GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK

8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK

1/55


2/55

I

TEŞEKKÜR

Bitirme ödevimin konusunun seçiminde ve çalışmalarım süresince bilgi veyardımlarını esirgemeyen bitirme ödevi yöneticim sayın hocam Doç. Dr. KadirBAKIRCI’ ya en içten teşekkürlerimi sunarım.

Fatih ÇELİK


3/55

II

İÇİNDEKİLER

TEŞEKKÜR .................................................................................................................... I

1. GİRİŞ ........................................................................................................................... 1

1.1. Genel Bilgiler ............................................................................................................. 1

1.1.1. Güneş Enerjisi ile İlgili Temel Bilgiler ................................................................... 1

1.1.2. Hidrojen ile İlgili Temel Bilgiler ............................................................................ 2

1.1.2.1. Hidrojenin Özellikleri .......................................................................................... 3

1.2. Yakıt Olarak Hidrojen ................................................................................................ 4

1.3. Hidrojenin Kullanıldığı Alanlar ................................................................................. 7

1.3.1. Kimyasal Madde Olarak Kullanıldığı Alanlar ........................................................ 7

1.3.2. Yakıt Olarak Kullanıldığı Alanlar ........................................................................... 8

1.4. Çalışmanın Amacı ve Kapsamı .................................................................................. 8

2. GÜNEŞ ENERJİSİNDEN HİDROJEN ÜRETİMİNİN

SINIFLANDIRILMASI .......................................................................................... .12

2.1. Fotovoltaik Yöntemle Hidrojen Üretimi ................................................................. 13

2.1.1. Fotovoltaik Sistemin Genel Bölümleri.................................................................. 15

2.1.2. Fotovoltaik Teknolojisinin Dünyadaki Durumu ................................................... 17

2.2. Fotoelektrokimyasal Hidrojen Üretimi .................................................................... 20

2.2.1. Fotoelektrokimyasal Yöntem ile Hidrojen Üretimi .............................................. 20

2.2.2. Fotoelektroliz Sistem Tasarımı ............................................................................. 22

2.2.3. Fotoelektrolizin Hidrojen Ekonomisi Üzerine Etkisi ............................................ 23

2.3. Fotobiyolojiksel Hidrojen Üretimi ........................................................................... 24

2.3.1. Direk Biyofotoliz .................................................................................................. 25

2.3.2. İndirek Biyofotoliz ................................................................................................ 27

2.3.3. Foto-Fermantatif Prosesler .................................................................................... 28

2.3.4. Karanlık Fermantasyon ......................................................................................... 31

2.4. GüneşEnerjisi Destekli Yüksek Sıcaklık Hidrojen Üretimi ..................................... 33

2.4.1. Güneş Termoliz .................................................................................................... 33

2.4.2. Güneş Termokimyasal Çevrimler ........................................................................ 34

2.4.3. Güneş Karbonsuzlaştırma .................................................................................... 37


4/55

III

2.4.4. Güneş Termal Esaslı Elektrolizör ......................................................................... 39

3. DEPOLAMA VE TAŞIMA ...................................................................................... 40

3.1. Depolama ................................................................................................................. 40

3.1.1. Sıkıştırılmış Hidrojen ........................................................................................... 41

3.1.2. Sıvılaştırılmış Hidrojen ......................................................................................... 41

3.1.3. Metal Hidrürler ...................................................................................................... 41

3.1.4. Karbonda Depolama.............................................................................................. 44

3.1.5. Metanol ................................................................................................................. 46

3.1.6. Benzin ve Diğer Hidrokarbonlar ........................................................................... 46

3.1.7. Sabit Depolama ..................................................................................................... 47

3.2. Taşıma ..................................................................................................................... 48

SONUÇ ........................................................................................................................... 49

KAYNAKLAR .............................................................................................................. 50


5/55

1

1. GİRİŞ

1.1. Genel Bilgiler

1.1.1. Güneş Enerjisi ile İlgili Temel Bilgiler

Güneş enerjisi, güneşteki hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklindeki füzyon

sürecinden açığa çıkan ışıma enerjisidir. Termonükleer bir reaktör olan güneşten çeşitli

dalga boylarında (62 MW/2) enerji yayılmakta ve güneşin bütün yüzeyinden yayılanenerjinin sadece iki milyarda biri yeryüzüne gelmektedir. Dünya’ya güneşten, 150 milyon

km kat ederek gelen ener ji, dünyada bir yılda kullanılan enerjinin yaklaşık 15 bin katıdır.

Güneş enerjisinin atmosfer dışındaki ışınım değeri yaklaşık 1.370 MW/2‘dir. Güneş

enerjisinin yeryüzündeki dağılımı dünyanın şekli nedeniyle büyük farklılıklar

göstermekte olup, dünyaya gelen ortalama güneş enerjisi 0 – 1.100 MW/2

mertebesindedir. Güneş radyasyonununenerji olarak % 46’sı spektrumun kızılötesi bölgesinde, % 45’i görünür ışık bölgesinde geri kalan yüzdesi de mor ötesinde bulunur.

Güneş ışınımının tamamı yer yüzeyine ulaşmaz, % 30 kadarı dünya atmosferi tarafından

geriye yansıtılır, % 50’si atmosferi geçerek dünya yüzeyine ulaşır. Güneşten gelen

ışınımının % 20’si ise, atmosfer ve bulutlarda tutulur. Bu enerji ile Dünya’nın sıcaklığı

yükselir ve yeryüzünde yaşam mümkün olur . Rüzgar hareketlerine ve okyanus

dalgalanmalarına da bu ısınma neden olur. Yer yüzeyine gelen güneş ışınımının % 1’denazı bitkiler tarafından fotosentez olayında kullanılır. Bitkiler, fotosentez sırasında güneş

ışığıyla birlikte karbondioksit ve su kullanarak, oksijen ve şeker üretirler. Fotosentez,

yeryüzünde bitkisel yaşamın kaynağıdır. Dünya’ya gelen bütün güneş ışınımı, sonunda

ısıya dönüşür ve uzaya geri verilir.

Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970’lerden sonra hız

kazanmış, güneş enerjisi sistemleri, teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından


6/55

2

düşme göstermiş ve güneş enerjisi çevresel bakımdan temiz bir enerji kaynağı olarak

kendini kabul ettirmiştir.

1.1.2. Hidrojen ile İlgili Temel Bilgiler

Hidrojen “su yaratıcı” anlamında bir sözcüktür. Saf hidrojen (H2) yapay bir maddedir;

doğal olarak yeryüzü atmosferinde sadece 1 ppm gibi eser miktarlarda bulunur, oysa

Jüpiter’in %75’i, Evrendeki atomların %90’ı hidrojendir. Yeryüzündeki hidrojen su

molekülünde, canlılarda ve fosil maddelerde bulunur.

Hidrojeni 1520’de ilk defa Paracelsus kullandı, element olarak keşfi ise 1766 yılında

İngiliz fizikçi Henry Cavendish tarafından gerçekleştirildi. Antoine-Laurent de Lavoisier,

bu elemente 1781 de, havada yandığı zaman su meydana geldiğinden Yunanca su

anlamına gelen ‘hidro’ ile oluşum anlamındaki ‘genes’ terimlerinin birleştirilmesiyle

‘hidrojen’ adını verdi ve ilk hidrojen gazı 1782 de Jacques Charles tarafından üretildi.

Hidrojen, geçmişten yakın zamana kadar endüstriyel bir kimyasal madde olarak

kullanılmıştır; en yaygın kullanım alanı rafinerilerde ham petrolün işlenmesi


7/55

3

prosesleridir. Hidrojenin bir kimyasal madde olmasının dışında, bir enerji kaynağı olarak

kullanılabildiği teknolojilerin geliştirilmesi çağımızın önemli buluşlarındandır. 19.

Yüzyılda Jules Verne de, bilim adamlarımız günümüzde gerçekleştirdiği bu gelişimi

öngörerek, gelecekte hidrojenden bir enerji kaynağı olarak yararlanılabileceğini

söylemiştir.

1.1.2.1. Hidrojenin Özellikleri

Hidrojen periyodik sistemin ilk elementidir. H sembolüyle gösterilen hidrojen atomu +1değerli bir çekirdek ve 1 elektrondan oluşur, atom ağırlığı 1.008’dir; buna protyum denir.

İki hidrojen izotopu daha vardır; bunlar az miktarda bulunan deuteryum (bir pr oton ve bir

nötron) ve doğal olarak bulunmayan yapay olarak üretilen radyoaktif trityumdur (bir

proton ve iki nötron).

Hidrojen molekülü, bir elektronu olan pozitif yüklü iki hidrojen atomundan oluşur;

normal şartlar altında renksiz, kokusuz, toksik olmayan, havadan ve helyumdan dahahafif ve gaz halindedir, –253

0C’nin altında (20.3 K) sıvı (deuteryum) ve 11 K derecede

katı (trityum) haldedir (Tablo-1).

Boron (NaBH4) bileşikleri metal hidratlar arasında en güvenli hidrojen kaynakları ve

depolarıdır; suda %50’den fazla konsantrasyonlardaki çözeltisine “sodyum borohidrür”

denir, yakıt olarak kullanılır ve bu konsantrasyonlarda alevlenmez. Borohidrür toksik

değildir, yandığı zaman çevreye zarar vermeyen normal boraksa dönüşür. Türkiye

dünyadaki en büyük boron üreticisidir (Tablo-2)


8/55

4

1.2. Yakıt Olarak Hidrojen

Hidrojenin, kullanılmakta olan yakıtların yerini alması halinde sağlanacak faydaları ve

karşılaşılacak problemleri belirlemek için Hidrojenin özellikleri diğer yakıtlarla Tablo

1.1’de karşılaştırılmıştır.


9/55

5

a-Hidrojen en hafif gaz olduğu için birim kütlesinin yanma enerjisi diğer yakıtlardan çok

büyük olduğu halde, birim hacminin yanma enerjisi diğerlerinden çok düşüktür.

2+1

2---------------2 + Q

Q = 120 kJ/g alt yanma ısısı

Q = 140 kJ/g üst yanma ısısı

Q = 11,6 kJ/lt alt yanma ısısı

b-Patlama ve yanma tehlikesi diğer yakıtlardan daha yüksek değildir. Oksijen ve hava ile

500°C üstündeki sıcaklıklarda kendiliğinden yanar. Daha düşük sıcaklıklarda elektr ik

kıvılcımı veya platin, palladyum gibi katalizörlerle reaksiyon başlatılırsa yanar.

c- Yanma ürünleri yalnız sudur. Azot oksitlerde oluşabilir ancak 800°C'deki katalitik

yanma sureti ile azot oksit () oluşumu önlenebilir.

d- Zehirli olmayan renksiz ve kokusuz bir gazdır.

e- Hidrojenin düşük tutuşma enerjisi ve geniş alev alma sınırları yanma olayında

kolaylıklar sağladığı gibi erken tutuşma türünden problemlere de neden olur. Bu problemler, motorda egzoz gazının sirküle ettirilmesi, motora su enjek siyonu gibi bazı

dizayn teknik leri ile ortadan kaldırılabilmektedir.

f- Hidrojen içinde bulunduğu ortamın duvar malzemesine etki ederek onu deforme eder.

