Hidrojenin Elde Edilme Yöntemleri


*
Fuel hydrogen
**
Hidrojen, doğalgaz, kömür gibi fosil kaynaklardan; güneş ışığı, rüzgar, dalga enerjisi gibi yenilenebilir enerjileri kullanarak, biyokütle ve sudan elde edilebilir. Kimyasal, biyolojik, elektrolitik, fotolitik ve termokimyasal işlem teknolojileri ile de hidrojen elde edilmektedir. Her teknolojinin gelişim aşaması, sağladığı avantajlar ve karşılaşılan zorluklar birbirinden farklıdır.
Hidrojenin fosil yakıtlardan üretimi
Sanayide kullanılan hidrojenin büyük bir kısmı, doğalgaz, petrol ürünleri kömür gibi fosil yakıtlardan elde edilmektedir. Hidrojen üretimi için doğalgazın katalitik buhar ıslahı, petrolün kısmi oksidasyonu, buhar - demir işlemi ve kömür gazlaştırılması gibi yöntemler kullanılır. 
Bu yöntemler dışında hidrojenin yan ürün olarak çıktığı klor-alkaliden karşıt klor üretimi, kok fırınlarında kömürden kok üretimi ve margarin sanayisinde kimyasal hidrojenerasyon işlemleri bulunmaktadır.
Hidrojenin doğalgazdan üretilmesi, üç farklı kimyasal işlem ile olabilir. Bunlar buhar ıslahı (buhar-metan ıslahı), kısmi oksidasyon ve ototermal ıslahtır. Buhar ıslahı, CH4 ve su buharının endotermik reaksiyon ile H ve CO dönüştürülmesidir, CO diğer bir kimyasal işlem ile CO2 ve H dönüştürülür. Bu kimyasal reaksiyonlar 700 - 850° C ve 3 - 25 bar aralığında gerçekleşir. Kısmi oksidasyonda doğalgaz kısmi olarak yakılarak reaksiyon sonucunda CO ve H2 gazı elde edilir. Bu işlem ekzotermiktir, dışarıdan ısı kaynağına gerek yoktur. Ototermal ıslah, buhar ıslahı ve kısmi oksidasyonun birleşiminden oluşan bir kimyasal işlemdir. İşlemin toplamı ekzotermiktir, reaksiyon sonucu çıkan ısı 950 - 1100° C arasında ve gaz basıncı 100 bar kadardır.
Hidrojenin kömürden üretilmesi, kömürün gazlaştırılması işlemi ile gerçekleşmektedir. Bu işlem için ısı gerekmektedir, oluşan kimyasal reaksiyonlar doğalgaz ile hidrojen üretimindekiler ile hemen hemen aynıdır. Ancak kömürden hidrojen üretimi ticari olarak kullanılır olsa da doğalgazdan hidrojen üretimine göre daha kompleks ve masraflıdır.
Hidrojenin suyun elektrolizi ile üretimi

Hidrojenin, suyun elektrolizi ile üretimi üç farklı şekilde gerçekleştirilmektedir. Bunlar alkalin elektroliz, polimer perde elektrolit elektroliz ve yüksek ısılı elektrolizdir. 
Alkalin elektroliz
Hidrojenin üretimi için uygulanan ve karmaşık olmayan, en basit yöntemdir. Elektroliz işleminde doğru akım kullanılarak, saf su, H2 ve O2'e ayrıştırılır. Elektroliz işleminin elemanları, elektroliz hücresi içinde düzlem bir metal veya karbon plakalar (elektrotlar) ve bu elektrotların içinde bulunduğu elektrolit diye adlandırılan sıvıdır. Elektroliz hücresi Şekil'de gösterilmiştir. Doğru akım kaynağı bu elektrotlara bağlanır ve akım, iletken sıvı içinde artı elektrottan, eksi elektrota doğru geçer. Bunun sonucunda elektrolit içindeki su, katottan H2 ve anottan O2 gazının çıkması ile ayrılır. Saf su iletken olmadığından iletkenliği sağlayacak ve kimyasal reaksiyonu hızlandıracak, katalizör madde, potasyum hidroksit (KOH) veya NaOH gibi bileşikler suda çözdürülür. Alkalin elektroliz uzun süreden beri kullanılan, olgunlaşmış bir teknolojidir.


Alkalin elektroliz işlemi esnasında elektrolitte, katotta ve anotta ayrı ayrı kimyasal reaksiyonlar meydana gelir. Elektrolitte meydana gelen kimyasal reaksiyon, (1) numaralı formül, katotta meydana gelen kimyasal reaksiyon, (2) numaralı formül, anotta meydana gelen kimyasal reaksiyon, (3) numaralı formül ve net kimyasal reaksiyon, (4) numaralı formül ile belirtilmiştir.

