Yeni nesil enerji hidrojeni hakkında

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

Suyun Elektroliziyle Yeşil Hidrojen Üretimi

Hidrojen kullanırken, her halükarda "hidrojen üretmek" önemlidir. En kolay yol "suyu elektroliz etmektir". Belki ilkokul fen dersinde bunu görmüşsünüzdür. Beheri suyla doldurun ve elektrotları da suyun içine yerleştirin. Bir pil elektrotlara bağlanıp enerji verildiğinde, suda ve her bir elektrotda aşağıdaki reaksiyonlar meydana gelir.
Katotta H+ ve elektronlar birleşerek hidrojen gazı üretirken, anot oksijen üretir. Yine de bu yaklaşım okul bilim deneyleri için uygundur, ancak endüstriyel olarak hidrojen üretmek için büyük ölçekli üretime uygun verimli mekanizmalar hazırlanmalıdır. Bu da "polimer elektrolit membran (PEM) elektrolizi"dir.
Bu yöntemde, hidrojen iyonlarının geçişine izin veren yarı geçirgen bir polimer membran, anot ve katot arasına yerleştirilir. Cihazın anotuna su döküldüğünde, elektrolizle üretilen hidrojen iyonları yarı geçirgen membrandan geçerek katoda ulaşır ve burada moleküler hidrojene dönüşür. Öte yandan, oksijen iyonları yarı geçirgen membrandan geçemez ve anotta oksijen moleküllerine dönüşür.
Ayrıca alkali su elektrolizinde, anot ve katodu yalnızca hidroksit iyonlarının geçebildiği bir ayırıcı aracılığıyla ayırarak hidrojen ve oksijen üretilir. Buna ek olarak, yüksek sıcaklıkta buhar elektrolizi gibi endüstriyel yöntemler de mevcuttur.
Bu işlemlerin büyük ölçekte gerçekleştirilmesiyle büyük miktarlarda hidrojen elde edilebilir. Bu süreçte önemli miktarda oksijen de üretilir (üretilen hidrojenin yarısı kadar), bu nedenle atmosfere salınması durumunda olumsuz bir çevresel etkisi olmaz. Bununla birlikte, elektroliz çok fazla elektrik gerektirir, bu nedenle rüzgar türbinleri ve güneş panelleri gibi fosil yakıt kullanmayan elektrikle üretilirse karbon içermeyen hidrojen elde edilebilir.
Temiz enerji kullanarak suyu elektroliz yoluyla işleyerek "yeşil hidrojen" elde edebilirsiniz.

Ayrıca, 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 su dışında maddeler halinde bulunur. Örneğin, doğal gazın ana bileşeni olan metanı (CH4) ele alalım. Burada dört hidrojen atomu var. Bu hidrojeni alarak hidrojen elde edebilirsiniz.
Bunlardan biri, buhar kullanan "buharlı metan reformasyonu" adı verilen bir işlemdir. Bu yöntemin kimyasal formülü aşağıdaki gibidir.
Gördüğünüz gibi, tek bir metan molekülünden karbonmonoksit ve hidrojen elde edilebiliyor.
Bu şekilde, doğal gaz ve kömürün "buhar reformasyonu" ve "pirolizi" gibi işlemlerle hidrojen üretilebilir. "Mavi hidrojen" ise bu şekilde üretilen hidrojeni ifade eder.
Ancak bu durumda, yan ürün olarak karbonmonoksit ve karbondioksit üretilir. Bu nedenle, atmosfere salınmadan önce geri dönüştürülmeleri gerekir. Geri kazanılmayan yan ürün karbondioksit, "gri hidrojen" olarak bilinen hidrojen gazına dönüşür.

Hidrojen Ne Tür Bir Elementtir?

Hidrojenin atom numarası 1'dir ve periyodik tablonun ilk elementidir.
Evrende atom sayısı en fazladır ve evrendeki tüm elementlerin yaklaşık %90'ını oluşturur. Bir proton ve bir elektrondan oluşan en küçük atom ise hidrojen atomudur.
Hidrojenin çekirdeğine bağlı nötronlara sahip iki izotopu vardır. Biri nötron bağlı "döteryum", diğeri ise iki nötron bağlı "trityum"dur. Bunlar aynı zamanda füzyon enerjisi üretimi için de kullanılan malzemelerdir.
Güneş gibi bir yıldızın içinde, hidrojenin helyuma dönüşmesiyle sonuçlanan nükleer füzyon gerçekleşir; bu da yıldızın ışık saçmasının 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 yükseldikçe hidrojen moleküllerinin hareket hızı artar ve Dünya'nın yerçekiminden kaçarak uzaya doğru hareket eder.

