir. Ancak yapılacak herhangi bir ekleme saf hidrojenin çevresel açıdan
temizliğini bozar.
15--Bugün uçaklarda kullanılan yaktın kaza
ile yanmasından aşırı sıcaklık ve duman oluşmakta ve bunun sonucunda bir çok
insan yaşamını yitirmektedir.
16--Yakıt olarak hidrojenin kullanılması
durumunda, yandığında havadaki oksijenle birleşerek su-su buharından başka bir
gaz çıkmayan hidrojen alevi, aynı zamanda çok az ısı yayar. Bu nedenle doğrudan
alevle temas edilmediğinde tehlike yoktur.
17--Hava içinde alev alma sınırı, patlama
enerjisi, alev sıcaklığı ve atık ürün gibi değişkenler göz önüne alındığında,
fosil yakıtların güvenlik katsayılarının 0.5-0.80 arasında olmasına karşın,
hidrojen için, daha yüksek (1 dolayında) bir güvenlik olduğunu açıkça
göstermektedir.
5--
Hidrojen Gazının Kullanım Şekilleri:
5.1--
Katalitik Hidrojenleme işlemi için:Amonyak
sentezi, Metil alkol sentezi ,Bitkisel yağ katılaştırma, Yağ asitlerinden alkol
eldesi ,Yapay iplik eldesi ,İlaç üretimi
5.2--
Yakıt olarak :Kaynak alevi,Metal ısı
birleşiminde,Elektrik üretiminde,Roketlerde,
5.3—Metalürjide:İndirgeme maddesi, Tungsten ve molibden eldesi,Metal
hidritleri hazırlamada
4.4--Hidrojenin yer aldığı sanayii sektörleri
ve yaklaşık üretilen hidrojen tutarları aşağıda verilmiştir.Suni gübre sanayii
(25.000m3) ,Bitkisel yağ (margarin) üretimi (16.000m3),Petrol arıtım evleri
(rafineri) (1.200m3) ,Petrokimya endüstrisi (30.000m3) , Hidrojene hayvansal
yağ üretimi (200-300m3),Çeşitli yerlerde kullanılmak üzere basınçlı
silindirlerde gaz veya sıvı hidrojen üretimi (6.000m3)
6--
Hidrojenin Yakıt Olarak Kullanımı:
1-- Kömürü, otomobilde veya uçakta kullanmak
pratik açıdan uygun değildir. Hidrojen ise, hemen her yerde kolaylıkla
kullanılabilir.
2--Evlerde, ısıtma amacı ile kalorifer, fırın
ve şofbenlerde doğal gaz yerine rahatlıkla kullanılabilmektedir.
3--Yalnız hidrojenin doğal gaza göre daha az
olan yoğunluğu nedeniyle, daha fazla miktarda hidrojenin kalorifer sistemindeki
yakıcıya gelmesi gerekir. Hidrojenin oksijenle birleşerek doğrudan yakıldığı bu
sistemlerde, atık ürün suyun yanında, alevin yüksek sıcaklığa çıkmasından
dolayı az bir miktar azot oksit oluşabilmektedir.
4--Katalitik yüzeylerde alevsiz yakma mümkün
olduğundan, bu tür ısıtıcılarda güvenli olarak ve azot oksit oluşmasına yol
açmadan da kullanılabilir.
5--Hidrojen yakıtlı piller içinde elektriği
dönüştürülmesi ile üretilen elektriğin de, evlerde olduğu gibi, sanayide de
bölgesel olarak üretilip kullanılması olanaklıdır.
6--Yakıtlı piller konusunda yapılan yoğun
çalışmalar sonucu bu alanda büyük ilerlemeler sağlanmıştır.
7--Hidrojen yakıtının içten yanmalı
motorlarda, yani otobüs, kamyon, otomobil, traktör ile tarım makineleri gibi
tüm taşıtlarda kullanılabilmesi, sınırlı rezerve sahip petrol ürünlerinin
yerini alması ve çevreye dost bir enerji olması, son yıllarda özellikle araç
üreten şirketlerin büyük ilgisini çekmektedir.
8--Benzin veya mazot yerine hidrojen gazı
kullanılması ile motorların yakma sisteminde bazı değişiklikler gerekmektedir.
9--Hidrojen yakıtlı motor tasarımlarında bu
güne kadar kullanılan 3 temel yöntem aşağıda verilmiştir.
9.1--Hidrojen ve hava karışımı, değişmez bir
oranda silindirlerin giriş manifolduna verilmekte olup, motor gücü
hidrojen-hava karışım miktarlarını değiştiren bir valf vasıtasıyla
ayarlanmaktadır. Sitemde, özellikle yüksek hızlarda düzgün çalışmayı sağlamak
için, hidrojen hava karışımına su buharı ilave edilmesi gerekebilir.
