SUDAN HİDROJEN ÜRETİMİ VE ENERJİ SEKTÖRÜNDE HİDROJEN *

Doç.Dr.Z.Sema BAYKARA YTÜ, Kim.Müh.Böl., İstanbul

ÖZET

Hidrojen ekonomisine, hatta uygarlığına geçiş özleminin temelinde çevresel açıdan tamamen temiz enerji tür ve sistemlerine dönülmesi bulunmakta, 1997’de başlayan Kyoto Protokolu süreci bu yönde somut bir adım oluşturmaktadır. Hidrojenin güneş enerjisi uygulanarak sudan üretilmesi bu amaca en uygun seçenek olarak gözükmekte, aynı zamanda kullanıcılara bağımsızlık getirmektedir.

Bu çalışmada enerji gereksinimi güneş enerjisiyle sağlanan sudan hidrojen üretimi yöntemleri ele alınmakta; ayrıca hidrojen üretim, iletim, depolama ve kullanım (taşıt, cihaz, bina) alanlarında geliştirilmekte olan teknolojilerde emniyet, verim, çevresel faktörler ve maliyet açısından bu günkü durum ve yakın vadede ulaşılması planlanan hedefler; bu konularda öncü durumdaki devletlerde hazırlanan yasal mevzuat ve standartlar, benimsenen politikalar ve oluşturulan insiyatifler kısaca gözden geçirilmektedir.

GİRİŞ

Zaman içinde sıvı ve gaz yakıtların arzında meydana gelecek açıkların kömürden elde edilecek sentetik yakıtlarla kapatılması ve nihai olarak bu kaynakların nükleer (fizyon ve füzyon) enerji ve yenilenebilir enerjiyle (su gücü, güneş, rüzgar) üretilecek elektrikle ikamesi öngörülmektedir. Oysa, kurulu düzendeki uygulamaların çoğu elektrikle değil yakıtla çalışmaktadır. Bu kapsamda, sudan elde edilebilen ve çevreyi en az kirleten bir yakıt olarak hidrojen ağırlık kazanmıştır.

Hidrojen ve elektrik birbirine kolaylıkla dönüştürülebilir enerji türleri olduğundan hidrojen, tüm sektörleri doğrudan ya da dolaylı etkileyebilmesi, toplumsal gelişme ve refah düzeyini belirleyici oluşu açısından çok kritik bir konumdadır.

En gelişmiş ülkelerin yanısıra birçok ülkelerde hidrojen ekonomisine geçiş doğrultusunda politikalar belirlenmekte, ulusal plan ve programlar hazırlanmakta, ilgili teknolojilerin geliştirilmesi ve uyarlanması için geniş kapsamlı ve yoğun araştırmalar yapılmakta, yasal mevzuat ve standartlar hazırlanmaktadır.

Hidrojen, birincil kaynaklardan (Tablo 1) gene birincil kaynaklarla üretilebilir. (Şekil 1).

HİDROJEN ÜRETİMİ

Hidrojen, geleneksel olarak hidrokarbonlardan ve sudan üretilmektedir⁽¹⁾. Hidrokarbon bileşiklerinin üretime katkısı %95 dolaylarında olup bu üretim süreçlerinden karbon dioksit de çıkmakta ve atmosferde sera etkisi yaratmaktadır. Hidrokarbonların tükenebilir oluşu ileride hidrojenin daha ziyade sudan üretilmesini ve üretim teknolojilerinin bu yönde geliştirilmesini gerektirmektedir. Üretim yöntemleri, yaygın bir şekilde kullanılmakta olan ticari yöntemler ve diğer yöntemler olmak üzere iki grupta toplanabilir (Tablo 2(a)).

(*) I. Ulusal Hidrojen Kongresi, 16 Temmuz 2002, Ankara

Tablo 1: Birincil kaynaklar ve hidrojen talebi

Birincil Kaynaklar :

Petrol

Doğal Gaz (NG)

Sıvılaştırılmış Petrol Gazı (LPG)

Kömür

Yenilenebilir Kaynaklar (su gücü, güneş, rüzgar vb.)

Nükleer Yakıtlar

Hidrojen

Hammadde Olarak Talep :

Petrol Arıtımı

Kimyasal Endüstri (amonyak, metanol, yağ vb.)

Sentetik Yakıt Üretimi

Metalurji

Enerji Kaynagı Olarak Talep :

Ulaşım Sektörü (uzay, hava, kara, deniz)

Merkezi Enerji Santralları (elektrik, ısı)

Tablo 2(a): Hidrojen üretim yöntemleri

Ticari Yöntemler

Hidrokarbonların Buharla Katalitik Bozunumu

Hidrokarbonların Basınç Altında Kısmi Oksitlenmesi

Kömürün Gazlaştırılması

Suyun Elektrolizi

Diğer Yöntemler

Hidrokarbon Kaynaklı Yöntemler :

Şehir gazı üretimi

Hidrokarbonların buhar ve oksijenle oksitlenmesi

Hidrokarbonların ve doğalgazın ısıl dekompozisyonu

Metanın içten patlamalı motorlarda oksitlenmesi

Suyun Kimyasal Dekompozisyonu :

Termokimyasal Dönüşümler

Fotokimyasal Dönüşümler

H₂S Dekompozisyonu

Biyokütleden üretim

Enerji krizinden bu yana, ileriye dönük olarak hidrojenin yeryüzünde ve uzayda yenilenebilir enerjiyle üretilmesine yönelik tasarım, malzeme ve uygulama çalışmaları geniş ölçekte ve muhtelif aşamalarda sürmektedir. Gelişmiş ülkeler aralarında işbirliği yaparak bu sektöre uzanan çok geniş kapsamlı ve uzun vadeli ortak projeler yapmaktadırlar⁽²⁾.

