BÜLENT ECEVİT ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MUHAMMET ÖLMEZ

1. HİDROJEN ENERJİSİ VE UYGULAMALARI BÜLENT ECEVİT ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MUHAMMET ÖLMEZ İSKENDER GÜL

2. Hidrojen 1500'lü yıllarda keşfedilmiş, 1700'lü yıllarda yanabilme özelliğinin farkına varılmış, evrenin en basit ve en çok bulunan elementi olup, renksiz, kokusuz,havadan 14.4 kez daha hafif ve tamamen zehirsiz bir gazdır. Güneş ve diğer yıldızların termonükleer tepkimeye vermiş olduğu ısının yakıtı hidrojen olup, evrenin temel enerji kaynağıdır. Hidrojen -52.77°C'da sıvı hale getirilebilir. Sıvı hidrojenin hacmi gaz halindeki hacminin sadece 1/700'ü kadardır. 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.

3. Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir (Üst ısıl değeri 140.9 MJ/kg, alt ısıl değeri 120,7 MJ/kg). 1 kg hidrojen 2.1 kg doğal gaz veya 2.8 kg petrolun sahip olduğu enerjiye sahiptir. Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur. En çok bilinen bileşiği ise sudur. Bundan dolayı temel enerji kaynağı değil, bir enerji taşıyıcısıdır. Bu yönüyle elektriğe benzer fakat elektrikten çok daha verimli enerji iletir. Elektriğe 20. yüzyılın enerji taşıyıcısı, hidrojene 21. yüzyılın enerji taşıyıcısı diyen çevreler vardır.

4. Hidrojenin özellikleri Hidrojen, renksiz, kokusuz, havadan 14.4 kez daha hafif ve tamamen zehirsiz bir gazdır. -252.77°C'da sıvı hale getirilebilir. Sıvı hidrojenin hacmi gaz halindeki hacminin sadece 1/700'ü kadardır. Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir (Üst ısıl değeri 140.9 MJ/kg, alt ısıl değeri 120,7 MJ/kg). 1 kg hidrojen 2.1 kg doğal gaz veya 2.8 kg petrolün sahip olduğu enerjiye sahiptir. Ancak birim enerji başına hacmi yüksektir. Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz,bileşikler halinde bulunur.En çok bilinen bileşiği ise sudur.

5. Hidrojen enerjisi tüketiciye yakıt ve/veya elektrik biçiminde sunulan bir enerji kaynağıdır. Bu enerji, sudan elde edilebilmekte ve yüksek verimlilikle, çevre üzerinde hiçbir olumsuz etki yaratmadan yararlı bir enerjiye dönüştürülebilmektedir. Doğadaki miktarı sonsuz olup tükenmez, yanması ile çok yüksek verim elde edilir ve sonuçta su buharı meydana gelir. Doğada bileşikler halinde bol miktarda bulunan hidrojen serbest olarak bulunmadığından doğal bir enerji kaynağı değildir. Bununla birlikte hidrojen birincil enerji kaynakları ile değişik hammaddelerden üretilebilmekte ve üretiminde dönüştürme işlemleri kullanılmaktadır.

6. Hidrojen petrol yakıtlarına göre ortalama 1.33 kat 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. Benzinli bir otomobil ortalama olarak 65 litre ( 47kg ) benzin almakta olup, bu da enerji olarak 17 kg hidrojene karşılık gelmektedir.

7. Hidrojen içten yanmalı motorlarda doğrudan kullanımının yanı sıra katalitik yüzeylerde alevsiz yanmaya da uygun bir yakıttır. Ancak dünyadaki gelişim hidrojeninin yakıt olarak kullanıldığı yakıt pili teknolojisi doğrultusundadır.   1950'lerin sonlarında, NASA tarafından uzay çalışmalarında kullanılmaya başlayan yakıt pilleri, son yıllarda özellikle ulaştırma sektörü başta olmak üzere sanayi ve hizmet sektörlerinde başarı ile kullanıma sunulmuştur. Yakıt pilleri, taşınabilir bilgisayarlar, cep telefonları gibi mobil uygulamalar için kullanılabildiği gibi elektrik santralleri için de uygun güç sağlayıcılardır. Yüksek verimlilikleri ve düşük emisyonları nedeniyle, ulaşım sektöründe de geniş kullanım alanı bulmuşlardır.

