- Katılım
- 8 Mar 2007
- Mesajlar
- 3,573
- Puanları
- 106
Ümit Kemalettin TERZİ - Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü
Burak ALTUNBAŞ - Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Eğitimi Bölümü
FOSİL YAKITLARIN HIZLA TÜKENMESİ VE KÜRESEL ISINMA, BİLİM İNSANLARINI ALTERNATİF ENERJİ KAYNAKLARINA YÖNELTİYOR. BUNLARIN ARASINDA YER ALAN HİDROJEN, YÜKSEK ENERJİ DEĞERİ, HAFİFLİK VE HAVAYA KOLAYLIKLA KARIŞABİLME GİBİ ÖZELLİKLERİ İLE ÖN PLANA ÇIKIYOR.
Teknolojinin sürekli olarak gelişmesi ve bunun sonucunda yükselen bir ivme ile enerji talebinde bulunması, bu talebi karşılama zorunluluğu doğurmuştur. Günümüzde enerji ihtiyacının büyük bir kısmı fosil kaynaklarla karşılanmakta ve bu kaynaklar hızla tükenmektedir. Tükenen fosil yakıt rezervleri ve meydana gelen geri dönüşümü olmayan çevre sorunları, insanlığı yenilenebilir enerji kaynakları üzerine araştırmaya yöneltmiştir. Bu kaynaklardan biri de hidrojendir. Hidrojen enerjisi "21. yüzyılın enerji taşıyıcısı" olmaya en büyük adaylardandır. Hidrojen, yeryüzünde en sık bulunan elementtir. Hidrojen oksijen ile yüksek bir enerji değeri ile yanıp suya dönüşür. Çok hafiftir ve kolaylıkla hava ile karışabilir. Yalnızca bu özellikleri bile hidrojenin geleceğin yakıtı olmasına aday olmasını sağlar. Fosil yakıtların yeryüzüne ve atmosfere verdiği zararlar göz önüne alındığında bunu önemi daha iyi anlaşılacaktır. Hidrojenin doğada saf halde bulunmamasından dolayı çeşitli elde etme yöntemleri geliştirilmiştir. Bu çeşitli yöntemlerden en çok kullanılanları ise fosil yakıtlardan hidrojen elde etme yöntemleridir.
Bu gibi yöntemler, hidrojenin ana kullanım nedenleri olan "fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltma" ve "temiz enerji kullanımı" gibi nedenlerle bağdaşmamaktadır. Ancak gelişen teknoloji ile birlikte yenilenebilir enerji kaynaklarıyla hidrojen elde yöntemleri giderek çeşitlenmekte ve bu yöntemlerle üretimin payı artmaktadır.
1. GİRİŞ
Günümüzde en önemli sorunlardan biri; fosil yakıt kullanımından kaynaklanan CO2 emisyonu nedeniyle atmosferdeki sera etkisinin giderek artması ve bunun dünya sıcaklığını yükseltmesidir. Önlem alınmazsa sıcaklığın hızlı bir şekilde yükselmesi kaçınılmaz olacaktır. Bunun sonucunda yüzey oranları değişeceği gibi iklim dengesi bozulacak, bugünkü tarım alanları kurak alanlara dönüşecek, insanlığın yaşamı sınırlanacaktır. Bu aşamada dünyanın çevreye zarar vermeyecek ve istenilen verimde diğer enerjilere dönüşebilen yeni bir yakıta ihtiyacı vardır. Bu konuda 21. yüzyılda damgasını vuracak enerji kaynağı ise hidrojen olacaktır. Hidrojen enerjisini kaçınılmaz yapan diğer bir olgu ise fosil kaynaklı yakıtların tükeniyor olması ve maliyetinin artmasıdır. Bu durum, enerjide yeni kaynaklara olan ihtiyacı artırmakta ve arayışa yönlendirmektedir. Bu gelişmelerin farkında olan dünya, bilimsel çalışmalara hız vermekte ve teknolojik gelişmelere küçümsenmeyecek derecede önemli kaynaklar aktarmaktadır.