SUDAN HİDROJEN ÜRETİMİ

Ticari anlamda sudan hidrojen üretimi geleneksel yöntemlerle üretilen elektrik (hidroelektrik, termik veya nükleer santrallarda) kullanılarak suyun elektrolizi sonucu gerçekleşir.

Hidrojenin “temiz” yöntemlerle üretilmesi, elektriğin yenilenebilir enerji kaynakları (hidrogüç, güneş, rüzgar gibi) ile elde edilmesine bağlıdır.

Suyun güneş enerjisi ile ayrıştırılması sonucu hidrojen üretimi başlıca iki grupta toplanabilir: termokimyasal süreçler ve fotokimyasal süreçler. Burada gruplama güneş enerjisinin kullanılış biçimi ile ilgilidir.

Termokimyasal Süreçler:

Güneş ısıl enerjisi kullanılarak suyun yüksek sıcaklıkta tek aşamada veya birden fazla aşamada ayrıştırılması ile hidrojen elde edilebilir⁽³⁾. Bu süreçlerde çalışma sıcaklığı 1000-2500 K dolaylarında olup, güneş ışınlarının optik sistemlerle yoğunlaştırılıp odaklanmasını gerektirmektedir. Toplam verim farklı tasarımlar için farklı değerler alabilmekle birlikte ticari elektroliz veriminden daha düşük düzeydedir.

Fotokimyasal Süreçler:

Güneş foton enerjisi kullanılarak sudan hidrojen üretimi amacıyla fotovoltaik pillerle elektrik üretimi ve elektroliz, yarı iletken elektrodlu fotoelektrokimyasal piller, fotobiyolojik sistemler ve fotobozunum sistemleri gibi süreçler geliştirilmektedir⁽⁴⁾. Bu sistemler için de verim düzeyi (şimdilik % 16) ticari elektrolize nazaran daha azdır.

HİDROJEN ÜRETİM MALİYETİ

Çeşitli optik düzeneklerle yoğunlaştırılan yüksek sıcaklıktaki güneş radyasyonuyla doğrudan veya dolaylı olarak hidrokarbon kökenli maddelerden (özellikle kömür) ve sudan veya fotovoltaik düzeneklerle üretilen elektrik ve elektrolizle sudan üretilen hidrojen şimdilik ticari yöntemlerle kömürden üretilen hidrojene kıyasla yaklaşık 3-15 kat, ticari elektrolizle sudan üretilen hidrojene kıyasla da 1-4 kat maliyet taşımaktadır (Tablo 2(b)). Zaman içinde kömür rezervlerinin azalması ve güneş teknolojilerinde görülen gelişmeler ve ucuzlama bu maliyetleri ister istemez değiştirecektir. Ayrıca hidrokarbon kökenli ticari hidrojen maliyetinin benzinden daha az olduğu bilinmektedir.

Tablo 2(b): Güneş enerjisinin kullanıldığı muhtelif proseslerle üretilen hidrojen maliyeti⁽³⁾

İncelenen Proses Türleri	Maliyet (maliyet)j	Maliyet (maliyet)k
a) Suyun Güneşle^1 Elektrolizi b) Suyun Güneşle^2 Elektrolizi c) Suyun Güneşle^3 Elektrolizi d) Suyun Güneşle^4 Termolizi e) Suyun Melez Termoliz ve Elektrolizi (a+d) f) Kömürün Güneşle^5 Gazlaştırılması^6 g) Kömürün Melez Gazlaştırılması (f+6) h) Güneşle^5 Termokimyasal Çevrim^7 i) Güneşle^5 Melez Termokimyasal Çevrim^8 j) Ticari Elektroliz k) Ticari Kömür Gazlaştırma^6	1.1 3.9 2.6 3.3 2.2 0.8 0.7 1.9 1.6 1.0 0.3	4.4 15.2 10.1 12.5 8.6 2.9 2.6 7.3 6.2 3.8 1.0
1. Güneş proses ısısıyla (parabolik odaklayıcı) elektrik üretimi 2. Güneş pilleri ile elektrik üretimi 3. Güneş proses ısısıyla (güneş kulesi) elektrik üretimi 4. Güneş proses ısısı (parabolik odaklayıcı) üretimi 5. Güneş proses ısısı (güneş kulesi) üretimi 6. Koppers-Totzek kömür gazlaştırma yöntemi 7. GA Termokimyasal çevrimi 8. Mark 11 Termokimyasal çevrimi
Kabuller : % 15 sabit giderler $ 10/ton kömür fiyatı

Buradaki maliyet yılda 150-350 GJ üretim kapasitesindeki tesisler için hesaplanmıştır. Yılda 3000 saatlik güneşle operasyon kabul edilirse, bu kapasite saatte 3,9-9,1Nm³ hidrojen üretimi anlamına gelmektedir. Oysa, hidrojen kullanımı arttıkça daha büyük çapta üretim gerekecek, saatte 500 Nm³ veya daha fazla üretim söz konusu olacaktır. Ayrıca, yenilenebilir enerji türlerinin kullanıldığı hidrojen üretimi teknolojileri olgunlaştırılırken, mevcut dağıtım şebekesinden yararlanmak üzere metanol, doğal gaz ve diğer hidrokarbonlardan hidrojen üretimi gündemdedir. Yenilenebilir enerji kaynaklı (güneş, rüzgar, sugücü) elektrik kullanılarak gerçekleşen elektrolizle sudan üretilen hidrojen maliyetine kıyasla hidrokarbon kökenli hidrojen üretimi maliyeti oranları Tablo 2 (c) de sunulmaktadır.