Alkalin elektroliz işleminde kullanılmak üzere deniz suyu üzerine de araştırmalar yapılmıştır, ancak elektrolit sıvısı içinde çözünmeyen partiküller oluşturması, bu partiküllerin zamanla elektrot yüzeylerine yapışması ve verimliliği etkilemesi, deniz suyunda bulunan NaCI bileşiğindeki CI'un, OH-'dan daha aktif olmasından dolayı, anottaki reaksiyonda, öncelikli olarak NaCI bileşiğinin ayrıştırılmaya çalışılması daha sonra OH-'in ayrıştırılması ve bu reaksiyon sonucu çevreye zararlı, tahriş edici  klorin gazının salınması sorun oluşturduğundan vazgeçilerek, korozif özelliği olmayan, hiçbir yan ürün içermeyen ve çevreye zararı olmayan saf su üzerinde çalışmalar yoğunlaşmıştır.
Polimer perde elektrolit elektrolizi (PEM)
PEM elektrolizinde sıvı elektrolit bulunmamaktadır, sıvı elektrolitin yerine asidik polimer perdeler kullanılmaktadır. PEM elektroliz sistemleri yüzlerce bar basınçta çalışabilmektedir, ancak kullanılan elektrolit perdelerin ömrü sınırlıdır. Sıvı elektrolit olmadığından alkalin elektrolize göre daha güvenli ve kompakt bir yapıda olmasına rağmen, yüksek fiyatlı oluşu, düşük kapasite, düşük verim ve kısa ömre sahip olması, ticari uygulamalarda şu an için bu sistemin kullanılamamasına neden olmuştur. Perde elektrolit materyal araştırmaları ve elektroliz hücre dizaynı üzerine daha çok araştırma yapılması gerekmektedir.
Yüksek ısılı elektroliz
Yapılan araştırmalar neticesinde, elektroliz kabının ısısı arttırıldıkça aynı miktardaki hidrojeni üretmek için gereken elektrik enerjisi miktarının azaldığı anlaşılmıştır. Bu bilgi ışığında, yüksek ısılı elektroliz işleminde, sistem 700 - 1000° C'de çalıştırılır ve elektrot reaksiyonlarının daha az elektrik enerjisi ile gerçekleşmesi sağlanır. Bu teknolojiye yardımcı olacak teknolojiler üzerinde çalışılmaktadır. Çalışmalarda elektroliz için gereken elektrik enerjisinin bir kısmını jeotermal, güneş veya doğalgaz kaynaklarından sağlanması amaçlanmaktadır.
Hidrojenin foto-elektroliz (Fotoliz) ile üretimi
Fotoliz sistemlerinde, saf su güneş ışığı vasıtası ile H2 ve O2'e ayrıştırılır. Sistemde güneşi ışığını emip elektrotlara elektrik olarak ileten, fotoelektrot materyalleri henüz geliştirilme aşamasında olduğundan, daha çok araştırma yapılmalı, yüksek performanslı, korozyon dayanıklılığı yüksek materyaller bulunmalı ve sistem tasarımı üzerine geliştirmeler yapılmalıdır.
Hidrojenin foto-biyolojik işlem ile üretimi

Hidrojenin foto-biyolojik yol ile üretimi iki aşamada olur. İlk aşama fotosentez, ikinci aşama hidrojenezdir. Fotosentez işlemi ile su hidrojen iyonlarına ve oksijene ayrıştırılır; hidrojenez işleminde ise iyon halindeki hidrojenler fotosentez işleminde açığa çıkan elektronlar ile reaksiyona sokularak hidrojen gazı elde edilir. Bu işlemler için yeşil algler ve fotosentetik bakteriler kullanımaktadır. Bu yöntem gelecek için düşünülen bir yöntemdir ve üzerinde halen çalışılmaktadır. Ancak uzun dönemde hidrojenin yenilenebilir enerjilerden üretilmesinde önemli bir rol oynayacaktır.
Hidrojenin yüksek ısı ile bozunma işlemi ile üretimi
Yüksek ısı ile bozunma yönteminde, suyun yapısının yüksek ısı ile bozunması sağlanarak hidrojen elde edilmeye çalışılmaktadır. Suyun yüksek sıcaklıklar ile ayrışması 3000° C'de meydana gelmektedir. Bu sıcaklıkta suyun %10'u ayrışırken, %90'ı tekrar kullanılabilir halde bulunmaktadır. Bu işlem geliştirilme aşamasındadır ve yüksek ısıya dayanıklı materyalin bulunması, yüksek ısı ile çalışmanın yapılacağı işlem ünitesinin dizaynı, ısıyı kontrol altında tutacak soğutucu kapasitesi gibi teknik sorunlar bulunmaktadır. Bahsedilen hidrojen elde etme yöntemleri dışında, suyun termokimyasal olarak ayrıştırılması, biyokütleden hidrojen üretilmesi gibi çeşitli yöntemler de bulunmaktadır, ancak bu sistemler henüz geliştirilme aşamasındadır ve çözülmesi gereken önemli teknik sorunları bulunmaktadır. Başlıklar halinde belirtilen hidrojen elde etme yöntemlerine bakıldığında, kanıtlanmış bir teknoloji olduğundan ve uygulamaları geçmişten günümüze kadar devam ettiğinden, sistem sorunları en aza indirgendiğinden, yüksek sıcaklık, yüksek basınç gibi gemi üzerinde uygulaması zor ve yüksek enerji ihtiyacı olmayan bir sistem olduğundan, alkalin elektroliz sistemi gemi üzerinde uygulanabilirliği olan bir hidrojen üretme yöntemidir.
KAYNAK
Burak ZİNCİR
HİDROJEN KARIŞIMLI YAKITLARIN GEMİLERE UYGULANABİLİRLİĞİNİN VE EMİSYON SALINIMLARINA ETKİLERİNİN İNCELENMESİ 

İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ - FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Yorumlar