2. HİDROJEN
Elementlerin en hafifidir. Hidrojen kelimesi Yunanca'da "su" anlamına gelen "hydro", ve "oluşturan" anlamına gelen "genes" sözcüklerinden gelmektedir. Hidrojen evrendeki atomların %90'dan fazlasını, toplam kütlenin 3/4'ünü oluşturur. Buna rağmen doğada saf halde bulunmaz. Ancak çeşitli yöntemlerle elde edilebilir. Hidrojen, yeryüzünde esas olarak oksijen ile su bünyesinde bileşik yapar. Fakat canlı bitkiler, petrol, kömür gibi organik maddelerde de bulunur. Hidrojen kullanımın birçok avantajlı yönü vardır. Bunlar şu şekilde sıralanabilir:
1. Zararlı emisyon oluşturmaz, çevre dostudur.
2. Isıl yanma verimi yüksektir.
3. Fosil yakıtlara karşı alternatiftir.
4. Yenilenebilir ve depolanabilirdir.
5. Mevcut yakıtlar ile birlikte kullanılabilir.
3. HİDROJEN ELDE ETME YÖNTEMLERİ
Şekil 1 - Hidrojen eldesinde yöntemlerin kullanım oranı (2005)
Hidrojen, yakıtlar içerisinde çevresel açıdan en temizi olmasına rağmen elde edilmesinde en ucuz ve en sık kullanılan yöntemler fosil yakıtlardan elde etme yöntemleridir. Bu gibi yöntemler, hidrojenin ana kullanım nedenleri olan "fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltma" ve "temiz enerji kullanımı" gibi nedenlerle bağdaşmamaktadır. Ancak gelişen teknoloji ile birlikte yenilenebilir enerji kaynaklarıyla hidrojen elde yöntemleri çeşitlenmekte ve bu yöntemlerle üretimin payı artmaktadır.
Şekil 1'de belirtilen 2005 kullanım oranlarına göre yöntemlerin %96'sında fosil kaynaklar aracılığıyla hidrojen elde edilmektedir. Geriye kalan elektroliz ve diğer yöntemlerin neredeyse hepsi yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak hidrojen elde edilen yöntemlerdir.
Şekil 2 - Kullanım ve depolamaya kadar hidrojen elde aşamaları
Şekil 2'de de görüldüğü gibi hidrojen elde etme yöntemlerini genel olarak fosil yakıtlardan hidrojen eldesi, yenilenebilir enerjiyle hidrojen eldesi ve nükleer yakıtlardan hidrojen eldesi olarak üçe ayırabiliriz. Fosil yakıtlar; enerji girişi, buhar reformasyonu ve ayrıştırma gibi aşamalardan geçer. Genellikle su buharı ve oksijen ile birleştirilerek hidrojen, karbonmonoksit ve karbondioksit elde edilir ve hidrojen diğerlerinden ayrılır. Yenilenebilir enerjiyle hidrojen eldesinde ise genellikle yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrik enerjisi suyun elektrolizinde kullanılarak hidrojen elde edilir veya yüksek sıcaklıkta suyu parçalayarak ya da biyokütle yakılarak hidrojen elde edilir. Nükleer kaynaklarla hidrojen eldesinde ise radyoaktif atık vasıtasıyla elektroliz sonrası hidrojen elde edilmesi mümkün olmaktadır.
3.1. Fosil Yakıtlardan Hidrojen Eldesi
3.1.1. Doğalgazın Buhar Reformasyonu
Hidrokarbonların buhar reformasyonu, hidrojen üretimi için en yaygın, ekonomik ve verimli yöntemdir. Yöntemde verim %70 civarındadır. ABD hidrojen üretiminin %95'ten fazlası, dünya üretimininse %48'i bu yöntemle üretilmektedir [1]. Bu süreç iki adıma bağlıdır:
a) Doğalgaz Reformasyonu
İlk süreç metan (CH4) gazının 750°-800°C'de buharla reaksiyona girerek birincil derecede hidrojen (H2) ve karbon monoksit (CO) gazı içerikli sentetik gaz üretilmesini içerir [1].
b) Değişim Reaksiyonu
Su-gaz değişim reaksiyonu diye bilinen ikinci süreç, ilk reaksiyonda üretilenlerin katalizör eşliğinde buharla reaksiyona girmesi sonucu karbondioksit (CO2) ve hidrojen oluşturmasıdır. Şekil 3'te resmedilen bu süreç; HTS: yüksek derecede değişim (350°C) ve LTS: düşük derecede değişim (190-210°C) olarak iki aşamadan oluşur [1].
Şekil 3 - Reformasyon basamakları, girdi ve çıktılar
3.1.2. Kısmi Oksidasyon
Buhar reformasyonuna yakın ve verimli bir reaksiyon da kısmi oksitlenme reaksiyonudur. Verimi %60 civarındadır. Toplam üretilen hidrojen miktarı içinde bu metodun payı yaklaşık %30'dur. Bu durumda doğalgaz ve oksijen, reformasyon koşullarında birbirine karıştırılır. Doğalgaz oksijen ile reaksiyona girdiğinde ısı açığa çıkar ve yaklaşık 1300 ile 1400°C'lik sıcaklık meydana gelir. Burada oluşan ısı, geride kalan metan gazının yakılmasında kullanılır. Reaksiyon bu döngüde sürer gider [2].