Bazı elementlerle veya metaldeki bazı safsızlıklarla reaksiyona girerek malzemeyi bozar,

karbonla metan, oksitlerle buhar meydana getirir. Yada hidrojen önce malzeme yüzeyinde

adsorblanıp sonra alaşım içine difüzlenerek hidrojen gevrekliği denilen kırılganlığa neden

olur. Basınç ve sıcaklık arttıkça hidrojen gevrekliği artar. Bu nedenle hidrojen depolama


10/55

6

tankları, nakil boruları, pompaları hidrojenden etkilenmeyen malzemeden yapılmalıdır.

Hidrojene dayanıklı malzemeler şöyle sınıflandırılmıştı:

- Hidrojenden çok etkilenen malzemeler: Çok sert çelik

- Hidrojenden etkilenen malzemeler: Nikel ve alaşımları, titanyum ve alaşımları,

yumuşak çelik

- Hidrojenden az etkilenen malzemeler: Paslanmaz çelik

- Hidrojenden etkilenmeyen malzemeler: Monel, Alüminyum, Bakır ve alaşımları

(%71 Ni -% 29 Cu)

g-Ticari hidrojen basınçlı gaz veya sıvı hidrojen seklinde depolanıp nakledilmektedir.

Gaz hidrojen tanklarda 350 bar'a kadar sıkıştırılıp depolanmakta,140 bar'a kadar basınç-

lı tüplerde veya 3-50 bar basınçta gaz boruları ile nakledilmektedir. Borularla hidrojen

gazının nakli doğal gaz naklinden daha pahalıdır. Sıvı hidrojen 1 litreden 2,5 3'e kadar

değişik hacimlerde dewar kaplarında saklanır. Dewar kabı olarak vakumlaştırılmış perlit,

köpük veya çok tabakalı süper yalıtkanlar kullanılır.

Hidrojeni daha uygun ve ekonomik bir şekilde depolamak için yeni yöntemler araştırıl-

maktadır. Metal hidritleri , metanolve amonyak gibi bileşikleri ve kriyo adsorblanmış

(Silika veya aktif karbona 65-100°K adsorbe ettirilerek) hidrojen halinde depolanmakta-

dır). Birçok metal ve alasımlar hidrojenle birleşerek hidr itleri meydana getirirler. Bazıları

düşük sıcaklık (0-200°C) ve basınçlarda (1-10 bar) kolaylıkla hidrojenlenebilir ve sonra

hidrit kolaylıkla hidrojen verebilir. Magnezyumhidrit (2), demirtitanyum- hidrit

() ve nadir toprak metallerinin geçiş elementleri ile yaptığı bileşiklerin hidritleri

( 5) hidrojen depolamada kullanılmaktadır.


11/55

7

h-Ticari hidrojenin satış fiyatı petrolden yüksektir. Birim maliyeti ucuz olacak üretim

yöntemleri geliştirilmelidir.

Tablo 1.1

B E N Z İ N

H İ D R O J E N

M E T A N

P R O P A N

M E T A N O L

Alt Yanma Isısı ( 1000 kJ/kg ) 44 120 50 48 20Yoğunluk ( kg/lt ) - 0.071 0.425 0.58 0.79

Min. Tutuşma Enerjisi ( MJ/kg ) 0.25 0.02 0.28 0.25 -

Tutuşma Sıcaklığı ( °C ) 440 585 540 510 385

Sönme Mesafesi ( cm ) 0.25 0.06 - - -

Alev Alma Limiti ( % Hacim Hava )1.3-7.1

4-75 5-152.2-9.5

6.7-13.6

Stokiometrik Karışım ( % Hacim Hava)

1.7 29.6 9.5 - -

Max. Alev Hızı ( Laminer cm/sn ) 30 270 38 40 12.3Alev Emisivitesi 0.1 0.1 - - -

Hava Düfüzyonu (cm2/sn) 0.08 0.63 0.2 - -

1.3. Hidrojenin Kullanıldığı Alanlar

Hidrojen bugüne kadar genellikle kimya sanayiinde hammadde olarak kullanılıyordu.

Son zamanlarda enerji kaynağı olarak kullanılmaya başlandı ve ekonomik bir yakıt haline

getirebilmek için birçok araştırmalar yapılmaktadır.

1.3.1. Kimyasal Madde Olarak Kullanıldığı Alanlar

- Amonyak sentezi,

- Metanol üretimi,

- Petrol rafinerisi,


12/55

8

- Doymamış yağların hidrojenasyonu,

- Oksijen-Hidrojen kaynağı,

- Birçok kimyasal maddelerin üretimi,

- Sentetik sıvı ve gaz yakıtların üretimi, yarı iletken endüstrisi, çelik rafinasyonu, izotop

ayırma.

1.3.2. Yakıt Olarak Kullanıldığı Alanlar

- Uzay araştırmaları ve uçaklarda, - Kara ulaşımında,

- Elektrik üretiminde,

- Binaların ısıtılmasında,

- Soğutmada,

- Su ısıtmada,

- Pişirmede,

- Sanayide ısıtma işlemlerinde.

Hidrojeni yakmak için uzay araştırmalarında roket motorları, uçaklarda turbo makinalar,

taşıtlarda içten yanmalı motorlar, elektrik üretimi için yakıt hücreleri veya magneto

hidrodinamik jeneratörler, ısıtma, pişirme vs. için katalitik ocaklar veya alev ocakları

kullanılır.

1.4. Çalışmanın Amacı ve Kapsamı

Günümüzde enerji ihtiyacının büyük bir bölümü kömür, petrol ve doğal gaz gibi fosil

yakıtlardan karşılanmaktadır. Fosil yakıt kaynakları sınırlı olup, çevre açısından zararlı

emisyonlara ( karbondioksit, kükürt dioksit, azot oksit emisyonları vb. gibi ) neden ol-

maktadır. Dolayısıyla, dünyanın giderek artan enerji gereksinimini çevreyi kirletmeden

ve sürdürülebilir olarak karşılayabilecek en önemli alternatif enerji taşıyıcısının hidrojen

olduğu düşünülmektedir. Hidrojen, karbon ve sülfür içermediği için yanma sırasında poliaromatik hidrokarbonlar ve 2 oluşmamaktadır. Hidrojen bir yakıt olarak yakıt


13/55

9

pillerinde değerlendirildiğinde yalnızca su açığa çıkmaktadır. Yapılan çalışmalar evrende

bol miktarda bulunan hidrojenin, bir yakıt için gerekli özelliklerin birçoğuna sahip

olduğunu göstermektedir.

Motor ve araç teknolojisi açısından alternatif olarak seçilen yakıtın; kullanımı,

depolanması doğal dengenin korunması ve fosil yakıt türleri ile rek abet edebilir bir

karakteristiğe sahip olmasını gerektirmektedir. Hidrojenin birçok yönüyle ekolojik açıdan

avantajlı olduğu bilinmektedir. Hidrojen yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı ile

(rüzgar, güneş, biyokütle vb.) elde edilebilmektedir. Hidrojen geleceğin en önemli enerji

taşıyıcısıdır. Ayrıca hidrojen diğer fosil yakıtlarla kullanılabilme özelliğine de sahiptir.

Bu özelliğiyle de birçok avantajlar sağlamaktadır: Bunlar arasında;

• Yakıt/hava karışım oranının düşürülmesi sonucu ve emisyonlarının azalması

ve ısıl verimliliğin artması,

• Yakıt karışımının alev hızının artması, gibi hususlar yer almaktadır.

Günümüzde gelişmiş ülkelerde birçok uygulama için hidrojenden faydalanılmaktadır.

Amonyak ve metanol üretimi, petrol rafinasyonunda gerçekleştirilen hidro parçalama ve

sülfür giderme prosesleri hidrojenin başlıca kullanım alanlarıdır. Ayrıca cam ve metal

sanayinde indirgen atmosfer yaratmak için, yağ sanayinde hidrojenasyon için ve uzay

çalışmalarında roket yakıtı olarak da hidrojenden faydalanılmaktadır. Son yıllarda hidro jenin içten yanmalı motorlarda ve yakıt pillerinde bir yakıt olarak kullanımı yönünde

de önemli araştırma ve uygulama çalışmaları yapılmakta olup, sonuçlar umut vericidir.

Bugün gelişmiş ülkelerde yoğunlaşan bu araştırmalar artık ticari ve endüstriyel bir boyuta

taşınmış olup; birçok başarılı projenin tanıtımı yapılmaktadır. Örneğin, BMW firması bu

alanda ilk iki yakıtlı (benzin ve hidrojen) aracı pazara sunmak üzeredir. Ya- kın bir

gelecekte yakıt pilli araçların da üretimine geçileceği beklenmektedir.


14/55

10

Fosil yakıtların yakın bir gelecekte tükenecek olması ve fosil yakıtlardan kaynaklanan

çevre kirliliği problemleri (2,

,

vb. emisyonları) nedeniyle alternatif enerji

kaynaklarıve kullanımı üzerine araştırmalar hız kazanmıştır. Alternatif enerji

kaynaklarının kullanılabilirliği değerlendirilirken, söz konusu kaynağın dünyanın enerji

ihtiyacına ne oranda katkı sağlayabileceği ve kullanım sırasında çevresel açıdan ne

oranda zararlı olup olmadığı en önemli iki parametredir.

Hidrojen sentetik bir yakıt olup, üretim kaynakları son derece bol ve çeşitlidir. Bunların

en başta gelenleri arasında su, kömür ve doğal gaz sayılabilir. Hidrojen, bilinen tüm ya-

kıtlar içerisinde birim ağırlık başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir (120.000 kJ/kg).

Sıvı haline dönüştürüldüğünde gaz halindeki hacminin sadece 1/700’ünü kaplar. Saf

oksijenle yandığında sadece su ve ısı açığa çıkar. Hava ile yandığında ise azot oksitler

açığa çıksa da diğer yakıtlara göre kirliliği son derece azdır. Bu açılardan hidrojen,

geleceğin ikincil enerji kaynağı olma yönünde önemli bir avantaja sahiptir.

Hidrojen doğal gaz, petrol ürünleri, kömür gibi fosil yak ıtlardan ve sudan elde

edilmek tedir. Elektroliz yöntemi ile sudan hidrojen üretimi oldukça pahalıdır.

Günümüzde hidro jen üretimi için en çok kullanılan diğer yöntemler, ototermal dönüşüm

reaktör sistemleri (autothermal reforming) , kısmi oksidasyon (partialoxidation) sistemleri

ve su buharı ile katalitik dönüşüm sistemleri (steamreforming) şeklindedir.

Dünya genelinde üretilen hidrojenin % 48’i doğal gazdan üretilmektedir. Bunun nedenidoğal gazın hidrojen oranı yüksek, nispeten ucuz, temiz, şebeke altyapısı yeterli ve

rezervleri yüksek bir yakıt olmasıdır. Ayrıca doğal gazdan hidrojen üretim sistemleri de

diğer kaynakları kullanan sistemlere nazaran daha basit ve yatırım maliyeti daha düşük

olan sistemlerdir.

