Hidrojenin Yakıt Olarak Kullanımı ve Geleceği

İnsan ihtiyaçlarını karşılamak adına birçok sektörde üretim ve tüketim aşamalarında artan enerji talebi beraberinde fosil yakıtların kullanımının artmasına sebep olmuştur. Bu etken başta hava kirliliği olmak üzere çevresel dinamiklerin bozulmasına ve alternatif yakıt arayışına sebep olmuştur. Özellikle otomotiv sektöründe, taşıtların kullandığı yakıtlardan dolayı başta CO₂ olmak üzere küresel ısınmaya neden olan sera gazlarının salınımına sınırlandırma getirilmesi şart olmuştur. Yeni teknolojiler sayesinde kullanılan yakıtların neden olduğu emisyon salınımı azaltılmakla birlikte yeni yakıt arayışı da bu amaca hizmet etmektedir. Temiz ve yüksek enerji potansiyeline sahip olan yakıt türlerinden biri evrende en bol bulunan element olan hidrojenden elde edilmektedir. Bu yazıda da hidrojen yakıtının özellikleri, kullanım amaçları ve alanları, avantaj ve dezavantajları belirtilmiştir.

Hidrojen Yakıt Tanımı

Hidrojen, evrendeki en basit ve en bol bulunan elementtir ve Dünya’da yalnızca diğer elementlerle birleştiğinde doğal olarak oluşur. Hidrojenin yoğunluğu çok düşüktür ve havanın yoğunluğunun %7’si kadardır [1]. Hidrojen, elektrik gibi; enerjiyi depolamak, taşımak ve dağıtmak için kullanılabilen bir enerji taşıyıcısıdır. Hidrojenin yakıt içeriğine baktığımızda karbon içeriğine sahip olmaması, yüksek alev hızları ve geniş yanma limitleri olması sebebiyle tercih edilen bir yakıt türüdür. Diğer fosil yakıtlara kıyasla hidrojen yüksek bir özgül enerji yoğunluğuna sahiptir bu sayede kütle olarak yaklaşık üç kat daha fazla enerji sağlayıp, daha düşük ısıtma değerine olanak sağlar. Çeşitli kaynak ve yöntemler ile karbon ayak izi oluşturmadan hidrojen yakıtı üretilebilir. Çeşitli enerji ve ulaşım şirketlerinin dahil olduğu, hidrojen enerjisinin yaygınlaşması adına kurulan küresel girişim Hidrojen Konseyi, 2050 yılına kadar yolcu araçlarının yaklaşık %25’inin ve elektrikli olmayan demiryolu taşımacılığının %20’sinin hidrojenle doldurulacağını ve potansiyel olarak günlük yakıt tüketimini %20’ye kadar azaltacağını tahmin ediyor [2]. Hidrojen yakıtını kısaca tanımak adına aşağıda belirtilen youtube videosunu da izleyebilirsiniz.

Hidrojen Yakıtının Özellikleri [3] 

Hidrojen Üretim Metotları

Hidrojenin yakıt hücreli elektrikli araçlarda kullanılması için saf hidrojen (H₂) formunda olması gerekmektedir. Dolayısıyla, bir bileşiğin parçası olarak doğada var olan hidrojenin çeşitli metotlarla ayrılması gerekmektedir. Bu metotların da kendilerine özgü farklı çevresel etkileri, üretim maliyetleri ve enerji verimliliği bulunmaktadır. Hidrojen üretim metotları: Fosil yakıtlar, H₂O ayrıştırması ve biyolojik prosesler olarak adlandırılan üç kategoride incelenebilir [4].

 

1. Fosil Kaynaklar

Bu metot, buharın hidrojen üretmek için yüksek sıcaklıkta hidrokarbon içeren bir yakıtla (sentez gaz) tepkime verdiği buhar reformunu içermektedir. Kullanılan yakıtlar arasında: Dizel, gazlaştırılmış kömür, yenilenebilir sıvı yakıtlar, biyokütle ve doğalgaz bulunmaktadır [6].

Karbon monoksit su ile reaksiyona girip ilave hidrojen üretmektedir. Diğer metotlar arasında en ucuz, verimli ve yaygın olarak kullanılan metottur. Fakat yakıt içerisinde karbon olması sebebiyle karbondioksit emisyonuna sebep olmaktadır. Üretim aşamasına karbon yakalama ve depolamayı dahil ederek daha düşük emisyonlu hidrojen üretilebilir [4].

