43-YEŞİL HİDROJEN

Küresel ısınma ve iklim krizinin tüm dünya ölçeğinde yarattığı sonuçların yanında artan popülasyon ve enerji dönüşümünün getirdiği yenilikler, enerji dönüşümünün önemini bir kez daha vurgulamıştır. Özellikle fosil yakıtlardan beslenen çelik, çimento, kimyasal sektörü, uzun mesafeli karayolu ve denizyolu taşımacılığı ve havacılık gibi sektörler karbon salımının azaltılmasında kritik bir öneme sahiptir.

Hidrojen teknolojisi her ne kadar geleceğin teknolojisi olarak değerlendirilse de hidrojenin “enerji kaynağı” olarak değil, enerjinin taşınmasında ve depolamasında kullanıldığını unutmamak gerekir. Hidrojen, bütün klasik yakıtların ağırlığı başına en yüksek enerjiye sahip olmasının yanısıra evrende en çok bulunan elementlerden biridir. Gerek ulaşımda gerekse de taşımacılıkta kullanılmaya başlanan hidrojen teknolojisinin fosil yakıtlardan beslendiği takdirde bir çözüm olamayacağı aşikar. Bu nedenle tüm dünyada kullanılan hidrojen terminolojisi, kullanılan hidrojenin fosil yakıtlardan mı yoksa yenilenebilir enerji kaynaklarından mı elde edildiğinin bilgisini verebilir.

Güneş Enerjisinden Hidrojen Üretimi

Güneş enerjisinden elde edilen enerji düşük sıcaklık ve yüksek sıcaklık altında kullanılır. Düşük sıcaklık uygulamalarında fotovoltaik, fotoelektrokimyasal ve fotobiyolojik hidrojen üretim sistemleri yer alırken; yüksek sıcaklık uygulamalarında termoliz, güneş termokimyasal çevrimler, güneş reformasyon, güneş enerjili gazlaştırma, güneşli kraklama yer alır.

Düşük sıcaklık uygulamalarıyla hidrojen üretimi
Elektroliz yöntemi

Elektroliz sistemi için gerekli olan elektrik enerjisi, doğrudan güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik gözelerden sağlanmaktadır. Elektroliz sistemi için gerekli elektrik enerjisi ayrıca yoğunlaştırılmış güneş enerjisi ile buhar elde edip, buhar türbinleriyle üretilen enerjinin yine elektroliz sistemlerde kullanılmasıyla olanaklıdır. Önemli nokta düşük maliyet ve yüksek çevrim verimi sağlamasıdır. Fotovoltaik sistemlerin çalışma prensibi şu şekildedir: Elektroliz hücresi içinde genel olarak bir düzlem metal veya karbon içerikli plakalar yer alır. İki elektrot ve elektrolit sıvısı bulunur. Doğru akım kaynağı elektrota bağlanarak iletken sıvı yardımıyla pozitif elektrottan (anot) negatif elektrota (katot) akım aktarılır. İşlem sonunda elektrolit içindeki su, hidrojen (katottan gelen) ve oksijene (anottan gelen) ayrışır.

Güneş enerjisi ile hidrojen üretiminde fotovoltaik elektrolizör sistemler iki basamaklı halde üretim yaparlar. İlk basamakta silisyumdan ya da eşdeğer maddelerden yapılan güneş pilinden doğru akım elde edilir. Elde edilen akım bir elektroliz hücresinin elektrotlarından aktarılarak hidrojen ve oksijenin ayrıştırılması sağlanır. Kullanılan güneş gözeleri güneş enerjisini direkt olarak elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken yapılardır. Elektroliz yöntemiyle hidrojen üretiminin verimi elektrik düşünüldüğünde %80 civarındadır. Üretilen elektriğin ısı verimi hafif su reaktörlerinde %34 civarında, geliştirilmiş sistemlerde %50 dolaylarında değişim gösterir ve ortalama %30-40 arasındadır. Elektroliz sistemleri düşük verimlerine karşın çevre dostu sistemler olması önem arz etmektedir.

Fotoelektrokimyasal ve fotokatalitik hidrojen üretimi
Suyun hidrojen ve oksijen gazlarında ısı enerjisi yardımıyla ayrışma reaksiyonu büyük bir Gibbs serbest enerji değişimi ile gözlemlenir. Fotokatalitik hidrojen üretimi yenilenebilir hidrojen üretimi ve çevre dostu enerji üretimleri için büyük önem taşır. Fototokatalitik üretim yeşil bitkilerin ve klorofil taşıyan canlıların gerçekleştirdiği fotosenteze çok benzerdir. Bu bağlamda suyun ayrışmasıyla hidrojen üretimi de yapay fotosentez olarak tanımlanabilir. Yapay fotosentez işleminde hidrojen üretimi için pozitif Gibbs serbest enerjisi tek başına reaksiyon gösteremediği için katalizöre veya fotokatalizöre ihtiyaç vardır (Carrasco vd., 2019).

