Petrol ve doğal gazın 25 yılda tükeneceği tahmin ediliyor. Yanısıra Kullandığımız bu yakıtlar çevre kirliliği oluşturuyor, buzullar eriyor, iklim değişiyor ve dünyamızdaki bu rahatsız edici durumu düzeltmek için “HİDROJEN ENERJİSİ” ümit ışığı olmaktadır.
Güneş ışınlan ile elementlerine ayrışan su ile hidrojen elde edilebilmekte ayrıca Hidrojen enerjisi diğer yakıtların yanma odalarında yanma verimini artırma amaçlı da kullanılabilmektedir.
Hidrojen çok uzun zamandan beri bilinen ve ne kadar önemli olduğunun farkına varılan bir elementtir. Yapı olarak basit ve çok kullanılan bir elementtir. Kokusuz, renksiz , hafif ve tamamen zehirsizdir. H sembolü ile gösterilir. H-H =H2 (hidrojen) gazını oluşturur.
Hidrojen aktif kullanımda bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir. 1 kg hidrojen 2,1 kg doğal gaz veya 2,8 kg petrolün sahip olduğu enerjiye sahiptir. Ancak birim enerji başına hacmi yüksektir.
Isı ve patlama enerjisi gerektiren her alanda kullanımı temiz ve kolay olan hidrojenin yakıt olarak kullanıldığı enerji sistemlerinde, atmosfere atılan ürün sadece su ve/veya su buharı olmaktadır. Hidrojen petrol yakıtlarına göre ortalama %33 daha verimli bir yakıttır. Hidrojenden enerji elde edilmesi esnasında su buharı dışında çevreyi kirletici ve sera etkisini artırıcı hiçbir gaz ve zararlı kimyasal madde üretimi söz konusu değildir.
Fosil yakıtlar ise sadece alevli yanmaya uygunken hidrojen; alevli yanmaya, katalitik yanmaya, direkt buhar üretimine, hibritleşme ile kimyasal dönüşüme ve yakıt hücresi ile elektrik dönüşümüne elverişli bir yakıttır.
Hidrojen alevli yanma özelliği ile içten yanmalı motorlarda, gaz türbinlerinde ve ocaklarda yakıt olarak kullanılabilmektedir. Hidrojenin direkt buhara dönüşme özelliği buhar türbinlerinde uygulanmasında da kolaylık sağlamaktadır. Hidrojenin katalitik yanma özelliğinden mutfak ocakları, su ısıtıcıları ve soba uygulamalarında yararlanılabilmektedir. Hibritleşme özelliği sayesinde ise hidrojen emniyetli bir şekilde depolanabilmektedir.
Hidrojen bir doğal yakıt olmayıp, birincil enerji kaynaklarından yararlanılarak su, fosil yakıtlar ve biyokütle gibi farklı hammaddelerden üretilebilen sentetik bir yakıttır. Üretilmesi aşamasında buhar iyileştirme, atık gazların saflaştırılması, elektroliz, foto süreçler, termokimyasal süreçler, radyoliz gibi alternatif birçok hidrojen üretim teknolojileri mevcuttur. Üretilen hidrojen boru hatları veya tankerler ile büyük mesafelere taşınabilir. Hidrojenin taşınmasında engellerin olmaması, daha fazla kullanımı sağlayacaktır.
Hidrojen, bilinen tüm yakıtlar içinde birim başına 120,7 kJ/kg değeri ile en yüksek enerji içeriğine sahiptir. Hidrojen -252,77°C’da sıvı hale getirilebilir ve sıvı hidrojenin hacmi gaz halindeki hacminin sadece 1/700’ü kadardır. Sıvı hidrojenin birim kütlesinin ısıl değeri 141,9 MJ/kg olup petrolden 3,2 kat daha fazladır. Sıvı hidrojenin birim hacminin ısıl değeri ise 10,2 MJ/m3’tür ve petrolün %28’i kadardır. Gaz hidrojenin birim kütlesinin ısıl değeri sıvı hidrojenle aynı olup doğal gazın 2,8 katı kadardır. Gaz hidrojenin birim hacminin ısıl değeri ise 0,013 MJ/m3’tür ve doğal gazın %32,5’i kadardır.
Hidrojenin Fosil Yakıtlara göre üstünlükleri şu şekilde sıralanabilir:
- Yüksek alev hızı ve tutuşma yeteneği,
- Düşük ateşleme enerjisi gerektirmesi,
- Geniş tutuşma ve yanma sınırları,
- Benzin ve dizel ile birlikte çeşitli karışım oranlarında çift yakıtlı motor olarak çalışabilme olanağına sahip olması,
- Yüksek ısıl değer ve termik verim,
- Az miktarda NOx dışında hiçbir emisyon üretmemesi.