8. Yakıt pilleri Bunlar hidrojeni ve oksijen ile birleştirerek elektrik üretirler. Yakıt pillerinin çalışması elektroliz işleminin tam aksidir. Enerji dönüşümü için çok uygundurlar. Uygulanmalarında çevre sorunlarının fazla olmaması ve kolaylıkla taşınabilmesi, gelecekte çok yaygın olarak kullanılabileceklerinin işaretidir.

9. YAKIT PİLİNİN DEZAVANTAJLARI • Yakıt pili kullanımı, çok fazla bilgi ve ileri teknoloji gerektiren bir sistemdir. • Diğer sistemlerden daha pahalı bir sistemdir. • Uygulamalarının tam verimle gerçekleşmesi için uzun zamana ve çok paraya ihtiyaç vardır.

11. MALİYETİ NE KADAR? Evlerde enerji ihtiyacını karşılayacak olan katı oksit yakıt pillerinin 1 kilowatlık enerji üretim gücü başına satış fiyatı 5 bin dolar civarındadır. Türkiyede bir evin ortalama saatlik enerji ihtiyacının 2.5 kilowat düzeyinde olduğu tahmin ediliyor. Böylece evlerinde enerji harcamalarını yüzde 90 azaltmak isteyenlerin yapacağı yatırım yaklaşık 12.500 dolar olmaktadır.Eğer bir teşvik politikası olursa evlerde kullanılacak bu yakıt pillerinin fiyatlarının da yüzde 30-40 maliyet düşüşü gerçekleşebileceğine kesin gözüyle bakılmaktadır.

12. Yakıt pilleri, 100 W ile 10 MW arasında değişen geniş bir güç aralığına sahip olabilir. Bugün maximum 1 MW gücünde yakıt pilleri üretilmektedir.Ancak seri şekilde bağlanırsa 15 MW’a kadar güç elde etmek mümkündür. Bugün için birim maliyeti yüksektir. Yaklaşık olarak 1000-4500 $/kW mertebesindedir. Yakıt pillerinin elektriksel verimi yüksektir. %40-50 arasında değişmektedir.

13. Yakıt pilleri (Fuel Cell) nasıl çalışır?

16. petrole alternatif enerji kaynakları geliştirmek amacıyla hidrojen yakıt pili prototipleri üzerinde çalışan Zorlu Grubu, geliştirdiği teknolojiyi tanıttı. Son olarak Sony tarafından ele sığdırılabilecek boyutlara indirdiler. 50x30mm boyutlarına sahip olan yakıt pili, özellikle mobil cihazlar için geliştirildi. Toshiba firmasının mobil telefonlar için yapmış olduğu hidrojenli gaz bataryası

17. Araştırmalar, mevcut koşullarda hidrojenin diğer yakıtlardan yaklaşık üç kat pahalı olduğunu ve yaygın bir enerji kaynağı olarak kullanımının hidrojen üretiminde maliyet düşürücü teknolojik gelişmelere bağlı olacağını göstermektedir. Bununla birlikte, günlük veya mevsimlik periyotlarda oluşan ihtiyaç fazlası elektrik enerjisinin hidrojen olarak depolanması günümüz için de geçerli bir alternatif olarak değerlendirilebilir. Bu tarzda depolanan enerjinin yaygın olarak kullanılabilmesi -örneğin toplu taşım araçları için yakıt piline dayalı otomotiv teknolojilerinin geliştirilmesine bağlı olduğu düsünülmektedir.Hidrojenin gelecekteki tahmini kullanım oranları:

19. Kullanım Alanları Hidrojen yakıtının en önemli kullanım alanı ulaşım sektörü (otomobil, otobüs, uçak, tren Ve diğer taşıtlar) olmaktadır. Hidrojen halen bir yakıt olarak uzay mekiği ve roketlerde Kullanılmaktadır. • Yağların hidrojene edilmesinde. • Amonyak elde edilmesinde. • Plastik madde yapımında. • Hava gemilerini şişirmede. • Petrol rafinasyonunda. •Metanol İmalatında. • Silah sanayisinde. • Kaynak işlerinde.