Bor kökenli hidrojen üretim maliyetinin elektroliz maliyetine oranı ise diğer süreçlerinkinin çok üzerindedir.

Tablo 2(c) : Hidrokarbon kökenli hidrojen maliyetlerinin yenilenebilir enerjiyle sudan elektroliz kaynaklı hidrojen maliyetiyle karşılaştırılması

Üretim teknolojisi	maliyet oranı	Üretim kapasitesi (Nm^3/saat)
Suyun elektrolizi	1.0	500
Metanolün bozunumu	0.83	500
Doğal gazın buharla bozunumu	1.17	500
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu	0.58	>500

HİDROJENİN DEPOLANMASI

Hidrojen basınç altında gaz olarak veya 20K sıcaklıkta sıvı olarak büyük hacimlerde depolanabilir. Sıvılaştırarak depolamanın maliyeti diğerinin on katı civarındadır. Hidrojen düşük basınçlı gaz depolarında, yüksek basınçlı çelik tanklarda ve düşük sıcaklık tekniğinin uygulandığı depolarda biriktirilir. Sıvı hidrojen, hacmi 1000m³ veya daha fazla olan özel yalıtımlı geniş tanklar içinde büyük ölçekte depolanabilir.

Hidrojen bir enerji taşıyıcı olarak kullanıldığında doğacak büyük ölçekte depolama gereksinimi yer altında gözenekli rezervuarlar (su rezervleri gibi) içinde karşılanabilir (Tablo 3(a)).

Tablo 3(a) : Hidrojen için depolama seçenekleri

Yerüstünde Depolama

Basınçlı Gaz ve Düşük Sıcaklıkta Sıvı (özel tanklar içinde)

Boru Hatları

Metal Hidrürler, Metal nanoyapılar

Karbon nanoyapılar, Cam Mikrokürecikler

Yeraltında Depolama

Gözenekli Rezervuarlar (su, doğalgaz, petrol yatakları)

Mağaralar (tuz yatakları, eski madenler vb)

Bazı depolama sistemleri için enerji ve maliyet Tablo 3(b) de verilmektedir.

Hidrojen aynı zamanda metal hidrürler⁽⁵⁾, nano yapılı karbon⁽⁵⁾, grafit⁽⁵⁾ ve metaller⁽⁶⁾ ve cam mikrokürecikler⁽⁷⁾ içinde depolanabilir (Tablo 4).

Depolama sistemlerinde hidrojen kapasitesinin ağırlık açısından %6.5 H₂, hacim açısından 62 kg H₂/m³ olarak hedeflenmesi ABD Enerji Bakanlığı tarafından öngörülmektedir. Depolamayla ilgili standartlar literatürde mevcuttur⁽⁸⁾.

Tablo 3(b): Bazı hidrojen depolama sistemleri için enerji gereksinimi⁽⁷⁾ ve maliyet verileri

Depolama Yöntemi	Enerji Gereksinimi (MJ/kg) (GJ/m^3)		Maliyet (kW.saat/kg)
Sıvı Hidrojen (20 K)	120	8	33.33
Gaz Hidrojen (15000 kN/m^2)	1.5	2	0.42
Hidrürler (ortalama)	2.0	3	0.55
Mikrokürecikler (50kgH2/m^3)	5.3	3.5	1.47

Basınçlı depolar içinde hidrojen depolama maliyeti ($/m³) gazı yeraltındaki doğal mağaralarda depolama maliyetinin 30 katıdır. Bazı kaynaklarda⁽⁹⁾ bildirilen mali verilere göre bu fark 50 kata varmaktadır. Yeraltı depolaması yüksek saflıkta hidrojen için uygun olmayabilir.

Hidrojenin mevcut yöntemlerle sıvılaştırılması ısıl değerinin %30’una eşdeğer bir enerji gerektirmektedir. Ayrıca depolama, iletim ve kullanım sırasında meydana gelen “buharlaşma kaçakları” mevcut yanma enerjisinin %40 kadarının kaybına yol açmaktadır. Buharlaşan hidrojenin yeniden sıvı faza dönüştürülmesi için çalışmalar yapılmaktadır⁽¹⁰⁾.

Tablo 4 : Hidrojenin metal, karbon ve grafit içinde depolanması

Malzeme	Hidrojen Kapasitesi (%, ağırlık olarak)	Sıcaklık (K)	Basınç (M Pa)
Mg (% 8)^(5)	2	573	0.1
Ca (% 5)^(5)	2	1073	0.1
Nanoyapılı karbon^(5) (SWNT)	1	300	10.0
Nanoyapılı grafit^(5)	7.4	600
Nanoyapılı Mg-Ni-RE^(6) (=La, Nd)	5.0-5.5	373	3.0

HİDROJENİN İLETİMİ

Hidrojen gazı, 1600 kN/m² basınç altında, hacmi 7.5 m³’e varan çelik gaz silindirler içinde veya 700-5100 m³ hacmindeki yüksek basınçlı gaz tankerleriyle ticari olarak taşınmaktadır. Gaz hidrojenin büyük ölçekteki sevkiyatı için 5000 kN/m² basınçta çalıştırılan mevcut doğal gaz hatlarının kullanılması da mümkündür^(10,15).

