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
Yorum Gönder