3.1.3. Gazlaştırma
Katı enerji kaynaklarının gazlaştırılması genelde 800 ile 2.000°C aralığında 40 bara kadar basınç altında gerçekleştirilir. Bu dönüşüm süreci sonunda hidrojen ve karbonmonoksit açığa çıkar. Yöntemde verim %55 civarındadır. Kullanılan gazlaştırma yöntemlerinin arasına, karbonun gazlaştırılması, basınçsız kömür tozunun gazlaştırılması, basınç altında katı yakıt gazlaştırılması, linyit-yüksek-sıcaklık gazlaştırılması ve biokütle gazlaştırılması da dahil edilebilir [2].
3.1.4. Kvaerner Yöntemi (Termal Parçalama)
Yöntemde CO2 oluşmaksızın doğalgaz ya da petrolden elektrik akımı kullanılarak aktif karbon ve hidrojen elde edilir. Geliştirilen bu yöntemle yaklaşık 1600°C gibi yüksek bir sıcaklıkta hidrokarbonlar saf karbon ve hidrojene ayrıştırılabilmektedir. Yöntemde oksijen gerekmediğinden kirletici gaz emisyonu oluşumu da engellemektedir. Yöntemde verim yaklaşık %100'e yakındır. Çıkan ürünlerin yaklaşık %48'i hidrojen, %10'u sıcak buhar ve %40'ı da aktif karbondur. Elde edilen hidrojenin saflığı da çok iyidir [2].
3.2. Yenilenebilir Enerjiyle Hidrojen Eldesi
3.2.1. Biyokütleden Hidrojen Üretimi
Biyokütleden hidrojen eldesi, kömür gazlaştırmasında olduğu gibi piroliz/gazlaştırma yöntemleriyle gerçekleştirilir. Biyokütle, bir reaktör içinde yüksek sıcaklık ve düşük basınç altında işleme alınır. İşlem sonunda hidrojen, metan, karbondioksit, karbonmonoksit ve nitrojen (N2) gibi gazlar elde edilir. Elde edilen gazların oranı kullanılan hammadeye göre değişkendir. Gaz akımlarının yüksek sıcaklıkta bulunmalarından dolayı hidrojen içeriği artar ve bu işlem sonunda oldukça yüksek saflıkta hidrojen elde edilebilir. Tüm sistem, biyokütle hazırlama birimi ve reaktör tasarımı dışında kömür gazlaştırma santraline çok benzer. Ayrıca, biyokütlenin daha düşük kalorifik değerinden dolayı kömür gazlaştırma santralinden daha büyük bir alana kurulmuşlardır [3].
3.2.2. Güneş Aracılığıyla Hidrojen Üretimi
a) Suyun Doğrudan Termal Parçalanması (Termoliz)
Termik ayrıştırma; moleküllerin ısı etkisi ile atomlarına parçalanması anlamına gelir. Su buharı, 1700 °C sıcaklığın üzerine çıkarıldığında hidrojen ve oksijene parçalanır. Su buharını bu derecelere ulaştırabilmek için helyostat (yansıyan güneş ışınlarını belli bir doğrultuya yöneltmeye ve bu doğrultuda tutmaya yarayan bir ayna ile bir ayar sisteminden meydana gelen tertibattır) sistemi kullanılır. Su buharı parçalandıktan sonra oluşan gazlar fırının içinde kurulan bir seramik membran (seçici geçirgen) sayesinde kolaylıkla birbirinden ayrılabilir. Bu membran hidrojeni geçirmeli ancak oksijeni tutmalıdır. Bu işlemin en büyük problemi, reaksiyonu gerçekleştirmek için gerekli olan malzemelerin bu sıcaklığa dayanamamasıdır. İleriki yıllarda daha yüksek sıcaklıklara dayanan malzemeler bulundukça bu yöntem daha yaygın hale gelecektir [2].
b) Termokimyasal Çevrimler
Hidrojenin termokimyasal üretimi, termoliz için gereken sıcaklıktan daha düşük sıcaklıklarla suyun kimyasal parçalanmasına izin verir.
Şekil 4 - Termokimyasal çevrim
Şekil 4'te resmedilen bu yöntem, sıcaklığa bağlı olarak değişmekle beraber oldukça yüksek (%40-%50) verim elde etmek mümkündür. Ancak kimyasalların saldığı toksik atıklar ve yüksek sıcaklıklarda malzemelerde oluşan korozyon (metal veya metal alaşımlarının oksitlenme veya diğer kimyasal etkilerle aşınma durumu) problemi metodun gelişmesi için çözülmesi gereken problemlerden biridir [3,5].
3.3. Elektroliz
Suyun elektrik akımı vasıtasıyla hidrojen ve oksijene ayrıştırılması işlemine "suyun elektrolizi" denir. Suyun elektrolizini kimyasal reaksiyonla belirtecek olursak aşağıdaki ifadeyi elde ederiz.