Üretim esnasında, hidrojen ile birlikte karbon monoksit, karbondioksit ve reaksiyon

sırasında ürüne dönüşmemiş metan açığa çıkmaktadır. Açığa çıkan karbon monoksit, yüksek ve düşük sıcaklık -2reaksiyonları ve seçici karbon monoksit


15/55

11

reaksiyonlarıile hidrojen ve karbondioksite dönüştürülmektedir. Doğal gazın yanı sıra

diğer hidrokarbon yakıtlardan da ( Metanol, LPG, Nafta, Benzin) su buharı ile katalitik

olarak hidrojen üretilebilmektedir. Hidrokarbon yakıtın ortalama molekül ağırlığı arttıkça

hidrojen üre- tim prosesinde zorluklar da (koklaşma, buharlaştırma için enerji ihtiyacı vb.

gibi) art- maktadır. Hidrokarbon yakıtın sülfür içeriği de proseste önemli katalizör

zehirlenmesi problemlerine yol açmaktadır. Hidrojen, hidrokarbon yakıtların su buharı

oksidasyonu üretim yöntemine alternatif olarak, saf oksijen veya hava ile kısmi

oksidasyon, piroliz ve ototermalreforming (kısmi oksidasyon ve su buharı oksidasyonu

bir arada ) reaksiyonları ile de üretilebilmektedir.

Yakıt pili teknolojileri, yüksek verimleri ve düşük emisyon değerleri nedeni ile hidrojenin

kimyasal enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürüldüğü önemli bir enerji dönüşüm ve

üretim teknolojisidir. Geliştirilmiş olan yakıt pilli mikro kojenerasyon sistemlerinin

temelde, yakıt dönüştürme sistemi, yakıcı, enerji koşullandırma sistemi ve yakıt pilinden

oluştuğu görülmektedir. Teknoloji olarak ergimiş karbonatlı yakıt pilleri (EKYP), katı

oksit yakıt pilleri (KOYP) ve PEM (Proton Exchange Membrane) yakıt pillerinin yoğun

olarak çalışıldığı görülmektedir. İki farklı alternatif üzerine odaklanılmıştır. Enerji

taşıyıcısı olarak hidrojen, bu teknolojiler sayesinde önemini giderek arttırmaktadır.

Ancak gerçek anlamda hidrojen ekonomisine geçiş için stratejik ve teknolojik anlamda

halen çözümlenmesi gereken önemli konuların olduğu değerlendirilmektedir.


16/55

12

2. GÜNEŞ ENERJİSİNDEN HİDROJEN ÜRETİMİNİN SINIFLANDIRILMASI

Güneş enerjisinden hidrojen üretimi dört ana grupta toplanabilir;

1-) Fotovoltik (PV)

2-) Fotoelektrokimyasal

3-) Fotobiyolojiksel

4-) Güneş termal enerji

Güneş enerjisinden sağlanan termal enerji iki farklı yolla kullanılabilir; düşük sıcaklık ve

yüksek sıcaklık (aynı zamanda yoğunlaştırılmış güneş enerjisi olarak da adlandırılabilir).

Fotovoltaik, fotoelektrokimyasal ve fotobiyolojik hidrojen üretim sistemleri düşük

sıcaklık uygulamaları olarak verilirken güneş termoliz, güneş termokimyasal çevrimler,

güneş enerjili gazlaştırma, güneş reformasyon ve güneşli kraklama yoğunlaştırılmış

güneş enerjisinin yüksek sıcaklık uygulamasıdır. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi buharüretmekte kullanılabilir. Daha sonra buharın gücü kullanılarak elektrik ür etilebilir.

Üretilen hibrit güneş termal-elektrik sistemi ile üretilen elektrik elektroliz ile hidrojen

üretiminde kullanılabilir. Güneş-hidrojen enerjisi sistemi üretimden uygulamaya kadar

işletim prosesleri Şekil 1’de verilmiştir.


17/55

13

Şekil 1. Güneş-hidrojen üretim sistemleri

2.1. Fotovoltaik Yöntemle Hidrojen Üretimi

Hidrojen üretimi için en basit yöntem doğru ak ım kullanılarak suyun, hidrojen ve oksijene

ayrılması işlemi olan elektroliz yöntemidir.

Şekilde fotovoltaik teknolojiyi kullanarak hidrojen üretiminin şematik sunumu

verilmiştir.

Şekil. Fotovoltaik hidrojen üretim sistemi


18/55

14

Elektroliz için gerekli olan elektrik enerjisi genellikle güneş enerjisinden doğrudan

elektrik üreten fotovoltaik gözelerden sağlanmaktadır. Literatürde fotovoltaik elektrolizör

sistemleri üzerine deneysel ve teoriksel olmak üzere çeşitli çalışmalar vardır.

Deneysel çalışmalarda, çeşitli teknolojiler testedilmiş, gerçek durumlardaki sistem

performansları çalışılmış ve güvenlik durumları verilmiştir. Teoriksel çalışmalarda,

seçilen şartlar için toplam sistem performansı değerlendirilerek, hidrojenin üretim

maliyetinin şimdiki ve gelecek teknolojiler için tahmin edilmiştir. Bazı diğer durumlar

için fotovoltaik ve elektrolizör yardımcı sistemlerin genellikle optimize edilmiş işletimleri

ve gerçek çalışmalardaki güneş- hidrojenin maliyeti bildirilmiştir. Elektroliz hücresi için

gerekli elektrik fotovoltaik panellerden sağlanabildiği gibi, yoğunlaştırılmış güneş

enerjisi ile önce buhar elde etmek ve buhar türbinleri ile üretilen elektriğin yine elektroliz

hücrelerinde kullanılması mümkündür. Burada önemli olan yüksek çevrim verimi ve

düşük maliyettir. Prensip olarak, bir elektroliz hücresi içinde, genelde düzlem bir metal

veya karbon plakalar olan, iki elektrot ve bunların içine daldırıldığı, elektrolit olarak

adlandırılan iletken bir sıvı bulunmaktadır. Doğru ak ım kaynağı bu elektrotlara

bağlandığında ak ım, iletken sıvı içinde, pozitif elektrottan (anot), negatif elektroda (katot)

doğru akacak tır. Bunun sonucu olarakda, elektrolit içindeki su, katottan çıkan hidrojen ve

anottan çıkan oksijene ayrışacak tır. Burada yalnız suyun ayrışmasına kar şılık, su iyi bir

iletken olmadığı için elektrolitin içine iletkenliği ar ttırıcı olarak genelde

potasyumhidroksit gibi bir madde ilave edilir. Elektrokimyasal reaksiyonlar şu şekilde

verilmektedir;

4H2O + 4e- → 2H2 + 4OH- (katottaki kimyasal değişme) (1)

4OH- → 2H2O + O2 + 4e- (Anottaki kimyasal değişme) (2)

H2O + elektrik → H2 + ½O2 + ısı (Toplam reaksiyon) (3)


19/55

15

Fotovoltaik-elektrolizör sistemlerde güneş enerjisi ile hidrojen üretimi iki basamak lı

olarak gerçek leştirilir. Burada ilk basamakta, genelde silisyumdan yapılan güneş pili

vasıtasıyla doğru ak ım elde edilir daha sonra bu ak ım, bir elektroliz hücresinin

elektrotlarına verilerek suyun oksijen ve hidrojene ayrıştırılması gerçek leşir. Güneş

gözeleri güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yar ı-iletken sistemlerdir.

Paneller birçok fotovoltaik (PV) hücreden meydana gelir ve bu sistemler bazen tek

başlarına bazen de diğer konvansiyonel kaynaklarla beraber kullanıla bilirler. Güneş

gözelerinin verimi, ortalama %18, elektroliz hücresi verimleri ise %75-80 ar asında

alınabilir. Elektrolizin verimi, verilen bir ak ım değeri için ayrışma voltajını düşürmekle

ar ttırıla bilir. Voltaj düşürme işlemi ise elektrot yüzeyi elektroliz işlemini hızlandıracak

şekilde ayarlanmalıdır. Geliştirilen yöntemlerden bir tanesi, ince toz haline getirilmiş

platin par çalarının herhangi bir metal taban üzerine kaplanmasıdır. Fakat platinin çok

pahalı bir metal olması nedeniyle, diğer elektrot yüzeyleri de kullanıla bilir. Pratikte

kullanılan elektroliz hücrelerinde, nikel kaplı çelik elektrotlar kullanılmaktadır.

Elektrotların etkin alanları ve dolaysıyla elektroliz işlem hızı, gözenekli nikel şeritleri bir

tel örgü üzerine yer leştirmekle ar ttırılır. Araştırmalar, elektroliz işleminden daha yüksek

verim elde etmek için elektrot yapılarını ve yerleştirme düzenekleri üzerinde devam

etmektedir. Endüstriyel elektroliz hücrelerinde genellikle, tank tipi ve süzgeçli pres olmak

üzere iki tür elektrot düzenlemesi yapılmaktadır. Hidrojen üretiminin ekonomikliği

kullanılan metodun verimliliğine bağlı olup, hidrojendeki enerji çık tısının girdiye oranı

olarak ifade edilebilir. Elektroliz yoluyla hidrojen üretim verimi sadece elektrik

düşünüldüğünde %80’dir. Fakat bu elektrik üretiminin ısı verimi hafif su reaktörlerinde

yak laşık %34’den, gelişmiş sistemlerde %50’ye kadar değişir ve ortalama olarak %25–

40 civar ındadır. Bu sistemler, düşük verimlerine kar şın, çevre üzerine olumsuz hiçbir

etkisinin olmaması ve güneş enerjisi kullandığı için son derece önem taşımaktadırlar.

2.1.1. Fotovoltaik Sistemin Genel Bölümleri

Bir güneş pili, aktif fotovoltaik malzeme, metal ızgaralar, yansımayı önleyici tabakalar

ve destekleme malzemesinden oluşur. Tamamlanmış bir güneş pili, güneş pili içerisine

giren güneş ışığını maksimum yapmak ve pilden en yüksek verimi elde etmek için


20/55

16

optimize edilmektedir. Güneş pilleri ve bağlantı telleri kırılgan ve aynı zamanda, nem ve

uygulanacak baskı ile kolayca aşınabilecek bir yapıdadır. Tek bir güneş pilinin gerilimi

0,5 V civarındadır, bu nedenle çoğu uygulamada yeterli olmamaktadır.

Fotovoltaik modüller, güneş pillerinin paralel veya seri olarak bağlanması ile elde

edilirler. İki güneş pili paralel bağlandığında, voltaj sabit kalırken akım iki katına çıkar,

seri bağlandığında ise, akım sabit kalırken, voltaj iki katına çıkar. Bu şekilde, gerilimi 14-

16 volta çıkarmak mümkündür. Fotovoltaik modüller, sert dış ortam şartları için

tasarlanmaktadır. Güneş pillerinin ve elektriksel bağlantıların dış ortamdan korunması

için modüller kapsüllenirler. Fotovoltaik paneller, fotovoltaik modüllerin, paralel veya

seri olarak bağlanması ile elde edilirler. Bu şekilde 12-600 V arasında gerilim elde etmek

mümkün olabilmektedir.

Şekil 1. Fotovoltaik modül ve panel uygulamaları


21/55

17

Şekil 2. Güneş pili, modül ve panele ait görünüm

Fotovoltaik modüllerin birlikte kullanıldıkları cihazlar arasında, batarya (battery), şarj

kontrolcüleri (charge controller), evireç (inverter) ve tepe güç noktası takipçisi (peak -

powertrackers) bulunmaktadır.

