Bileşik haldeki hidrojenin saf halde ayrışması sonucunda moleküllerinden salınan kimyasal enerjiye “hidrojen enerjisi” denir. Hidrojen enerjisi, farklı yöntemlerle elektriksel biçimlere ya da ısıya dönüştürülerek kullanılabilir. Ayrışma bitiminde su veya su buharı yayar. Bu sebeple temiz ve yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak da sınıflandırılabilir.
Diğer yenilenebilir kaynaklar hakkında detaylı bilgi için inceleyin: Yenilenebilir enerji>>
Hidrojen periyodik tablonun ilk elementidir. 1500'lü yıllarda keşfedilmiş ancak yanabilme özelliği 1700'lü yıllarda fark edilmiştir. Sembolü “H” ve atom numarası “I” olan, evrenin en çok bulunan ve en basit elementidir.
Günümüzde hidrojen enerjisi aşağıda örneklendirilen pek çok alanda kullanılmaktadır:
Hidrojen enerjisi, bazı yöntemlerle ısı ve elektriksel biçimlere dönüştürülebilmektedir. Çevre dostu bir kaynak olmasından dolayı 1970’li yıllarda hidrojen enerjisi üzerindeki araştırmalar yoğunlaşmıştır. 1974’te yapılan bir konferans ile de hidrojen enerjisi kavramı hayata geçmiştir.
Hidrojen, yoğunluğu havanın 1/14’ü kadar olan hafif bir gazdır. Atmosfer basıncında 253°C’de sıvılaşır. Üst ısıl enerji değeri 33,2 kWsa/kg'dır. Yani 1 kg hidrojen direkt olarak yakıldığında bizlere 33,2 kWsa'lik enerji sağlayabilmektedir.
Hidrojen enerji sistemleri şu kısımlardan oluşur:
Hidrojen üretimi birkaç farklı yolla sağlanabilir:
Hidrojen üretimi sonrasında depolanması ve iletilmesi için de farklı yöntemler bulunmaktadır. Hidrojenin gaz formunda sıkıştırılması ya da basınçlı ortamda sıvı hale dönüştürülmesi ve sonra tankerlere yüklenmesiyle taşınma işlemi yapılmaktadır. Fakat, gelecek yıllarda artması ön görülen hidrojen ihtiyacından dolayı, hidrojenin var olan doğal gaz boru hatları yoluyla da taşınması mümkündür. Depolama için ise öncelik kolay taşınabilir formlarda yoğunlaşmıştır: Gaz hidrojen, sıvı hidrojen, kimyasal depolama ve metal hidrit.
Hidrojenden şu yöntemlerle enerji elde edilir:
Hidrojen üretimi, biyokütle gibi yenilenebilir enerji kaynakları, hidrokarbonlar gibi fosil yakıtlar, nükleer kaynaklar gibi pek çok kaynaktan sağlanabilir. Şu anda hidrojen enerjisinin çoğu fosil yakıtlardan, özellikle de doğal gazdan üretilmektedir. Ancak yenilenebilir kaynaklardan da hidrojen üretilmesi konusunda teknolojik gelişmeler devam etmektedir.
Kömür gazlaştırma işlemi ile de hidrojen üretimi mümkündür. Bu işlemde, kontrollü bir buhar ve gaz karışımıyla kömür içerisindeki moleküler bağlar kırılır. Bu sayede hidrojen gaz karışımı ve CO (karbonmonoksit) oluşur. Bu kaynak, temel ürünü kömür türevi gaz olduğu için kıymetli bir kaynaktır. Kömür gazlaştırmasından sağlanan gaz, kömürün geleneksel yakımından daha verimli elektrik elde etmek için kullanılabilir.
Rüzgardan hidrojen üretiminde ise; rüzgar türbinleri ile elde edilen elektrik enerjisi, elektrolizörleri besler ve bir dönüşüm işlemiyle hidrojen elde edilir. Bu dönüşüm işlemi sonrasında elde edilen hidrojen enerjisi var olan boru hatları yardımıyla (doğalgaz), kamyonlarla ya da tankerlerle kullanılacakları yere taşınır. Hidrojen, ulaştığı alanda yakıt pilleri aracılığı ile doğrudan elektriğe dönüştürülebilir veya araçlardaki içten yanmalı motorlarda, evlerde ısıtma amacıyla kullanılabilir.