Sıvı hidrojen iletimi, içinde sıcaklığın 20 K düzeyinde tutulduğu düşük sıcaklık teknolojisi normlarına göre yalıtılmış özel tanker vagonlarla demir yolu ile gerçekleştirilmektedir⁽¹²⁾. İletim için standartlar mevcuttur⁽¹³⁾. Deniz yoluyla büyük ölçekte sıvı hidrojen iletimi üzerinde de çalışmalar yapılmaktadır⁽¹⁴⁾. Karmaşık teknoloji gereksinimine rağmen hidrojenin sıvı fazda iletiminin en ekonomik taşıma yöntemi olduğuna inanılmaktadır^(10,15).

GÜVENLİK AÇISINDAN HİDROJEN

Hidrojen zehirli bir gaz değildir. Kullanımındaki tehlike oksijen ve havayla karıştığında ileri derecede tutuşabilir olmasından kaynaklanmaktadır. Ayrıca, renksiz ve kokusuz oluşu ve çok soluk bir alevle yanması dolayısıyla varlığı kolayca farkedilemez. Hidrojenin ve diğer bazı yakıtların güvenlikle ilgili özellikleri Tablo 5(a)’da verilmektedir.

Hidrojen-hava karışımlarının patlama ve tutuşma sınırları benzinin ve metanın hava karışımlarına nazaran daha geniştir. Hidrojenin moleküler ağırlığı, yoğunluğu (havanın 1/14 misli, metanın 2/3 misli) ve viskozitesi çok düşüktür. En küçük molekül olması nedeniyle depo ve boru malzemeleri içine rahatlıkla sızarak metalleri kırılganlaştırır; kolaylıkla kaçak yapabilir.

Bu özelliği dolayısıyla, hidrojen kaçağı tutuştuğu takdirde yukarıya doğru yükselen dar bir alev oluşturur, dolayısıyla çevreye verebileceği zarar diğer gaz ve sıvı yakıtlara kıyasla çok daha azdır.

Büyük ölçekte hidrojenin kullanıldığı açık hava amonyak tesislerinde yangın olayları seyrek olup genellikle talimatlara yeterince uyulmamasından kaynaklanmaktadır. Petrokimya endüstrisinde yangınların yarıdan fazlası belli ekipman elemanlarından (contalar, boru flanşları, vana aksamı, eşanjörler, atık ısı kazanları gibi) gaz sızması sonucu çıkmaktadır. Sıvı hidrojen uzun süredir roket yakıtı olarak kullanıldığından güvenlikle ilgili deneyim ve bilgi birikimi oluşmuştur.

Tablo 5(a) : Hidrojen ve bazı yakıtların güvenlikle ilgili özellikleri⁽¹⁶⁾

Özellik	Hidrojen	Metan	Metanol	Benzin	Jet Yakıtı (JP-Y)
Kaynama sıcaklığı (K)	20.3	112	338	---	---
Buharlaşma ısısı (MJ/kg)	0.45	0.51	1.1	---	---
Özgül ağırlık (kaynama)	1.03	1.38	---	---	---
Özgül ağırlık	0.07	0.55	---	---	---
Difüzyon katsayısı (cm^2/s)	0.63	0.2	---	0.08	---
Havayla tutuşma sınırı (% hacim)	4.1-74	5.3-15	6.0-37	1.5-7.6	0.8-5.6
Havayla patlama sınırı (% hacim)	18-59	6.3-14	---	---	---
Ateşleme sıcaklığı (K)	850	807	700	530	522
Ateşleme enerjisi (MJ)	20	300	---	250	---
Alev sıcaklığı (K)	2400	2190	---	---	---
Alev hızı (m/s)	2.75	0.37	0.41	<0.3	---
Söndürme mesafesi (cm)	0.06	0.23	---	>0.25	---
Alev yayınırlığı	0.10	1.00	---	---	---
Yanma ısısı (MJ/kg)	120	50	20	44	43
Yanma ısısı (GJ/m^3)	8.5	21	16	31	34

Sıvı hidrojenin depolama sıcaklığı çok düşüktür (Tablo 5(b)). İyi yalıtılmamış kaplarda sıvı hidrojenle temas eden hava sıvılaşır ve hidrojene karışarak yangın tehlikesi oluşturur. Sıvı hidrojen döküldüğünde çevresindeki hava atmosferle denge halinde sıvılaşır, yaklaşık %50 oranında hidrojen-oksijen karışımı oluşur ve bir yangına veya patlamaya neden olabilir. Viskozitesi çok düşük olduğundan hidrojen defolu tanklardan yüksek hızla sızabilir. Bu yüzden sıvı hidrojen, çift cidarı arasındaki hava boşaltılıp yerine perlit doldurularak yalıtılmış Devar tipi sağlam kaplarda depolanır. Uzun süre depolanan hidrojen “buharlaşma kayıpları” ile eksilebilir. Buharlaşma kayıpları, ısı veren “orto-para” dönüşüm reaksiyonu, tanka ısı aktarımı ve çalkalanma dolayısıyla veya tanktan hidrojen boşaltma sırasında oluşabilir⁽¹⁰⁾. Hacmi 10³ m³ mertebesindeki hareketsiz depolardan günde %0.03-0.05, hacmi 10²-10 m³ düzeyindeki demiryolu ve karayolu tanklarından günde %0.3-0.5 hacmi 1 m³ dolayında olan hareket halindeki depolardan günde %1-2 buharlaşma kaybı olduğu saptanmıştır⁽¹⁵⁾.

