Hidrojen Enerjisinin Geleceği

Dünya nüfusundaki ve uygarlık düzeyindeki artışlarla birlikte toplam enerji gereksinimi artıyor ve buna karşın günümüzde kullanılmakta olan enerji kaynakları hızla tükeniyor. İşte tam bu noktada alternatif enerji kaynaklarına duyulan gereksinim kaçınılmaz hale geliyor. Petrol krizinin ve çevre sorunlarının etkisi altında, yakın gelecekte araçlarda kullanılan benzin, mazot gibi petrol kökenli konvansiyonel yakıtların yerini alacak alternatif yakıtların bulunması büyük önem taşıyor.

Bugün yakıt seçiminde, motor yakıtı olma özelliği, çok yönlü kullanım, kullanım verimi, çevresel uygunluk, emniyet ve efektif maliyet ölçütleri göz önüne alınıyor. Bunlara dayalı bir değerlendirme, hidrojenin önemli bir enerji taşıyıcısı olduğunu ortaya çıkarıyor. Fosil yakıtlar yalnızca alevli yanmaya uygunken hidrojen alevli yanmaya, katalitik yanmaya, doğrudan buhar üretimine, kimyasal dönüşüme ve yakıt pili ile elektrik dönüşümüne uygun bir yakıttır.

Peki, nedir hidrojen? Kokusuz, renksiz ve saydam olan, tadı olmayan, evrende en bol bulunan bu element aynı zamanda doğadaki en hafif elementtir. Gözlemlenebilir evrenin kütlece yaklaşık % 75’i hidrojenden oluşur. Kalan kısmı ise daha çok helyumdur. Özellikle genç yıldızlar, yıldızlar arasında bulunan toz ve gaz bulutları büyük miktarlarda hidrojen içerir. Güneşin kütlece yarısından fazlası da hidrojenden oluşur. Hidrojenin birim kütlesinin ısıl değeri, petrolünkinden 3,2 kat, doğal gazınkinden ise 2,8 kat fazladır.

Yalnız bir konuyu da hatırlatalım, hidrojen doğada serbest halde bulunmaz. Yalnızca fosil yakıtlar dediğimiz petrol, kömür, doğal gazın ya da suyun içinde yer alır. Uygun teknolojiler kullanılarak bu kaynaklardan hidrojen elde edilir. Endüstriyel hidrojen, hidrokarbon yakıtlar ya da su kullanılarak üretilir. Üretim, kimyasal olarak yapıya bağlı bulunan hidrojenin, çeşitli parçalanma tepkimeleri ile fosil yakıtlardan termokimyasal yolla ya da sudan elektroliz ve benzeri yöntemlerle açığa çıkarılması prensibine dayanır.

Peki elde edilen hidrojen nerelerde kullanılır? Dünyada üretilen hidrojenin yaklaşık olarak %62’si gübre sanayisinin bir hammadesi olarak kullanılan amonyağın üretiminde, %24’ü petrol rafinasyonunda ve %10’u metanol üretiminde kullanılıyor. Kalan %4’lük kısım ise metal ve cam sanayisinde, yağ sanayisinde hidrojenasyon tepkimelerini gerçekleştirmek için ve uzay çalışmalarında roket yakıtı olarak kullanılıyor.

Amonyak üretiminden sonra hidrojenin en fazla kullanıldığı alan, halen petrol rafinasyonu. Rafinasyon işleminde yan ürün olarak açığa çıkan hidrojen ve hidrokarbon yakıtlardan hidrojen üretimi, en önemli iki hidrojen üretim süreci olarak bilinir.

Petrol rafinasyonundan sonra üçüncü en büyük hidrojen tüketimi, metanol üretimi sırasında gerçekleşir. Dünyada üretilen hidrojeninin yaklaşık olarak %10’u metanol üretiminde kullanılır. Amonyak ve metanol üretimi ile petrol rafinasyonu dışında kalan hidrojen, gaz firmaları tarafından tedarik edilir.

Hidrojen de aslında elektrik gibi bir enerji taşıyıcısı. Halen uzay mekiklerinde kullanılan ve birçok uygulamada enerji üretimi için kullanılmaya başlanan yakıt pilleri, içten yanmalı motorlar, mikro türbinler ve benzeri sistemlerde değerlendirildiğinde, hidrojenden enerji üretilebilir.