Rüzgardan elde edilebilecek hidrojenin, kurulu gücümüzden dolayı ülke ekonomisine de büyük katkıda bulunması beklenmektedir. Rüzgar enerjisi hakkında daha detaylı bilgiye ulaşmak için yazımızı okuyun.
Dünyanın enerji ihtiyacının büyük bölümünü karşılayan fosil kaynaklar gittikçe azalmakta ve çok ciddi çevre ve hava kirliliğine neden olmaktadır. Temiz ve yenilenebilir hidrojen enerjisi, üretim esnasında hiçbir çevre kirletici madde açığa çıkarmaması ve verimi düşünüldüğünde bu sorunların çözümü için önemli bir potansiyel oluşturmaktadır. Bu nedenle son yıllarda özellikle gelişmiş ülkeler bazında hidrojen enerjisi üzerinde yoğun bir araştırma ve geliştirme çalışması sürdürülmektedir.
Gelecekte hidrojenin, çimento, çelik, alüminyum ve cam üretimi gibi karbondan arınması zor olan endüstrilerde önemli bir rol oynayacağı ön görülüyor.
Kamyon, uçak ve gemi gibi ağır vasıtaların elektrifikasyonunda da hidrojenin yardımcı olacağı söyleniyor. Örneğin, uzun yol ağır yük kamyonlarında hidrojenin yakıt olarak kullanılmasının, dizel motorlu vasıtalara göre çok daha ucuz olabileceği düşünülüyor.
Yenilenebilir enerji kullanımını arttırmaya yardımcı olma konusunda bazı uzmanlara göre hidrojen, uzun süreli depolama alternatifiyle şebekeyi dengeliyor.
Hidrojen, binaların ısıtılması için İngiltere ve Almanya’da alternatif bir çözüm olarak kabul görüyor. Ama bu durumdan yararlanmak için gaz altyapısının genişletilmesi gerekiyor.
Özellikle pandemi döneminde hidrojen enerjisi, dekarbonizasyon sorunu ile mücadele etme konusunda dünya gündeminde en ön sıralarda yer alıyor. Özellikle büyük şirketler temiz enerjiye yatırımlarını arttırıyorlar. Hidrojen, bu dönüşüm sürecinde hayati bir rol oynayabilir. AB, Japonya, Çin, Güney Kore, Avustralya, bu konuya yönelik yeşil hidrojen projeleri oluşturuyorlar. AB, Yeşil Anlaşma çerçevesinde, yeşil hidrojene 2030’a kadar yüklü bir miktarda yatırım yapmayı hedefliyor.
Dünyadaki hidrojenin büyük kısmı denizlerde hapsolmuştur.
Hidrojen, doğal gazın kısmi oksidasyonu ya da buharla yeniden yapılandırılması gibi yöntemlerle fosil yakıtlardan üretilebilirler.
Hidrojen üretim yöntemlerinden biri diğeri suyun direkt elektrolizidir. Bunun için gereken elektrik; fosil yakıtlardan, nükleer güçten, hidroelektrik kaynaktan, güneş, rüzgâr ve deniz dalga enerjilerinden, jeotermal enerjiden elde edilebilir. Genellikle tüketilen elektrik maliyeti, üretilen hidrojen fiyatından daha yüksek olduğundan, elektroliz yöntemi hidrojen üretiminde oldukça küçük bir paya sahiptir.
Hidrojen üretiminde kullanılabilecek jeotermal enerji ve nükleer enerji hakkında bilgilenmek için yazılarımızı okuyun.
Gelecek için en çok üzerinde durulan yöntem ise fotovoltaik güneş üreteçleridir.
Suyun ısıl parçalanması ile de hidrojen üretilebilmektedir.
Doğal gazın ve gaz hidrokarbonlarının buhar reformasyonu da bir hidrojen üretim yöntemidir.
Ayrıca kömür gazifikasyon yöntemi ile de hidrojen üretilebilir. Gazifikasyonda ortalama 6 kg kömürden 1 kg hidrojen elde edilir. Bu 3.785 lt benzine eş değerdir.
Kanalizasyon materyalleri ve katı atıklar gibi biyokütle kaynakları da hidrojen üretimi için hammaddedir. Gazifikasyon işlemine bağlı olarak, oksijenle sentez gazının reformasyonu hidrojen açığa çıkarır. Biyokütle enerjisi hakkında bilgilere yazımızdan ulaşın.