Teknolojideki gelişmelerle bu sorunların yakında çözümlenmesi beklenmektedir.

Tablo 5(b): Sıvı durumdaki hidrojen ve doğalgazın bazı özellikleri⁽¹¹⁾

Özellik	Sıvı Hidrojen	Sıvı Doğalgaz
Ergime noktası (K) Kaynama noktası (K) Kritik sıcaklık (K) Kritik basınç (kN/m^2) Sıvı özgül ağırlığı Yoğunluk (kg/m^3) Viskozite (Ns/m^2)	13.95 20.45 33.15 13.1 0.70 71.0 18.2 x 10^-6	90.75 111.85 190.35 46.4 0.47 42.4 140 x 10^-5

ENERJİ SEKTÖRÜNDE HİDROJEN

Hidrojenin doğal gaz dağıtım şebekesinde enerji taşıyıcı; merkezi güç ve proses ısısı üretimi ve mekan ısıtmada ve muhtelif taşıtlarda yakıt olarak kullanımı gündemdedir. Ayrıca, konvansiyonel ve nükleer elektrik santrallerindeki atıl kapasite suyun elektrolizi (Tablo 6) ile hidrojene dönüştürülerek depolanıp, gerektiğinde gaz şebekesine veya tekrar elektriğe dönüştürülerek elektrik şebekesine verilebilir (Şekil 2). Alkalin, proton değişim membranlı (PEM) ve yüksek sıcaklığa dayanıklı katı oksit tip elektroliz cihazı teknolojileri geliştirilmiş bulunmaktadır.

Tablo 6 : Elektroliz hücrelerinin bazı özellikleri⁽¹⁷⁾

Teknoloji	Voltaj (V)	Verim (%)	Akım Yoğunluğu (mA/cm^2)	Basınç (10^5 N/m^2)
Tank Tipi ^(17a) Electrolyser Corp. 1978-Öncesi 1983-Sonrası General Electric 1985-Sonrası PEM Tipi ^(17b)	2.04 1.08 1.7	71 83 88 90	135 190 1080 1000	1.03 1.03 30-60 7.0

Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen

Hidrojenin doğal gaz hatlarına, karışımın enerji içeriğini belli bir düzeyin altına düşürmeyecek bir yüzde ile (% 10 gibi), katılması veya hidrojen için benzer bir dağıtım şebekesi döşenmesi uygun görülmektedir. Basınç düzeyi 5170 kN/m² olan mevcut doğal gaz hatlarının enerji kapasitesi değişmeksizin sırf hidrojen iletiminde kullanılabilmesi için kompresörde 3-8 kat gaz işlenmesi ve kompresör gücünün 5.5 kat artması gerekmektedir⁽¹¹⁾.

Dağıtım şebekesinde meydana gelebilecek hidrojen kaçağı hacmi doğal gaz kaçağının üç misli kadar olmakla birlikte kaçaktan kaynaklanan enerji kaybı her iki gaz için hemen hemen eşit miktardadır. Kullanılmakta olan eski boru hatlarında yaklaşık 1760-7000 m³/km dolayında doğal gaz kaçağı olduğu tahmin edilmektedir. Plastik borulardaki kaçaklar daha düşük düzeydedir.

Elektrik ve Isı Üretiminde Hidrojen

Hidrojen, yan ürün olarak üretildiği endüstriyel tesislerde ve “hava gazı” ismiyle bilinen gaz karışımı olarak zaten uzun süredir mevcut yakma teknolojileriyle proses ısısı üretiminde kullanılmaktadır. Elektrik ve ısı üretiminde kullanılmak üzere muhtelif kapasitelerde yakıt pilleri de geliştirilmektedir (Tablo 7).

Tablo 7: Yakıt pilleri⁽¹⁸⁾

Yakıt Pili Tipi	Elektrolit Malzeme	Çalışma Sıcaklığı (K)
Alkalin	Potasyum hidroksit	320-360
Proton değişim membranı	Polimerlik	320-400
Fosforik asit	Ortofosforik asit	460-480
Erimiş karbonat	Lityum/potasyum karbonat karışımı	900-920
Katı oksit	Stabilize zirkonyum oksit	1170-1270
Biyolojik	Sodyum klorür	Çevre sıcaklığı
Doğrudan metanol	Sülfürik asit veya polimer	320-390

Mekan ısıtma amacıyla sözü geçen teknolojilerin yanı sıra hidrojenin metal tarafından soğurulması sırasında çevreye ısı veren metal hidrürlerin kullanıldığı çevrimler de uygulanabilir.

Gaz şebekesinden (<10 Mwe) hidroelektrik kapasite elektrolize hidrojene dönüştürülerek gerektiğinde kullanılmak üzere depolanabilir.