20. Uzay aracı Apollo’da kullanılan Alkali HEÜ (Günümüzde ABD, Neva-Meksiko uzay tarih müzesinde sergilenmektedir.)

21. Hibrid Jip’de HEÜ jeneratörü 10 kWt (13,5 Hp), akünün yardımıyla güç 60 kWt (80,5 Hp). Maksimum hız “agrossora” 120 km/s, 4 saniye içerisinde hızı 60 km/s’e ulaşmaktadır. Hidrojenli enerji üreteçle çalışan jip

22. . Tupolev 155, hidrojen yakıtı kullanan ilk ticari uçak Geçmişteki uygulamalara örnek olarak; Nisan 1988 tarihinde ilk ticari uçak olan Tupolev 155 Sovyetler Birliği’nde havalandı. Üç adet türbin motorlarından birinde yakıt olarak sıvı hidrojen kullanılıyordu

23. HİDROJEN ENERJİ SİSTEMİ Hidrojen enerji sistemi şu kısımlardan oluşur:- Hidrojen üretimi- Depolama ve iletim- Enerji çevrimi

24. Hidrojen Üretimi Hidrojen doğal bir yakıt olamayıp, birincil enerji kaynaklarından yararlanarak değişik hammaddelerden üretilebilen bir sentetik yakıttır. Hidrojen üretiminde tüm enerji kaynakları kullanılabilmektedir. Kullanılan hammaddeler ise su, kömür, doğal gaz sayılabilir. Ancak sayılan bu kaynaklardan kömür ve doğal gaz fosil yakıt olup, sınırlı rezerve sahiptir. Ayrıca bu kaynakların gerek birincil enerji kaynağı, gerekse hidrojen üretim kaynağı olarak kullanılması çevreye zarar vermektedir. Bu nedenle hidrojenin temiz enerji kaynakları ile sudan üretilmesi en doğru seçimdir

25. Her türlü birincil enerji kaynakları yardımıyla üretilen hidrojen, günümüzde suni gübre sanayisi, bitkisel yağ üretimi, petrokimya endüstrisi ve roket yakıtı gibi çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Bunun için dünyada her yıl 600 milyar metre küp hidrojen üretilmektedir. Hidrojen üretimi için çok eskiden beri bilinen bir yöntem, bileşiği H2O olan suyun içindeki hidrojeni elektroliz yoluyla ayırmaktır.

26. Buhar-Metan Yeniden Oluşturma Yöntemiyle Hidrojen Üretimi Günümüzde hidrojen üretimi için en yaygın olarak kullanılan yöntemdir. Bu üretim biçimi iki adımdan oluşmaktadır. Birinci adımda doğal gaz yüksek sıcaklıkta (392 °C) buhara tabi tutularak hidrojen, karbonmonoksit ve karbondioksit elde edilir. İkinci adımda ise karbonmonoksit buhara tabi tutularak ilave hidrojen ve karbondioksit elde edilir. Hidrojen üretmek için en verimli yöntem bu yöntemdir ve hidrojen ürün miktarı % 70– % 90 arasında olur. Fakat ikinci adımdan sonra çevre kirliliğine neden olan CO2 açığa çıktığı için geçerli bir yöntem değildir.

27. Elektroliz Yöntemiyle Hidrojen Üretimi Suyun doğru akım kullanılarak hidrojen ve oksijenlerine ayrılması işlemine elektroliz denmektedir. Hidrojen üretimi için en basit yöntemdir. Bir elektroliz hücresi içinde, düzlem şeklinde iki elektrot ve bunların içine daldırıldığı, elektrolit olarak adlandırılan iletken bir sıvıdan oluşmaktadır. Doğru akım kaynağı bu elektrotlara bağlandığında akım iletken sıvı içinde, pozitif elektrottan negatif elektrota doğru akar. Bunun sonucunda, su moleküllerine uygulanan doğru akım, hidrojen ve oksijen atomlarının bağlarının kopması sağlanır. Oluşan yüklü parçacıklardan hidrojen iyonu pozitif elektrik yüküne sahiptir ve negatif elektrotta toplanır, oksijen ise negatif yüke sahip olduğundan pozitif elektrota doğru hareket eder. elektroliz işleminin verimi % 70 dolayında olmaktadır. Ancak, son yıllarda bu alanda yapılan çalışmalar ve gelişen teknoloji sayesinde % 90 verim elde edilmiştir

28. Buhar Elektrolizi Yöntemiyle Hidrojen Üretimi Geleneksel elektroliz yönteminin bir çeşitlemesidir. Bu yöntemde, suyun ayrıştırılması için gerekli enerjinin bir kısmı sisteme ısı enerjisi olarak verilerek verim yükseltilir. 2500 °C sıcaklıkta suyun içersindeki hidrojen ve oksijen serbest hale geçer. Buradaki problem sistemin çalıştığı yüksek sıcaklıkta hidrojen ve oksijenin yeniden birleşmesinin önlenmesidir. Bu yöntemde hidrojen üretimi tek basamak yerine birkaç basamakta gerçekleştirilir. Bu alanda yapılan çalışmalar sonucu gerekli sıcaklık 950 °C ye kadar indirilmiş, toplam verim ise %50 olarak elde edilmiştir.

29. Hidrojen Sülfür’den Hidrojen Üretimi Hidrojenin önemli rezervlerinden biri de hidrojen sülfür (H2S) içermesi nedeniyle Karadeniz’in dip sularıdır. Buradan hidrojen üretilmesi amacıyla şuan kapsamlı bir çalışma yoktur. Hidrojen sülfür potansiyeline bağlı olarak toplam hidrojen potansiyelinin en yüksek olduğu tabaka 1500–2000 metre derinlikler arasıdır. Hidrojen sülfürden hidrojenin ayrıştırılması da elektroliz yöntemiyle gerçekleştirilir. Fakat hidrojen sülfürün elektrolizinde kullanılan enerji suyun elektrolizine göre 3 kat daha azdır.

30. Güneş Enerjisinden Hidrojen Üretimi Güneş enerjisinden, ısıl (termal) ve fotonsal olarak iki şekilde yararlanılır. Isıl işlemlerde, güneş enerjisi önce ısıya çevrilir ve ya bu ısı enerjisinden yararlanılır ya da mekaniksel veya elektriksel enerjiye dönüştürülür. Işık fotonları kullanılarak hidrojen elde etmek için fotokimyasal sistemler, güneş pili sistemleri veya foto biyolojik sistemlerden biri kullanılır. Çözünebilir metal bileşiğinin çözülmesi sırasında bileşik, güneş enerjisini soğurarak bir elektrik şarjı oluşturur ve su moleküllerinin parçalanmasını sağlar.

31. Hidrojenin Sıvılaştırılması Hidrojen petrole göre 4 kat fazla hacim kaplar; hidrojenin kapladığı hacmi küçültmek için hidrojeni sıvı halde depolamak gereklidir. Ancak büyük miktarlar için oldukça pahalı bir yöntemdir. Çünkü hidrojen enerjisinin yaklaşık ¼'ü sıvılaştırma işlemi için harcanmaktadır. Hidrojenin sıvılaştırılması; gaz hidrojenin kompresörlerde yüksek basınçta sıkıştırılması, Sıkıştırılmış gazın sıvı nitrojen ile soğutulması Türbinlerde genişletilmesiyle olur

32. HidrojeninDepolanması Sıvı hidrojenin düşük sıcaklıktaki tanklarda saklanmasıdır Nano tüplerde depolanabilmektedir. Çelik tanklarda; Hidrojen gaz veya sıvı olarak depolanabilir.Gaz olarak depolamada yüksek basınç nedeniyle tank ağırlıkları problem yaratmaktadır. Hidrojen gazını depolamanın belki de en ucuz yöntemi, doğal gaza benzer şekilde yeraltında, tükenmiş petrol veya doğal gaz rezervuarlarında depolamaktır. Maliyeti biraz yüksek olan bir depolama şekli ise, maden ocaklarındaki mağaralarda saklamaktır.

34. Hidrojenin Depolanması

35. Son Kullanımda Hidrojenin Depolanması Araçlarda hidrojen kullanımında baslıca engel hidrojenin depolanmasıdır. Hidrojen gaz formunda oda sıcaklığı ve basıncında aynı eşdeğer enerji miktarına sahip bir gazdan 3000 kat daha fazla yer kaplar. Bu nedenle de hidrojenin araçta kullanımı için sıkıştırma, sıvılaştırma veya diger teknikler gereklidir. Dört ana teknik mevcuttur. Bunlar sıkıştırılmış gaz, karyojenik sıvı, metal hidrit ve karbon adsorpsiyonudur. Kısa dönemde en uygulanabilir olanları ilk ikisidir. Metal hidrit yöntemi gelişmiş bir yöntem olsa da rekabet edebilir olması için daha fazla araştırma gereklidir. Karbon adsorpsiyonu ise henüz olgunlaşmış bir teknik değildir, ancak araştırma-geliştirme çalışmalarının sonunda hedefler gerçekleştirilirse uygulanabilir yöntem olarak görülmektedir.

37. Sıkıştırılmış Gaz Olarak Hidrojen Depolanması: Bu depolama oda sıcaklığında yüksek basınca dayanıklı tankta yapılmaktadır. Sıkıştırılmış gaz depolamada tankın ağırlığına dolayısıyla tankın tipine bağlı olarak ağırlıkça %1-7 hidrojen depolanmaktadır. Daha hafif, dayanıklı ve ağırlıkça daha fazla hidrojen depolayabilen tanklar daha pahalıdır. Doldurma istasyonunda hidrojen gazının sıkıştırılması için yakıtın enerji içeriğinin %20’si kadarı harcanır Karyojenik (Dondurulmuş) Sıvı Depolama: Bu teknikte hidrojen atmosfer basıncında, 20 K’de oldukça iyi izole edilmiş tankta depolanmaktadır. Hidrojen sıvı şekilde olduğu için, eşdeğer ağırlıktaki gazolinden 3 kat fazla enerji içerir ve eşdeğer enerji içerdiği durumda da 2,7 kat fazla hacim gerektirir. Bu teknik tank ve yalıtım dahil ağırlıkça %16 hidrojen depolar. Ayrıca, sıvılaştırma yakıtın enerji içeriğinin %40’ı kadarını gerektirir. Diğer bir dezavantaj yalıtıma rağmen tanka ısının sızmasıdır. Bu sızma sonucunda hidrojen kaynar. Ancak basınçlı tank kullanılarak bu problem çözülebilir ama bu da ağırlığı ve boyutu artırır

38. Sıvı hidrojen deposu

39. Metal Hidrit Sistemi ile Depolama: Bu teknikte hidrojen granüler metallerin atomları arasındaki boşluğa depolanır. Bu amaçla çeşitli metaller kullanılmaktadır. Kullanım sırasında da ısıtma ile hidrojen salınır. Metal hidrit sistemleri güvenilir ve az yer kaplar, ancak ağırdır ve pahalıdır. Karbon Adsorpsiyon Tekniği: Bu teknik hidrojeni basınç altında oldukça gözenekli süperaktif grafit yüzeyine depolar. Bazı uygulamalarda soğuk ortam bazılarında oda sıcaklığı gereklidir.Adsorpsiyon, bir yüzey veya ara kesit üzerinde bir maddenin birikmesi ve derişiminin artması olarak tanımlanmaktadır.

