Küresel Isınmada Hidrojen Enerjisi Kullanımı:
1—Bazı Temel Bilgiler:
1--Hidrojen evrende en çok bulunan elementtir. Ancak, dünyada serbest halde bulunmaz, bir enerji kaynağı kullanılarak elde edilir.
2--Hidrojen renksiz, kokusuz, tatsız ve yanıcı bir gazdır.
3--Hidrojenin üretimi için suyun ticari elektroliz yöntemi kullanılabilir.
4-- Hidrojenin Linde prosesi kullanılarak sıvılaştırılabilir.
5--Hidrojen su içinde bol bulunan bir maddedir ve yerli enerji kaynakları ile üretimi mümkündür. Kullanım verimi yüksek bir yakıt olup çeşitli amaçlar için kullanılabilmektedir.
5.1--Motor ya da gaz türbini ile bir jenaratörü tahrik ederek veya yakıt pili olarak kullanılarak, yüksek bir verimle elektrik üretilebilir.
5.2--Taşıtlarda; basınç altında, sıvı halde ve metal hidrid şeklinde depo edilerek motor yakıtı olarak
6--Hidrojen çevre dostudur. Çevre etkisini de içeren efektif maliyeti diğer yakıtlardan düşüktür.
7--Yanma sonucunda sadece su buharı meydana gelir.
8--Yanma ısısı oldukça yüksektir ve zehirli etkisi yoktur. Boru ve tankerlerle taşınabilir.
9--Üretiminde yenilenebilir kaynakların kullanılması durumunda, bu kaynakların kesintili olma sorununa da çözüm getirir.
3-- Hidrojen enerji sisteminin avantajları:
Mevcut fosil yakıt sisteminin yerine hidrojen enerji sistemini getirmenin avantajlarını şı şekilde irdelenebilir:
1--Sera problemini çözecektir.
2--Kirlilik ve asit yağmurları problemini çözecektir.
3--Temiz ve sürekli bir enerji sistemini yerleştirecektir.
4--İstihdam sağlayacaktır.
5--Yeni bir enerji teknolojisi için ihracat potansiyeli meydana getirecektir.
6--Petrol ithalatını azaltacaktır.
7--Ticaret açığını azaltacaktır.
8--Çevreyi koruyarak ekonomiye destek olacaktır.
4--Hidrojenin Atomik Ve Fiziko-Kimyasal Özellikleri:
Atomik sembolü: H-Atom numarası:
1--Atom ağırlığı: 1.00794 akb
Elektron konfigürasyonu: 1s1
Ergime noktası : -259.14 °C
Kaynama noktası: -252.87 °C
Sınıflandırma : Ametal-Kristal yapısı : Hekzagonal-Yoğunluk (293 °K): 0.08988 g/cm3 g/ml Buharlaşma ısıs : 0.44936 kJ/mol
Füzyon ısısı : 0.05868 kJ/mol
Özgül ısı : 14.304 J/gK
Atom yarıçapı : 0.79 A
Bağ yarıçapı : 0.32 A
İzotopları : H-1:(Kararlı); H-2 (Döteryum); H-3 (Trityum)
5--Hidrojen ve Diğer Konvansiyonel yakıtların Özellikleri:
Özellikler……Hidrojen .Metan..Metanol…Benzin….Jet Yakıtı
NKnoktasındaki sıvı
sıcaklığı-K………20.3…………112……338…320-500……-
Buharlaşma ısısı…0.45………….0,51……1.1………330-530
Yayılım katsayısı- cm2/s …0.63…0.2 ……...—………..0.08………—
Havanın içinde
alevlenebilirlik
limitleri (hacimce)…(4.1-7.4…)…(5.3-15)……..(6.0-37)…(1.5-7.6)…(0.8-5.6)
Havanın içinde
patlayabilirlik limitleri
( hacimce)………………….(18-59%)…….(6.3-14%)……..—……..—………..—
Tutuşma sıcaklığı--K…850……807….700……..530……522
Tutuşma enerjisi……………..20 µJ………..300µJ………—……….250µJ……—
Alevlenme sıcaklığı-K………2400…………2190………—………..—……….—
Alevlenme hızı-m/s………….2.75…………..0.37……….0.41……<0.3……….—
Sönme mesafesi……………..0.06……………0.23……….—…….>0.25 cm……—
Alevin yayılması…0.10……………..1.0……….—……...—…………..—
Tutuşma Enerji-MJ/kg…….120……50……20………44…………..42
-
GJ/m3……….8.5……………….21………16……31……..34
Hava içindeki yakıtın % hacim stoikimetrik Karışımı………29.6……9.5……..12.3……-1.32…….-1.2
4.1-- Hidrojenin formları ve izotopları
1--İzotoplarından oldukça farklı olarak, hidrojen gazının, normal şartlar altında, orto ve para hidrojen olarak bilinen, ve birbirlerinden elektronlarının ve çekirdeklerinin spinleri ile farklılaşan iki tip molekülün bir karışımı olduğu gösterilmiştir.
