Yeni nesil enerji hidrojen hakkında

Karbon nötr olan yeni nesil enerji olan “hidrojeni” tanıtacağız. Hidrojen; “yeşil hidrojen”, “mavi hidrojen” ve “gri hidrojen” olmak üzere üç türe ayrılmaktadır ve bunların her birinin üretim yöntemi farklıdır. Ayrıca her bir üretim yöntemini, elementler olarak fiziksel özellikleri, depolama/nakliye yöntemlerini ve kullanım yöntemlerini de açıklayacağız. Ayrıca neden yeni neslin baskın enerji kaynağı olduğunu da anlatacağım.

Yeşil Hidrojen Üretmek İçin Suyun Elektrolizi

Hidrojen kullanırken zaten “hidrojen üretmek” önemli. En kolay yol “suyu elektrolize etmektir”. Belki ilkokul fen dersinde okudunuz. Beheri suyla, elektrotları da suyla doldurun. Elektrotlara bir pil bağlanıp enerji verildiğinde suda ve her elektrotta aşağıdaki reaksiyonlar meydana gelir.
Katotta H+ ve elektronlar birleşerek hidrojen gazı üretirken, anotta oksijen üretilir. Yine de bu yaklaşım okuldaki bilim deneyleri için uygundur ancak endüstriyel olarak hidrojen üretmek için büyük ölçekli üretime uygun verimli mekanizmaların hazırlanması gerekir. Bu “polimer elektrolit membran (PEM) elektrolizi”dir.
Bu yöntemde, hidrojen iyonlarının geçişine izin veren yarı geçirgen bir polimer membran, bir anot ve bir katot arasına sıkıştırılır. Cihazın anotuna su döküldüğünde, elektrolizle üretilen hidrojen iyonları yarı geçirgen bir zardan katoda doğru hareket ederek burada moleküler hidrojene dönüşürler. Öte yandan oksijen iyonları yarı geçirgen zardan geçemez ve anotta oksijen molekülüne dönüşemez.
Ayrıca alkali su elektrolizinde anot ve katodu, içinden yalnızca hidroksit iyonlarının geçebileceği bir ayırıcı aracılığıyla ayırarak hidrojen ve oksijen oluşturursunuz. Ayrıca yüksek sıcaklıkta buhar elektrolizi gibi endüstriyel yöntemler de vardır.
Bu işlemlerin büyük ölçekte gerçekleştirilmesiyle büyük miktarlarda hidrojen elde edilebilmektedir. Bu süreçte önemli miktarda oksijen de üretilir (üretilen hidrojen hacminin yarısı kadar), böylece atmosfere salınması halinde çevreye herhangi bir olumsuz etkisi olmaz. Ancak elektroliz çok fazla elektrik gerektirir, bu nedenle rüzgar türbinleri ve güneş panelleri gibi fosil yakıtları kullanmayan elektrikle üretilmesi durumunda karbonsuz 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 sürekli olarak hidrojen üretilebilmektedir.

Fosil Yakıtlardan Üretilen Mavi Hidrojen

Peki hidrojen üretmenin diğer yolları nelerdir? Hidrojen, doğalgaz ve kömür gibi fosil yakıtlarda su dışında başka maddeler olarak da bulunur. Örneğin doğalgazın ana bileşeni olan metanı (CH4) ele alalım. Burada dört hidrojen atomu var. Bu hidrojeni çıkararak hidrojen elde edebilirsiniz.
Bunlardan biri de buhar kullanan “buhar metan reformasyonu” adı verilen işlemdir. Bu yöntemin kimyasal formülü aşağıdaki gibidir.
Gördüğünüz gibi tek bir metan molekülünden karbon monoksit ve hidrojen elde edilebiliyor.
Bu sayede doğalgaz ve kömürün “buhar reformasyonu” ve “piroliz”i gibi işlemlerle hidrojen üretilebilmektedir. “Mavi hidrojen” bu şekilde üretilen hidrojeni ifade eder.
Ancak bu durumda yan ürün olarak karbon monoksit ve karbondioksit üretilir. Bu yüzden atmosfere salınmadan önce onları geri dönüştürmeniz gerekiyor. Yan ürün karbondioksit geri kazanılmadığı takdirde “gri hidrojen” olarak bilinen hidrojen gazına dönüşür.

Hidrojen Ne Tür Bir Elementtir?