Hidrojen alevli yanma özelliği ile içten yanmalı motorlarda, gaz türbinlerinde ve ocaklarda yakıt olarak da kullanılır. Hidrojenin doğrudan buhara dönüşme özelliği, buhar türbinleri uygulamasında kolaylık sağlar. Bu özelliği ile endüstriyel buhar üretimi de kolaylaşır. Hidrojenin katalitik yanma özelliğinden kombilerde, mutfak ocaklarında, su ısıtıcılarında ve sobalarda yararlanılabilir. Hidrojen, yakıt pillerinde elektrokimyasal çevrimle doğrudan elektrik üretiminde de yüksek bir verimle (yakıt pili tipine bağlı olarak % 40-65) kullanılabilir. Yüksek verimlilikleri ve düşük emisyonları nedeniyle yakıt pillerinin yakın gelecekte ulaşım sektöründe ve elektrik üretiminde geniş bir kullanım alanı bulması bekleniyor.

Türkiye’de ve Dünyada Hidrojen

Peki ülke olarak biz hidrojenden bugüne kadar acaba nasıl yararlandık ve yararlanıyoruz? Ülkemizde de dünyadakine benzer şekilde, hidrojen esas olarak petrol rafinasyonunda, amonyak ve metanol üretiminde kullanılır. Yaklaşık 30 milyon ton petrolü işleyebilmek için gerekli hidrojen, başlıca İzmit, İzmir, Kırıkkale ve Batman rafinerilerinde üretilir. Rafinerilerde kullanılan hidrojen, kısmen ham petrolün işlenmesi için kullanılan dehidrojenasyon ünitelerinde kısmen de doğal gazdan üretilir.

Dünyada hidrojen üretimi oldukça geniş ve büyüyen bir endüstri. Günümüzde dünyada her yıl yaklaşık olarak 50 milyon ton hidrojen üretilir. Üretilen hidrojenin petrol cinsinden karşılığı ise yaklaşık olarak 170 milyon ton. Halen üretilen hidrojenin tamamı eğer, gaz türbinleri, gaz motorları, kojenerasyon sistemleri ve benzeri enerji sistemlerinde değerlendirilseydi, dünyanın toplam enerji ihtiyacının yalnızca yaklaşık %2’si karşılanabilirdi.

Hidrojenin depolanması ve nakledilmesi bugün için oldukça pahalı. Bu nedenle üretimin büyük çoğunluğu bölgesel olarak gerçekleştirilir ve genellikle üretici firma tarafından hemen tüketilir. 2005 yılı itibarıyla, tüm dünyada, bir yıl içerisinde üretilen hidrojenin ekonomik değeri yaklaşık olarak 210 milyar TL’dir.

Gelecekte Hidrojen

Alternatif enerji taşıyıcılarından biri olacağı öngörülen Hidrojen Enerjisinin Geleceği acaba nasıl şekillenecek? Önümüzdeki 30-40 yıllık dönemde Çin, Hindistan gibi yükselen ekonomilerin hızla artan talebiyle birlikte, petrolün fiyatının bugünkü varil başına 50 dolar düzeyinin çok üstüne çıkması bekleniyor. Bu durum karşısında devletler enerji çeşitliliğinin ve güvenliğinin sağlanması için alternatif kaynak arayışına girdiler.

Yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelimin hız kazandığı bu dönemde, geleceğin yakıtı olarak kabul edilen hidrojen, hem devlet bütçelerinde hem de şirketlerin Ar-Ge yatırımlarında önemli bir yer tutmaya başladı. Uluslararası Enerji Ajansı IEA’nın vizyonu, temiz ve sürdürülebilir enerji arzının sağlanmasında, hidrojenin anahtar bir rol üstlenebileceği yönünde.

Peki hidrojen gelecekte nasıl yaygınlaşacak? Hidrojenin yaygınlaşmasını sağlayacak üç unsur, enerji sektörünün ithal petrole bağımlı olması, daha verimli ve düşük maliyetli enerji sağlaması, çevreyi kirletmeyen temiz kaynak arayışıdır. Petrolün bugünkü ve gelecekte öngörülen durumu, ithalat bağımlılığı, fosil yakıtların yarattığı karbondioksit emisyonları ve Kyoto Protokolü’nün emisyonlara getirdiği sınırlamalar doğrultusunda, hidrojen çok önemli bir kaynak olarak nitelendiriliyor. Ancak şu an hidrojenin geleceği, altyapı ve üretim maliyetleri, hükümetlerin destekleyici politikaları ve teşvikler, yeni teknolojilerin toplum ve tüketiciler tarafından kabul görmesi gibi birçok parametreye bağlı. Petrole bağlı enerji sektörünün dönüşümünün sağlanmasında özel sektör kadar, destekleyici hükümet politikalarının da kilit rol oynaması bekleniyor.