2--Normal hidrojen oda sıcaklığında % 25 para form ve % 75 orto form içerir. Orto form saf halde hazırlanamaz.
4-- Döteryum, nötronları yavaşlatmakta bir moderatör olarak kullanılmaktadır. Yaklaşık 6000 olağan hidrojen atomu içinde bir Döteryum atomu bulunur. Trityum atomları ise çok daha küçük oranlarda mevcuttur.
4.1--Trityum, nükleer reaktörlerde kolayca meydana gelir ve hidrojen (füzyon) bombasının hazırlanmasında kullanılır. Işık yayan boyalarda radyoaktif bir eleman ve ayrıca izleyici olarak da kullanılır.
3--Fosforik asitten nötron bombardımanı yoluyla tirityum, ağır hidrojen, elde edilebilir.
5—Hidrejen Üretiminde Nükleer Teknoloji:
1--Helyum gaz soğutmalı reaktör, ağır soğutmalı reaktör ve ergimiş su soğutmalı reaktörlerin sülfür-iyot çevrimi için en uygun reaktör tipleri olduğu sonucuna varmışlardır . Bu anlamda Sülfür-iyot çevrimi için He gaz soğutmalı reaktör tipleri önerilmektedir.
2--Hidrojen üretiminde kullanılacak nükleer reaktör tiplerinin en uygunu yüksek sıcaklık reaktörleri ve bu reaktörde kullanılacak en uygun termokimyasal çevrimin de sülfür-iyot çevrimi olduğu görülmüştür.
3--Yüksek sıcaklık reaktörleri, diğer konvansiyonel nükleer reaktörlere göre daha yüksek sıcaklıklara ulaştığından dolayı özellikle bölgesel ısıtma, arıtma işlemleri ve kimya sanayindeki kullanım alanları, nükleer silahların tasfiyesinden elde edilen plütonyumun değerlendirilmesi gibi kullanımının yanında hidrojen üretimi gibi pek çok uygulama için ideal reaktör tipleridir.
4--Yüksek sıcaklık reaktörleri bütün bu olağanüstü özellikleri sayesinde yakın bir gelecekte nükleer teknolojinin kalesi haline gelecek ve nükleer kaza ihtimali bile olmayan bilgi teknolojisine dayalı yapısıyla, insanların bu teknolojiye sempati ile yaklaşmasını sağlayacaktır. Bu rektör tipleri yardımıyla, hem elektrik enerjisi üretimi hem de temiz hidrojen enerjisi üretimine katkı sağlanacaktır
5—Hidrojen Üretiminde Termokimyasal Proses Tipleri:
Sülfürik asit-iyot çevrimi-Hibrit sülfürik asit çevrimi-. İki adımlı prosesler-Hibrit sülfürik asit - hidrojen
bromid çevrimi-Üç adımlı prosesler-Dört adımlı prosesler-
Bizmut sülfat - sülfürik asit çevrimi-
Çinko selenit çevrimi-
Kalsiyum bromit -demir oksit çevrimi-
Magnezyum - iyot çevrimi-Beş adımlı prosesler-
Amonyak - sülfür çevrimi--Altı adımlı prosesler--
Lantanyum dioksimonosülfat çevrimi
5.1—Şimdiye kadar olan araştırmalara dayanarak en uygun termokimyasal çevrimin sülfür-iyot olduğu sonucuna varılmıştır. Literatürlerin ışığında, ileriki yıllarda en verimli ve çevreye zarar vermeyen nükleer-hidrojen üretiminin S-I çevrimiyle olacağı sonucuna varılmıştır.