9.2--Hidrojen gazı basınç altında
silindirlere enjekte edilir. Havanın ise başka bir giriş manifold aracılığıyla
ayrı olarak silindirlere geldiği için, hidrojen hava patlayıcı karışımı
silindirlerin dışında oluşmaz. Bu yöntem, ilk tarif edilen sisteme göre daha
emniyetlidir. Burada motor gücü, hidrojen gazı basıncını 14 atmosfer ile 70
atmosfer arasında değiştirmek suretiyle ayarlanabilir.
9.3--Üçüncü yöntemde de, ikinciye benzer
şekilde yine silindirlere ayrı ayrı verilen hidrojen ve hava karışımı
verilmekle beraber, yüksek basınç yerine hidrojen, normal veya orta basınçta
tutulur ve motor gücü, hidrojen miktarını değiştirmek suretiyle ayarlanır.
9.3.1--Burada silindirlere giren hava tutarı
değişmediğinden değişim hidrojen-hava karışımına meydana gelir. Böyle bir
ayarlama hidrojen hava karışım oranının oldukça geniş bir aralıkta patlama
özelliğine sahip olması nedeniyle kolaylıkla gerçekleşebilir.
10--Hidrojen yakıtlı motorların, benzinli
motorlara göre bir çok üstünlüğü bulunmaktadır. Bunlardan biri, hidrojenli
motorların yüksek verimi, diğeri, belki de en önemlisi, atık ürün olarak sadece
su buharı olmasıdır.
11--Silindirleri yağlamak için kullanılan
petrol ürünlerinden kaynaklanan çok az miktarda karbon monoksit ve
hidrokarbonlarla yüksek sıcaklıktan kaynaklanan azot oksitlerinde atık
ürünlerin arasında yer alabileceği göz önüne alınmalıdır.
11.1--Ancak, bu zararlı gazlar, petrol ürünü
kullanan taşıtlara göre göz ardı edilebilecek kadar düşük düzeyde olduğu için,
hidrojenli motorları tümüyle çevre dostu olarak varsaymak olanaklıdır.
11.2--Yanma sıcaklığını, atık su buharının
bir kısmını yeniden silindire vermek suretiyle düşürmek ve böylece azot
oksitlerin miktarını daha azaltma olanağı vardır.
12-- taşıtlarda tümüyle farklı bir yaklaşım
olarak, içten yanmalı motorlar yerine, yakıtlı piller ile elektrik üretmek ve
elektrik motorları ile taşıta güç sağlamak da mümkündür.
13--Bu tür taşıtlarda havaya atılan zararlı
ürün hiç olmayacağı için bunlara, sıfır salımlı taşıtlar da denmektedir.
14--İster içten yanmalı isterse yakıtlı pilli
olsun, taşıtlarda temel sorun, hidrojenlerin güvenli olarak depolanmasıdır.
15--Bu konuda yapılan çalışmalarda, yine 3
ayrı yöntem geliştirilmiş olup, her birini kendine göre üstünlükleri
bulunmaktadır.
15.1--Basınçlı hidrojenin, çelik tüpler içine
yerleştirerek taşınması, bu güne kadar geliştiren bir çok deneme amaçlı
hidrojenle çalışan taşıtta kullanılan yöntem olmuştur.
15.2--Burada görülen en bük sorun çelik
tüplerin kendi ağırlıklarıdır. Benzinli bir otomobil ortalama olarak
15.3--Hidrojeni sıvı olarak depolamak ağırlık
sorununu çözmekle birlikte, tank hacmini yükseltmektedir. Diğer bir sorun ise,
hidrojenin gaz haline geçmesi ile oluşan kayıplar ve yakıt ikmali zorluğu.
15.4--Metal hidritler hidrojen depolamak için
çok uygun bir yöntem olmasına karşın, bunlarında kendi ağırlıkları ciddi sorun
olarak ortaya çıkmaktadır. Daha önce belirtilen üç metal hidritten,
Magnezyum-Nikel, en fazla hidrojen depolaması ve en ucuz olmasına karşın, yine
ağırlık olarak taşıta 500kg gibi bir ek yük getirmektedir.
15.5--Bir diğer sorun da, hidrojen gazını
belli basınç da elde edebilmek için, metal hidritin,
15.6--Bu sorun, Almanya da otobüslerde denen
yeni bir yöntemle çözülmüştür. Bu otobüslerde, düşük sıcaklıkta hidrojen
sağlayan Demir-Titanyum alaşımı ile Magnezyum-Nikel alaşımı birlikte
kullanılmıştır. Buna göre, ilk alaşım motor soğukken devreye girmekte daha
sonra ikinci alaşım devreye girerek süreklilik sağlanmaktadır. Birinci alaşımda
depolanan hidrojen, daha sonraki bir ilk çalıştırma için yedekte tutulmaktadır.