Bataryalar, fotovoltaik sistemlerde, geceleri veya fotovoltaik sistemler talebi

karşılayamadığı zamanlarda, güç sağlamak için kullanılır.

Evireç, doğru akımı alternatif akıma dönüştüren cihazdır.

Şarj kontrolcüleri, fotovoltaik modüllerden gelen gücü, bataryaları fazla yüklenmeden

korumak için, ayarlamak amacıyla kullanılır.

Tepe güç noktası takipçisi, akımı maksimum yapmak için, fotovoltaik sistem tarafından

üretilen gerilimi optimize etmek amacıyla kullanılır.

2.1.2. Fotovoltaik Teknolojisinin Dünyadaki Durumu

Dünya genelinde, fotovoltaik teknoloji pazarı hızla büyümektedir ve yapılan çalışmalar

önümüzdeki yıllarda da bu büyümenin devam edeceğini göstermektedir. Tüm dünya

genelinde, toplam kapasite, 2007 sonunda, 9 GWp (gigawatt- peak) miktarını aşmıştır.

Avrupa’da yaklaşık 1,5 milyon konutun elektriği fotovoltaik sistemler ile üretilen elektrik

enerjisi ile karşılanabilmektedir. Şekil 3 ve Şekil 4’de mevcut durum ve ileriye dönük

fotovoltaik gelişimi görülmektedir.


22/55

18

Şekil 3. Yıllara göre fotovoltaik enerji kapasitesi

Şekil 4. 2012 yılına kadar dünya genelinde fotovoltaik kurulu gücü değişim öngörüsü

Geçtiğimiz son beş yılda, dünya genelinde fotovoltaik pil üretimi, yıllık bazda yaklaşık

%30 oranında bir büyüme göstermiştir. 2007 yılı dünya fotovoltaik pil üretim pazarı 2826

MW'a ulaşmıştır. 2008 yılında ise (Şekil 5), fotovoltaik piyasasında, dünya genelinde

Avrupa’nın %81’lik bir paya sahip oldu görülmektedir. Avrupa’yı %6 ile ABD ve %5 ile

Güney Kore izlemektedir.


23/55

19

Şekil 5. 2008 yılı fotovoltaik pazarının dünya ülkelerine dağılımı

Avrupa içinde ise, son yapılan yatırımlarla İspanya’nın %56, arkasından Almanya’nın

%33’lük bir payla piyasadaki yeri dikkat çekmektedir (Şekil 6).

Şekil 6. 2008 yılı fotovoltaik pazarının Avrupa ülkeleri arasındaki dağılımı


24/55

20

2.2. Fotoelektrokimyasal Hidrojen Üretimi

Bu tür yapılarda ışık soğurucu yarı-iletkenin anot veya katodu, ya da her ikisi birden

elektrokimyasal hücrenin içinde yer alabilirler. Bu yöntem, suyu hidrojen ve oksijene

ayrıştırmak için, yüksek sıcaklık veya elektriğe gerek olmadan, doğrudan güneş

enerjisinin mor ötesi (UV) bölgesini kullanmaktadır. Güneşten gelen UV ışınımları suyun

doğrudan ayrıştırılması için yeterli enerjiye sahip olmakla birlikte, atmosferdeki ozon

tabakası tarafından büyük miktarlarda tutulduklarından çok az bir kısmı dünyaya

gelebilmektedir. Gerçekte tüm canlılar için oldukça zararlı olan UV ışınımlarının, incelen

ozon tabakasından daha fazla miktarda geçmesi, fotokimyasal yöntem için verimi artırıcı

bir öğe olarak görülse de, dünyamız için ciddi bir tehlike oluşturmaktadır. Ancak

fotokimyasal yöntem için bu ışınımların güçlendirilmesi veya su tarafından

soğrulmasının arttırılması gerekmektedir. Bunun için, güneş ışınımını yoğunlaştırıcı bir

takım düzenekler ile su içerisine bazı mineral ve metaller eklenerek UV etkisi

arttırılmaktadır.

2.2.1. Fotoelektrokimyasal Yöntem ile Hidrojen Üretimi

Güneş ışığını kullanarak hidrojen üretiminin diğer bir yolu da suyun elektrolizi için

gerekli olan gücü üreten fotoelektrokimyasal hücre (PEC) adı verilen ışık toplama

sistemleridir. Bu tip yapılarda ışık absorplayıcı yarıiletkenin anot veya katodu ya da her

ikisi birden elektrokimyasal hücrenin içinde yer alabilir. Fujishima ve Honda'nın 1972

yılında ilk olarak geliştirdiği ve titanyumdioksit elektrot (TiO2) kullanılan hücrede,

hidrojen ve oksijen elde edilmesinden sonra, bu alanda büyük bir gelişme yaşanmıştır.

Homojen elektrolit içine yerleştirilmiş yarıiletken fotoelektrot (anot veya katot) güneş

enerjisi ile aydınlatılmaya başlandığında PEC su moleküllerine ayrıştırmaya yetecek

voltajı üretmeye başlar. Bu arada diğer elektrot ise genellikle metal olmaktadır .

Günümüzde, p-InP üzerine küçük Pt alanlar kaplanmış fotokatotlu hücreler %13 gibi

yüksek verim vermektedirler. n-CdS, n-TiO2 veya SrTiO3’un foto-anot olarak

kullanıldığı hücrelerden yaklaşık % 10 verim sağlanmaktadır. Fotoelektrokimyasal

hidrojen üretimi için toplam hücre reaksiyonu aşağıda verilmiştir.


25/55

21

2 hv+ H 2O(1)

Burada h Planck sabiti ve v ise frekanstır. Fotoelektrokimyasal piller, elektrotların cinsine

göre üç şekilde hazırlanır;

a) n-tipi yarıiletken anot, inert metal katot b) inert metal anot, p tipi yarıiletken katot c) n tipi yarıiletken anot, p tipi yarıiletken katot.

Yarıiletkenin elektronik yapısı yarıiletken fotokatalizlerde anahtar rol oynamaktadır.

İletkenden farklı olarak, yarıiletken değerlik ve valans bandından oluşmaktadır. Bu iki

seviye arasındaki enerji farkı band boşluğu (Eg) olarak adlandırılır. Uyarma olmadan hem

elektronlar ve hem de boşluklar valans bandında bulunur. Yarıiletkenler band boşluk

seviyelerine eşit veya daha fazla enerji içeren fotonlarla etkileştiğinde, elektronlar

fotonlardan enerji alırlar ve eğer enerji kazancı bant boşluğu enerji seviyesinden daha

yüksekse elektronlar valans bandından iletkenlik bandına yükseltilirler. Foto-üretilenelektronlar ve boşluklar ısı veya fotonların formundaki ilişkili enerji ile çok kısa zamanda

yarıiletkenlerin yüzeylerinde veya hacminde yeniden birleşebilir. Yeniden birleşme

olmadan yarıiletkenlerin yüzeyine giden elektronlar ve boşluklar sırasıyla yarıiletken

tarafından absorbe edilen reaktanlar indirgenmeli ve yükseltgenmelidir. İndirgenme ve

yükseltgenme reaksiyonları sırası ile fotokatalitik hidrojen üretiminin temel

mekanizmasıdır. Fotokatalitik reaksiyonları içeren her iki yüzey adsorbsiyonu reaktif

yüzey alanı daha kullanılabilir olduğu için nanoboyutlu yarı iletkenlerle arttırılabilir.

Fotokataliz ile sudan verimli hidrojen üretimi için valans bandı su yükseltgenme

seviyesinden daha pozitifken iletkenlik bandı seviyesi hidrojen üretim seviyesinden daha

negatif olmalıdır.

Yukarıda bahsedilen gereksinimleri karşılanmış yarıiletken tiplerinin hepsi hidrojen

üretimi için fotokataliz olarak kullanılabilir. Yinede, CdS ve SiC gibi yarıiletkenlerin

çoğu fotokorozyondan dolayı su parçalama için uygun değildir. Güçlü katalitik aktiviteye

sahip yüksek kimyasal karalılığa ve elektron boşluk çiftlerinin uzun hayatta kalma zamanı

½ O 2(g) + H 2(g)


26/55

22

göz önüne alındığında TiO2fotokataliz olarak en geniş kullanıma sahiptir. Günümüzde,

TiO2fotokatalitik su parçalama ile güneş destekli hidrojen üretiminin enerji dönüşüm

verimi hala düşüktür. Bunun ana sebepleri aşağıda verilmiştir;

1-) Foto-oluşturulan elektron- boşluk çiftinin yeniden birleşimi, iletkenlik bandı

elektronları değerlik bandı boşlukları ile çok hızlı olarak yeniden birleşebilir ve verimsiz

ısı veya fotonların formundaki enerjiyi serbest bırakır.

2-) Hızlı geriye dönük reaksiyon: suyun hidrojen ve oksijene dönüşümü enerjiyi arttıran prosestir. Bundan dolayı geri dönüşüm reaksiyonu (hidrojen ve oksijenin yeniden birleşip

suyu oluşturması) kolayca sürdürülebilir.

3-) Görünür ışıkta dönüşüm: yapılmasındaki yetersizlik. TiO2’din bant boşluğu yaklaşık

olarak 3,2 eV’dur ve yalnız UV ışık hidrojen üretimi için kullanılabilir. Görünür ışık

yaklaşık %50 oranında katkıda bulunurken UV yalnızca güneş radyasyon enerjisinin

yaklaşık %4 içinde bulunduğu için, güneş fotokatalitik hidrojen üretiminin veriminigörünür ışığın yetersiz kullanımını sınırlar.

2.2.2. Fotoelektroliz Sistem Tasarımı

Yüksek verimli ve düşük maliyetli fotoelektroliz sistemi içindeki fotoelektrot, bakır -

indiyum-galyum diselenit (CIGS) yarıiletken, katalitik ve paslanmaz çelik tabaka üzerine

kaplanmış koruyucu filmden oluşmaktadır. Burada CIGS den oluşturulan yarıiletkeneklem güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmekte olup, elektriksel iletkenliğe sahip

indiyum kalay oksit (ITO) filmi, oluşan bu akımı hidrojen reaksiyonu katalizörü olarak

davranan nikel molibden tabakaya aktarır. Yarıiletken tabakanın üzeri korozyona karşı

şeffaf bir koruyucu tabaka ile kaplanmıştır. Paslanmaz çelik tabakanın arka yüzeyi ise

oksijen reaksiyon katalizörü olarak davranan demir-nikel oksit (Fe:NiOx) ile

kaplanmıştır. Fotoelektroliz sisteminin şematik gösterimi şekilde verilmiştir.


27/55

23

Şekil.Fotoelektroliz Sistemi

Bu tasarımın, elektriksel akımın ITO tabakası boyunca toplanması nedeniyle verimi ters

yönde etkilemesi ve NiMo tabakasının küçük alanın hidrojen çevrim verimini azaltması

gibi dezavantajları bulunmaktadır. Bununla beraber, CIGS fotoelektrodu % 10’un biraz

üzeri bir verime sahip olup, gelecek için ümit vermektedir.