Hidrojen Nasıl Kullanılır? Yanma Yöntemiyle Kullanımı

Peki, yeni nesil enerji kaynağı olarak dünya çapında ilgi çeken "hidrojen" nasıl kullanılıyor? İki ana kullanım şekli var: "yanma" ve "yakıt hücresi". "Yanma" yöntemiyle başlayalım.
Kullanılan iki ana yanma türü vardır.
İlk kullanım alanı roket yakıtıdır. Japonya'nın H-IIA roketi, yakıt olarak hidrojen gazı "sıvı hidrojen" ve kriyojenik haldeki "sıvı oksijen" kullanmaktadır. Bu ikisi birleştirildiğinde, oluşan ısı enerjisi, uzaya fırlatılan su moleküllerinin enjeksiyonunu hızlandırır. Ancak, teknik olarak zor bir motor olduğu için, Japonya dışında sadece Amerika Birleşik Devletleri, Avrupa, Rusya, Çin ve Hindistan bu yakıtı başarıyla birleştirebilmiştir.
İkincisi ise enerji üretimi. Gaz türbinli enerji üretimi de enerji üretmek için hidrojen ve oksijeni birleştirme yöntemini kullanır. Başka bir deyişle, hidrojenin ürettiği termal enerjiye odaklanan bir yöntemdir. Termik santrallerde, kömür, petrol ve doğal gaz yakılmasından elde edilen ısı, türbinleri çalıştıran buhar üretir. Isı kaynağı olarak hidrojen kullanılırsa, enerji santrali karbon nötr olacaktır.

Hidrojen Nasıl Kullanılır? Yakıt Hücresi Olarak Kullanımı

Hidrojenin bir diğer kullanım şekli ise, hidrojeni doğrudan elektriğe dönüştüren yakıt hücreleridir. Özellikle Toyota, küresel ısınmayla mücadele önlemlerinin bir parçası olarak benzinli araçlara alternatif olarak elektrikli araçlar (EV'ler) yerine hidrojenle çalışan araçları öne çıkararak Japonya'da dikkat çekmiştir.
Özellikle, “yeşil hidrojen” üretim yöntemini tanıtırken ters işlemi uyguluyoruz. Kimyasal formülü aşağıdaki gibidir.
Hidrojen, elektrik üretirken aynı zamanda su (sıcak su veya buhar) da üretebilir ve çevreye yük getirmemesi nedeniyle değerlendirilebilir. Öte yandan, bu yöntemin enerji üretim verimliliği %30-40 gibi nispeten düşük bir seviyededir ve katalizör olarak platin gerektirdiğinden maliyetleri artırır.
Şu anda polimer elektrolit yakıt hücreleri (PEFC) ve fosforik asit yakıt hücreleri (PAFC) kullanıyoruz. Özellikle yakıt hücreli araçlar PEFC kullanıyor, bu nedenle gelecekte yaygınlaşması bekleniyor.

Hidrojen Depolama ve Taşımacılığı Güvenli mi?