Sonuç olarak hidrojen üretimi için, içerisinde hidrojen bulunan su ya da fosil yakıt gibi kaynaklara ihtiyaç vardır. Fosil yakıtların kullanımı doğal kaynakların tükenmesine ve karbondioksit üretilmesine neden olur. Suyun elektroliz edilmesinde gereken enerjinin ciddi bir kısmı, yine fosil yakıtların elektrik enerjisine dönüştürülmesi ile sağlanmaktadır. Bu açıdan, hidrojen yakıtı fosil yakıtlardan tamamen bağımsız veya hiçbir emisyona neden olmayan bir yöntem şeklinde düşünülemez.
Üretilen hidrojen depolanabilir; gaz biçiminde boru hatlarıyla taşınabilir veya yüksek basınçlı gaz ve sıvılaştırılmış halde tankerlerle taşınabilir. Gelecekte hidrojen taşınması için doğal gaz boru hatlarının kullanılabileceği belirtilmektedir.
Hidrojen hidridlerle de depolanabilir ve taşınabilir. Düşük ve yüksek sıcaklık hidridleri vardır. Magnezyum-nikel alaşımı yüksek sıcaklık hidridi, demir-titanyum alaşımı düşük sıcaklık hidrididir. Bu hidridlerin kombinasyonu da kullanılmaktadır.
Ekonomik kıyaslama, yakıtlarda efektif maliyete göre düzenlenir. Efektif maliyet, saf maliyet ve çevre zararlarını kapsayan maliyetle kullanım veriminin fonksiyonudur. Bu maliyete göre hesaplanan ekonomiklik değeri hidrojende 1 iken fosil yakıtlarda 0.37-0.61 arasında değişmektedir. (doğal gaz hariç) Bu sebeple hidrojenden daha az ekonomiktirler. Fakat doğal gazın ekonomiklik faktörü hidrojenden yüksektir.
İç maliyet bakımından, en az maliyetli hidrojen üretimi kömürden sağlanmaktadır. Sonra ise hidro-hidrojen gelmektedir. En az hidrojen maliyeti, ulaşım sektöründe benzinden ucuz olabilmektedir. Çevre maliyeti göz önüne alınmadan hidrojen elektrik, konut, endüstri sektörlerinde doğal gazdan 1.5-3.7 kat, petrol ürünlerinden 1.3-3.5 kat ve kömürden 4.7-5.8 kat daha pahalıdır.
Taşımacılık amacıyla hidrojen dağıtımı Almanya, İzlanda, Japonya vee Kaliforniya'da 28 Ağustos 2006 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlenmiştir. Kanada’da da test edilmektedir.
Hidrojenin katalitik yanması (alevsiz) fırınlara, mutfak ocaklarına, su ısıtıcılarına ve özel sobalara uygulanmıştır. Gösterim amacıyla bu stilde beyaz eşya üreten firmalar da vardır. Bu sayede, evlerde yakıt olarak hidrojen kullanmanın önü açılmıştır.
Hidrojen enerjisi konusunda çeşitli ülkelerin işbirliği ile uluslararası programlar başlatılmıştır. Norveç ile Almanya'nın NHEG projesi, Avrupa ülkeleri ile Kanada'nın EURO-QUEBEC (hidro-hidrojen) Projesi, Almanya ile Suudi Arabistan'ın HY-SOLAR (güneş-hidrojen) Projesi, Uluslararası Enerji Ajansı (IEA) hidrojen enerjisi projeleri, İskandinav ülkeleri ile Yunanistan'ın işbirliği, Birleşmiş Milletler UNIDO-ICHET hidrojen çalışmaları buna örnek olarak gösterilebilir. Henüz uygulanmamış olan UNIDO-ICHET projesi içeriğinde, İstanbul'da Hidrojen Enstitüsü kurulması durumu da gündemdedir.
Uluslararası Standartlar Organizasyonu (ISO), ISO/TC-197 Komitesi’ni oluşturarak, hidrojen enerjisi içeriğinde, ölçümler, emniyet, taşıma, uçaklar, araçlar, elektro-kimyasal donanımlar, hidridler, çevre ve uygulama alanlarını içeren uluslararası standart çalışmalar başlatmıştır.
İzlanda, 2050 yılında hidrojen ekonomisine geçecek olma kararını alan tek ülkedir. İhtiyaç duyduğu petrolü ithal eden İzlanda, sahip olduğu hidroelektrik ve jeotermal kaynaklarıyla hidrokarbon enerji kaynaklarından daha az maliyetle elektrik üretebilmektedir. Sahip olduğu enerji fazlasını, hidrokarbonlara ve ihraç edilebilir ürünlere dönüştürmektedir. Amonyum (NH3) üretimi için, elektroliz yöntemiyle 2002 yılında 2000 ton hidrojen gazı üretmiştir.