H2O + elektrik H2 + ½O2
Reaksiyonda da gösterildiği gibi reaksiyon çift yönlüdür. Yakıt pillerinin çalışma mantığı, elektrolizin tam tersidir. Nasıl ki suyu elektrik vasıtasıyla hidrojen ve oksijene ayrıştırıyorsak, hidrojen ve oksijeni birleştirirken de su ve elektrik elde ederiz. Doğru akım kaynağı, yük taşımasını sağlamak için içine tuz, asit ya da baz ilave edilmiş elektrolit içinden geçirilir. Bunun için reaksiyonun oluşumunu sağlayan ancak reaksiyona girmeyen katalizörler (platin gibi) elektrot olarak kullanılır. Akım uygulandığında pozitif elektrot olan anotta oksijen gazı oluşurken, negatif elektrot olan katotta hidrojen gazı oluşur. Oluşan gazların tekrar karışmasını engellemek için her iki hücre arasına ince bir tabaka (diyafram) konulmalıdır. Bu yöntem kullanılarak üretilen hidrojen miktarı toplam üretimin ancak %4'ünü oluşturmaktadır. Çünkü, elektrolizin gerçekleşmesi için oldukça fazla akım gereklidir ve bu yüzden oldukça pahalıdır [2].
3.4. Biyokimyasal Elde Yöntemi
Hidrojen elde yöntemlerinden birisi de biyokimyasal elde yöntemidir. Rodospirillum Rumrum türüne ait purpur bakteriler, kilogram başına günlük 3 m3 hidrojen üretebilir. Orman içinde bulunan bazı göllerde su yüzeyinde oluşan kabarcıkların bir kısmı oluşan hidrojenden kaynaklanmaktadır. Pupur bakterileri, göllerin derin bölgelerinde yaşar. Güneş ışığı yardımıyla buralarda bulunan organik maddeleri dönüştürürler. Gerektiği kadar besin aldıktan ve azot ihtiyacını karşıladıktan sonra hücrelerinde meydana gelen bir denge reaksiyonu sebebiyle hidrojen salarlar [2].
3.5. Hidrojen Sülfürden Hidrojen Eldesi
Hidrojen sülfür, ülkemizde Karadeniz dip sularında meydana gelen aşırı kirlenme sonucunda oluşmuştur. Hidrojen sülfürün bulunduğu Karadeniz dip suları, oksijen bakımından oldukça fakirdir. Hidrojen sülfürün bulunduğu kısımlarda hiç oksijen bulunmadığından bu kısımlarda canlı varlıklara rastlanmamaktadır. Hidrojen sülfür, yüksek oranda zehir içerir ve ağır bir kokuya sahiptir. Hidrojen sülfürün çevresel zararlarını azaltmak için bu madde bileşenlerine ayrılmalıdır. Ayrışma sonucu ortaya çıkan bileşenler, gaz formdaki kükürt ve hidrojendir. Bilindiği gibi hem H2O'da hem de H2S'de hidrojen bulunmaktadır. Bu iki bileşikten de hidrojen elde edilebilir. Dünya üzerinde H2S'den hidrojen elde etmek için yapılan araştırmalar sürmektedir. H-S bağının parçalanması için gereken enerji suyun elektrolizine göre daha düşüktür. Hidrojen sülfürden hidrojen eldesi, harcanan enerji bakımından suya göre 3,235 kat daha karlıdır. H2S'den elde edilen hidrojen enerjisi, H2O'dan elde edilen enerjiye göre daha karlıdır. Bununla birlikte H2S'den enerji eldesinde ek ürün olarak kükürt açığa çıkmaktadır. Açığa çıkan bu kükürt, endüstriyel alanda kullanılabilmektedir [4].
Kaynaklar
[1]. Hydrogen Fact Sheet Hydrogen Production - Steam Methane Reforming (SMR), http://www.getenergysmart.org/files/hydrogeneducation/6hydrogenproductionsteammethanereforming.pdf (21.02.2011).
[2]. Dr.Mükerrem ŞAHİN Hidrojen Enerjisi Teknolojileri, Anıl Reklam Matbaacılık LTD. ŞTİ. , Ankara, 2006.
[3]. Hidrojen Nasıl Elde Edilir? » Bilgiustam (21.02.2011).
[4]. Nihat ÖZTÜRK & Mehmet BİLGİÇ & Cemali ARSLAN, Hidrojen Enerjisi ve Türkiye'deki Hidrojen Potansiyeli, Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Ankara.
[5].Aldo Steinfeld & Robert Palumbo, Solar Thermochemical Process Technology, R. A. Meyers Ed., Academic Press, Vol. 15, pp. 237-256, 2001.
