Yeni nesil enerji hidrojeni hakkında

Karbon nötr olan yeni nesil enerji olan "hidrojeni" tanıtacağız. Hidrojen üç türe ayrılır: "yeşil hidrojen", "mavi hidrojen" ve "gri hidrojen", her birinin farklı bir üretim yöntemi vardır. Ayrıca her üretim yöntemini, elementler olarak fiziksel özelliklerini, depolama/taşıma yöntemlerini ve kullanım yöntemlerini açıklayacağız. Ayrıca neden yeni nesil baskın enerji kaynağı olduğunu da tanıtacağım.

Yeşil Hidrojen Üretmek İçin Suyun Elektrolizi

Hidrojen kullanırken, her halükarda "hidrojen üretmek" önemlidir. En kolay yol "suyu elektrolize etmektir". Belki ilkokul fen dersinde yaptınız. Beheri suyla doldurun ve elektrotları suyun içine koyun. Bir pil elektrotlara bağlandığında ve enerji verildiğinde, suda ve her elektrotta aşağıdaki reaksiyonlar meydana gelir.
Katotta, H+ ve elektronlar birleşerek hidrojen gazı üretirken, anot oksijen üretir. Yine de bu yaklaşım okul bilim deneyleri için iyidir, ancak endüstriyel olarak hidrojen üretmek için büyük ölçekli üretime uygun verimli mekanizmalar hazırlanmalıdır. Bu, "polimer elektrolit membran (PEM) elektrolizi"dir.
Bu yöntemde, hidrojen iyonlarının geçişine izin veren bir polimer yarı geçirgen membran, bir anot ve bir katot arasına sıkıştırılır. Cihazın anotuna su döküldüğünde, elektrolizle üretilen hidrojen iyonları yarı geçirgen bir membrandan katoda hareket eder ve burada moleküler hidrojene dönüşürler. Öte yandan, oksijen iyonları yarı geçirgen membrandan geçemez ve anotta oksijen moleküllerine dönüşür.
Ayrıca alkali su elektrolizinde, sadece hidroksit iyonlarının geçebildiği bir ayırıcıdan anot ve katodu ayırarak hidrojen ve oksijen yaratırsınız. Ayrıca, yüksek sıcaklıkta buhar elektrolizi gibi endüstriyel yöntemler de vardır.
Bu işlemleri büyük ölçekte gerçekleştirerek büyük miktarlarda hidrojen elde edilebilir. Bu süreçte önemli miktarda oksijen de üretilir (üretilen hidrojenin hacminin yarısı), böylece atmosfere salındığında olumsuz bir çevresel etkisi olmaz. Ancak elektroliz çok fazla elektrik gerektirir, bu nedenle rüzgar türbinleri ve güneş panelleri gibi fosil yakıtlar kullanmayan elektrikle üretilirse karbon içermeyen hidrojen üretilebilir.
Temiz enerji kullanarak suyu elektrolize ederek “yeşil hidrojen” elde edebilirsiniz.

Bu yeşil hidrojenin büyük ölçekli üretimi için bir hidrojen jeneratörü de bulunmaktadır. Elektrolizör bölümünde PEM kullanılarak hidrojen sürekli olarak üretilebilir.

Fosil Yakıtlardan Üretilen Mavi Hidrojen

Peki, hidrojen üretmenin başka yolları nelerdir? Hidrojen, doğal gaz ve kömür gibi fosil yakıtlarda sudan başka maddeler olarak bulunur. Örneğin, doğal gazın ana bileşeni olan metanı (CH4) ele alalım. Burada dört hidrojen atomu vardır. Bu hidrojeni çıkararak hidrojen elde edebilirsiniz.
Bunlardan biri, buhar kullanan “buhar metan reformu” adı verilen bir işlemdir. Bu yöntemin kimyasal formülü aşağıdaki gibidir.
Gördüğünüz gibi tek bir metan molekülünden karbon monoksit ve hidrojen elde edilebiliyor.
Bu şekilde doğal gaz ve kömürün “buhar reformu” ve “pirolizi” gibi işlemlerle hidrojen üretilebilir. “Mavi hidrojen” bu şekilde üretilen hidrojeni ifade eder.
Ancak bu durumda, karbon monoksit ve karbondioksit yan ürün olarak üretilir. Bu yüzden atmosfere salınmadan önce bunları geri dönüştürmeniz gerekir. Yan ürün karbondioksit, geri kazanılmazsa, "gri hidrojen" olarak bilinen hidrojen gazına dönüşür.

Hidrojen Ne Tür Bir Elementtir?

Hidrojenin atom numarası 1'dir ve periyodik tablonun ilk elementidir.
Evrendeki atom sayısı en fazladır ve evrendeki tüm elementlerin yaklaşık %90'ını oluşturur. Bir proton ve bir elektrondan oluşan en küçük atom hidrojen atomudur.
Hidrojenin çekirdeğe bağlı nötronlara sahip iki izotopu vardır. Bir nötron bağlı "döteryum" ve iki nötron bağlı "trityum". Bunlar ayrıca füzyon güç üretimi için malzemelerdir.
Güneş gibi bir yıldızın içinde hidrojenin helyuma dönüşmesiyle oluşan nükleer füzyon gerçekleşir ve bu da yıldızın parlamasını sağlayan enerji kaynağıdır.
Ancak hidrojen Dünya'da nadiren gaz halinde bulunur. Hidrojen, su, metan, amonyak ve etanol gibi diğer elementlerle bileşikler oluşturur. Hidrojen hafif bir element olduğundan, sıcaklık arttıkça hidrojen moleküllerinin hareket hızı artar ve Dünya'nın yer çekiminden uzaya kaçar.

Hidrojen Nasıl Kullanılır? Yanma ile Kullanım

Peki, yeni nesil enerji kaynağı olarak dünya çapında ilgi gören “hidrojen” nasıl kullanılıyor? İki ana şekilde kullanılıyor: “yanma” ve “yakıt hücresi”. “Yanma” kullanımıyla başlayalım.
İki ana yanma tipi kullanılmaktadır.
Birincisi roket yakıtı olarak. Japonya'nın H-IIA roketi yakıt olarak kriyojenik halde bulunan hidrojen gazı "sıvı hidrojen" ve "sıvı oksijen" kullanır. Bu ikisi birleştirilir ve o anda üretilen ısı enerjisi üretilen su moleküllerinin enjeksiyonunu hızlandırır ve uzaya uçurur. Ancak teknik olarak zor bir motor olduğu için Japonya hariç sadece Amerika Birleşik Devletleri, Avrupa, Rusya, Çin ve Hindistan bu yakıtı başarıyla birleştirmiştir.
İkincisi güç üretimidir. Gaz türbini güç üretimi de enerji üretmek için hidrojen ve oksijeni birleştirme yöntemini kullanır. Başka bir deyişle, hidrojenin ürettiği termal enerjiye bakan bir yöntemdir. Termik santrallerde, kömür, petrol ve doğal gazın yakılmasıyla elde edilen ısı, türbinleri çalıştıran buhar üretir. Isı kaynağı olarak hidrojen kullanılırsa, santral karbon nötr olacaktır.

Hidrojen Nasıl Kullanılır? Yakıt Hücresi Olarak Kullanılır

Hidrojeni kullanmanın bir diğer yolu da hidrojeni doğrudan elektriğe dönüştüren bir yakıt hücresi olarak kullanmaktır. Özellikle Toyota, küresel ısınma önlemlerinin bir parçası olarak benzinli araçlara alternatif olarak elektrikli araçlar (EV) yerine hidrojen yakıtlı araçları öne sürerek Japonya'da dikkat çekmiştir.
Özellikle, “yeşil hidrojen” üretim yöntemini tanıttığımızda ters prosedürü uyguluyoruz. Kimyasal formül şu şekildedir.
Hidrojen, elektrik üretirken su (sıcak su veya buhar) üretebilir ve çevreye yük getirmediği için değerlendirilebilir. Öte yandan, bu yöntem %30-40 gibi nispeten düşük bir güç üretim verimliliğine sahiptir ve katalizör olarak platin gerektirir, bu nedenle artan maliyetler gerektirir.
Şu anda polimer elektrolit yakıt hücreleri (PEFC) ve fosforik asit yakıt hücreleri (PAFC) kullanıyoruz. Özellikle yakıt hücreli araçlar PEFC kullanıyor, bu nedenle gelecekte yaygınlaşması beklenebilir.

Hidrojenin Depolanması ve Taşınması Güvenli mi?

Artık hidrojen gazının nasıl yapıldığını ve kullanıldığını anladığınızı düşünüyoruz. Peki bu hidrojeni nasıl depolarsınız? İhtiyacınız olan yere nasıl ulaştırırsınız? O zaman güvenlik ne olacak? Açıklayalım.
Aslında hidrojen de çok tehlikeli bir elementtir. 20. yüzyılın başlarında hidrojeni gökyüzünde balon, balon ve zeplin uçurmak için bir gaz olarak kullanıyorduk çünkü çok hafifti. Ancak 6 Mayıs 1937'de ABD'nin New Jersey eyaletinde "zeplin Hindenburg patlaması" meydana geldi.
Kazadan bu yana hidrojen gazının tehlikeli olduğu yaygın olarak kabul edildi. Özellikle alev aldığında oksijenle şiddetli bir şekilde patlayacaktır. Bu nedenle, "oksijenden uzak durun" veya "ısıdan uzak durun" esastır.
Bu tedbirleri aldıktan sonra bir nakliye yöntemi geliştirdik.
Hidrojen oda sıcaklığında bir gazdır, bu yüzden hala bir gaz olmasına rağmen çok hacimlidir. İlk yöntem, karbonatlı içecekler yaparken yüksek basınç uygulamak ve bir silindir gibi sıkıştırmaktır. Özel bir yüksek basınçlı tank hazırlayın ve 45Mpa gibi yüksek basınç koşulları altında saklayın.
Yakıt hücreli araçlar (FCV) geliştiren Toyota, 70 MPa basınca dayanıklı reçine yüksek basınçlı hidrojen tankı geliştiriyor.
Başka bir yöntem de sıvı hidrojen yapmak için -253°C'ye kadar soğutmak ve özel ısı yalıtımlı tanklarda depolamak ve taşımaktır. Doğal gaz yurtdışından ithal edildiğinde LNG (sıvılaştırılmış doğal gaz) gibi hidrojen de taşıma sırasında sıvılaştırılır ve hacmi gaz halinin 1/800'üne düşürülür. 2020'de dünyanın ilk sıvı hidrojen taşıyıcısını tamamladık. Ancak bu yaklaşım yakıt hücreli araçlar için uygun değildir çünkü soğutulması için çok fazla enerji gerektirir.
Bunun gibi tanklarda depolama ve sevkiyat yöntemi var ama hidrojeni depolamanın başka yöntemlerini de geliştiriyoruz.
Depolama yöntemi hidrojen depolama alaşımları kullanmaktır. Hidrojen metallere nüfuz etme ve onları bozma özelliğine sahiptir. Bu, 1960'larda Amerika Birleşik Devletleri'nde geliştirilen bir geliştirme ipucu. JJ Reilly ve diğerleri. Deneyler, hidrojenin magnezyum ve vanadyum alaşımı kullanılarak depolanabileceğini ve serbest bırakılabileceğini göstermiştir.
Daha sonra paladyum gibi kendi hacminin 935 katı kadar hidrojen emebilen bir maddeyi başarıyla geliştirdi.
Bu alaşımı kullanmanın avantajı, hidrojen sızıntısı kazalarını (çoğunlukla patlama kazaları) önleyebilmesidir. Bu nedenle, güvenli bir şekilde depolanabilir ve taşınabilir. Ancak, dikkatli olmazsanız ve yanlış ortamda bırakırsanız, hidrojen depolama alaşımları zamanla hidrojen gazı salabilir. Küçük bir kıvılcım bile bir patlama kazasına neden olabilir, bu yüzden dikkatli olun.
Ayrıca tekrarlanan hidrojen emilimi ve desorpsiyonunun kırılganlığa yol açması ve hidrojen emilim oranını düşürmesi dezavantajına da sahiptir.
Diğeri boru kullanmaktır. Boruların kırılganlığını önlemek için sıkıştırılmamış ve düşük basınçlı olması şartı vardır, ancak avantajı mevcut gaz borularının kullanılabilmesidir. Tokyo Gas, yakıt hücrelerine hidrojen sağlamak için şehir gazı boru hatlarını kullanarak Harumi FLAG üzerinde inşaat çalışması yürütmüştür.

Hidrojen Enerjisiyle Oluşturulan Geleceğin Toplumu

Son olarak hidrojenin toplumda oynayabileceği rolü ele alalım.
Daha da önemlisi karbonsuz bir toplumu desteklemek istiyoruz, hidrojeni ısı enerjisi olarak kullanmak yerine elektrik üretmek için kullanıyoruz.
Büyük termik santraller yerine bazı haneler, doğal gazın reformasyonuyla elde edilen hidrojeni kullanarak gerekli elektriği üreten ENE-FARM gibi sistemleri uygulamaya koydu. Ancak reform sürecinin yan ürünleriyle ne yapılacağı sorusu hala ortada duruyor.

Gelecekte, hidrojenin dolaşımı artarsa, örneğin hidrojen yakıt ikmal istasyonlarının sayısı artarsa, karbondioksit yaymadan elektrik kullanmak mümkün olacaktır. Elektrik elbette yeşil hidrojen üretir, bu nedenle güneş ışığından veya rüzgardan üretilen elektriği kullanır. Elektroliz için kullanılan güç, güç üretiminin miktarını bastırmak veya doğal enerjiden fazla güç olduğunda şarj edilebilir pili şarj etmek için güç olmalıdır. Başka bir deyişle, hidrojen şarj edilebilir pil ile aynı konumdadır. Bu olursa, sonunda termal güç üretimini azaltmak mümkün olacaktır. İçten yanmalı motorun arabalardan kaybolacağı gün hızla yaklaşıyor.

Hidrojen başka bir yoldan da elde edilebilir. Aslında hidrojen hala kostik soda üretiminin bir yan ürünüdür. Diğer şeylerin yanı sıra, demir yapımında kok üretiminin bir yan ürünüdür. Bu hidrojeni dağıtıma koyarsanız, birden fazla kaynak elde edebilirsiniz. Bu şekilde üretilen hidrojen gazı da hidrojen istasyonları tarafından tedarik edilir.

Geleceğe daha yakından bakalım. Kaybedilen enerji miktarı, güç sağlamak için kablolar kullanan iletim yöntemiyle de ilgili bir sorundur. Bu nedenle, gelecekte, gazlı içeceklerin yapımında kullanılan karbonik asit tankları gibi boru hatlarıyla iletilen hidrojeni kullanacağız ve her hane için elektrik üretmek üzere evde bir hidrojen tankı satın alacağız. Hidrojen pilleriyle çalışan mobil cihazlar yaygınlaşıyor. Böyle bir geleceği görmek ilginç olacak.