Norveç’in adası olan Utsira’da hidrojen ekonomisi pilot proje kapsamında denenmektedir. Rüzgâr jeneratörleri enerji üretiminde kullanılır, üretilen enerjinin fazlası elektroliz yöntemi kullanılarak hidrojene dönüştürülür. Rüzgâr yetersiz olduğunda ise tekrar elektrik elde etmek için hidrojen gazı olarak depolanır.
Londra’da 2004 yılının Ocak ayında, iki otobüsle başlanılan Hidrojen yakıt hücresi deneme programı 2005 yılı Aralık ayında tamamlamıştır.
The Hydrogen Expedition adında, tüm dünya çevresinde dolaşıp hidrojen yakıt hücrelerinin neler yapabileceğini gösterecek olan ve hidrojen yakıtı ile çalışan bir geminin yapımını sürdürmektedir.
Dünyanın giderek artan enerji ihtiyacını çevreyi kirletmeden, sürdürülebilir olarak sağlayabilecek en ileri enerji kaynağının hidrojen olduğu günümüzde tüm bilim insanları tarafından kabul edilmektedir. Hidrojenin yakıt olarak kullanıldığı enerji sistemlerinde, atmosfere sadece su ve/veya su buharı salınmaktadır. Hidrojen gazının birçok yerde kullanılması ve atık ürünün yine su olması temiz enerji kaynağı olmasının bir göstergesidir. Hidrojenin, tükenmeyen ve yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak yıllarca insanlığın hizmetinde olacağı ön görülmektedir.
Türkiye, enerji ihtiyacının büyük kısmını geleneksel enerji kaynaklarından karşılamaktadır. Bu enerji ihtiyacının %85’lik kısmının kaynağını kömür, petrol, linyit ve doğalgaz oluşturmaktadır. Ayrıca enerjisinin % 70 oranında bir kısmını da ithal kaynaklarla sağlamaktadır. Ülkemizde hidrojen teknolojileri konusunda dikkat çekici bazı çalışmalar yapılmaktadır. Türkiye, avantajları dolayısıyla hidrojen alanında önemli gelişmeler kaydedebilecek potansiyele sahip bir ülkedir.
Tabii ki hidrojen temelli altyapının gelişmesi için bazı teknolojik ve ekonomik kısıtlamaların çözülmesi gerekmektedir. Ülkemizin enerji konusunda dışa bağımlı olması çalışmaları hızlandırırken, araştırma yapacak birimlerin olmaması da problem yaratmaktadır. Hidrojen alanında TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi'nde Uluslararası Enerji Ajansı programları dahilinde çalışma başlatılmak istenilmiş fakat iş birliği 1996 yılında kesilmiştir. ICHET projesi kapsamında Birleşmiş Milletler (UNIDO) desteği sağlanarak, İstanbul'da Hidrojen Enstitüsü kurulması konusu da gündemdir.
20-22 Kasım 1996 tarihlerinde Viyana'da gerçekleştirilen 16. UNIDO Endüstriyel Kalkınma Kurulu Toplantısı'nda, UNIDO desteği ile ülkemizde Uluslararası Hidrojen Enerjisi Teknolojileri Merkezi (ICHET) kurulması kararı verilmiştir. ICHET’in tasarlanan amacı ise, gelişmiş ve gelişmekte olan ülkeler arasında hidrojen teknolojileri köprüsünü oluşturmak, hidrojen teknolojilerinin geliştirilmesini sağlamak ve uygulamalı AR-GE çalışmalarını yürütmek olarak belirlenmiştir. ICHET’in Türkiye’de kurulacak olması, Türkiye’ye hidrojen üssü olarak önemli bir görev yüklemiş olacaktır.
Türkiye'nin hidrojen üretimi konusundaki en önemli şansı, uzun kıyı şeridine sahip olan Karadeniz'in tabanında kimyasal şekilde depolanmış hidrojen bulundurmasıdır. Oksidasyon ve elektroliz reaktörü kullanılarak, H2S den hidrojen üretimi konusunda yapılan teknolojik çalışmalar vardır. Bu konudaki bir diğer çalışma semikondüktör partikülleri ile fotokatalitik yöntemle hidrojen üretilmesidir.