Alıntıdır: 3e Electrotech - Şubat 2012
Burak ALTUNBAŞ - Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Eğitimi Bölümü
FOSİL YAKITLARIN HIZLA TÜKENMESİ VE KÜRESEL ISINMA, BİLİM İNSANLARINI ALTERNATİF ENERJİ KAYNAKLARINA YÖNELTİYOR. BUNLARIN ARASINDA YER ALAN HİDROJEN, YÜKSEK ENERJİ DEĞERİ, HAFİFLİK VE HAVAYA KOLAYLIKLA KARIŞABİLME GİBİ ÖZELLİKLERİ İLE ÖN PLANA ÇIKIYOR.
Teknolojinin sürekli olarak gelişmesi ve bunun sonucunda yükselen bir ivme ile enerji talebinde bulunması, bu talebi karşılama zorunluluğu doğurmuştur. Günümüzde enerji ihtiyacının büyük bir kısmı fosil kaynaklarla karşılanmakta ve bu kaynaklar hızla tükenmektedir. Tükenen fosil yakıt rezervleri ve meydana gelen geri dönüşümü olmayan çevre sorunları, insanlığı yenilenebilir enerji kaynakları üzerine araştırmaya yöneltmiştir. Bu kaynaklardan biri de hidrojendir. Hidrojen enerjisi "21. yüzyılın enerji taşıyıcısı" olmaya en büyük adaylardandır. Hidrojen, yeryüzünde en sık bulunan elementtir. Hidrojen oksijen ile yüksek bir enerji değeri ile yanıp suya dönüşür. Çok hafiftir ve kolaylıkla hava ile karışabilir. Yalnızca bu özellikleri bile hidrojenin geleceğin yakıtı olmasına aday olmasını sağlar. Fosil yakıtların yeryüzüne ve atmosfere verdiği zararlar göz önüne alındığında bunu önemi daha iyi anlaşılacaktır. Hidrojenin doğada saf halde bulunmamasından dolayı çeşitli elde etme yöntemleri geliştirilmiştir. Bu çeşitli yöntemlerden en çok kullanılanları ise fosil yakıtlardan hidrojen elde etme yöntemleridir.
Bu gibi yöntemler, hidrojenin ana kullanım nedenleri olan "fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltma" ve "temiz enerji kullanımı" gibi nedenlerle bağdaşmamaktadır. Ancak gelişen teknoloji ile birlikte yenilenebilir enerji kaynaklarıyla hidrojen elde yöntemleri giderek çeşitlenmekte ve bu yöntemlerle üretimin payı artmaktadır.
1. GİRİŞ
Günümüzde en önemli sorunlardan biri; fosil yakıt kullanımından kaynaklanan CO2 emisyonu nedeniyle atmosferdeki sera etkisinin giderek artması ve bunun dünya sıcaklığını yükseltmesidir. Önlem alınmazsa sıcaklığın hızlı bir şekilde yükselmesi kaçınılmaz olacaktır. Bunun sonucunda yüzey oranları değişeceği gibi iklim dengesi bozulacak, bugünkü tarım alanları kurak alanlara dönüşecek, insanlığın yaşamı sınırlanacaktır. Bu aşamada dünyanın çevreye zarar vermeyecek ve istenilen verimde diğer enerjilere dönüşebilen yeni bir yakıta ihtiyacı vardır. Bu konuda 21. yüzyılda damgasını vuracak enerji kaynağı ise hidrojen olacaktır. Hidrojen enerjisini kaçınılmaz yapan diğer bir olgu ise fosil kaynaklı yakıtların tükeniyor olması ve maliyetinin artmasıdır. Bu durum, enerjide yeni kaynaklara olan ihtiyacı artırmakta ve arayışa yönlendirmektedir. Bu gelişmelerin farkında olan dünya, bilimsel çalışmalara hız vermekte ve teknolojik gelişmelere küçümsenmeyecek derecede önemli kaynaklar aktarmaktadır.
2. HİDROJEN
Elementlerin en hafifidir. Hidrojen kelimesi Yunanca'da "su" anlamına gelen "hydro", ve "oluşturan" anlamına gelen "genes" sözcüklerinden gelmektedir. Hidrojen evrendeki atomların %90'dan fazlasını, toplam kütlenin 3/4'ünü oluşturur. Buna rağmen doğada saf halde bulunmaz. Ancak çeşitli yöntemlerle elde edilebilir. Hidrojen, yeryüzünde esas olarak oksijen ile su bünyesinde bileşik yapar. Fakat canlı bitkiler, petrol, kömür gibi organik maddelerde de bulunur. Hidrojen kullanımın birçok avantajlı yönü vardır. Bunlar şu şekilde sıralanabilir:
1. Zararlı emisyon oluşturmaz, çevre dostudur.
2. Isıl yanma verimi yüksektir.
3. Fosil yakıtlara karşı alternatiftir.
4. Yenilenebilir ve depolanabilirdir.
5. Mevcut yakıtlar ile birlikte kullanılabilir.
3. HİDROJEN ELDE ETME YÖNTEMLERİ
Şekil 1 - Hidrojen eldesinde yöntemlerin kullanım oranı (2005)
Hidrojen, yakıtlar içerisinde çevresel açıdan en temizi olmasına rağmen elde edilmesinde en ucuz ve en sık kullanılan yöntemler fosil yakıtlardan elde etme yöntemleridir. Bu gibi yöntemler, hidrojenin ana kullanım nedenleri olan "fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltma" ve "temiz enerji kullanımı" gibi nedenlerle bağdaşmamaktadır. Ancak gelişen teknoloji ile birlikte yenilenebilir enerji kaynaklarıyla hidrojen elde yöntemleri çeşitlenmekte ve bu yöntemlerle üretimin payı artmaktadır.
Şekil 1'de belirtilen 2005 kullanım oranlarına göre yöntemlerin %96'sında fosil kaynaklar aracılığıyla hidrojen elde edilmektedir. Geriye kalan elektroliz ve diğer yöntemlerin neredeyse hepsi yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak hidrojen elde edilen yöntemlerdir.
Şekil 2 - Kullanım ve depolamaya kadar hidrojen elde aşamaları
Şekil 2'de de görüldüğü gibi hidrojen elde etme yöntemlerini genel olarak fosil yakıtlardan hidrojen eldesi, yenilenebilir enerjiyle hidrojen eldesi ve nükleer yakıtlardan hidrojen eldesi olarak üçe ayırabiliriz. Fosil yakıtlar; enerji girişi, buhar reformasyonu ve ayrıştırma gibi aşamalardan geçer. Genellikle su buharı ve oksijen ile birleştirilerek hidrojen, karbonmonoksit ve karbondioksit elde edilir ve hidrojen diğerlerinden ayrılır. Yenilenebilir enerjiyle hidrojen eldesinde ise genellikle yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrik enerjisi suyun elektrolizinde kullanılarak hidrojen elde edilir veya yüksek sıcaklıkta suyu parçalayarak ya da biyokütle yakılarak hidrojen elde edilir. Nükleer kaynaklarla hidrojen eldesinde ise radyoaktif atık vasıtasıyla elektroliz sonrası hidrojen elde edilmesi mümkün olmaktadır.
3.1. Fosil Yakıtlardan Hidrojen Eldesi
3.1.1. Doğalgazın Buhar Reformasyonu
Hidrokarbonların buhar reformasyonu, hidrojen üretimi için en yaygın, ekonomik ve verimli yöntemdir. Yöntemde verim %70 civarındadır. ABD hidrojen üretiminin %95'ten fazlası, dünya üretimininse %48'i bu yöntemle üretilmektedir [1]. Bu süreç iki adıma bağlıdır:
a) Doğalgaz Reformasyonu
İlk süreç metan (CH4) gazının 750°-800°C'de buharla reaksiyona girerek birincil derecede hidrojen (H2) ve karbon monoksit (CO) gazı içerikli sentetik gaz üretilmesini içerir [1].
b) Değişim Reaksiyonu
Su-gaz değişim reaksiyonu diye bilinen ikinci süreç, ilk reaksiyonda üretilenlerin katalizör eşliğinde buharla reaksiyona girmesi sonucu karbondioksit (CO2) ve hidrojen oluşturmasıdır. Şekil 3'te resmedilen bu süreç; HTS: yüksek derecede değişim (350°C) ve LTS: düşük derecede değişim (190-210°C) olarak iki aşamadan oluşur [1].
Şekil 3 - Reformasyon basamakları, girdi ve çıktılar
3.1.2. Kısmi Oksidasyon
Buhar reformasyonuna yakın ve verimli bir reaksiyon da kısmi oksitlenme reaksiyonudur. Verimi %60 civarındadır. Toplam üretilen hidrojen miktarı içinde bu metodun payı yaklaşık %30'dur. Bu durumda doğalgaz ve oksijen, reformasyon koşullarında birbirine karıştırılır. Doğalgaz oksijen ile reaksiyona girdiğinde ısı açığa çıkar ve yaklaşık 1300 ile 1400°C'lik sıcaklık meydana gelir. Burada oluşan ısı, geride kalan metan gazının yakılmasında kullanılır. Reaksiyon bu döngüde sürer gider [2].