Hidrojenin atom numarası 1'dir ve periyodik tablodaki ilk elementtir.
Atomların sayısı evrendeki en büyük sayıdır ve evrendeki tüm elementlerin yaklaşık %90'ını oluşturur. Bir proton ve bir elektrondan oluşan en küçük atom hidrojen atomudur.
Hidrojenin, çekirdeğe bağlı nötronlarla birlikte iki izotopu vardır. Bir nötron bağlı “döteryum” ve iki nötron bağlı “trityum”. Bunlar aynı zamanda füzyon enerjisi üretimine yönelik malzemelerdir.
Güneş gibi bir yıldızın içinde, yıldızın parlaması için gereken enerji kaynağı olan hidrojenden helyuma nükleer füzyon gerçekleşmektedir.
Ancak hidrojen Dünya'da gaz halinde nadiren 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 yer çekiminden uzaya kaçar.

Hidrojen Nasıl Kullanılır? Yanma Yoluyla Kullanım

Peki yeni nesil enerji kaynağı olarak dünya çapında ilgi gören “hidrojen” nasıl kullanılıyor? İki ana şekilde kullanılır: “yanma” ve “yakıt hücresi”. “Yakma” kullanımıyla başlayalım.
Kullanılan iki ana yanma türü vardır.
Birincisi roket yakıtıdır. Japonya'nın H-IIA roketi, yakıt olarak yine kriyojenik durumda olan hidrojen gazı “sıvı hidrojen” ve “sıvı oksijen”i kullanıyor. Bu ikisi birleşir ve o sırada ortaya çıkan ısı enerjisi, üretilen su moleküllerinin uzaya uçmasını hızlandırır. Ancak teknik açıdan zor bir motor olduğundan Japonya dışında yalnızca Amerika Birleşik Devletleri, Avrupa, Rusya, Çin ve Hindistan bu yakıtı başarıyla birleştirmiştir.
İkincisi ise elektrik üretimi. Gaz türbini enerji üretimi aynı zamanda enerji üretmek için hidrojen ve oksijeni birleştirme yöntemini de kullanır. Yani hidrojenin ürettiği termal enerjiye bakan bir yöntemdir. Termik santrallerde kömür, petrol ve doğalgazın yanmasından kaynaklanan ısı, türbinleri çalıştıran buhar üretir. Hidrojen ısı kaynağı olarak kullanılırsa santral karbon nötr olacak.

Hidrojen Nasıl Kullanılır? Yakıt Hücresi Olarak Kullanılır

Hidrojeni kullanmanın bir başka yolu da hidrojeni doğrudan elektriğe dönüştüren yakıt hücresidir. Özellikle Toyota, küresel ısınmaya karşı önlemlerinin bir parçası olarak benzinli araçlara alternatif olarak elektrikli araçlar (EV'ler) yerine hidrojen yakıtlı araçları öne sürerek Japonya'da dikkat çekti.
Spesifik olarak, “yeşil hidrojen” üretim yöntemini tanıttığımızda işlemin tersini yapıyoruz. Kimyasal formül aşağıdaki gibidir.
Hidrojen elektrik üretirken su (sıcak su veya buhar) üretebilir ve çevreye bir yük getirmediği için değerlendirilebilir. Öte yandan, bu yöntemin enerji üretim verimliliği %30-40 gibi nispeten düşük olup, katalizör olarak platin gerektirir ve dolayısıyla maliyetlerin artmasına neden olur.
Şu anda polimer elektrolit yakıt hücreleri (PEFC) ve fosforik asit yakıt hücreleri (PAFC) kullanıyoruz. Özellikle yakıt hücreli araçlar PEFC kullandığından gelecekte yaygınlaşması beklenebilir.

Hidrojen Depolama ve Taşıma Güvenli mi?