Güneş ve rüzgar enerjisi ile, Karadeniz'in H2S içeren suyundan hidrojen üretimi literatüre geçen bilimsel araştırmalardır. Özetle Karadeniz, bünyesinde bol miktarda hidrojen bulundurması nedeniyle Türkiye’nin hidrojen üssü olma yolunda önemli bir kaynaktır.
Hidrojeni elektrik enerjisine dönüştürmenin en iyi yolu olan yakıt hücreleri çalışmaları da son yıllarda Türkiye’de artış göstermiştir. Bunlardan biri, Arçelik, TOFAŞ, Aygaz, Ford, Otosan ve Demirdöküm firmaları ile Türkiye Teknoloji Geliştirme Vakfı (TTGV) ve TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi’nin (MAM) işbirliği ile üretilmesi, geliştirilmesi ve ticarileştirilmesi planlanan hidrojen yakıt hücresi projesidir.
Gelişmiş ülkelerde otomotiv şirketlerinin ve kamu kuruluşlarının hidrojen sistemleri ile ilgili yoğun faaliyetleri vardır. Bu çalışmalar gittikçe artış göstermektedir. AB ülkeleri, ABD ve Japonya’da üretim yapan otobüs ve otomobil firmalarının çoğu yakıt pilli prototip modellerini geliştirmektedirler. Ayrıca içten yanmalı motorlu ve hidrojen yakıtlı modeller de geliştirilmektedir. Bu prototipler, oluşabilecek problemleri görmek için araştırma amacıyla yapılmaktadır.
Ayrıca Airbus ve NASA’da hidrojen bazlı yakıt pilli ve gaz türbinli yolcu uçağı geliştirmek için de yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Rusya, ABD ve Almanya yeni denizaltı üretimleri için hidrojen yakıt pilli uygulamalara geçmişlerdir. 2003’den başlayarak Ford, Mazda, Nissan, Toyota, Opel, Honda ve Daimler-Chrysler ilk hidrojen yakıt pili modellerini çıkaracaklardır.
Güney Amerika ve Brezilya'da en büyük hidrojen gücü Haipu'dur. Burada elektrolitik hidrojen üretilir. Üretilen hidrojen gaz halindedir.
Japonya'da WE-NET (World Energy Network) Projesi ile Tokyo bölgesinde hidrojen kullanımıyla oluşabilecek azot oksit emisyonundaki azalış potansiyeli araştırılmaktadır. Bu proje dahilinde ileride Pasifik okyanusunun Ekvator bölgesinde solar radyasyon kullanılarak yapay bir adada deniz suyundan elektroliz yöntemiyle hidrojen üretimi planlanmaktadır.
Almanya’da Neurenburg civarında minik bir hidrojen enerji sisteminin kurulduğu bir program yürütülmektedir.
Avrupa ve Kanada arasındaki Euro-Quebec programında ise ucuz sayılabilecek olan hidrogüçten üretilerek Kanada'dan Avrupa'ya ithal edilmesi planlanan sıvı hidrojenin deniz aşırı taşınması, depolanması ve kullanım alanları araştırılmaktadır.
İzlanda’da hükümet, fabrikalar, üniversiteler, taşıma şirketleri, araba ve petrol şirketleri konsorsiyum oluşturmuş ve 2030 yılına kadar ülkenin tamamen hidrojen ekonomisine geçmesi planlanmıştır.
Son yıllarda hidrojenin kara taşıtlarında kullanımına yönelik bazı araçlar gösterime girmiştir. Kamyonet tipi araçlarda Daimler-Benz, Hamburg Hidrojen Derneği, PSA ve ZEVCO; yolcu araçlarında BMW, Renault ve ZEVCO; şehir otobüslerinde ise Ansaldo, Daimler-Benz, MAN ve Neoplan firmaları hidrojenle çalışan araçlarını gösterime sokmuşlardır.
Tayvan'da araçların %65’i scooter olduğu için hidrojen yakıt hücreli scooter kullanımı desteklenmektedir.
Yeşil hidrojenin önemi özellikle AB’de daha belirgindir. Bununla beraber, diğer düşük karbonlu hidrojen türleri de hidrojen ekonomilerini başlatmak ve hacimleri artırmak için etkili ve pragmatik bir yol olarak görülmektedir.
Hidrojen enerjisi haricindeki diğer yenilenebilir enerji kaynakları, bunların avantajları ve dezavantajları için yenilenebilir enerji kaynakları sayfamızı ziyaret edin. Ayrıca diğer yenilenebilir enerji türleri ile ilgili detay bilgilere aşağıdaki sayfalardan ulaşabilirsiniz:
