Hidrojen-Üretimi-Kullanımı:

1--Sudan elde edilebilen ve çevreyi en az kirleten bir yakıt olarak hidrojen ağırlık kazanmıştır.

1.1--Hammadde olarak hidrojen, petrol arıtımı ve sentetik yakıt üretiminde, kimya (amonyak, metanol vb.) metal (indirgeme ve kaynak işlemleri), gıda (yağların Bdrojenasyonu) cam, ilaç ve elektronik endüstrilerin-dc kullanılmaktadır.

2--Hidrojen Üretimi:

2.1--Hidrojen, geleneksel olarak hidrokarbonlardan ve sudan üretilmektedir.

2.2--Güneş enerjisinin hidrojen üretiminde kullanılması, çeşitli optik düzeneklerle yoğunlaştırılan yüksek sıcaklılıktaki güneş radyasyonuyla doğrudan veya dolaylı olarak hidrokarbon kökenli maddelerden (özellikle kömür) ve sudan veya fotovoltaik düzeneklerle üretilen elektrik ve elektrolizle sudan hidrojen elde edilmesiyle gerçekleşir.

2.2.1--Bu teknolojilerle üretilen hidrojen şimdilik ticari yöntemlerle kömürden üretilen hidrojene kıyasla yaklaşık 3-15 kat, ticari elektrolizle sudan üretilen hidrojene kıyasla da 1-4 kat maliyet taşımaktadır

2.3—Öte yandan Küçük çaptaki su gücü (<10 MW) veya rüzgâr enerjisinden bölgesel olarak üretilen elektriğin elektrolizle hidrojene dönüştürülerek depolanması ve şevki yapılabilir,

2.4--Linyitlerin gazlaştırılarak sentez gazı veya hidrojen olarak enerji üretiminde kullanılabilir.

3--Hidrojenin Depolanması:

3.1--Hidrojen basınç altında gaz olarak veya 20K sıcaklılıkta sıvı olarak büyük hacimlerde depolanabilir. Sıvılaştırarak depolamanın maliyeti diğerinin on katı civarındadır.

3.2--Depolama tesisi türü, hidrojen kullanım talebinin gereksinimlerine (sağlık derecesi, miktar vs.) göre seçilebilir. Depolama maliyeti tesisin büyüklüğü ve karmaşıklılık düzeyiyle orantılıdır.

3.3--Endüstriyel hammadde olarak üretilen hidrojenin büyük bir kısmı üretim tesisleri yakınında tüketilmektedir. Dolayısıyla, bu bölgelerde hidrojen düşük basınçlı gaz depolarında, yüksek basınçlı çelik tanklarda ve düşük sıcaklılık tekniğinin uygulandığı depolarda biriktirilir.

3.4--Sıvı hidrojen, hacmi 1000 m3 veya daha fazla olan özel yalıtımlı geniş tanklar içinde büyük ölçekte depolanabilir.

3.5--Hidrojen aynı zamanda metal hidrürler karbon tüpler ve cam mikrokürecikler içinde ve karbona emdirilerek depolanabilir.

3.6--Hidrojen bir enerji taşıyıcı olarak kullanıldığında doğacak büyük ölçekte depolama gereksinimi yeraltında gözenekli rezervuarlar (su rezervleri gibi) ve mağaralar (tuz rezervleri gibi) içinde karşılanabilir (Tablo 3b).

3.7--Hidrojenin gaz fazında depolanması endüstriyel uygulamalar için olduğu kadar sıradan bir yakıt olarak kullanımı için de uygundur. Burada gerekli olan basınçlı depolar içinde hidrojen depolama maliyeti($/m3) gazı yeraltındaki doğal mağaralarda depolama maliyeti 30 katı kadardır. Bazı kaynaklarda bildirilen mali verilere göre bu fark 50 kata varmaktadır. Yeraltı depolaması yüksek saflıkta hidrojen için uygun olmayabilir.

3.8--Hidrojenin mevcut yöntemlerle sıvılaştırılması ısıl değerinin %30'una eşdeğer bir enerji gerektirmektedir. Ayrıca depolama, iletim ve kullanım sırasında meydana gelen "buharlaşma kaçakları" mevcut yanma enerjisinin %40 kadarının kaybına yol açmaktadır. Buharlaşan hidrojenin yeniden sıvı faza döndürülmesi için çalışmalar yapılmaktadır.

3.9--Metal hidrürler enerji yoğunluğu (wh/kg), maliyet, malzemeler, depolama kinetiği ve döngünün ömrü açılarından incelenmektedir. Düşük sıcaklılıkta çalışan hidrürler 273 K altındaki sıcaklıklarda 100 km/m2 değerindeki hidrojen denge basıncına ulaşırlar, örneğin FeTi alaşımları (253K) bu tür hidrürler oluştururlar, yüksek sıcaklılıkta çalışan hidrürler ise bu basınca 473 K'i aşan sıcaklılıklarda ulaşırlar (Mg2Ni hidrürleri [523K]gibi). Düşük sıcaklılık hidrürlerinin dekompozisyonu çevre ısısıyla gerçekleşebilir.