2.2.3. Fotoelektrolizin Hidrojen Ekonomisi Üzerine Etkisi

Yakıt pili ile çalışan araçların özellikle çevre üzerindeki olumlu etkileri göz önüne

alındığında, son zamanlarda hidrojen enerjisi üzerindeki çalışmalar gittikçe yoğunluk

kazanmıştır. Yapılan hesaplar 2010 yılında 100,000 den fazla hidrojenli aracın yollarda

olacağını göstermektedir. Buna göre yılda yaklaşık 40 milyon ton civarında hidrojen

yakıtı üretilmesi gerekmektedir. Günümüzde fosil yakıtlardan hidrojen üretim

maliyetleri, yenilenebilir enerji kaynaklarından yapılan hidrojen üretimine göre daha

ucuzdur. Mevcut doğal gaz fiyatları ile hidrojen üretimi GigaJoule başına yaklaşık 7.0

USD’dir. Buna karşın Fotoelektroliz yöntemi ile hidrojen üretim maliyeti Gigajoule

başına halen yaklaşık 41.0 USD civarındadır . Ancak, fotoelektroliz yöntemi üzerindeki

çalışmalarla bu fiyatların giderek düşeceği buna karşın petrol ve gaz fiyatlarının artışı ile

fosil yakıtlardan hidrojen üretim maliyetlerinin de giderek artacağı açıktır. Buna göre

aradaki fiyat farkının önümüzdeki 10-15 yıl içerisinde kapanması beklenmektedir.


28/55

24

2.3. Fotobiyolojiksel Hidrojen Üretimi

Fotobiyolojiksel hidrojen üretiminde bitki ve alg fotosentezi olarak aynı proses

kullanılmaktadır. Biyolojiksel hidrojen üretimi iki gruba ayrılabilir:

1-) Işığa bağlı proses

2-) Işıktan bağımsız proses

İlk proses direkt veya indirekt biyofotolizi ve fotofermantasyonu içermekte iken, ikinci proses karanlık fermantasyonu kapsamaktadır. Fotosentetik organizmalar, güneş

enerjisini bütün dünyada çok büyük miktarlarda depolayan bir enerji depolama

mekanizması oluşturmaktadır. Genel olarak fotobiyolojiksel sistemler hidrojen üretmede

bakterilerin doğal fotosentetik aktivitesini ve yeşil algleri kullanırlar. Fotosentetik

sistemler normalde CO2’di karbon hidratlara indirgerken, hidrogenaz veya nitrognaz gibi

hidrojen içeren enzimleri birleştiren fotosentetik prosesin sonunda indirgeme gibi

değiştirme şartlarını barındırması muhtemeldir. Fotosentez reaksiyonları aşağıdaki gibiverilebilir.

4H2O + 4e- 2H2 + 4OH- (katottaki kimyasal değişme)

4OH- 2H2O + O2 + 4e- (Anottaki kimyasal değişme)

H2O + elektrik H2 + ½O2 + ısı (Toplam reaksiyon)

Bütün prosesler hidrogenaz ve nitrogenaz gibi hidrojen üreten enzimler ile kontrol edilir.Bu enzimlerin özellikleri aşağıdaki çizelgede verilmiştir.


29/55

25

2.3.1. Direk Biyofotoliz

Direk biyofotoliz ile hidrojen üretimi, hidrojen oluşturmak amacıyla güneş enerjisini

kimyasal enerji biçimine dönüştürmek için mikro alg fotosentetik sistemlerin kullanıldığı

biyolojik bir prosestir.

İki fotosentetik sistem fotosentez prosesinden sorumludur.

1) CO2 azalması için indirgeyici üretecek fotosistem I (PSI)

2) Oksijen açığa çıkaran ve suyu ayrıştıran fotosistem II(PSII).

Biyofotoliz prosesinde sudan gelen iki proton hidrogenazın varlığında hidrojen oluşumu

yada PSI ile CO2 azalmasını sağlayabilir.

Yeşil bitkilerde hidrogenaz eksikliğinden dolayı sadece karbon azalımı olur. Diğer

tarafta, yeşil alg ve Cyanobacteria (mavi-yeşil alg) gibi mikroalgler hidrogenaz içerir ve

bu yüzden hidrojen üretme yeteneğine sahiptir. Bu proseste PSII ışık enerjisiniabsorbladığı zaman elektronlar üretilir. Daha sonra elektronlar PSI tarafından absorbe


30/55

26

edilen güneş enerjisini kullanarak ferrodoksine (Fd) transfer edilir. Hidrogenaz enzimi

şekilde gösterildiği gibi hidrojen üretmek için Fd’den elektronları kabul eder.

Hidrogenaz oksijene duyarlı olduğu için hidrojen üretiminin sürdürülebilir olması

amacıyla oksijen içeriğini % 0.1’in altındaki düşük seviyelerde tutmak gereklidir. Bu

koşul oksidatif solunum süresince oksijeni tüketen yeşil alg Chlamydomonasreinhardtii’nin kullanımı ile elde edilebilir. Fakat substratın önemli miktarı bu proses süresince

harcandığı ve solunum olduğu için verimlilik düşüktür. Son zamanlarda, mikro alglerden

kaynaklanan mutasyonların iyi bir O2 toleransına ve bu yüzden de daha yüksek hidrojen

üretimine sahip olduğu görülmüştür.


31/55

27

2.3.2. İndirek Biyofotoliz

Dolaylı biyofotoliz kavramı şekilde gösterildiği gibi 4 aşamada yapılır:

i) Fotosentezle biyokütle üretimi

ii) Biyokütle zenginleşmesi

iii) 2 mol asetat ile birlikte alg hücresi içindeki 4 mol H2/mol glikoz verim getiren aerobik

karanlık fermantasyon

iv) Asetatın 2 molünün hidrojene dönüşümü.

Tipik bir dolaylı biyofotolizde, Cyanobacteria (mavi-yeşil alg) aşağıdaki reaksiyonla

hidrojen üretmek için kullanılır:

12H2O+ 6CO2→C6H12O6 + 6O2

C6H12O6 + 12H2O→12H2 + 6CO2


32/55

28

Troshina ve ark.,Cyanobacterium gloeocapsa alpicola ile yapılan dolaylı biyofotolizçalışmasında pH değeri 6.8 ila 8.3 arasında tutularak optimum hidrojen üretiminin elde

edildiğini bulmuştur. Sıcaklığı 30ºC’den 40ºC’ye artırmak hidrojen üretimini iki kata

kadar artırabilir.

2.3.3. Foto-Fermantatif Prosesler

Fotosentetik bakteriyal hidrojen üretimi olarak da isimlendirilen fotofermantatif proseslerhidrojen geliştirmek için mor non-sülfür bakterisinin nitrogenaz enzim aktivitesine

katkıda bulunur. Bu proseste klorofil, carotenoids ve phycobilin’ler gibi ışığı toplayan

pigmentler ışık enerjisini ayırır ve ayrılan enerjiyi fotolitik organizmalar (alg) içindekilere

benzer membran reaksiyon merkezlerine transfer eder. Güneş ışığı suyu proton, elektron

ve oksijene dönüştürür. Nitrogenaz katalizör amonyak, hidrojen ve ADP oluşturmak için

ATP ve azot ile proton ve elektronları tepkimeye sokmak için kullanılır. Oksijen

nitrogenazı engellediği için cyanobacteria mekana ya da zamana bağlı olarak azot

sabitleşmesi ve oksijen üretimini ayırır. Gerçekte bakteri, hidrogenaz enzimini yapısına


33/55

29

aldığında diğer enerji gerektirecek proseslere yakıt sağlamak için yan ürün olarak

hidrojeni kullanır. Bu yüzden, araştırmacılar bu enzimi ortadan kaldırmak için bakteriyi

genetik olarak modifiye etmeye çalışmaktadır. Proses ilk olarak infrared ışık enerjisi

kullanarak yetersiz azot koşullarında yapılır ve tercihen, diğer indirgenen bileşikler

kullanılabilmesine rağmen organik asitler azalır.

Bu prosesin avantajları oksijen prosesi inhibe etmez ve bu bakteri çok farklı koşullarda

(kesikli prosesler, sürekli kültürler ve karragenan, agar jel, gözenekli cam, aktive edilmiş

cam ya da poliüretan köpük içinde immobilizasyon) kullanılabilir. Dezavantajları,

organik asitlerin sınırlı kullanılabilirliliği, nitrogenaz enziminin yavaşlatıcı olması,

prosesin nispeten yüksek miktarda enerji gerektirmesi ve hidrojenin tekrar

oksidasyonunun gerekiyor olmasıdır. Nitrogenaz aktivitesini artırmak ve enerji ihtiyacını

azaltmak için C/N oranı korunmalıdır.

Fotosentetik bakteriler güneş enerjisi ve organik asit ya da biyokütle kullanarak

nitrogenaz aktivitesi ile hidrojen üretme kapasitesine sahiptir. Bu proses şekilde

gösterildiği gibi foto fermantasyon olarak bilinir. Son yıllarda endüstriyel ve tarımsal


34/55

30

atıklardan etkili atık yönetiminde hidrojen üretimi için bazı teşebbüsler yapılmıştır.

Çizelgede özetlendiği gibi hidrojen çeşitli tipteki biyokütle atıklarının foto fermantasyonu

ile üretilebilir.

Fakat foto fermantasyon üç temel dezavantaja sahiptir:

1) Yüksek enerjili nitrogenaz enziminin kullanımını gerektirir.

2) Güneş enerjisi dönüşüm verimliliği düşüktür.

3) Geniş alanları kaplayacak anaerobik fotobiyo reaktörlerin hazırlanması gerekir.

Bu yüzden şu anda, fotofermantasyon prosesi hidrojen üretimi için diğer proseslerle

rekabet edecek durumda değildir.


35/55

31

2.3.4. Karanlık Fermantasyon

Karanlık fermantasyon ile H2 üretimi karbonhidratlarca zengin substratlar üzerinde

karanlıkta büyüyen anaerobik bakteri ile gerçekleştirilir. Fermantasyon reaksiyonları

mezofilik (25-40ºC), termofilik (40-65ºC), aşırı termofilik (65-80ºC) ve hipertermofilik

(>80ºC) üzerindeki sıcaklıklarda gerçekleşebilir.

Direk ve dolaylı fotoliz sistemleri saf H2 üretirken karanlık fermantasyon prosesleri

öncelikli olarak H2 ve CO2 içeren karışık biyokütle üretir. Fakat daha az miktarda CH4,

CO veH2S içerebilir. Karanlık fermantasyon sistemleri hidrojen eldesi ve elde edilen

enerjinin yakıt hücrelerinde kullanımı için mükemmel bir potansiyel sunar.

Karbonhidratça zengin substratlar üzerinde büyüyen bazı alg türleri de kullanılıyor

olmasına rağmen karanlık fermantasyon da öncelikli olarak anaerobik bakteri kullanılır.

Fermantatif prosesler için kullanılan biyokütlenin biyolojik parçalanabilir olması, yüksek

miktarlarda elde edilebilir olması, pahalı olmaması ve yüksek karbonhidrat içeriğine

sahip olması gerekir. Glikoz ve laktoz gibi kolaylıkla biyolojik parçalanmaya uğrayan

saf, basit şekerler tercih edilir fakat bunlar yüksek miktarlarda kolaylıkla elde edilemezler

ve nispeten pahalıdırlar. Biyohidrojen üretimi için kolayca kullanılabilen başlıca

biyokütle atıkları çizelgede listelenmiştir.