40. Sıvı hidrojen treyleri

42. Dünyadaki uygulamaları Dünyadaki en büyük sıvı hidrojen tankı, Kennedy Uzay Merkezinde olup 3400 m3 sıvı hidrojen alabilmektedir. Bu miktar hidrojenin yakıt olarak değeri 29 milyon MJ veya 8 milyon kWh’e karşılık gelmektedir.

43. Hidrojenin İletimi Hidrojen gazı, borular aracılıyla her yere kolaylıkla ve güvenli olarak taşınabilmektedir.(Uygulamalar, Texas'da kullanılmakta olan 80 km uzunluğuna sahip boru şebekesi ile Almanya'da 204 km'lik boru hattı örnek olarak gösterilebilir.) Hidrojen sıkıştırılmış gaz, sıvı ya da metal hidritlerle katı halde taşınabilir. Hidrojen tüplere doldurularak karayolu, demiryolu ve denizyolu ile iletilmektedir. Büyük miktarlar ve uzun mesafelerdeki güç iletimi için ; Boru hattı, uzun mesafelere taşımada; sıvı hidrojen, küçük miktarlar ve kısa mesafelerdeki taşımalarda; sıkıştırılmış gaz, kısa mesafelerde taşımada; metal hidrit, kullanılması en uygun yöntemlerdir.

44. Hidrojen enerjisinin geleceği Araştırmalar, mevcut koşullarda hidrojenin diğer yakıtlardan pahalı olduğunu göstermektedir. Yaygın bir enerji kaynağı olarak kullanımı teknolojik gelişmelere bağlı olarak maliyetin düşmesine bağlıdır. Bununla birlikte, günlük veya mevsimlik periyotlarda oluşan ihtiyaç fazlası elektrik enerjisinin hidrojen olarak depolanması günümüz için de geçerli bir alternatif olarak değerlendirilebilir.

45. İkincil Enerji Dönüşümleri ve dünyadaki uygulamaları Bunlardan birinci kullanımı olan hidrolik enerji- hidrojen enerjisidir. Örneğin; Kanada’da 100 MW gücünde bir hidroelektrik santral kurulmuş, bu santralden elde edilen elektrik enerjisi ile nehir suyu elektroliz edilerek hidrojen elde edilmiştir. Elde edilen gaz hidrojen tüplere doldurulmuş, Almanya’ya Hamburg limanına deniz yoluyla gönderilmiştir. 100 MW’lık bu tesisin Almanya’da 75 MW’ lık bir güç santralına eşdeğer olacağı hesaplanmıştır. Hidrojenin depolama yöntemlerinden biri de metal hidritlerdir ve metal hidritler çoğunlukla otomobillerde kullanılmaktadır. Bugün 135 km. yol alabilen metal hidritli otomobiller çalışmaktadır. Ancak metal hidritler pahalıdır, bu sebeple yakıt pilleri kullanılabilir.

46. İkincil enerji dönüşümlerine bir örnek; Rüzgar enerjisi-hidrojen enerjisi uygulamasıdır. Türkiye’de Bozcaada pilot bölge seçilerek, 10.2 MW kurulu gücündeki rüzgar santralından adanın elektrik enerjisi üretilmektedir. Günün daha az enerji gerektiren zamanlarında deniz suyu elektroliz edilerek hidrojen elde edilecek ve gaz hidrojen yeraltı boru hatlarıyla tüm adaya iletilecek ve aynı zamanda yakıt olarak kullanılacaktır. Güneş-hidrojen uygulamaları da dünyada oldukça kullanımı yaygın bir enerji türüdür. Güneş enerjili santrallerden elde edilen elektrik enerjisi elektroliz sisteminde kullanılarak hidrojen üretimi sağlanmaktadır. Üzerinde çalışmalar devam etmektedir.