2. H₂O Ayrıştırma

Elektrolitik Prosesler

Su elektroliz işleminden geçirilerek oksijen ve hidrojene ayrıştırılır. Ayrıştırma yakıt hücresi gibi ters yönde işlevi olan elektrolizörde gerçekleşir. Ticari boyutta bu işlemde güç olarak elektrik ve gaz olarak hidrojen kullanılmaktadır. Elektroliz prosesinde hidrojen ve oksijen oluşumu dışında yan ürün ya da emisyon oluşmaz. Fakat elektrik üretimi için yenilenebilir kaynaklar ya da fosil yakıtlar kullanılabilir. Dolayısıyla, elektrik üretiminden kaynaklanacak emisyonlar da hesaba katılmalıdır [7].

Güneş Enerjili Prosesler

Hidrojen üretimi için temel madde güneş ışığıdır ve fotobiyolojik, fotoelektrokimyasal ve güneş termokimyasal sistemler olmak üzere hidrojen üretimini gerçekleştiren üç adet sistem bulunmaktadır. Fotoelektrokimyasal işlemlerde hidrojen üretmek için özel yarı iletkenler kullanılır. Güneş termokimyasal sistemlerde ise metal oksitlerle su ayırmak için güneş enerjisi kullanılmaktadır. Bakteri ve yeşil alglerin doğal fotosentetik aktivitesi fotobiyolojik süreçlerde kullanılmaktadır [6].

 

3. Biyolojik Prosesler

Bakteri, mikro alg gibi organizmaların metabolik süreçleri kullanılarak hidrojen üretilmesi prensibine dayanmaktadır. Organizmalar, atık su ve biyokütle gibi organik maddeleri parçalayarak hidrojen üretimini gerçekleştirir. Bu süreci gerçekleştirmek adına ihtiyaç duyulan enerji güneşten sağlanmaktadır [6].

Biyokütle yanında, biyokütleden türetilmiş sıvı formlarından (etanol gibi) hidrojen üretimi gerçekleştirilebilir. Son kullanıma yakın noktada, bu yakıtlar yüksek sıcaklıkta buhar ile tepkimeye sokulur ve böylelikle hidrojen üretimi gerçekleştirilir [4].

 

Hidrojenin Diğer Fosil Yakıtlarla Karşılaştırılması

H₂’nin kendi kendine tutuşma sıcaklığı diğer yakıtlara oranla oldukça yüksektir. Hidrojenin ısıl enerjisine birim ağırlık başına bakıldığında, diğer hidrokarbon yakıtların üç katı kadardır. Ancak, hacimsel açıdan bakıldığında, hidrojenin ısıl enerjisi, diğer yakıtların üçte ikisi kadardır.

Hidrojenin çok hızlı yanmasından dolayı, kütlesel olarak patlama potansiyeli diğer gazlara oranla oldukça yüksektir. Hidrojenin havadaki tutuşabilirlik limitleri hacimsel olarak %4 ile %75 arasında değişmektedir ve hidrojenin bu tutuşabilirlik limiti diğer yakıtlara göre daha fazladır. Hidrojeni ateşlemek için gerekli olan sıcaklık, benzini ateşlemek için gerekli olan  sıcaklığın yaklaşık 2 katıdır ve metandan ise çok az bir miktar yüksektir.

 

Hidrojen Kullanımında Avantajlar

-Hidrojenin Emisyonlar üzerine etkisi (sıfır C ve NO_x hakkında yorumlar)

Özellikle büyük şehirlerde yaşayanların hayat kalitesini önemli ölçüde düşüren hava kirliliğine baktığımızda, trafik kaynaklı emisyonların hava kirliliğini artırdığı belirtilmektedir. Trafik kaynaklı hava kirleticileri arasında nitrojen oksitler, hidrokarbonlar, partikül maddeler, karbon monoksit bulunmaktadır.

Hidrojen yakıtı, sıfıra yakın sera gazı emisyonu oluşturma potansiyeline sahip bir yakıt türüdür. Hidrojenin oksijen ile yanması sonucu sadece su buharı oluşmaktadır. Dolayısıyla elektrik gücünün elde edildiği yakıt hücresinden atmosfere yalnızca sıcak hava ve su buharı yayılmaktadır. Fakat yanma sırasında yüksek sıcaklıklar sebebiyle havadaki oksijen ile nitrojen birleşerek nitrojen oksitte oluşabilmektedir. Oluşan nitrojen oksitin miktarı; hava/yakıt oranına, motor sıkıştırma oranına ve motor devri gibi özelliklere bağlıdır. Ek olarak, yakıtın hızlı yanması (makinenin çalışma prensibine bağlı olarak) sebebiyle egzoz gazında eser miktarda karbon monoksit ve karbon dioksit salınabilir [14][15][16].

Yenilenebilir enerji ya da yüksek karbon tutma özelliğine sahip fosil yakıtların kullanılması, hidrojen üretiminde oluşacak emisyonları minimum düzeye indirmeye olanak sağlar [17]. Hidrojen depolama, taşıma ve hammadde işleme sistemlerinin enerji tüketimi ve oluşturduğu sera gazı emisyonları Şekil 4’te gösterilmektedir.