36/55

32

Anaerobik fermantasyonda üretilen gaz H2, CO2, CH4, CO ve bazı hidrojen sülfitlerin

karışımıdır. Bu yüzden yüksek saflıkta hidrojen elde etmek için ayırma aşaması

gereklidir. Karanlık fermantasyon prosesleri için hidrojenin kısmi basıncı bir faktördür,

hidrojen basıncını artırırken hidrojen üretimini azaltır. Bu kısıtlamalara belirgin bir

çözüm üretim olurken hidrojeni uzaklaştırmaktır. Fermantasyon prosesi asetik, butirik ve

daha önemli bir problem olan diğer organik asitleri üretir. Bu asitler organik kimyasal

üretim yönündeki metabolik akışı yönlendirerek hidrojen verimini bask ılayabilir. Aynı

zamanda bu asitlerin üremesi sistemdeki komplekslik ve maliyete ek olarak daha

sonrasında atık su arıtımını gerektirir. Bu işlemlerden herhangi birinin hidrojen üretimini

maksimum yapmak ve prosesi basitleştirmek için elimine edilmesi gerekebilir.

Karbonhidratça zengin substratlar ile yeşil alg gibi bazı mikroalglere ek olarak anaerobik

bakteri ile fermantasyon, karanlık koşullarda özellikle 30-80ºC’de hidrojen üretebilir.

Hidrojen üretimi için karanlık fermantasyonun kullanıldığı bir proses örneği şekilde

verilmiştir. Sadece H2 üreten biyofotoliz prosesi aksine karanlık fermantasyon ürünleri

çoğunlukla kullanılan substrat ve reaksiyon prosesine bağlı olarak CH4 yada H2S gibidiğer gazlar ile birleşen H2 ve CO2’dir. Karanlık fermantasyon ile hidrojen üretim

teknolojisi çok fazla alan gerektirmediği ve hava koşullarından etkilenmediği için ticari

değer kazanmaktadır.


37/55

33

2.4. GüneşEnerjisi Destekli Yüksek Sıcaklık Hidrojen Üretimi

2.4.1. Güneş Termoliz

Suyun yüksek sıcaklıkta termal olarak parçalanması sonucu hidrojen üretilmesi işlemine

termoliz denilmektedir. Bu yöntemde sıcaklık 1400 °C veya daha yüksek sıcaklıklara

çıkarıldığında buhar molekülleri hidrojen ve oksijen gazlarına ayrışacak şekilde

parçalanmaya başlar. Sıcaklık arttıkça buhar moleküllerinin parçalanma oranı da artar.

Aynı durum buhar basıncı düşürülerek de elde edilebilir. Endüstriyel kullanımı

karşılayacak ölçüde hidrojen üretmek için sıcaklık 2500 –3000 °C’ye yükseltilmelidir.

Gerekli olan bu enerjiyi temin etmenin en temiz yolu güneş ışığını toplayacak ve küçük

bir alanda yoğunlaştıracak güneş kulesi sistemidir. Güneş güç kuleleri, güneş ışınlarını

kule tepesine monte edilmiş olan ısı değiştiricisine (alıcı) odaklama ile yoğunlaştırarak

ısı üretirler. Sistemde, gelen güneş ışınlarını yansıtan ve helyostat diye adlandırılan,


38/55

34

yüzlerce ya da binlerce güneş izleme aynaları kullanılır. Helyostat kuleyi çevreleyen alan,

tesisin yıllık verimini optimize edecek şekilde düzenlenir. Alan ve alıcının boyutları

işletmenin ihtiyaçlarına da bağlı olarak değişir. Proses oldukça yüksek verime sahiptir ve

üretiminde ara kimyasal maddelere ihtiyaç olmadığından çevresel kirliliği çok azdır.

Bununla birlikte çok yüksek sıcaklığın ticari olarak maliyeti arttırması ve oldukça hafif

olan hidrojenin yüksek sıcaklıklarda diğer gazlardan ayrılarak saflaştırma zorlukları bu

yöntemin dezavantajları olarak görülmektedir. Bu proses kimyasal olarak aşağıdaki gibi

verilmektedir.

H2O + ısı → aH2O + bH2 + cO2

a, b ve c mol kesirleridir. Burada dikkat edilmesi gereken, yüksek sıcaklık altında

birbirinden ayrılıp gaz formuna geçenoksijen ve hidrojenin hemen birbirlerinden izole

edilmesinin gerekli olduğudur. Diğer yöntemlerin arasından efüzyon ayrıştırma ve

elektrolitik ayrıştırma ürünlerden hidrojenin ayrıştırmasında kullanılan en başarılı

yöntemlerden iki tanesidir. Proses süresince çok yüksek sıcaklıklara gereksinim

duyulduğu için bazı materyal problemleri ortaya çıkmakta aynı zamanda absorbsiyon

veriminin düşmesine neden olan güneş ışığının önemli miktarda reaktörden geri

yansıması problemi bulunmaktadır.

2.4.2. Güneş Termokimyasal Çevrimler

Termokimyasal çevrimlerde H2 /O2 ayrışım problemleri olmadığı için ve daha düşükçalışma sıcaklıklarına (1000 °C’ye kadar) oldukları için gelecek açısından güneş termoliz

yönteminden daha fazla uygumla alanı bulacaktır. Bu yöntem ile hidrojen elde

edilmesinde, su ve bir veya birkaç reaktan yüksek sıcaklıklarda kimyasal değişime

uğratılırlar. Değişim sonucunda bazı kimyasal bileşiklerle birlikte hidrojen ve oksijen

gazları da elde edilir. Bu değişimlerde kullanılan reaktanlar tekrar tekrar kullanılabilirler.

Termo-kimyasal olarak suyun bozunması genel olarak üç basamakta gerçekleşir; oksijen

üretimi, hidrojen üretimi ve kullanılan materyallerin yeniden kazanılması şeklindedir. Bu

proses için temel basamaklar; ısı ve elektrik üretimi, termo-kimyasal olarak suyun


39/55

35

bozunması, üretilen hidrojen ve oksijenin saflaştırılmasıdır. Literatürde mevcut olan ve

en yaygın kullanılan bazı termokimyasal çevrimler ve gerekli maksimum sıcaklıklar

aşağıdaki Tablo’daverilmiştir.

Tablo : Bazı termokimyasal çevrimler ve maksimum işletim sıcaklıkları

Termokimyasalçevrimler Maksimumsıcaklık °C Cerium-chlorine(Ce-Cl) 850

Hybridcopper-chlorine(Cu-Cl) 550

Hybridcopper-sulfate (Cu-SO4) 850 Iron-chlorine(Fe-Cl) 925

Hybridchlorine(Cl2) 850

Magnesium-iodine(Mg-I) 600

Vanadium-chlorine(V-Cl) 850 Brom-kalsiyum-demir (Br-Ca-Fe) 725

Tablo incelendiğinde iki çevrimin; Cu-CI ve Mg-I, işletim sıcaklığının 600 °C’den dahaaz olduğu görülmektedir. Böyle bir sıcaklığı noktasal güneş yoğunlaştırıcılarından

kolaylıkla üretmek mümkündür. Aşağıda Mg-I çevrimi için kullanılan çevrim adımları

sıcaklıkları ile birlikte verilmiştir.

(120°C) 6/5 MgO + 6/5 I 2 → 1/5 Mg( IO3)2 + MgI 2

(600°C) 1/5 Mg( IO3)2→ 1/5 MgO + 1/5 I 2 + 1/2O2

(120°C) MgI 2 + 6 H 2O→ MgI 2.6 H 2O

(450°C) MgI 2.6 H 2O→ MgO+ 5 H 2O + 2 HI

(500°C) 2 HI→ I 2+ H 2


40/55

36

South Carolina Üniversitesi tarafından geliştirilen Mg-I çevrimi ise aşağıda verilmiştir.

(150°C) 6 MgO + I 2 → Mg( IO3)2 + MgI 2

(600°C) Mg( IO3)2→ MgO + I 2

(400°C) 5 MgI 2 + 5 H 2O → 5 MgO +10 HI

(500°C) 10 HI→ 5 H 2 + 5 I 2

Mg-I çevriminin avantajı reaksiyon sıcaklığını düşük olması, ürünlerin kolay

ayrıştırılabilmesi (çoğunlukla filitrasyonla veya iyodun katılaştırılması ile) ve kimyasal

türlerin birçoğu için termodinamik verilere ulaşılabilir.

Bakır klor çevrimi üç termal reaksiyon ve bir tanede elektrokimyasal reaksiyonadımından oluşmaktadır. Bu çevrim beş adımdan oluşmaktadır;

(1) akışkan yatak gibi cihazı kullanarak HCI(g) üretim adımı,

(2) oksijen üretim adımı,

(3) bakır (Cu) üretim adımı,

(4) kurutma adımı,

(5) hidrojen üretim adımı.

Kurutma adımı hariç, kimyasal reaksiyon her adımda gerçekleşmektedir. Kimyasal

reaksiyonlar devamlı olarak bakır -klor bileşiklerinin kapalı bir iç döngü formu

oluşturduğu için atmosfere herhangi bir sera gazı yayılımı olmamaktadır. Beş adımda

gerçekleşen bakır -klor çevrimi aşağıda verilmiştir .

(400°C) 2CuCl2 + H 2O → CuO + CuCl2 + 2 HCI


41/55

37

(550°C) CuO + CuCl2 → 2CuCl + 1/2O2

(80°C) 4CuCl + H 2O → CuCl2 + 2Cu

(100 °C) CuCl2 → CuCl2

(475°C) 2Cu + 2 HCI → 2CuCI + H 2

Yüksek sıcaklık prosesi ihtiva etmesine rağmen gelecek vadeden brom-kalsiyum-demir

(Br-Ca-Fe) çevriminin reaksiyon adımları ve anahtar proses parametreleri aşağıdaverilmiştir.

(725°C) CaBr 2 + H 2O→ CaO + 2 HBr

(550°C)CaO + Br 2→ CaBr 2 + 1/2O2

(250°C) Fe3O4 + 8 HBr → 3FeBr 2 + 6 HBr + H 2

(575°C) 3FeBr 2 + 4 H 2O → Fe3O4 + 6 HB + H 2

2.4.3. Güneş Karbonsuzlaştırma

Güneş termokimyasalprosesler kullanılarak fosil yakıtlardan hidrojen üretilebilir. Güneş

termokimyasal prosesler üç alt başlık altında toplanabilir 1-) Güneş kraklama 2-) Güneş

Reformasyon 3-) Güneş gazlaştırma. Güneş kraklamaprosesi hidrokarbonların (doğalgaz,

petrol vb.) termal ayr ıştırması ile açıklanabilir. Güneş kraklamaprosesi kısaca aşağıdakinet reaksiyon ile verilebilir.

C x H y→ xC ( gr) + y/ 2 H 2

Yukarıdaki reaksiyon karbonca zengin yoğunlaştırılmış faz ve hidrojence zengin gazın

fazını ihtiva eder. Karbon yapılı katı ürün materyal endüstrisinde kullanılabilir.