Artık hidrojen gazının nasıl üretildiğini ve kullanıldığını anladığınızı düşünüyoruz. Peki bu hidrojeni nasıl depolarsınız? İhtiyaç duyduğunuz yere nasıl ulaştırırsınız? O sırada güvenlik nasıl sağlanır? Açıklayacağız.
Aslında hidrojen aynı zamanda çok tehlikeli bir elementtir. 20. yüzyılın başlarında, çok hafif olduğu için hidrojeni balonları, hava gemilerini ve zeplinleri havada tutmak için gaz olarak kullandık. Ancak 6 Mayıs 1937'de ABD'nin New Jersey eyaletinde "Hindenburg zeplini patlaması" meydana geldi.
Kaza sonrasında hidrojen gazının tehlikeli olduğu yaygın olarak kabul edildi. Özellikle alev aldığında oksijenle birlikte şiddetli bir şekilde patlar. Bu nedenle, "oksijenden uzak tutmak" veya "ısıdan uzak tutmak" şarttır.
Bu önlemleri aldıktan sonra bir kargo yöntemi geliştirdik.
Hidrojen oda sıcaklığında gaz halindedir, bu nedenle gaz halinde olmasına rağmen çok hacimlidir. İlk yöntem, gazlı içecek yapımında olduğu gibi yüksek basınç uygulayarak silindir şeklinde sıkıştırmaktır. Özel bir yüksek basınç tankı hazırlayın ve 45 MPa gibi yüksek basınç altında saklayın.
Yakıt hücreli araçlar (FCV) geliştiren Toyota, 70 MPa basınca dayanabilen reçineden yapılmış yüksek basınçlı bir hidrojen deposu geliştiriyor.
Bir diğer yöntem ise sıvı hidrojen elde etmek için -253°C'ye kadar soğutmak ve bunu özel ısı yalıtımlı tanklarda depolayıp taşımaktır. Doğal gazın yurtdışından ithal edildiği LNG (sıvılaştırılmış doğal gaz) gibi, hidrojen de taşıma sırasında sıvılaştırılır ve hacmi gaz halindeki hacminin 1/800'üne kadar düşürülür. 2020 yılında dünyanın ilk sıvı hidrojen taşıyıcısını tamamladık. Ancak bu yaklaşım, soğutma için çok fazla enerji gerektirdiğinden yakıt hücreli araçlar için uygun değildir.
Bu tür tanklarda depolama ve nakliye yöntemi mevcut, ancak biz aynı zamanda hidrojen depolamanın başka yöntemlerini de geliştiriyoruz.
Depolama yöntemi, hidrojen depolama alaşımlarının kullanılmasıdır. Hidrojen, metallere nüfuz etme ve onları bozma özelliğine sahiptir. Bu, 1960'larda Amerika Birleşik Devletleri'nde geliştirilen bir geliştirme yöntemidir. JJ Reilly ve arkadaşları tarafından yapılan deneyler, hidrojenin magnezyum ve vanadyum alaşımı kullanılarak depolanabileceğini ve serbest bırakılabileceğini göstermiştir.
Bundan sonra, kendi hacminin 935 katı kadar hidrojeni emebilen paladyum gibi bir maddeyi başarıyla geliştirdi.
Bu alaşımın kullanımının avantajı, hidrojen sızıntısı kazalarını (özellikle patlama kazalarını) önleyebilmesidir. Bu nedenle, güvenli bir şekilde depolanabilir ve taşınabilir. Ancak, dikkatli olunmaz ve yanlış ortamda bırakılırsa, hidrojen depolama alaşımları zamanla hidrojen gazı salabilir. Küçük bir kıvılcım bile patlama kazasına neden olabilir, bu yüzden dikkatli olun.
Bunun bir diğer dezavantajı da, tekrarlanan hidrojen emilimi ve salınımının kırılganlığa yol açması ve hidrojen emilim hızını düşürmesidir.
Diğer yöntem ise boru kullanmaktır. Boruların kırılganlaşmasını önlemek için sıkıştırılmamış ve düşük basınçlı olması şartı vardır, ancak avantajı mevcut gaz borularının kullanılabilmesidir. Tokyo Gas, yakıt hücrelerine hidrojen sağlamak için şehir gaz boru hatlarını kullanarak Harumi FLAG projesinde inşaat çalışmalarını gerçekleştirdi.

Hidrojen Enerjisiyle Yaratılan Geleceğin Toplumu

Son olarak, hidrojenin toplumda oynayabileceği rolü ele alalım.
Daha da önemlisi, karbon salınımı olmayan bir toplumu teşvik etmek istiyoruz; hidrojeni ısı enerjisi olarak değil, elektrik üretmek için kullanıyoruz.
Büyük termik santraller yerine, bazı haneler doğal gazın reformasyonuyla elde edilen hidrojeni kullanarak gerekli elektriği üreten ENE-FARM gibi sistemler kullanmaya başladı. Ancak, reformasyon sürecinin yan ürünleriyle ne yapılacağı sorusu hala cevapsız kalıyor.

Gelecekte, hidrojenin dolaşımı artarsa, örneğin hidrojen yakıt ikmal istasyonlarının sayısı artarsa, karbondioksit emisyonu olmadan elektrik üretmek mümkün olacaktır. Elektrik, elbette yeşil hidrojen üretir, bu nedenle güneş veya rüzgardan üretilen elektriği kullanır. Elektroliz için kullanılan güç, enerji üretimini azaltmak veya doğal enerjiden fazla güç olduğunda şarj edilebilir pili şarj etmek için gereken güç olmalıdır. Başka bir deyişle, hidrojen şarj edilebilir pil ile aynı konumdadır. Bu gerçekleşirse, sonunda termik enerji üretimini azaltmak mümkün olacaktır. İçten yanmalı motorun otomobillerden kaybolacağı gün hızla yaklaşıyor.

Hidrojen başka bir yolla da elde edilebilir. Aslında hidrojen, kostik soda üretiminin bir yan ürünüdür. Diğer şeylerin yanı sıra, demir üretiminde kok üretiminin bir yan ürünüdür. Bu hidrojeni dağıtıma dahil ederseniz, birden fazla kaynaktan elde edebilirsiniz. Bu şekilde üretilen hidrojen gazı, hidrojen istasyonları tarafından da sağlanmaktadır.

Geleceğe daha yakından bakalım. Elektrik iletiminde kabloların kullanılmasıyla oluşan enerji kaybı da önemli bir sorun. Bu nedenle, gelecekte tıpkı gazlı içecek yapımında kullanılan karbondioksit tankları gibi, boru hatlarıyla taşınan hidrojeni kullanacağız ve her hane için elektrik üretmek üzere evde bir hidrojen tankı satın alacağız. Hidrojen pillerle çalışan mobil cihazlar yaygınlaşıyor. Böyle bir geleceği görmek ilginç olacak.