Yakma Teknolojilerinde Hidrojen benzin ve doğal gaz gibi yakılabilir. Petrol türevleri yakıtlara göre üstünlüğü salımların daha az olmasıdır. Askeri ve endüstriyel amaçlar için hidrojen türbinleri ve araçlar için içten yanmalı motorlar geliştirilmektedir. Benzinli bir otomobil ortalama olarak 65 litre ( 47kg ) benzin almakta olup, bu da enerji olarak 17 kg hidrojene karşılık gelmektedir.
Yakıt pili: Yakıt pili elektrolizin tersidir. Hidrojen ve havadaki oksijen birleştirilerek elektrik akımı elde edilir. Özellikle otomobiller olmak üzere bütün uygulamalarda tercih edilen yöntemdir. Hidrojeni yakmaya göre daha verimlidir. Çevreye zararlı hiç emisyonu yoktur. Çeşitli yakıt pili tipleri vardır. Bunlar anod ve katod arasındaki elektrolit malzemeye göre farklılık gösterir.
Yakıt pilleri çalışma özelliklerine göre bir çok çeşitleri olmakla birlikte en çok kullanılan tipi PEMFC (proton değişim membran) tipidir. Sistem üç ana parçadan meydana gelir. Anot, membran ve katot. Anot’a gelen hidrojen molekülleri önce proton ve Tek hücreli yakıt pilinin seması elektronlarına ayrılır. Proton ortada bulunan membran tarafından çekilir ve membrandan geçerek katotta bulunan havanın içindeki oksijen ile birleşir. Anotta biriken elektronlar, anot ile katot arasında dışarıdan kurulan bir kapalı devre teşkil edildiğinde, bu devre üzerinden akarak, katotta birleşip saf su meydana getirerek bu çevrimde, ısı, saf su ve elektrik enerjisi elde edilerek çevrim tamamlanır.
Hidrojenin Üretimi
- Kömür, doğalgaz, benzin gibi fosil yakıtlardan termokimyasal yöntemlerle hidrojen elde edilmesi. Buharla reaksiyon yöntemi en çok kullanılan yöntemdir. Burada fosil yakıt bir nikel esaslı katalizör vasıtası ile buharla reaksiyona girer ve hidrojen açığa çıkar. Ayrıca biomas’dan proliz yöntemi ile elde edilen bio-yağ’dan da benzer şekilde buharla reaksiyon ile hidrojen elde edilir.
- Suyun elektrolizi ile hidrojen elde edilmesi. Elektrik enerjisi kullanarak su hidrojen ve oksijene ayrılır.
- Fotoelektrokimyasal yöntemle güneş enerjisinden hidrojen elde etme. Elektroliz yönteminin bir benzeridir. Elektrik akımı suya batırılmış güneş pillerinden elde edilir. Normal elektroliz yönteminden daha verimlidir.
- Fotobiyolojik yöntemle yeşil yosunlardan doğal fotosentez faaliyetlerinden faydalanarak hidrojen elde etme.
- Çeşitli hidrit bileşiklerinden kimyasal yöntemlerle hidrojen elde etme. Bunların en önemlisi sodyum borohidrit’tir.
Hidrojen halen en ucuz olarak fosil yakıtlardan buharla reaksiyon yöntemi ile elde edilmektedir. Ancak bu yöntem fosil kaynaklara olan bağımlılığı azaltmamakta ve aynı zamanda hava kirliliğine sebep olmaktadır. Diğer en çok kullanılan yöntem elektolizle suyun ayrıştırılmasıdır. Elektroliz yönteminin ve diğer yöntemlerin verimlerinin artırılması ve üretim maliyetlerinin azaltılması için yoğun araştırmalar yapılmaktadır.
Hidrojenin Depolanması ve İletimi
Hidrojen, gaz halinde, sıvı halinde veya bir kimyasal bileşik içinde depolanabilir. Daha çok gaz halinde saklanmaktadır. Fakat düşük yoğunluklu olduğundan çok yer kaplar. Bunun için basınçlı tanklarda ve tüplerde sıkıştırılmış olarak saklanır. Tank malzemeleri hafiflik ve güvenlik açılarından geliştirilmektedir.
Sıvı hidrojen daha az yer kaplar. Fakat hidrojenin sıvılaştırılması için çok yüksek enerji (sıvılaştırılan hidrojenin enerji değerinin 1/3’ü kadar) gerekir.
Katı şekilde hidrojen depolaması için metal hidritler kullanılmaktadır. Hidrojen gazı metal hidrit tarafından sünger gibi çekilerek gözenekleri içinde depolanır. Ancak metal hidritler çok ağırdır. On kat daha hafif malzeme olarak karbon nanoyapıları geliştirilmektedir.