16--Bütün bu sorunlara karşın, hidrojenin
özellikle, otobüs, kamyon ve traktör gibi ağır taşıtlarda kullanımı gittikçe
artmakta ve gelişen teknoloji ile birlikte sorunlar giderek çözülmektedir.
Petrolün sınırlı ömrü ve artan çevre kirliliği, hidrojen yakıtı kullanımının
yaygınlaşmasına yol açmaktadır.
17--Hidrojen yakıtının ilk kullanım
alanlarından biri jet uçakları olup, bu konuda ilk olarak 1957 yılında yapılan
denemelerden sora yapılan çalışmalar artık ticari uygulama aşamasına gelmiştir.
18--Dünya Enerji Ajansı Hidrojen Programı
çerçevesinde yürütülen çalışmalarda, Airbus tipi uçakların yakıt olarak hidrojen
kullanması 2007 yılında başlayacaktır.
18--Sıvı hidrojen doğrudan veya dolaylı
olarak motorları ve dış yüzeyi soğutmak için de kullanılabileceği için, yüksek
hızı supersonic uçaklar için ideal bir yakıt olarak görülmektedir.
6.1--
Yakıt Olarak Hidrojen Kullanmanın Üstünlükleri ve Kusurları
1--Kullanım
Üstünlükleri: Kolayca ve güvenli
olarak her yere taşınabilmesi ,Taşınırken enerji kaybı hiç veya çok az olması,Her
yerde, örneğin, sanayide, evlerde, taşıtlarda kullanılabilmesi ,Depolanabilmesi
,Tükenmez olması, Birim küle başına yüksek kalori değerine sahip olması, Değişik
şekillerde, örneğin, doğrudan yakarak veya kimyasal yolla kullanılabilmesi,Güvenli
olması,Isı, elektrik veya mekanik enerjiye kolaylıkla dönüşebilmesi,Çevreye hiç
zarar vermemesi,Çok yüksek verimle enerji üretebilmesi,Karbon içermemesi
2--Kullanım
kusurları:Çelik tüplerde taşınması
halinde ağırlık sorunu,Sıvı olarak taşınabilmekte fakat düşük sıcaklıklar ve
yüksek basınç gerekmektedir.Sıvı halden gaz haline geçirilerek yapılan kullanımlarda
kayıplar söz konusudur.Yüksek maliyet,
6--Sonuç:
1--Bitkiler, su, kömür veya doğalgaz gibi
kaynaklardan elde edilen hidrojen, enerji kaynağından çok bir enerji taşıyıcısı
olarak düşünülmektedir.
2--Hidrojen kolayca ve güvenli olarak her
yere taşınabilen, taşınması sırasında az enerji kaybı olan, sanayide, evlerde
ve taşıtlarda kullanılabilen bir yakıttır.
3--Bu kullanımlarda hidrojen başlıca
sıkıştırılmış gaz, karyojenik sıvı, metal hidrit ve karbon adsorpsiyon gibi
tekniklerle depolanabilmektedir.
4--Hidrojen enerjisi alanında çeşitli
ülkelerin işbirliği sonucu hidrojenin üretim, dağıtım ve kullanım teknikleri
üzerinde yoğunlaşılmış ve uluslararası programlar başlatılmıştır.
5--Güvenlik sıralamasında propan ve metanın
arasında olan hidrojenin güvenlik karakteri diğer yakıtlardan oldukça
farklıdır.
6--Ayrıca hidrojen diğer yakıtlara göre
pahalıdır ancak hidrojen çağına adım atılmakla maliyetin hızla düşeceği
beklenmektedir.
7--Hidrojen kullanımı sonucunda sadece su
oluştuğundan hidrojen (özellikle solar hidrojen) kullanımı ile çevresel ve
iklimsel kalite iyileşecektir.
8--Ancak bu iyileşmelerin olabilmesi için
hidrojen kullanımına bir an önce geçilmesi gerekmektedir. Geçiş ne kadar erken
olursa uzun dönemde ekonomi ve çevre açısından o kadar yararlı olacaktır.
Kaynakça:
1--Hidrojen enerjisi üretimi ve kullanım olanakları -Öğr. Gör.Dr.
Mustafa KARAMOLLA-Öğr. Gör.Dr. Halit DOĞAN--Celal Bayar Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi Makine Müh. Bölümü
2--Hidrojen enerjisi üretimi ve
kullanım olanakları-Öğr. Gör.Dr.
Mustafa KARAMOLLA Mustafa.karamolla@bayar.edu.tr-Öğr. Gör.Dr. Halit DOĞAN
halit.dogan@bayar.edu.tr-Celal Bayar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine
Müh. Bölümü 45140 Manisa