Dünyada hidrojen talebine yönelik beklenen gelişmeler şöyle sıralanabilir:

• Hidrojenli araçları teşvik etmek amacıyla hidrojen istasyonlarının yer aldığı otoyol ağı kurulması amaçlanıyor,
• Hibrid araçlarla başlayan dönüşüm sürecinin hidrojen, biyoyakıt veya batarya ile çalışan araçların piyasaya çıkmasıyla tamamlanması öngörülüyor.
• Gelecekte iki yakıtlı araçların (dizel/hidrojen, benzin/hidrojen) otomotiv sektöründe payının artacağı tahmin ediliyor.
• Evlerde hidrojen kullanımının yaygınlaşacağı düşünülüyor.
• Geleceğe yönelik pazar beklentilerini değerlendiren senaryolara göre 2025 yılında dünya genel enerji tüketiminin yıllık 12-16 milyar ton petrole eşdeğer olması bekleniyor. 2025 ve sonraki dönemde, toplam enerji ihtiyacının %10-20’sinin hidrojenden karşılanması öngörülüyor.
• Otomotiv sektöründe de hidrojenli araçların pazarda yer alacağı düşünülüyor ve bu konuda yoğun teknoloji geliştirme çalışmaları yapılıyor.

Ticari Hidrojen Üretim Süreçleri

Hidrojenin üretim kaynakları bol ve çeşitlidir. Hidrojen, daha önce de sözünü ettiğimiz gibi fosil yakıtlardan elde edilebildiği gibi, güneş, rüzgâr, hidrolik enerji gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrik enerjisi kullanılarak, elektroliz yolu ile sudan ve biyokütleden de üretilebilir. Suyun elektrolizi bilinen bir yöntem olmakla beraber, ekonomik hale getirilmesi konusunda çalışmalar yürütülüyor; benzer şekilde güneş enerjisinden biyoteknolojik yöntemlerle hidrojen üretimi konusunda Ar-Ge çalışmaları devam ediyor.

Bugün ticari olarak üretilen hidrojenin büyük bir bölümü fosil yakıtlardan elde ediliyor. Günümüzde hidrojenin %48’i doğal gazdan, %30’u ham petrolden, %18’i kömürden ve %4’ü elektroliz yöntemi ile sudan üretiliyor.

Yakıt Pilleri

Yakıt pili teknolojileri, yüksek verimleri ve düşük emisyon değerleri nedeni ile hidrojenin kimyasal enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürüldüğü önemli bir enerji dönüşüm ve üretim teknolojisi olarak bilinir. Geliştirilmekte olan yakıt pilli mikro kojenerasyon sistemlerinin temelde, hidrojen üretim sistemi, yakıcı, enerji koşullandırma sistemi ve elektrik üretiminde kullanılmak üzere yakıt pilinden oluştuğu görülmektedir. Teknoloji odaklı olarak, daha çok yüksek sıcaklıklarda (650-850 °C) çalışan ergimiş karbonatlı yakıt pilleri (EKYP) ve katı oksit yakıt pilleri (KOYP) ve düşük sıcaklıklarda (yaklaşık 80-200 °C) görev yapan PEM tipi yakıt pilleri üzerinde çalışılıyor. Hidrojen bir enerji taşıyıcısı olarak bu teknolojiler sayesinde önemini giderek artırıyor. Ancak gerçek anlamda hidrojen ekonomisine geçiş için stratejik ve teknolojik anlamda halen çözümlenmesi gereken önemli sorunlar var.

Kaynaklar
– Elvers, B., Hawkins, S., Ravenscroft, M., Schulz, G. (ed.), Ulmann’s Encylopedia of Industrial Chemistry, Cilt A13, VHS, s. 311, 1989.

– Bade, W., Parekh, U. N., Raman, V. S., Seide, A. (ed.), Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Beşinci baskı, Cilt 13, John Wiley & Sons, Inc., s. 759-808, s.837-866, 2005.

– Spath, P. L., Mann, M. K., “Life Cycle Assesment of Hydrogen Production via Natural Gas Steam Reforming”, NREL National Renewable Energy Laboratory, 2001