3.1.3. Gazlaştırma
Katı enerji kaynaklarının gazlaştırılması genelde 800 ile 2.000°C aralığında 40 bara kadar basınç altında gerçekleştirilir. Bu dönüşüm süreci sonunda hidrojen ve karbonmonoksit açığa çıkar. Yöntemde verim %55 civarındadır. Kullanılan gazlaştırma yöntemlerinin arasına, karbonun gazlaştırılması, basınçsız kömür tozunun gazlaştırılması, basınç altında katı yakıt gazlaştırılması, linyit-yüksek-sıcaklık gazlaştırılması ve biokütle gazlaştırılması da dahil edilebilir [2].
3.1.4. Kvaerner Yöntemi (Termal Parçalama)
Yöntemde CO2 oluşmaksızın doğalgaz ya da petrolden elektrik akımı kullanılarak aktif karbon ve hidrojen elde edilir. Geliştirilen bu yöntemle yaklaşık 1600°C gibi yüksek bir sıcaklıkta hidrokarbonlar saf karbon ve hidrojene ayrıştırılabilmektedir. Yöntemde oksijen gerekmediğinden kirletici gaz emisyonu oluşumu da engellemektedir. Yöntemde verim yaklaşık %100'e yakındır. Çıkan ürünlerin yaklaşık %48'i hidrojen, %10'u sıcak buhar ve %40'ı da aktif karbondur. Elde edilen hidrojenin saflığı da çok iyidir [2].
3.2. Yenilenebilir Enerjiyle Hidrojen Eldesi
3.2.1. Biyokütleden Hidrojen Üretimi
Biyokütleden hidrojen eldesi, kömür gazlaştırmasında olduğu gibi piroliz/gazlaştırma yöntemleriyle gerçekleştirilir. Biyokütle, bir reaktör içinde yüksek sıcaklık ve düşük basınç altında işleme alınır. İşlem sonunda hidrojen, metan, karbondioksit, karbonmonoksit ve nitrojen (N2) gibi gazlar elde edilir. Elde edilen gazların oranı kullanılan hammadeye göre değişkendir. Gaz akımlarının yüksek sıcaklıkta bulunmalarından dolayı hidrojen içeriği artar ve bu işlem sonunda oldukça yüksek saflıkta hidrojen elde edilebilir. Tüm sistem, biyokütle hazırlama birimi ve reaktör tasarımı dışında kömür gazlaştırma santraline çok benzer. Ayrıca, biyokütlenin daha düşük kalorifik değerinden dolayı kömür gazlaştırma santralinden daha büyük bir alana kurulmuşlardır [3].
3.2.2. Güneş Aracılığıyla Hidrojen Üretimi
a) Suyun Doğrudan Termal Parçalanması (Termoliz)
Termik ayrıştırma; moleküllerin ısı etkisi ile atomlarına parçalanması anlamına gelir. Su buharı, 1700 °C sıcaklığın üzerine çıkarıldığında hidrojen ve oksijene parçalanır. Su buharını bu derecelere ulaştırabilmek için helyostat (yansıyan güneş ışınlarını belli bir doğrultuya yöneltmeye ve bu doğrultuda tutmaya yarayan bir ayna ile bir ayar sisteminden meydana gelen tertibattır) sistemi kullanılır. Su buharı parçalandıktan sonra oluşan gazlar fırının içinde kurulan bir seramik membran (seçici geçirgen) sayesinde kolaylıkla birbirinden ayrılabilir. Bu membran hidrojeni geçirmeli ancak oksijeni tutmalıdır. Bu işlemin en büyük problemi, reaksiyonu gerçekleştirmek için gerekli olan malzemelerin bu sıcaklığa dayanamamasıdır. İleriki yıllarda daha yüksek sıcaklıklara dayanan malzemeler bulundukça bu yöntem daha yaygın hale gelecektir [2].
b) Termokimyasal Çevrimler
Hidrojenin termokimyasal üretimi, termoliz için gereken sıcaklıktan daha düşük sıcaklıklarla suyun kimyasal parçalanmasına izin verir.
Şekil 4 - Termokimyasal çevrim
Şekil 4'te resmedilen bu yöntem, sıcaklığa bağlı olarak değişmekle beraber oldukça yüksek (%40-%50) verim elde etmek mümkündür. Ancak kimyasalların saldığı toksik atıklar ve yüksek sıcaklıklarda malzemelerde oluşan korozyon (metal veya metal alaşımlarının oksitlenme veya diğer kimyasal etkilerle aşınma durumu) problemi metodun gelişmesi için çözülmesi gereken problemlerden biridir [3,5].
3.3. Elektroliz
Suyun elektrik akımı vasıtasıyla hidrojen ve oksijene ayrıştırılması işlemine "suyun elektrolizi" denir. Suyun elektrolizini kimyasal reaksiyonla belirtecek olursak aşağıdaki ifadeyi elde ederiz.