3.10--Cam mikrokürecikler içinde hidrojen depolama imkânları araştırılmaktadır. Cam 670K dolaylarında hidrojene karşı geçirgenleşmektedir. Kapital yatırım, enerji girdisi ve güvenlik açısından çekici gözüken bu teknolojiyle 50 kg/m3 dolayında hidrojen yoğunluğuna erişmek mümkündür.

3.11--Hidrojen gazı, 1600 kN/m2 basınç altında, hacmi 7.5 m3'e varan çelik gaz silindirler içinde veya 700-5100 m3 hacimdeki yüksek basınçlı gaz tankerleriyle ticari olarak taşınmaktadır. Gaz hidrojenin büyük ölçekteki sevkiyatı için 5000 kN/m2 basınçta çalıştırılan mevcut doğal gaz hatlarının kullanılması da mümkündür.

3.12--Sıvı hidrojen iletimi, içinde sıcaklığın 20K düzeyinde tutulduğu 36 ve 107 m3 kapasitede ve düşük sıcaklık teknolojisi normlarına göre yalıtılmış özel tanker vagonlarla demir yolu ile gerçekleştirilmektedir.

4--Güvenlik Açısından Hidrojen

4.1--Hidrojen zehirli bir gaz değildir. Kullanımındaki tehlike oksijen ve havayla karıştığında ileri derecede tutuşabilir olmasından kaynaklanmaktadır. Ayrıca, renksiz ve kokusuz oluşu ve çok soluk bir alevle yanması dolayısıyla varlığı kolayca fark edilemez.

4.2--Hidrojen-hava karışımlarının patlama ve tutuşma sınırları benzin ve metan ve hava karışımlarına nazaran çok daha geniştir. Hidrojenin moleküler ağırlığı, yoğunluğu (havanın 1/14 misli, metanın 2/3 misli) ve viskozitesi çok düşüktür. En küçük molekül olması nedeniyle depo ve boru malzemeleri içine rahatlıkla sızarak metalleri kırıllganlaştırır; kolaylıkla kaçak yapabilir.

4.3--Büyük ölçekte hidrojenin kullanıldığı açık hava amonyak tesislerinde yangın olayları seyrek olup genellikle talimatlara yeterince uyulmamasından kaynaklanmaktadır.

4.4--Petrokimya endüstrisinde yangınların yarıdan fazlası belli ekipman elemanlarından (contalar, boruflanşları, vana aksamı, eşanjörler, atık ısı kazanları gibi) gaz sızması sonucu çıkmaktadır. Sıvı hidrojen uzun süredir roket yakıtı olarak kullanıldığından güvenlikle ilgili deneyim ve bilgi birikimi oluşmuştur.

4.5--Sıvı hidrojenin depolama sıcaklılığı çok düşüktür.İyi yalıtılmamış katlarda sıvı hidrojenle temas eden hava sıvılaşır ve hidrojene karışarak yangın tehlikesi oluşturur.

4.6--Sıvı hidrojen döküldüğünde çevresindeki hava atmosferle denge halinde sıvılaşır, yaklaşık %50 oranında hidrojen-oksijen karışımı oluşur ve bir yangına veya patlamaya neden olabilir.

4.7--Viskozitesi çok düşük olduğundan hidrojen defolu tanklardan yüksek hızla sızabilir. Bu yüzden sıvı hidrojen, çift cidarı arasındaki hava boşaltılıp yerine perlit doldurularak yalıtılmış Devar tipi sağlam kaplarda depolanır. Uzun süre depolanan hidrojen "buharlaşma kayıpları" ile eksilebilir.

4.8--Buharlaşma kayıpları, ısıveren "orfo-para" dönüşüm reaksiyonu, tanka ısı aktarımı ve çalkalanma dolayısıyla veya tanktan hidrojen boşaltma sırasında oluşabilir.

4.9--Hacmi 103 m3 mertebesindeki hareketsiz depolardan günde %0.03-0.05, hacmi 10M0 m3 düzeyindeki demiryolu ve karayolu tanklarından günde %0.3-0.5 ve hacmi 1 m3 dolayında olan hareket halindeki depolardan günde %l-2 buharlaşma kaybı olduğu saptanmıştır.

5--Enerji Sektöründe Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen

5.1--Hidrojenin doğal gaz dağıtım şebekesinde enerji taşıyıcı; merkezi güç ve proses ısısı üretimi ve mekan ısıtmada ve muhtelif taşıtlarda yakıt olarak kullanımı gündemdedir. Ayrıca, konvansiyonel ve nükleer elektrik santrallerindeki atıl kapasite suyun elektrolizi ile hidrojene dönüştürülerek depolanıp, gerektiğinde gaz şebekesine veya tekrar elektriğe dönüştürülerek elektrik şebekesine verilebilir.

5.2--Hidrojenin doğal gaz hatlarına, karışımın enerji içeriğini belli bir düzeyin altına düşürmeyecek bir yüzde ile (%10 gibi), katılması veya hidrojen için benzer bir dağıtım şebekesi döşünmesi uygun görülmektedir. Basınç düzeyi 5170 kN/m2 olan mevcut doğal gaz hatlarının enerji kapasitesi değişmeksizin sırf hidrojen iletiminde kullanılabilmesi için kompresörde 3-8 kat gaz işlenmesi ve kompresör gücünün 5.5 kat artması gerekmektedir.

5.3--Dağıtım şebekesinde meydana gelebilecek hidrojen kaçağı hacmi doğal gaz kaçağının üç misli kadar olmakla birlikte kaçaktan kaynaklanan enerjiyi kaybı her iki gaz için hemen hemen eşit miktardadır. Kullanılmakta olan eski boru hatlarında yaklaşık 1760-7000 mVkm dolayında doğal gaz kaçağı olduğu tahmin edilmektedir. Plastik borulardaki kaçaklar daha düşük düzeydedir.

6--Isı Üretiminde Hidrojen:

6.1--Hidrojen, yan ürün olarak üretildiği endüstriyel tesislerde ve "hava gazı" ismiyle bilinen gaz karışımı olarak zaten uzun süredir mevcut yakma teknolojileriyle proses ısısı üretiminde kullanılmaktadır. Bu amaçla kullanılmak üzere muhtelif kapasitelerde yakıt pilleri geliştirilmiş bulunmaktadır.

6.2--Gaz şebekesinden uzak olan bölgelerde küçük çaptaki (<10 MWe) hidroelektrik kapasite elektrolizle hidrojene dönüştürülerek gerektiğinde kullanılmak üzere depolanabilir.

7--ULAŞIMDA HİDROJEN

1--Yanma sonucu çoğu yakıtlarda ortaya çıkan karbon oksitleri, kükürt dioksit, partiküller ve koku hidrojende yoktur. Oluşan NOx miktarı daha azdır. Buna karşın düşük yoğunluğu nedeniyle taşıtlarda diğer yakıtlardan daha geniş hacim kaplar.

2--Yanma ürünü olan su buharının yol açabileceği sera etkisi yeryüzünde yalnızca 3-4 gün içinde kaybolur. Bu süre CO2 için 10000 kat daha uzundur.

7.1--Uzay ve Havacılık:

1--Yüzyılımızda daha ziyade roket yakıtı olarak kullanılmakta olan hidrojen çeşitli motor tasarımları ile uyumlu oluşu dolayısıyla ocaklarda da kullanılmaya başlanmıştır.Yakıtın uçaklarda sıvı olarak taşınması uygun görülmektedir. Hidrojenin enerji içeriği hidrokarbon yakıtlara nazaran 2.8 kat fazla olduğundan taşınan yakıt azalmaktadır.

2--Böylelikle jet yakıtlı bir uçağa kıyasla, kalkış ağırlığı %25 eksilmekte ve yük taşıma mesafesi %30-35 artmakta; kalkış daha gürültüsüz gerçekleşmektedir.

3--Hidrojen zayıf karışımla yandığından az NOx oluşmakta, yanma ürünü olarak çıkan su buharı yüksek uçuş irtifalarında sera etkisine neden olmakla birlikte stratosferde kalma süresi 6 ay ile 1 yıl arasında değişmektedir.

4--Hidrokarbon kökenli uçak yakıtlarının yanma ürünü CO2 100 yıldan fazla kalarak sera etkisini her irtifada sürdürebilmektedir.

7.2—Demiryolları:

1--Çoğu ülkelerdeki dizel-elektrik sistemli demiryolu teknolojisi hidrojen ikamesi için çok uygundur. Hidrojenin motora sıvı fazında ve alçak basınçta verilmesi öngörülmektedir.

2--Dönüştürülmüş dizel lokomotifinin yakacağı hidrojen vakum yalıtımlı ayrı bir tanker vagon içinde 20 K sıcaklıkta sıvı fazda depolanır. Böyle bir trenin hidrojen taşıma kapasitesinin her 1000 mil için yaklaşık 6.4 TJ olduğu kabul edilerek dolum tesisleri planlanabilir.

7.3--Karayolu Taşıtları

1--Hidrojen yakıtlı alternatif sistemlerin mevcut sistemlere kıyasla taşıt ağırlığını artırmaması ve motor gücünü düşürmemesi hedeflenmektedir. Karayolu taşıtlarında hidrojen kullanımı motor, yakıt depolama ve yakıt aktarım sistemi tasarımlarında değişiklikler gerektirmektedir.

2--Yakıt depolama sisteminden örnek verilecek olursa dizel otomobillerde dizel yakıtının kendi ağırlığı tüm depolama sistemi ağırlığının %91'ini oluştururken, metal hidrür depolama sistemi içindeki hidrojenin ağırlık oranı %5 kadardır. Buna karşın hidrojenin ısıl değeri benzinin 2.67 katı, metanolün 5.7 katıdır

Kaynak:Hidrojenin Günümüzdeki Durumu-Doç. Dr. Z. Sema BAYKARA Yıldız Teknik Üniversitesi Kimya Mühendisliği