Artık hidrojen gazının nasıl üretilip kullanıldığını anladığınızı düşünüyoruz. Peki bu hidrojeni nasıl depoluyorsunuz? İhtiyacınız olan yere nasıl ulaşırsınız? O dönemde güvenlik ne durumda? Açıklayacağız.
Aslında hidrojen de çok tehlikeli bir elementtir. 20. yüzyılın başında çok hafif olduğu için hidrojeni balonları, balonları ve hava gemilerini gökyüzünde uçurmak için gaz olarak kullandık. Ancak 6 Mayıs 1937'de ABD'nin New Jersey kentinde "zeplin Hindenburg patlaması" meydana geldi.
Kazadan bu yana hidrojen gazının tehlikeli olduğu geniş çapta kabul edildi. Özellikle alev aldığında oksijenle şiddetli bir şekilde patlar. Bu nedenle “oksijenden uzak tutulması” veya “ısıdan uzak tutulması” şarttır.
Bu önlemleri aldıktan sonra bir nakliye yöntemi ortaya çıkardık.
Hidrojen oda sıcaklığında bir gazdır, dolayısıyla hala bir gaz olmasına rağmen oldukça hacimlidir. İlk yöntem gazlı içecek yaparken yüksek basınç uygulamak ve silindir gibi sıkıştırmaktır. Özel bir yüksek basınç tankı hazırlayın ve 45Mpa gibi yüksek basınç koşullarında saklayın.
Yakıt hücreli araçlar (FCV) geliştiren Toyota, 70 MPa basınca dayanabilen reçineli yüksek basınçlı hidrojen tankı geliştiriyor.
Diğer bir yöntem ise -253°C'ye kadar soğutularak sıvı hidrojen elde edilerek, özel ısı yalıtımlı tanklarda depolanıp taşınıyor. Yurt dışından doğalgaz ithal edildiğinde LNG (sıvılaştırılmış doğalgaz) gibi, hidrojen de taşıma sırasında sıvılaştırılarak hacmi gaz halindeki halinin 1/800'üne indirilir. 2020 yılında dünyanın ilk sıvı hidrojen taşıyıcısını tamamladık. Ancak bu yaklaşım yakıt hücreli araçlar için uygun değildir çünkü soğutmak için çok fazla enerji gerekir.
Bunun gibi tanklarda depolama ve taşıma yöntemi var ama 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 ipucudur. JJ Reilly ve diğerleri. Deneyler, hidrojenin bir magnezyum ve vanadyum alaşımı kullanılarak depolanabileceğini ve serbest bırakılabileceğini göstermiştir.
Daha sonra paladyum gibi kendi hacminin 935 katı hidrojeni absorbe edebilen bir maddeyi başarıyla geliştirdi.
Bu alaşımı kullanmanın avantajı, hidrojen sızıntısı kazalarını (özellikle patlama kazaları) önleyebilmesidir. Bu nedenle güvenli bir şekilde saklanabilir ve taşınabilir. Ancak dikkatli olmazsanız ve yanlış ortamda bırakırsanız, hidrojen depolama alaşımları zamanla hidrojen gazı açığa çıkarabilir. Küçük bir kıvılcım bile patlamaya neden olabilir, bu yüzden dikkatli olun.
Aynı zamanda, tekrarlanan hidrojen absorpsiyonu ve desorpsiyonunun kırılganlaşmaya yol açması ve hidrojen absorpsiyon oranının azalması gibi bir dezavantajı da vardır.
Diğeri ise boru kullanmaktır. Boruların gevrekleşmesini 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 BAYRAĞI üzerinde inşaat çalışması gerçekleştirdi.

Hidrojen Enerjisinin Yarattığı Geleceğin Toplumu

Son olarak hidrojenin toplumda oynayabileceği rolü ele alalım.
Daha da önemlisi karbonsuz bir toplumu teşvik etmek istiyoruz; hidrojeni ısı enerjisi yerine elektrik üretmek için kullanıyoruz.
Bazı haneler, büyük termik santraller yerine, gerekli elektriği üretmek için doğal gazın dönüştürülmesiyle elde edilen hidrojeni kullanan ENE-FARM gibi sistemleri uygulamaya koydu. Ancak reform sürecinin yan ürünleriyle ne yapılacağı sorusu varlığını sürdürüyor.

Gelecekte, hidrojen yakıt ikmal istasyonlarının sayısının artması gibi hidrojenin sirkülasyonu artarsa, karbondioksit salmadan elektrik kullanmak mümkün olacak. Elektrik elbette yeşil hidrojen üretir, dolayısıyla güneş ışığından veya rüzgardan üretilen elektriği kullanır. Elektroliz için kullanılan güç, doğal enerjiden fazla güç olduğunda, güç üretim miktarını bastıracak veya şarj edilebilir pili şarj edecek güç olmalıdır. Yani hidrojen, şarj edilebilir pil ile aynı konumdadır. Eğer bu gerçekleşirse, sonunda termal enerji üretimini azaltmak mümkün olacaktır. İçten yanmalı motorun otomobillerden kaybolacağı gün hızla yaklaşıyor.

Hidrojen başka bir yolla da elde edilebilir. Aslında hidrojen hala kostik soda üretiminin bir yan ürünüdür. Diğer şeylerin yanı sıra, demir yapımında kok üretiminin bir yan ürünüdür. Eğer bu hidrojeni dağıtıma koyarsanız birden fazla kaynak elde edebileceksiniz. Bu şekilde üretilen hidrojen gazı da hidrojen istasyonlarından sağlanmaktadır.

Geleceğe daha detaylı bakalım. Kaybedilen enerji miktarı aynı zamanda güç sağlamak için kabloların kullanıldığı iletim yöntemiyle ilgili bir sorundur. Dolayısıyla gelecekte gazlı içecek yapımında kullanılan karbonik asit tankları gibi boru hatlarıyla taşınan hidrojeni de kullanacağız ve evimize bir hidrojen tankı alarak her eve elektrik üreteceğiz. Hidrojen pilleriyle çalışan mobil cihazlar yaygınlaşıyor. Böyle bir geleceği görmek ilginç olacak.