Hidrokarbonların (doğalgaz, petrol, vb.) buhar reformasyonuve katı karbonların

(taşkömürü,linyit, vb.) buhar gazlaştırılması aşağıdaki net reaksiyon ile verilebilir.


42/55

38

C x H y + xH 2O → ( y / 2 + x) H 2 + xCO2

Reaksiyon materyallerine ve ham materyallerdeki saf olmayan materyallerin varlığına

bağlı olarak diğer birleşenlerde üretilebilir. Aşağıdaki reaksiyonun ürünleri sentez gazdır.

Sentez gazda bulunan CO aşağıda verilen katalitik su-gaz değişim reaksiyonu ile hidrojen

üretmede kullanılabilir.

CO + H 2O → H 2 + CO2

Yukarıda verilen reaksiyon kullanılan katalizöre bağlı olarak düşük ve yüksek sıcaklık sugaz değişim reaksiyonu olarak kullanılmaktadır. Bu reaksiyonda üretilen CO2 gazı

basınçlı salınım adsorbsiyon tekniği kullanılarak hidrojenden ayrıştırılabilir. Şekilde

güneş kraklama, reformasyon ve gazlaştırma ile hidrojen üretiminin şematik görünüşü

sunulmuştur.

Şekil.Güneşkraklama, reformasyon ve gazlaştırma ile fosil yakıtlardan hidrojen

üretiminin şematik diyagramı


43/55

39

2.4.4. Güneş Termal Esaslı Elektrolizör

Yoğunlaştırılmış güneş radyasyonlarının termal enerjisi orta ve yüksek sıcaklıklarda özel

bir akışkana (faz değiştirici materyaller veya molden tuz karışımları) ısı olarak verilebilir

ve bu akışkan kullanılarak buhar ve eş zamanlı olarak elektrik üretilebilir. Faz değiştirici

materyaller veya molden tuz karışımları termal enerjiyi yaklaşık 500°C’de

depolayabilirler. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisinden üretilen elektrik elektroliz ile

hidrojen üretimi için kullanılabilir. Şekilde güneş termal esaslı elektroliz ile hidrojen

üretiminin şematik gösterimi sunulmuştur.

Şekil. Güneş termal elektroliz hidrojen üretimi


44/55

40

3. DEPOLAMA VE TAŞIMA

Fosil, nükleer, yenilenebilir ve elektrik enerjilerinden üretilen hidrojen çeşitli şekillerde

depolanarak tüketiciye ulaştırılır.

3.1. Depolama

Hidrojen kullanımının fazla olduğu yerlerde depolama önemlidir; örneğin, araç yakıtı

olarak kullanıldığında araç deposunun en az bir benzin deposu kadar güvenli ve bir depo

benzinin kat edebildiği kadar yol alabilecek kapasitede olması önemlidir.

Hidrojen depolama genel olarak üç şekilde yapılabilir;

• Basınçlı tankta sıkıştırılmış gaz halinde depolama,

• Sıvılaştırılmış halde özel izolasyonlu tanklarda depolama,

• Özel katı maddeler içinde absorblatılarak depolama


45/55

41

3.1.1. Sıkıştırılmış Hidrojen

Hidrojenin sıkıştırılmış halde taşınması yıllardır uygulanan bir taşıma yöntemidir.

Hidrojen 800 bar basınca kadar sıkıştırılarak depolanabilir. Ayrıca, doğal gazın

depolanmasında uygulanan teknolojiler hidrojen için de kullanılabilir.

Sıkıştırılmış hidrojen depolama tankları çelik, kompozitle (özel alaşımlar) kaplanmış

alüminyum veya kompozitle kaplanmış plastik malzemelerden yapılır. Bunlardan en

ekonomik olanı çelik malzemedir, fakat fazla ağır olduğundan sabit depolamalar içinuygundur. Ancak taşıtlarda kullanılacak depo tanklarının hafif kompozit malzemelerden

yapılması gerekir; bunlar 350 bar basınca kadar (ağırlıkça %10-12 hidrojen) güvenle

kullanılabilmektedir. Halen 700 bar basınca dayanıklı hafif kompozit malzemeler

üretimine yönelik çalışmalar devam etmektedir.

3.1.2. Sıvılaştırılmış Hidrojen

Hidrojen, süper izolasyonlu vakumlu tanklarda – 253 °C’de sıvı halde (LH2)

depolanabilir. Sıvı hidrojen uzun mesafe yolcu araçlarında, uçaklarda ve uzay araçlarında

çok avantajlı bir yakıttır. Bu konuda uzun yıllardır yapılan araştırmalarla uygulama için

önemli veriler elde edilmiştir. Günümüzde sıvı hidrojen uzay araçlarında

kullanılmaktadır, ancak kara araçlarında kullanıma geçilmesi daha sonraki yıllarda

olabilecektir.

3.1.3. Metal Hidrürler

Bazı metaller ve alaşımlar, normal basınç ve sıcaklıkta hidrojen absorblayarak hidrür

bileşiklerini meydana getirirler; hidrürler, hidrojen ile bir veya daha fazla başka

elementler içeren kimyasal maddelerdir.


46/55

42

Bir metal hidrür tankta bir ısı alışveriş sistemi ile metal granülleri bulunur. Metal

granüller, tıpkı bir süngerin suyu emmesi gibi hidrojeni absorblar. Isı alışveriş sistemiyle

tanka hidrojen doldurulurken ısı çekilir, tank boşaltılırken de ısı verilir; metal hidrür

ısıtıldığında absorbladığı hidrojeni serbest bırakır.

Metal hidrür oluşum mekanizması şematik olarak gösterilmiştir. Şemada görüldüğü gibi,

hidrojen gazı metal ara yüzeylere doğru gider, buralarda her bir hidrojen molekülü iki

hidrojen atomuna ayrılır ve metal granüller tarafından absorblanır; böylece metalik

matriks içinde depolanır.

Metal hidrür sistemi pahalıdır ve hidrojenin doldurulması uzun zaman alır. Fakat

depolama ve taşımada çok güvenlidir; örneğin tankın delinmesi halinde ısı sistemi hemen

soğutmaya geçerek hidrojen kaçağını engeller. Güvenlik yönünden benzin depo

tanklarından daha üstündür.

Ticari amaçlı kullanılabilen birkaç metal hidrür vardır. Bu tür depolamada en önemli

dezavantaj depolanan hidrojene kıyasla metal hidrürün fazla ağır bir malzeme olmasıdır.

Araştırmacılar tarafından daha ucuz, daha hafif ve daha fazla hidrojen absorblayabilen,

ayrıca absorbladığı hidrojeni daha düşük sıcaklıklarda serbest bırakacak alaşımlar

üzerinde çalışmalar devam etmektedir. Yeni bulunan bazı alaşımlar %5 kadar hidrojen

tutabilmekte ve içerdiği hidrojeni 100 °C da bırakmaktadır.


47/55

43

Sodyum alüminyum hidrür (NaAlH4) de bu sayılan gereksinimlerin çoğunu karşılayan

yeni ve gelecek vadeden bir metal hidrürdür; hidrojen absorblama kapasitesi %4,hidrojeni bırakma sıcaklığı 150°C ‘dir (LaNi

5H

6de ~%2).

Diğer bir hidrojen depolama bileşiği sodyum bor hidrürdür (NaBH4). Bu bileşiğin

avantajı depoladığı hidrojenin normal şartlar altında ve katalizörlü ortamda kontrollü

olarak geri alınabilmesidir. Bu konudaki çalışmalar NaBH4

elde edilmesi, bu bileşikten

hidrojen üretimi ve reaksiyon sonucunda oluşan sodyum metaboratın (NaBO2) tekrar

sodyum bor hidrüre dönüştürülerek kullanıma alınmasını hedeflemektedir.

Sodyum bor hidrür üretimim için çeşitli araştırmalar yapılmıştır; örneğin, çalışmaların

biri boraks (susuz), kuvartz ve sodyumun 450-500°C’de hidrojen atmosferi altında

reaksiyona sokulmasına dayanır, bir diğer çalışmada boraks magnezyum hidrür ve

değişik sodyum bileşikleriyle normal şartlar altında öğütülerek NaBH4 elde edilmiştir.

Devam etmekte olan NaBH4

üretimi çalışmalarının önemli bir bölümü de sodyum bor

hidrürden hidrojenin çekilmesinden sonra oluşan metaboratın ekonomik ve basit

yöntemlerle tekrar NaBH4

dönüştürülmesidir; örneğin, sonuçlanmış bir çalışmaya göre

sodyum metaborat MgH2

(veya Mg2Si) ve hidrojen yüksek sıcaklık (350-750°C) ve

yüksek basınç altında reaksiyona sokularak NaBH4'e dönüştürülmüştür (Kojima ve Haga

2003).

Günümüzde hızla yol alan teknoloji otomotiv sanayiini yoğun enerjili su- bazlı yakıtla

(sulu sodyum bor hidrür gibi) çalışan araçlar üzerinde araştırmalara yöneltmiştir; örneğin,

ağırlıkça %30’luk NaBH4

çözeltisinde %6.7 H2 bulunur. Katalitik ortamda aşağıdaki

ekzotermik reaksiyon meydana gelir.

kat. NaBH

4

+ 2 H2

O ⎯→ 4 H2

+ NaBO2

(sulu) + ~300 kJ


48/55

44

Ayrılan saf ve nemlendirilmiş hidrojen yakıt pili veya hidrojen motoruna verilir.

Reaksiyonda oluşan borat hidrojenle reaksiyona sokularak tekrar sodyum borohidrür ’e

dönüştürülür.

Volumetrik hidrojen depolama verimi dikkate alındığında, %30’luk NaBH4

çözeltisinde

≈63 g H2/L bulunur. Bu değer sıvılaştırılmış ve basınçlandırılmış hidrojenle kıyaslanırsa,

sıvılaştırılmış hidrojende ≈71 g H2/L, 5,000 psi sıkıştırılmış H

2≈23 g H

2/L, 10,000 psi

sıkıştırılmış H2

≈39 g H2/L olduğu görülür.

3.1.4. Karbonda Depolama

Çok yeni ve gelecek vadeden bir teknoloji de özellikle nanofiberler, nanotüpler vefullerenler gibi nano yapılı farklı karbonların ve bazı karbon siyahlarının hidrojen

depolayan absorblayıcılar olarak kullanılmasıdır; karbon siyahı daha ucuz ve çok

miktarlarda üretilebildiğinden daha avantajlıdır.

Karbon nanotüpler tüp şeklinde dizilmiş grafit tabakalardır; çapları birkaç nanometre ile

20 nanometre, boyları mikron seviyelerindedir. Çeşitli ilavelerle oluşturulan, örneğin

alkali-ilaveli (Li-K), nanotüpler de mevcuttur


49/55

45

Hidrojen, nanotüplerde iki şekilde depolanabilmektedir; fiziksel ve kimyasal olarak.

• Fiziksel depolama zayıf Van der Waals kuvvetlerinin etkin olduğu bir depolamadır;depolanan hidrojen etkin kuvvetlerin kaldırılmasıyla tekrar geri kazanılır. Depolama ve

geri kazanma işlemleri sürekli olarak tekrarlanabilir.