ULAŞIMDA HİDROJEN

Yanma sonucu çoğu yakıtlarda ortaya çıkan zararlı atıklara hidrojende rastlanmamaktadır. Buna karşın düşük yoğunluğu nedeniyle hidrojen taşıtlarda diğer yakıtlardan daha geniş depolama hacmi gerektirmektedir.

Tablo 8 : Ulaşım sektöründe yakıt ikame olasılıkları

Alt Sektörler	Kullanılan Yakıt	İkame Potansiyeli
Demiryolları	Dizel	Elektrik, Sıvı H2
Karayolları Otomobil Ağır Taşıtlar	Benzin Dizel	Sentetik Yakıtlar, H2 Elektrik, Sıvı H2, Hidrürler
Havayolları	Jet Yakıtı	Sentetik Yakıtlar, Sıvı H2
Denizyolları	Dizel	Sentetik Yakıtlar, Sıvı H2, Hidrürler

Ulaşımda yakıt ikame olasılıkları Tablo 8’de, muhtelif yakıtların depolamaya ilişkin bazı özellikleri Tablo 9’da verilmektedir.

Tablo 9: Bazı yakıtların depolamaya ilişkin özellikleri⁽²⁰⁾

Yakıt	Yoğunluk (kg/m^3)	Enerji İçeriği (kJ/kg) (kJ/m^3)		Kg(yakıt) Kg(depo+yakıt)
Benzin Metan Gazı Sıvı Propan Metanol Etanol Sıvı Hidrojen Hidrojen Gazı Hidrür (Mg2Ni) Sıvı Amonyak	70 114 510 797 795 71 1.07 1760 771	44.38 50.00 44.4 20.10 26.86 120.9 120.9 10.10 18.60	311.70 56.85 236.00 160.20 213.70 85.90 12.92 179.00 143.50	0.92 --- 0.80 0.92 0.92 0.40 --- 0.05 0.29

Uzay ve Havacılık

Yüzyılımızda daha ziyade roket yakıtı olarak kullanılmakta olan hidrojen çeşitli motor tasarımları ile uyumlu oluşu dolayısıyla uçaklarda da kullanılmaya başlanmıştır⁽¹⁹⁾. Yakıtın uçaklarda sıvı olarak taşınması uygun görülmektedir. Hidrojenin enerji içeriği hidrokarbon yakıtlara nazaran 2.8 kat fazla olduğundan taşınan yakıt azalmaktadır. Böylelikle jet yakıtlı bir uçağa kıyasla, kalkış ağırlığı % 25 eksilmekte ve yük taşıma mesafesi % 30-35 artmakta; kalkış daha gürültüsüz gerçekleşmektedir.

Demiryolları

Çoğu ülkelerdeki dizel-elektrik sistemli demiryolu teknolojisi hidrojen ikamesi için çok uygundur. Hidrojenin motora sıvı fazında ve alçak basınçta verilmesi öngörülmektedir. Dönüştürülmüş dizel lokomotifinin yakacağı hidrojen vakum yalıtımlı ayrı bir tanker vagon içinde 20 K sıcaklıkta sıvı fazda depolanabilir⁽²⁰⁾. Böyle bir trenin hidrojen taşıma kapasitesinin her 1000 mil için yaklaşık 6.4 TJ olduğu kabul edilerek dolum tesisleri planlanabilir.

Tablo 10 : Sentetik yakıtların ulaşımda kullanım verimi⁽²¹⁾

Sentetik Yakıt	Kaynak	Üretimden Yakmaya Kadar Net Verim (%)
Benzin	Kömür	12
Metan	Kömür	12
Metanol	Kömür	10
Hidrojen (Metal Hidrür)	Kömür	12
Sıvı Hidrojen	Kömür	12
Sıvı Hidrojen	Su Nükleer Elektrik	5

Karayolu Taşıtları

Hidrojen yakıtlı alternatif sistemlerin mevcut sistemlere kıyasla taşıt ağırlığını arttırmaması ve motor gücünü düşürmemesi hedeflenmektedir. Karayolu taşıtlarında hidrojen kullanımı motor, yakıt depolama ve yakıt aktarım sistemi tasarımlarında değişiklikler gerektirmektedir.

Yakıt depolama sisteminden örnek verilecek olursa dizel otomobillerde dizel yakıtının kendi ağırlığı tüm depolama sistemi ağırlığının % 91’ini oluştururken, metal hidrür depolama sistemi içindeki hidrojen ağırlık oranı % 5 kadardır. Buna karşın hidrojenin ısıl değeri benzinin 2.67 katı, metanolün 5.7 katıdır (Tablo 5 ve Tablo 9). Bu yakıtları karşılaştırırken üretim aşamasından motorda yakmaya kadar (yakma dahil) geçen tüm sürecin net verimini (Tablo 10) göz önüne almak yararlı olacaktır.

Dolum İstasyonları

Uzun vadede hidrojen, dolum istasyonlarına hidrojen dağıtım şebekesinden, o zaman benimsenecek teknolojiyle (büyük olasılıkla boru hatlarıyla) verilebilir.

Kısa vadede, hidrojenin dolum istasyonlarında, suyun elektrolizi ve hidrokarbonların dönüşümü yoluyla üretilmesi, kullanıcıya gaz veya sıvı fazda sunulması mümkündür(480 km lik bir yolculuk için depo dolum maliyetinin $ 16 dolayında olması beklenmektedir⁽²²⁾ ).