H2O + elektrik H2 + ½O2
Reaksiyonda da gösterildiği gibi reaksiyon çift yönlüdür. Yakıt pillerinin çalışma mantığı, elektrolizin tam tersidir. Nasıl ki suyu elektrik vasıtasıyla hidrojen ve oksijene ayrıştırıyorsak, hidrojen ve oksijeni birleştirirken de su ve elektrik elde ederiz. Doğru akım kaynağı, yük taşımasını sağlamak için içine tuz, asit ya da baz ilave edilmiş elektrolit içinden geçirilir. Bunun için reaksiyonun oluşumunu sağlayan ancak reaksiyona girmeyen katalizörler (platin gibi) elektrot olarak kullanılır. Akım uygulandığında pozitif elektrot olan anotta oksijen gazı oluşurken, negatif elektrot olan katotta hidrojen gazı oluşur. Oluşan gazların tekrar karışmasını engellemek için her iki hücre arasına ince bir tabaka (diyafram) konulmalıdır. Bu yöntem kullanılarak üretilen hidrojen miktarı toplam üretimin ancak %4'ünü oluşturmaktadır. Çünkü, elektrolizin gerçekleşmesi için oldukça fazla akım gereklidir ve bu yüzden oldukça pahalıdır [2].
3.4. Biyokimyasal Elde Yöntemi
Hidrojen elde yöntemlerinden birisi de biyokimyasal elde yöntemidir. Rodospirillum Rumrum türüne ait purpur bakteriler, kilogram başına günlük 3 m3 hidrojen üretebilir. Orman içinde bulunan bazı göllerde su yüzeyinde oluşan kabarcıkların bir kısmı oluşan hidrojenden kaynaklanmaktadır. Pupur bakterileri, göllerin derin bölgelerinde yaşar. Güneş ışığı yardımıyla buralarda bulunan organik maddeleri dönüştürürler. Gerektiği kadar besin aldıktan ve azot ihtiyacını karşıladıktan sonra hücrelerinde meydana gelen bir denge reaksiyonu sebebiyle hidrojen salarlar [2].
3.5. Hidrojen Sülfürden Hidrojen Eldesi
Hidrojen sülfür, ülkemizde Karadeniz dip sularında meydana gelen aşırı kirlenme sonucunda oluşmuştur. Hidrojen sülfürün bulunduğu Karadeniz dip suları, oksijen bakımından oldukça fakirdir. Hidrojen sülfürün bulunduğu kısımlarda hiç oksijen bulunmadığından bu kısımlarda canlı varlıklara rastlanmamaktadır. Hidrojen sülfür, yüksek oranda zehir içerir ve ağır bir kokuya sahiptir. Hidrojen sülfürün çevresel zararlarını azaltmak için bu madde bileşenlerine ayrılmalıdır. Ayrışma sonucu ortaya çıkan bileşenler, gaz formdaki kükürt ve hidrojendir. Bilindiği gibi hem H2O'da hem de H2S'de hidrojen bulunmaktadır. Bu iki bileşikten de hidrojen elde edilebilir. Dünya üzerinde H2S'den hidrojen elde etmek için yapılan araştırmalar sürmektedir. H-S bağının parçalanması için gereken enerji suyun elektrolizine göre daha düşüktür. Hidrojen sülfürden hidrojen eldesi, harcanan enerji bakımından suya göre 3,235 kat daha karlıdır. H2S'den elde edilen hidrojen enerjisi, H2O'dan elde edilen enerjiye göre daha karlıdır. Bununla birlikte H2S'den enerji eldesinde ek ürün olarak kükürt açığa çıkmaktadır. Açığa çıkan bu kükürt, endüstriyel alanda kullanılabilmektedir [4].
Kaynaklar
[1]. Hydrogen Fact Sheet Hydrogen Production - Steam Methane Reforming (SMR), http://www.getenergysmart.org/files/hydrogeneducation/6hydrogenproductionsteammethanereforming.pdf (21.02.2011).
[2]. Dr.Mükerrem ŞAHİN Hidrojen Enerjisi Teknolojileri, Anıl Reklam Matbaacılık LTD. ŞTİ. , Ankara, 2006.
[3]. Hidrojen Nasıl Elde Edilir? » Bilgiustam (21.02.2011).
[4]. Nihat ÖZTÜRK & Mehmet BİLGİÇ & Cemali ARSLAN, Hidrojen Enerjisi ve Türkiye'deki Hidrojen Potansiyeli, Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Ankara.
[5].Aldo Steinfeld & Robert Palumbo, Solar Thermochemical Process Technology, R. A. Meyers Ed., Academic Press, Vol. 15, pp. 237-256, 2001.
Alıntıdır: 3e Electrotech - Şubat 2012