5.2--Bu kimyasal çevrimin gerçekleştirilmesi dört ana bölümde yapılmaktadır:
1) sülfürik asit, hidrojen iyodür asitlerinin üretildiği ve ürün olarak elde edilen oksijen gazının ayrıştırıldığı bölüm,
2) sülfürik asitin bileşenlerine ayrıştırıldığı bölüm,
3) hidrojen iyodürün konsantrasyonunun yükseltildiği bölüm ve son olarak,
4) hidrojen iyodürün bileşenlerine ayrıştırıldığı ve ürün olarak üretilen hidrojen gazının ayrıştığı bölümdür 6--Yüksek sıcaklık gerektiren proseslerde nükleer enerji tek bir alternatif olarak gözükmektedir.
7--Hidrojenin Nükleer termokimyasal üretimi mantıklı ve makul yapılabilir bir işlem olacaktır.
8--Hidrojen üretimi için suyun termokimyasal olarak ayrıştırılması her ne kadar teorik olarak gözükse de yakın gelecekte pratik olarak uygulanabilir olacaktır.
9--Bu durumun gerçekleşebilmesi için başta nükleer enerji kullanımının ve bu teknolojinin geliştirilmesi ve yüksek sıcaklık yardımıyla kimyasal reaksiyonların geliştirilmesine bağlı olduğu anlaşılmaktadır. Bu iki teknolojinin ticari olarak uygulanabilir hale gelmesi gerekmektedir.
10-- Yukarda bahsedilen çevrimler için UT-3’ün verimi %35-40 arasında iken sülfür-iyot çevrimi için
%52 olarak ve aynı zamanda daha düşük maliyette olabileceği görülmektedir
6--Hidrojenin Avantajları ve Dezavantajları:
1--Hidrojenin bazı avantajları:
1--Hidrojen, toksit içermez, yüksek özgül enerji taşıyıcısıdır. (9,5 kilo hidrojen 25 kilo benzine eşdeğerdir)
2--Birçok hidrojen üretim yolu vardır.Bunlar, fosil yakıtlardan (doğalgazın veya diğer hafif hidrokarbonların buharlaştırılması, suyun elektrolizi, direkt ve indirekt termokimyasal ayrıştırma ve direkt güneşten elde edilmesi).
3--Hidrojen, borularla güvenli olarak taşınabilir.
4--Hidrojen kullanımının avantajlarından biriside, petrolü kimya sanayinde kullanımını sağlamaktır. Petrol, kimya sanayinde en önemli ham maddedir. Örneğin; Demir olmayan malzemeler, polimer sanayinde kullanılır.
5--Hidrojen yakıldığında hiç toksit madde üremez (sadece yüksek sıcaklıklarda yakıldığında NOx ler üretilebilir)
6--Hidrojen çeşitli alternatif enerjilerden üretilebilir.
7--Elektrikle karşılaştırıldığında hidrojen uzun zaman depo edilebilir. Bu özelliğinden dolayı otomobil gibi araçlarda avantaj sağlamaktadır.
8--Hidrojen tüm sektörlerde enerji taşıyıcısı olarak kullanılır (otomobil yakıtı, yakıt hücreleri ile elektrik üretimi).
2--Hidrojenin Bazı Dezavantajları:
1--Hava ile karıştığında düşük konsantrasyonlar da kolayca yanabilir. Bu durum güvenlik önlemlerini arttırmayı gerektirir.
2--Hidrojenin sıvı formda depo edilmesi zordur. Çok düşük sıcaklıklar gerektirir.
7—Küresel Isınma ve Hidrojen Enerjisi Kullanımı:
1--Küresel ısınmanın başlıca sebebi fosil yakıtlardır.
2--Fosil yakıt başına fosil yakıtın tipine bağlı olarak CO2 emisyonu kömürde…….85.5, petrolde………..69.4 ve doğalgaz…………52 için değerler vermektedir.
3--Bu CO2 emisyonu 2020 yılında 8,2-10 gigaton civarına ulaşacaktır.
4--Diğer enerji kaynaklarından ve üretim teknikleriyle hidrojen üretimi mümkündür.
5--Yenilenebilir enerji kaynağı olarak hidrolik, güneş, rüzgâr, jeotermal, dalga ve katı atıkların enerjisinden sudan ve/veya hidrokarbonlardan hidrojen üretilir.
5.1--Örneğin, 108,7 kg hidrojen 1m3 sudan elektrik kullanılarak elektroliz yoluyla üretilebilir. Buda 422,1 kg benzinin vereceği enerjiye eşittir
6--Bugünlerde 500 milyar m3 hidrojen yaklaşık olarak % 99’u fosil yakıtlardan üretilmektedir. Özellikle doğalgazın buharlaştırılması yoluyla hidrojen üretilmektedir
7--Hidrojenin en önemli kullanım alanlarından ve dikkati çekenlerinden bir tanesi taşıtlarda kullanımıdır.
8--Hidrojenin atığı sadece sudur. Motorlu araçların kirletici atığı sadece yağlamada kullanılan yağlar olacaktır.
9--Yakın gelecekte hidrojen kullanımı iki sahada artacaktır.
9.1--Birincisi, taşıtlarda doğalgazla karıştırılarak kullanılması; bu durum içten yanmalı motorun performansını artıracak ve hava kirliliğini azaltacaktır.
9.2--Diğeri ise, yakıt hücreleriyle araçlarda güç üretilecek su buharı dışında sıfır emisyonla çalışacaktır.
8—Küresel Isınmada Hidrojen Kullanımı Analizi:
1—Kaynakça yazarı tarafından yapılan analize göre Eğer fosil olmayan kaynaklardan elde edilen hidrojen enerji kullanım oranı artarsa fosil yakıt kullanım oranı düşecek, dolayısıyla fosil kaynaklara olan talep de azalacaktır.
2-- fosil yakıtlar yerine fosil olmayan kaynaklardan elde edilen hidrojen kullanımı fosil yakıt kullanımına eşit oluğunda, fosil kullanım oranı J3fyk = 0 olur. Bu durumda, fosil olmayan kaynaklardan elde edilen hidrojen kullanımı arttırılırsa, fosil yakıt rezervlerinin ömürleri de artacaktır.
3-- 3>k. ısınma=1, en düşük küresel ısınma potansiyeli, fosil olmayan hidrojen fosil yakıtlarının yerine kullanıldığında elde edilmektedir. Bu değer 1971 yılı verilerine göre 2000 yılına gelindiğinde 1971 yılına göre 1,836 kat daha fazla küresel ısınma potansiyeli elde edilmektedir. Bunun anlamı atmosferde birtakım kalıcı tahribatlardır.
4-- 2010 yılında 2,226 ,2020 yılında 2,663 ve 2030 yılında ise 3,054 en düşük küresel ısınma potansiyelleri beklenmektedir.
5--Bunun için zaman geçirilmeden fosil yakıtların kullanımı bırakılarak, fosil olmayan kaynaklara yönelinmelidir. Fosil olmayan kaynaklar içerisinde enerji potansiyeli ve uygulanabilirlik açısından nükleer enerji olduğu görülmektedir.
6--Diğer taraftan yenilenebilir enerji kaynakları (Güneş, Rüzgar, Jeotermal vb.) potansiyelleri sınırlıdır. Ancak araştırmalar bu yönde sürdürülmelidir.
7--Genel olarak küresel ısınma seviyesini düşürmenin tek yolu, fosil olmayan kaynaklardan elde edilen hidrojeni, fosil yakıtların yerine kullanmaktır.
Kaynakça: Nükleer Enerji İle Hidrojen Üretimi Ve Küresel Isınmaya Etkileri-Ahmet Hikmet Yalçın-Yüksek Lisans Tezi Makina Eğitimi-Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü-Nisan 2006 Ankara