ÇEVRESEL AÇIDAN HİDROJEN

Halen kullanılmakta olan yakıtların çoğunda yanma sonucu ortaya çıkan karbon oksitleri, kükürt dioksit, partiküller ve koku hidrojende yoktur. Oluşabilecek NO_x miktarı daha azdır. Yanma ürünü olan su buharının yol açabileceği sera etkisi yeryüzünde yalnızca 3-4 gün içinde kaybolur. Bu süre CO₂ için 10000 kat daha uzundur.

Uçak yakıtı olarak⁽¹⁹⁾, hidrojen zayıf karışımla yandığından az NO_x oluşmakta, yanma ürünü olarak çıkan su buharı yüksek uçuş irtifalarında sera etkisine neden olmakla birlikte stratosferde kalma süresi 6 ay ile 1 yıl arasında değişmektedir. Hidrokarbon kökenli uçak yakıtlarının yanma ürünü olan CO₂ 100 yıldan fazla kalarak sera etkisini her irtifada sürdürebilmektedir.

Hidrojen, çevresel açıdan da kritik önem taşımaktadır.

SONUÇ ve ÖNERİLER

Günümüzde hidrojen teknolojileri komponent ve malzemeleri ticari olarak mevcuttur ve büyük bir hızla gelişmekte ve ucuzlamaktadır. Bundan sonraki çalışmaların daha ziyade, maliyet azaltma ve verim artırma açısından yeni tasarım ve malzeme alanlarına ve uzaydaki uygulamalara yönelik olarak gelişmesi beklenmektedir.

Hidrojenin yenilenebilir enerji kaynaklarıyla (su gücü, güneş, rüzgar) elde edilen elektriğin elektrolizde kullanılması ile sudan üretilmesi ve yakıt pilinde yakılması verim, çevre ve bağımsızlık açısından ideal seçenek olarak belirmektedir. Bu yöntemin ucuzlayıp yaygınlaşması yakın gelecekte talep artışına bağlı olarak gerçekleşecektir.

Gerektiğinde hidrojen ekonomisine geçiş, alt yapısı hazır durumdaki ülkeler, yani enerji kaynağı ne olursa olsun, dağıtımı elektrik ve gaz şebekeleriyle yapanlar için çok daha kolay olacaktır. ABD, Kanada, Japonya ve Batı Avrupa Ülkelerinin çoğu bu aşamaya varmış bulunmaktadır. İleride Avrupa Birliği enerji kullanım sistemine uyum sağlamak açısından da hidrojenle ilgili teknolojiler Türkiye için kritik önem taşımaktadır. İleride Türkiye’nin bu konuda geri kalmaması, hidrojenden güvenli bir enerji taşıyıcı ve yakıt olarak layıkıyla yararlanabilmesi için:

- Özerk bir Hidrojen Araştırma Enstitüsü’nün vakit kaybetmeden kurulması ve faaliyete geçmesi, (bu konuda oluşturulmuş olan UNIDO işbirliği potansiyelinin gerçekleştirilebilmesi için Türkiye’den beklenen yatırım payı kamu ve özel sektör kuruluşlarının ortak mali katkılarıyla sağlanabilir. Enstitü’nün hidrojenle ilgili konularda araştırma-geliştirme, danışmanlık, mevzuat ve teknoloji aktarımı, eğitim vb. gibi faaliyetlerde bulunması beklenebilir).

- Çevreyle ilgili uluslararası protokollara dahil olunması, hidrojenle ilgili ulusal politika ve sivil insiyatifler oluşturulması,

- - Elektrik ve gaz şebekelerinin geliştirilmesi,

- Muhtelif sektörlerde yenilenen teknolojinin hidrojen uyumlu olarak seçilmesi,

- Ulaşımda hidrojenin yakıt olarak kullanımı için alt yapı hazırlanması (pilot projeler, demonstrasyon taşıtları, dolum istasyonları gibi),

- Hidrojen uyumlu malzeme komponent ve teknoloji geliştirilmesi ve teknoloji transferi için mevzuat değişikliği ve teşviklerin getirilmesi,

- Hidrojenle ilgili çok hassas güvenlik sistemlerinin geliştirilmesi,

- Hidrojenle ilgili teknolojilerin verimini arttırmak ve maliyetini azaltmak amacıyla araştırmaların yaptırılması; bu çalışmaları yapan ve yaptıran kuruluşlara mali destek sağlanması,

- Hidrojenle ilgili araştırma-geliştirme yapan özel sektöre teşvikler uygulanması,

- Hidrojenin üretimi, depolanması, iletimi ve kullanımı ile ilgili güvenlik mevzuatı ve standartlarının, ayrıca hukuki mevzuatın uluslar arası eşdeğerleriyle uyumlu biçimde oluşturularak yürürlüğe konması,

- Hidrojenle ilgili tüm süreç, ekipman ve tesisat için test ve belgelendirme standartlarının uluslararası eşdeğerleriyle uyumlu olarak geliştirilmesi ve uygulanması,

- Hidrojenle uyumlu malzemelerin ve bunların amaca uygunluğunun tesbiti için inceleme (tahribatsız muayene gibi) yöntemlerin uluslar arası standartlara uygun olarak geliştirilmesi ve uygulamaya konması,

- Hidrojen konusunda çalışmak üzere ve hidrojenle ilgili kazalara müdahale etmek üzere personel yetiştirilmesi,

- Hidrojenle ilgili temel konuların okullardaki ders müfredatına eklenmesi,

- Halkın medya yoluyla hidrojen konusunda bilinçlendirilmesi,

- Doğal gaz fazlasının hidrojene dönüştürülerek kullanılması, gibi bazı öneriler hemen akla gelmektedir. Önerilen çalışmalar ister istemez yeni iş sahaları ve mesleklerin gelişmesine yol açarak ekonomiye de canlılık kazandıracak, katma değeri yüksek ürünlerin üretimini sağlayacaktır.