 

– Hidrojenin Yakıt Özelliklerinin İçten Yanmalı Motor Üzerindeki Etkileri

Hidrojen sahip olduğu yüksek difüzyon katsayısı sayesinde havaya kolayca yayılabilmektedir ve bu yayılma sayesinde oluşan homojen yakıt-hava karışımı yanma verimini artırmaktadır [12]. Diğer hidrokarbon türevi yakıtlarla karşılaştırıldığında hidrojenin ateşlenmesi için gerekli olan minimum enerji hidrokarbon türevi yakıtların onda biri kadardır. Hidrojenin çok yüksek yanma hızına sahip olması onun diğer gazlara göre patlama potansiyelini artırır [13].

 

Hidrojen Kullanımında Dezavantajlar ve Önlemleri (Güvenlik Önlemlerinden Bahsedilecek)

• Erken Ateşleme ve Alev Tepmesi Sorunu

Hidrojenin diğer yakıtlara göre çok daha düşük ateşleme enerjisine sahip olması ve içten yanmalı motorlarda yakıt olarak kullanılması erken ateşlemeye neden olur. Hidrojenin ateşleme enerjisi 0.02 [mJ] iken, benzinin 0.24 [mJ] ve doğal gazın 0.29 [mJ]’dur [2,8-11].  Ateşlemenin çok erken gerçekleşmesi durumunda güç kaybı meydana gelir. Hidrojenin yüksek alev hızına sahip olması hidrojen yakıt-hava karışımının benzine göre çok daha hızlı yanacağı anlamına gelir. Stokiyometrik şartlar (1 kg yakıtın en ideal olarak yakılabilmesi için gereken hava miktarı) altında  hidrojen benzine göre 8.3 kat daha hızlı yanma eğilimi gösterir [12].

• Hidrojenin işletme ve ilk yatırım maliyetinin yüksekliği

Hidrojen pazarının desteklenmesi için ilk yatırım ve işletme maliyetlerinin (tesis inşa maliyeti, hidrojen üretim maliyeti ve yakıtın dağıtım alt yapı maliyeti gibi) karşılanabilir olması ve üretim verimliliğin yüksek olması gerekmektedir. Bir yakıt hücresinin en pahalı kısmını ham maddeler değil, yakıt hücresinin kendisinin üretilmesi oluşturmaktadır. Yakıt hücreli elektrikli araçların tahmini maliyeti, 2025 yılına kadar hibrit muadillerin maliyetine yakın olması beklenmektedir [15]. Hidrojen üretim maliyetinin azaltılmasına yönelik çeşitli kuruluşlar ve çalışmalar bulunmaktadır. ABD Enerji Bakanlığı (DOE), net sıfır karbon yollarının desteklenmesi için 2025 yılına kadar 2 [$/kg] ve 2030 yılına kadar 1 [$/kg] hidrojen üretebilen teknolojiler geliştirmeye odaklanmıştır [17].

Hidrojenin ilk yatırım maliyetlerinin üretim metotlarına göre değişkenliği Şekil 5’te gösterilmektedir.

 

• Hidrojen Taşımacılığı

Hidrojenin üretildiği yerden farklı yerlere taşınması sırasında depolama ve depolama maliyetinden kaynaklı zorluklar bulunmaktadır. Hidrojenin, hacimce enerji içeriğinin düşük olması diğer yakıtlara kıyasla aynı miktarda enerjiyi sağlayabilmesi için daha fazla miktarlarda hidrojen temin edilmelidir ki bu da araçlarda diğer gazlı yakıtlara göre daha büyük tank hacmi ihtiyacına sebep olur. Ayrıca, kompakt bir depolama için düşük sıcaklık, yüksek basınç ya da kimyasal işlem uygulanmasını gerektirir [15]. Büyük miktarda hidrojenin taşınması için temelde iki yöntem mevcuttur: Basınçlandırıp, sıkıştırılmış gaz haline getirmek ya da sıvılaştırmak. Üretim tesislerinin yerleri maliyet ve dağıtım açısından önem arz etmektedir. Bu tesislerin konumlarına baktığımızda; dağıtılmış üretim tesisleri saha da hidrojen üretildiğinden teslimat maliyetleri daha düşüktür fakat üretimin daha az olması sebebiyle hidrojen üretme maliyeti daha yüksektir. Merkezi konumdaki üretim tesisi ise üretim kapasitelerinin daha fazla olması sebebiyle üretim maliyetleri daha düşüktür fakat kullanıcıya uzak olması sebebiyle dağıtım maliyeti daha yüksektir [20].

Hidrojen dağıtımı, yerinde depolama ve dağıtım teknolojileri arasında:

• Gaz halindeki hidrojen,
• Gazlı sıkıştırma,
• Boru hatları,
• Yüksek Basınç Tüplü römorklar,
• Sıvı hidrojen tankerleri,
• Yeni hidrojen taşıyıcıları,
• Yerinde ve toplu depolama,
• Araçlara hidrojen yakıtı dağıtımı bulunmaktadır.

Talebin fazla olduğu yerlerde boru hatları, talebin daha az olduğu bölgelerde sıvılaştırma tesisleri, borulu römorklar ve sıvı tankerler daha doğru bir tercihtir. Hidrojenin tüketimi aşamasında ihtiyaç duyulan ek altyapı parçaları arasında dağıtıcılar, sıkıştırma, kirletici algılama ve arıtma teknolojileri bulunmaktadır [21].

Hidrojenin sağlığının korunması, ulusal hidrojen dağıtım altyapısının oluşturulması, hidrojen sızıntısının minimuma indirilmesi ve maliyetin fazlalığı dağıtım konusunda karşılaşılan zorluklar arasındadır. Bu sorunların çözümü için ar-ge çalışmalarına destek verip yeni teknoloji kombinasyonları denenmelidir. Dağıtım kısmındaki potansiyel kolaylık ise çeşitli kaynaklardan hidrojenin üretilebilmesi, yerel kaynakların üst seviyede kullanılması sağlanırsa bölgesel dağıtım zorluklarının minimuma indirilme potansiyelinin olmasıdır.

 

Kaynakça:

[1] J. M. Simon, S. Brady, D. Lowell, and M. Quant, “Guidelines for use of hydrogen fuel in commercial vehicles,” 2007.

[2] Yip, H. L., Srna, A., Yuen, A. C. Y., Kook, S., Taylor, R. A., Yeoh, G. H., … & Chan, Q. N. (2019). A review of hydrogen direct injection for internal combustion engines: towards carbon-free combustion. applied sciences, 9(22), 4842.

[3] https://www.youtube.com/watch?v=qu1W-6gc36c

[4] https://afdc.energy.gov/fuels/hydrogen_production.html

[5] https://www.energy.gov/sites/prod/files/2020/07/f76/USDOE_FE_Hydrogen_Strategy_July2020.pdf

[6] https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-fuel-basics#:~:text=Today%2C%20hydrogen%20fuel%20can%20be,solar-driven%20and%20biological%20processes

[7] https://www.eia.gov/energyexplained/hydrogen/production-of-hydrogen.php

[8] Das, L.M. Hydrogen engines: A view of the past and a look into the future. Int. J. Hydrogen Energy 1990, 15,

425–443.

[9] White, C.M.; Steeper, R.R.; Lutz, A.E. The hydrogen-fueled internal combustion engine: A technical review. Int. J. Hydrogen Energy 2006, 31, 1292–1305.

[10] Wimmer, A.; Wallner, T.; Ringler, J.; Gerbig, F. H2-Direct Injection—A Highly Promising Combustion Concept; SAE Paper 2005-01-0108; SAE International: Warrendale, PA, USA, 2005.

[11] Chong, C.T.; Hochgreb, S. Measurements of laminar flame speeds of liquid fuels: Jet-A1, diesel, palm methyl esters and blends using particle imaging velocimetry (PIV). Proc. Combust. Inst. 2011, 33, 979–986.

[12] L´eon,A.,(2008). Hydrogen Technology, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg.

[13] Peavey,M.A.,(2004). FUEL FROM WATER Energy Independence with

Hydrogen,Merit Inc.

[14] Ciniviz, M., & Köse, H. (2012). Hydrogen use in internal combustion engine: a review. International Journal of Automotive Engineering and Technologies, 1(1), 1-15.

[15]     https://afdc.energy.gov/fuels/hydrogen_benefits.html

[16]     https://afdc.energy.gov/fuels/hydrogen_basics.html

[17] https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-pathways

[18] Hao, H., Mu, Z., Liu, Z., & Zhao, F. (2018). Abating transport GHG emissions by hydrogen fuel cell vehicles: chances for the developing world. Frontiers in Energy, 12, 466-480.

[19] Marini A. Idrogeno: perché? I problemi che devono essere risolti e quelli che il suo uso può risolvere, Internal report Chemical – Physics Department ‘‘M. Rolla’’ – Pavia University, Italy; 2005.

[20] https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-delivery

[21]  https://www.energy.gov/sites/default/files/2021-12/h2iq-12082021.pdf

[22] Ghirardi, M. L., Dubini, A., Yu, J., & Maness, P.-C. (2009). Photobiological hydrogen-producing systems. Chem. Soc. Rev., 38(1), 52–61. doi:10.1039/b718939g

[23] https://www.nrel.gov/