Fotobiyolojiksel yöntemle hidrojen üretimi
Hidrojen üretiminde biyolojiksel metotlar iki grupta sınıflandırılır. Bunlar; ışığa bağlı prosesler ve ışıktan bağımsız proseslerdir. Işığa bağımlı prosesler direkt veya indirekt fotofermantasyonu içermektedir. Işığa bağımsız prosesler ise karanlık fermantasyonu içerir. Fotobiyolojiksel metotlarla hidrojen üretiminde yeşil algler ve bakterilerin doğal fotosentetik aktivite özelliği kullanılır.

Yüksek sıcaklık uygulamalarıyla hidrojen üretimi
Güneş termoliz yöntemi Termoliz işlemi, suyun yüksek sıcaklıklarda termal olarak parçalanıp hidrojen üretme işlemi olarak bilinir. Bu metotta sıcaklık 1500°C sıcaklığa veya daha yüksek sıcaklığa çıkartılarak buhar moleküllerinin oksijen ve hidrojeni parçalaması sağlanır. Sıcaklık ne kadar yükselirse parçalanma o kadar fazla olur. Aynı işlem buhar basıncı düşürülerek de yapılabilir. Endüstriyel alan için hidrojen üretiminde sıcaklık 2900-3000°C’ye kadar çıkartılabilir. Bu sıcaklığı temin etmenin en kolay yolu güneş kule sistemlerinin kullanılmasıdır. Bu sistemlerin tepe noktasına alıcı monte edilir (Yoğunlaştırma yaparak ısı üretimi sağlanır). Üretimde kimyasal madde kullanıma gerek olmadığı için çevresel kirlilik olmadığı gibi yüksek verim elde edilir. Prosesin dezavantajları arasında; yüksek sıcaklığın ticari olarak maliyeti arttırması ve hidrojenin yüksek sıcaklıklarda diğer kimyasal gazlardan ayrılmasının zor olduğu yer alır (Chen vd., 2019).

Güneş termokimyasal çevrimler
Termokimyasal çevrim yönteminde H2 ve O2 ayrışım problemleri bulunmadığı için düşük sıcaklıklarda (Maksimum 1000°C) uygulama alanı bulup, termoliz yöntemlerine nazaran daha fazla uygulama alanında kullanılır. Termokimyasal çevrimlerde hidrojen üretimi için su ve birkaç reaktan kimyasal tepkimlere sokulur. Kimyasal değişim sonucu H2 ve O2 gazı elde edilir. Tepkimede kullanılan reaktanlar tekrardan kullanılır. Suyun bozunması termokimyasal açıdan üç aşamada gerçekleşir. Bunlar; hidrojen üretimi, oksijen üretimi ve kullanılan malzemelerin geri kazanımıdır (Fu vd., 2019).

Güneş termal esaslı elektrolizör yöntemi
Güneş radyasyonlarının yoğunlaştırılarak yüksek sıcaklığa çıkarılmasıyla özel bir akışkana (Molden tuz karışımları veya faz değiştiren malzemeler) ısı olarak verilip, bu akışkandan elektrik ve buhar elde edilebilir. Yaklaşık olarak 500°C’deki termal enerjiyi özel akışkanlar depolayabilir (Menad vd., 2018)

Hidrojenin yakıt olarak kullanılması 1970’lerden bu yana konuşulmakla birlikte, yaygın kullanımının çok pahalı olacağı belirtiliyor. Ancak bu enerjiyi destekleyenler, altyapı yatırımları, ulaşım, gaz şebekeleri ve sanayiden gelen taleplerin artmasıyla maliyetlerin düşeceğini belirtiyorlar.

Bugün kullanılan hidrojenin büyük bir kısmı, karbon emisyonu üreten bir süreçle doğal gazdan çıkarılıyor. Ancak sudan elektrolizle “yeşil” hidrojen elde etme imkanı da var ve bu teknoloji sayesinde yenilenebilir enerjiyle karbonsuz bir süreç içinde yoğun enerji üretilebiliyor.

Avrupa genelinde 2030 yılına kadar 40.000 megawatt’a kadar elektrolizör üretilecek, bunun 5.000 megawatt’ının 2030’a kadar Almanya’da üretilmesi planlanıyor. Bunlarla yılda on milyon tona kadar yeşil hidrojen üretilebilecek. Almanya bunu başarmak için Kuzey Denizi’nde, bugünkü petrol ve gaz platformlarına benzer özel hidrojen adalarının inşasını teşvik etmek istiyor. Açık denizdeki büyük rüzgar çiftlikleriyle çevrili bir şekilde buralarda, hidrojen üretiminin gerçekleştirilmesi ve üretilen hidrojenin tanker gemileriyle tarafından kıyıya taşınması planlanıyor.