Bu çalışmalar için gerekli finansmanın bir kısmının, somut proje teklifleri verilerek Avrupa Birliği Fonlarından veya diğer uluslararası fonlardan sağlanması ve projelerin bilimsel araştırma merkezleri, üniversiteler ve endüstri işbirliği ile gerçekleştirilmesi mümkün olabilir.

Ayrıca, çevreyle ilgili uluslararası protokollara dahil olunması başka ülkelerin zararlı teknoloji ve atıklarının Türkiye’ye ithalini önlemek açısından çok önemlidir.

KAYNAKLAR

1. COx, K.E. ve Williamson Jr., K.D. (Ed), “Hydrogen”, CRC Press Inc. Florida, (1979).

2. Veziroğlu T.N., “Dünya Hidrojen Sistemi ve Türkiye’nin Anahtar Rolü” Temiz Enerji Enstitüsü Raporu, Miami Üniversitesi, Coral Gables, Miami,ABD.

3. Baykara S.Z. ve Bilgen E., “Solar Hidrogen Production From Water and Coal : an Engineering and Economic Assessment”, 14. Dünya Enerji Konferansı (14^th WEC), 17-22 Eylül 1989, Montreal, Kanada.

4. Bolton J.R., “Solar Photoproduction of Hydrogen”, IEA Teknik Raporu, IEA/H2/TR-96, 1996.

5. Aihara K., “On the Developmant of Hydrogen Absorbing Materials in WE-NET Project of Japan”, 14. Dünya Hidrojen Enerjisi Konferansı, 9-13 Haziran 2002, Montreal, Kanada.

6. Tanaka K., Yin J. Ve Tanaka N., “Hydrogen Storage Properties of Nanostructured Mg-Ni-RE (=La, Nd) Alloys Produced by Melt-Spinning”, 14. Dünya Hidrojen Enerjisi Konferansı, 9-13 Haziran 2002, Montreal, Kanada.

7. Duret B, ve Saudin A., 1Microspheres for on-Board Hydrogen Storage”, Int. J. Hydrogen Energy, 19 (9), 757, 1994.

8. Hodge, M.T., vça, National Bureau of Standards, (US) Misc. Publ. M191, 1948.

9. Penner, S.S., ve Icerman, L., “Non Nuclear Energy Technologies”, Addison Wesley, 1975.

10. Sherif, S. vça, “Liquid Hydrogen: Potential, Problems and a Research Program”, Int. J. Hydrogen Energy, 22(7), 683, 1997.

11. Gregory D.P., “A Hydrogen Energy System”, Institute of Gas Technology, USA, 1972.

12. Anonim, Chemical Engineer, 68(18), 66, 1961.

13. “Occupational Safety and Healtlı Act of 1970, PL 91-596 (12-29-70) in U.S. Statues at Large”, 91st Congress Second Session, Vol 84, US Government Printing Office, Washington, D.C., Part 2, pp. 1590-1620, 1971.

14. Anonim, Engineering Advancement Association of Japan, “Development of Liquid Hydrogen Tanker”, NEDO-WE-NET-9452, 1995.

15. Balthasar, W. ve Rijnsoever, J.M., “Hydrogen is Safe”, CEC Synposium: Hydrogen as an Energy Vector, 12 Şubat, 1980, Brussels.

16. Dickson, E.M., “The Hydrogen Economy”, Stanford Research Inst., Menlo Park, California, Şubat 1976.

17. (a) Le Roy, R.L. ve Stuart, A.K., “Present and Future Costs of Hydrogen Production by Unipolar Water Electrolysis”, Proceedings, Vol. 78-4, P. 117, The Electrochemical Society Inc., Princeton, 1978.

17. (b) Hashimoto A., Hashizaki K. Ve Shimizu K., “Development of PEM water electrolysis type hydrogen production system for WE-NET”, 14. Dünya Hidrojen Enerjisi Konferansı, 9-13 Haziran 2002, Montreal, Kanada.

18. Cameron, D.S., “World Development of Fuel Cells” Int. J. Hydrogen Energy, 15(9), 669, 1990.

19. Pohl, H.W. vça, “Hydrogen in Future Aviation”, Int. J. Hydrogen Energy, 22(10/11), 1061, 1997.

20. Anonim, “Canadian Railway Energy Conservation and Alternate Fuels”, Canadian Institute of Guiden Ground Transport, Queens University, Kingston, Rapor No. 78-13.

21. Pangborn, J. vça, “Alternative Fuels for Alternative Transportation – A Feasibility Study”, US Environmental Protection Agency, 1974.

22. Schoenung, S.M.,”A Comparison of Hydrogen Vehicle and Refueling Infrastructure Alternatives: An Analysis Developed of the International Energy Agency”, 14. Dünya Hidrojen Enerjisi Konferansı, 9-13 Haziran 2002 Montréal, Canada.