• Kimyasal depolamada atomlar arasında kovalent bağlar oluşur, yüklenen hidrojeningeri kazanılması için bu bağların kırılması, yanı yüksek sıcaklıklara gereksinim olur.

Bu konuda yapılan çalışmalar karbon nanotüplerde ağırlıkça yüzde 4-14 arasında hidrojen

depolanabildiğini göstermişti. Bunun ne kadarının fiziksel ne kadarının kimyasal bazlı

olduğu henüz kesin olarak bilinememektedir.

Karbon nano tüplerin hidrojen depolama kapasiteleri nanotüpün cinsine (tek duvarlı, çok

duvarlı), tüplerin kapalı veya açık olmasına, ölçülerine (tüp çapı ve uzunluğu vb.) ve tüp

yüzeylerinin aktifliğine göre değişir.

Nanotüp (veya Karbon Nanotüp): Uzun ve ince karbon silindirlerdir; nanotüpler çapı,

uzunluğu ve bükülme şekline göre çeşitli elektronik, termal ve yapısal özellikler

gösterirler. Örneğin elektronik bir parça olan diod farklı elektronik özeliklerdeki iki nano boyutlu karbon tüpün birbirine bağlanmasıyla yapılır.


50/55

46

3.1.5. Metanol

Metanol, hidrojen ve karbon monoksitten elde edilir, normal şartlar altında sıvıdır ve

hidrojen içeriği yüksektir; bu özellikleri nedeniyle metanol uygun bir taşıt yakıtı olarak

değerlendirilebilir. Kullanım prensibi metanolün parçalanarak hidrojen açığa çıkması ve

oluşan hidrojenin yakıt olarak harcanmasıdır. Parçalanma prosesinde enerji kaybı oldukça

yüksektir, dolayısıyla sistemin verimi düşük olur. Bu olumsuzluğu yenmek için doğrudan

metanolle çalışan yüksek verimli yakıt pilleri geliştirilmiştir. Yapılan çalışmalara göre

metanol reformerli yakıt piliyle çalışan bir araç, benzeri benzinli bir araca kıyasla %40-

70 daha fazla CO2

emitler; ayrıca CO ve hidrokarbon emisyonları da vardır.

Metanol zehirli, suyla karışabilen ve çok korozif bir maddedir. Bu özellikleri dolayısıyla

taşıma ve kullanım sırasında benzinle kıyaslandığında, daha özel güvenlik önlemlerine

ihtiyaç vardır. Olumsuz özellikleri ve yüksek emisyonları metanolün fazla tercih edilen

bir yakıt olmasını engellemektedir.

3.1.6. Benzin ve Diğer Hidrokarbonlar

Benzin ve diğer hidrokarbonlar bir reformerden geçirilerek hidrojen üretilebildiğinden bu

ürünler birer hidrojen depolama sistemleri olarak düşünülebilir. Ancak benzinden

hidrojen üretilmesi için 30 dakika kadar süre gerekir; yani araç kullanılmadan önce 30

dakika ısıtılmalıdır; dolayısıyla araç bataryasının hareketten önce en az 30 dakika

dayanıklılığı olması gerekir. Reformer ve batarya bağlantısının karmaşık, zor ve pahalıolması, hidrojen üretimi yanında oluşan hidrokarbonlar ve CO’in uzaklaştırma

zorunluluğu, CO’in reformer membranlarını tahrip etme olasılığı ve yüksek sıcaklıklarda

çalışma gereğinden dolayı oluşan NOx bileşikleri ve dolayısıyla emisyon sorunları benzin

ve hidrokarbonları ideal hidrojen taşıyıcı olmaktan uzaklaştırır.

Benzin motorlu bir araçta hidrojen deposu olarak sıkıştırılmış hidrojen, metanol ve benzin

kullanılması halinde, farklı hızlarda ölçülen CO2 emisyonları verilmiştir. Görüldüğü gibi


51/55

47

en düşük CO2

emisyonu elektroliz yoluyla üretilen hidrojen kullanılması durumunda elde

edilmiştir.

3.1.7. Sabit depolama

Hidrojen sabit basınçlı tanklarında, yeraltı mağaralarında ve sıvı halde süper izoleli

tanklarda depolanabilir. Çok fazla miktarlarda hidrojen depolama için en ekonomik olanı

basınçlı yer altı takalarıdır.


52/55

48

3.2. Taşıma

Boru Harlarıyla Taşıma: Hidrojenin uzun mesafelere boru hattıyla taşınması ekonomik

ve güvenli bir taşıma şeklidir. 2004 yılı itibariyle Avrupa’da 1500 km, Amerika’da 720

km hidrojen boru hattı ağı vardır.

Hidrojen transferinde kullanılan boru hatları 25-30 cm çaplı çelikten borulardan yapılır,

10-20 bar basınç altında kullanılır. Doğal gaz veya LPG naklinde kullanılan bazı boru

hatları olduğu gibi veya çok az değişikliklerle hidrojen taşımada da kullanılabilir. Buradaönemli kriter boru metalinin içerdiği karbon miktarıdır (hidrojen için düşük karbonlu

çelik tercih edilir).

Boru hatları gazların transferinde kullanıldığı gibi bir miktar basınçlandırılarak depolama

görevi de yaparlar.

Sıvılaştırılmış Halde Taşıma: Sıvılaştırılmış hidrojen -253°C’ye soğutulmuştur.Soğutma prosesinde büyük miktarlarda enerji gerekir; fakat uzun mesafelere taşımada ve

ayrıca yakıt olarak havacılık ve uzay seyahatlerinde diğer yakıtlara göre hala daha

avantajlıdır.

Karayoluyla Taşıma: Hidrojen hem sıvı ve hem de sıkıştırılmış gaz halinde özel

tankerlerle taşınabilir.

Denizyoluyla Taşıma: LH2, deniz tankerleriyle de taşınır; bunlar LNG tankerlerine

benzer, ancak, uzun mesafelere taşındığında daha iyi izolasyonlar gerekir.

Havayoluyla Taşıma: Sıvı hidrojenin hava yolu ile taşınmasının gemiyle taşımaya

kıyasla bazı avantajları vardır. LH2 hafiftir, hava yoluyla teslim yerine çok çabuk

ulaştırılacağından buharlaşma kaybı sorunu olmaz.


53/55

49

SONUÇ

Hidrojen sentetik bir yakıt olup üretim kaynakları son derece bol ve çeşitlidir. Hidrojen

fosil yakıtlar (kömür, doğalgaz, vb.) yardımıyla olabildiği gibi güneş enerjisi kullanılarak

da üretilebilir. Bu çalışmada farklı güneş hidrojen üretim metotları, günümüzdeki ve

yakın gelecekteki durumları göz önünde bulundurularak incelenmiştir. Düşük sıcaklık

güneş enerjisi destekli hidrojen üretim metotları içerisinde yer alan elektroliz,

fotoelektrokimyasal ve fotobiyolojiksel yöntemlere bakıldığında en rasyonel çözümü

elektroliz yönteminin sunduğu görülmektedir. Fotoelektrokimyasal ve fotobiyolojiksel

hidrojen üretimlerinin ise teknolojiksel olgunluğa ulaşmadığı, pratiksel kullanım ve

verimlilik potansiyelinin yükseltilmesi sorunun henüz çözülmediği görülmektedir.

Yüksek sıcaklık güneş enerjisi destekli hidrojen üretim metotlarının güneş termal

hidrojen üretimi için yüksek sıcaklık mebranlarına ve ısı değiştiricilerine ihtiyaç

duyulmaktadır. Ekolojik açıdan çevre ile dost güneş enerjili hidrojen üretimi, hiçbir

zararlı emisyon atığı içermemesi ve alternatif enerji üretim opsiyonları içinde

sürdürülebilir çözüm sunması açısından önemi her geçen gün artmaktadır. Güneşli bir

kuşakta yer alan ülkemiz açısından güneş enerjisi destekli hidrojen üretiminin gelişen

teknoloji ile birlikte uygulama alanlarının artacağı beklenmektedir.


54/55

50

KAYNAKLAR

M.Öztürk, A.Elbir, N.Özek, A.K.Yakut, “Güneş Hidrojen Üretim Metotlar ının

İncelenmesi”

Ö.F.Noyan,“Entegre Bir Hidrojen Ekonomisi İçin Hidrojen Üretiminin K ısa, Orta ve

Uzun Vadede Optimizasyonuna Yönelik Bir Deneme”, Yeni ve Yenilenebilir

Enerji Kaynaklar ı Enerji Yönetimi Sempozyumu, Kayseri,2005.

Noyan, Ö.F., (2003), “Hidrojenin Özellikleri”, II. Ulusal Hidrojen Kongresi, 9 Temmuz

2003, Ankara .

Prof. Dr. Zafer AYVAZ , “GÜNEŞ IŞIĞIYLA DENİZ SUYUNDAN HİDROJEN

ÜRETİLMESİ” .

Alnıak M.O., Bayramoğlu F.M., “Hidrojen Enerjisi ve Ekonomisi”, IV. Ulusal Hidrojen

Enerjisi Kongresi ve Sergisi, Kocaeli .

Bahadır T., “Yenilenebilir Enerji Kaynakları Kapsamında Biyolojik Hidrojen Üretimi”

Doktora Semineri, Fen Bilimleri Enstitüsü, O.M.Ü., 2009.

İ. Güler Şentürk, H. Büyükgüngör , “BİYOHİDROJEN ÜRETİM YÖNTEMLERİ VE

KULLANILAN FARKLI ATIK MATERYALLERİN İNCELENMESİ” .

Veziroğlu, T. N. ve Noyan, Ö. F. ,2003, “21. Yüzyılın Enerjisi: Hidrojen Enerji Sistemi,

Türkiye 4. Enerji Sempozyumu” .

N. GENÇ , BAÜ FBE Dergisi , Cilt:11, Sayı:2 ,2009 “Biyolojik hidrojen üretim

prosesleri”.

Tamer KARAKAŞ , “GÜNEŞ PİLLERİ ile HİDROJEN ÜRETİMİ” .

M. Öztürk, B. Bozkurt Çırak, N. Özek , “Evsel Fotovoltaik Sistemlerin Ömür Boyu

Maliyet Analizi” .

İbrahim ATILGAN , “HİDROJEN ENERJİSİ VE UYGULAMA ALANLARI” .

Ayşegül PAŞAOĞLU , YÜKSEK LİSANS TEZİ , “HİDROJEN YAKITLI,ÇOK

AMAÇLI BİR BİLEŞİK ISI-GÜÇ SANTRALİ TASARIMI, TEKNİK VE

EKONOMİK ANALİZLERİ” .

Prof.Dr . Bilsen BEŞERGİL , “Hidrojen” .

Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi , “DÜNYA’DA VE TÜRKİYE’DE GÜNEŞ

ENERJİSİ”.


55/55

51

Ç.Tırıs, M.Tırıs, “Kollektör Yutucu Yüzeyi Optik Özelliklerinin Toplam Isı Kayıp

Katsayısına Etkisi”, Güneş Günü Sempozyumu ve Fuarı, İzmir, 1998.

Kılıç, Abdurrahman. Öztürk, Aksel. “ Güneş Enerjisi ” / İstanbul Teknik Üniversitesi

Makina Fakültesi.

Documents

GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK