Hidrojenin Elde Edilmesi
Hidrojen evrende bol miktarda bulunan bir malzeme olup,bütün maddelerin adeta ¾ ’lük bir oranını kapsarTüm yıldızlar ve çoğu gezegen koskocoman miktarda hidrojen ihtiva eder ama Dünya üstünde özgürlük olarak dolaşan hidrojen miktarı fazla düşüktürAtmosferde az kalsın onbinde 7 oranında bulunurBu yüzden hidrojen üretilmelidirHidrojenin lokal kaynakları fosil yakıtlar(CxHy) ve su(H2O) olarak gösterilebilirGünümüzde hidrojen başlıca doğalgaz,petrol ve kömür gibi eski kalıntı yakıtlardan üretilmektedir
Oysa uzay programları haricen şimdiye dek hidrojen bir yakacak ya da enerji taşıyıcısı olarak öyle kullanılmamıştırBazı kimyasal ve metalürjik uygulamalar ile rafinerilerde ham petrol yükseltgenmesi gibi işlerde kullanılmıştırGünümüzde dünya çapında takvim hidrojen üretimi 40 milyon ton(5,6 EJ) civarındadırBir enerji taşıyıcı olarak hidrojen ileriki yıllarda fazla daha fazla miktarlarda üretilmeye ihtiyaç duyacaktır
Fosil Yakıtlardan Hidrojen Üretimi
Doğalgazın Buhar Reformasyonu
Hidrokarbonların(genel olarak doğalgaz) buhar reformasyonu hidrojen üretimi için en yaygın,hesaplı ve bereketli yöntemdirYöntem basitçe 3 esas adım içerir
1Gaz Üretim Sentezi 2SuGaz Değiştirmesi 3Gaz Arıtması
CH4 + H2O » CO + 3H2 ; CO + H2O » CO2 + H2 ; CO + 3H2 » CH4 + H2O
Reformasyon reaksiyonu doğalgaz ya da fuel oil ’in yanmasıyla oluşan fazla kuvvetli bir endotermik ve enerji sağlayıcı reaksiyondurReaksiyon sıcaklığı başlıca 700925 ºC arasındadır Buhar reformasyon yöntemi verimliliği enerji girişi ve üretilen hidrojen oranı ile hesaplanır ki bu layık hemen hemen %65 ile 75 arasındadırÜretilen hidrojenin fiyatı adeta 6$GJ dır
Parçalı Oksidasyon
Parçalı oksidasyon hidrokarbonları neftyağından daha ağır ayla çevirmek için kullanılır Fazla yakında doğalgaz,etanol hatta benzinin parçalı oksidasyon dönüştürücüleri otomobil tahrikinde yakıt hücreleri ile beraber kullanılacaklarBu işlemde işlem sıcaklığı az kalsın 1150 ºC ile 1350 ºC arasındadır
genellikle parçalı oksidasyonun verimi buhar reformasyonundan düşük olup %50 civarındadırHidrojen yaklaşık olarak 10 $GJ fiyatla üretilebilir
Doğalgazın Termal Olarak Parçalanması
Doğalgazın termal ayrımı uzun yıllardır öbür ürünler olmak için kullanılan bir yöntemdirBir metanhava alevi sıcaklığı 1400 ºC ’nin üzerine dışlamak için kullanılırYan mahsul(siyah karbon) üretebildiğinden nedeniyle bu yöntem hesaplı olarak oldukça uygundur Ayrıca hidrokarbonlardan hidrojen üretiminde CO2 emisyonu sağlamayan tek usul olması da dikkate alınmalıdır
Kömür Gazlaştırılması
Kömür gazlaştırılması işleminde toz haline getirilmiş kömür atmosferik basınç altında oksijen ve buhar ile çarçabuk parçalanarak oksidasyona uğratılırKömür gazlaştırılması işlemi özellikle katı yakacak taşıma gerekliliği ve büyük miktardaki kül atığından dolayı çok komplike bir operasyon halini almaktadırgenellikle kömür ucuz bir yakacak olmasına rağmen kömür gazlaştırma işlevi hidrojen elde etmek için ucuz bir usul değildirHidrojen üretim fiyatı az kalsın 12 $ ile 14 $GJ aralarında değişmektedir
Biyokütleden Hidrojen Üretimi
Biyokütleden hidrojen bir pirolisisgazlaştırma işlevi ile elde edilebilirBiyokütle bir reaktör içinde yüksek sıcaklık ve düşük basınç aşağı işleme alınırİşlem sonunda hidrojen,metan ,CO2,CO ve nitrojen elde edilirGaz akımlarının yüksek sıcaklıkta bulunmalarından dolayı hidrojen içeriği artar ve bu operasyon sonunda epeyce yüksek saflıkta hidrojen elde edilebilir
Bütün sistem biyokütle hazırlama birimi ve reaktör dizaynı dışında kömür gazlaştırma santraline fazla benzerHem biyokütlenin daha düşük kalorifik değerinden nedeniyle kömür gazlaştırma santralinden daha büyük bir alana kurulmuşlardır
Sudan Hidrojen Üretimi
Elektroliz
Suyun içten eğilim kullanılarak hidrojen ve oksijenlerine ayrılması işlemine elektroliz denmektedir Hidrojen üretimi için en kolay yöntem olarak bilinmektedir Ilke olarak, bir elektroliz hücresi içinde, genelde düzlem bir metal ya da karbon plakalar olan, iki elektrot ve bunların içine daldırıldığı, elektrolit olarak adlandırılan geçirgen bir akışkan bulunmaktadır Doğru cereyan kaynağı bu elektrotlara bağlandığında akıntı geçirgen istikrarsız içinde, pozitif elektrottan negatif elektroda doğru akacaktır Bunun sonucu olarak da, elektrolit içindeki su, katottan meydana çıkan hidrojen ve anot tan meydana çıkan oksijene ayrışacaktır Burada yalnız suyun ayrışmasına karşılık, su iyi bir geçirgen olmadığı için elektrolitin içine iletkenliği artırıcı olarak çoğunlukla potasyum hidroksit gibi bir madde eklenir
Suyun elektrolizi için, alışılagelmiş basınç ve sıcaklıkta, ideal olarak 123 volt yeterlidir Tepkimenin yavaş olması ve diğer nedenlerle, elektroliz işleminde daha yüksek gerilimlerde kullanılır Hidrojen üretim hızı, reel eğilim şiddeti ile orantılı olduğundan, idareli nedenlerle yüksek eğilim yoğunlukları yeğlenmektedir Bundan nedeniyle pratikte suyun ayrıştırılması için hücre başına uygulanan gerilim çoğunlukla 2 volt dolayındadır
Kuramsal olarak, her metreküp oksijen için 28 kWsaat elektrik enerjisi tatmin edici olmakla birlikte, yukarıda özetlenen nedenlerle pratikte kullanılan elektrik enerjisi miktarı bir metreküp hidrojen üretimi için 3946 kWsaat aralarında değişmektedir Buna kadar elektroliz işleminin verimi %70 dolayında olmaktadır Ama, son yıllarda bu alanda yapılan araştırmalar ve çoğalan teknoloji sayesinde %90 verim elde edilmiştir Pratik Olarak kullanılan elektroliz hücrelerinde, nikel kaplı çelik elektrotlar kullanılmaktadır
Elektroliz çokça hidrojen üretimi için eski kalıntı yakacak devrinde geliştirilebilecek olan tek usul olarak gözüküyorSu elektrolizinden hidrojen üretimi 50 yılı aşkın bir süredir aşina basit bir altyapıya sahip olan,verimliliği yüksek ve hareketli parçası olmayan bir sistemdir
Altında elektroliz reaksiyonu kimyasal olarak verilmiştir
Katot Reaksiyonu: 2H2O (l) + 2 e¯ » H2 (g) + 2OH¯ (aq)
Anot Reaksiyonu: 2OH¯ (aq) » ½ O2 (g) + H2O (l)
Tüm Hücresel Reaksiyonu: H2O (l) » H2 (g) + O2 (g)
Geliştirilen birkaç ileri elektroliz tekniği aşağı belirtilmiştir;
– İleri alkalin elektrolizler %90 ’a değin çıkabilen verimlere sahiptir
Katı polimer elektrolitik operasyon ise elektrolit olarak proton iletimli bir iyon başkalaşım elemanı kullanırBu tip elektrolizörler fazla yüksek akımlarda (2 Acm²) çalışabilirler
7001000 ºC arasında çalışan yüksek sıcaklıklı buhar elektrolizi elektrolit olarak oksijen iyon iletici seramikler kullanır
Suyun Uç Termal Ayrıştrılması(Termoliz)
Su termal olarak 2000 K sıcaklığının üzerinde ayrılabilirBu ayrışma aşağıdaki denklem ile gösterilebilir
H20 » a H2O OH + c H + dO + e H2 +f O2
Ayrışma işleminin sadece % 1 ’lik kısmı 2000 K de,% 8,5 ’i 2500 K de ve % 34 ’ü 3000 K de gerçekleşirGazların karışım ürünü epeyce yüksek sıcaklıklardadırBu işlemin en büyük problemi reaksiyonu yapmak için gerekli olan malzemelerin bu sıcaklığa dayanamamasıdırİleriki yıllarda daha yüksek sıcaklıklara dayanan malzemeler bulundukça bu yöntem daha yaygınlaşabilir
Termokimyasal Çevrimler
Hidrojenin termokimyasal üretimi termoliz için gereken sıcaklıktan daha düşük sıcaklıklarla suyun kimyasal parçalanmasına izin verir1960 ’ların ortalarından bu yana hidrojen eldesi için 23000 civarında termokimyasal çevrim bulunmuşturOysa bunlardan sadece 2030 kadarı günümüzde hidrojen üretimi için kullanılabilir durumdadır
Bunlardan bazıları şunlardır;
– Sülfürik Asitİyot Çevrimi
– Hibrid Sülfürik Asit Çevrimi
– Hibrid Sülfürik AsitHidrojen Brömür Çevrimi
– Kalsiyum Bromürİyot Oksit Çevrimi
Sıcaklığa tabi olarak değişmekle beraber bu usul ile epeyce yüksek (%40%50) verim edinmek mümkündürOysa kimyasalların saldığı toksik atıklar ve yüksek sıcaklıklarda malzemelerde oluşan korozyon problemi metodun gelişmesi için çözülmesi gereken problemler aralarında yer almaktadır
Fotoliz
Fotoliz sudan hidrojen almak için enerji kaynağı olarak günışığını kullanan bir sistemdir ve fotobiyolojik sistemler,fotokimyasal çeviriciler ya da fotoelektrokimyasal hücreler ile desteklenebilirBu yöntemle ilgili yeni ve cesaretlendirici çalışmalar yapılmaktadır
Bor Mineralinden Hidrojen Üretimi
Ülkemiz bor minerallerinin takriben %64 ’üne sahiptirBu tedarik içten kullanılabildiği takdirde çok büyük bir potansiyeldirBor minerali endüstride 250 ’den fazla alanda kullanılmaktadır Bor 1950 ’lerden bu yana üzerinde en çok araştırma yapılan minerallerden biridirBu noktada bor mineralinin 3 özelliği üzerinde durulabilir
– Hidrojen taşıyıcısı olarak bor kullanımı
– Hidrojenden daha iyi bir enerji hammadesi olması
– Füzyon reaktörlerinde yakıt olarak kullanımı
Bor üzerinde yapılan araştırmalardan birinde geliştirilen bir teknolojide enerji olmak için kullanılan hammadeler saf su ve sodyum bor hidrittirSodyum bor hidrit sodyumlu bor tuzunun rafinasyonu sonucu elde edilen ve deterjan sanayinde de kullanılan bir üründürGeliştirilen bu teknoloji taşımacılığın yanı sıra taşınabilir enerji sağlayıcı piller için de uygulanabilir bir teknoloji olmuşturYakıt pillerinde Sodyum borhidritin kullanımı fosil yakıtlardan daha pahalı olan ve eldesi,depolaması,nakli baskı olan hidrojenin de dezavantajını ortadan kaldırmıştır
NaBH4(sH2O—4H2 + NaBO2
Su içerisinde çözünen sodyum borhidrit, bir karışım olarak depolanmakta,enerji üretmek için hidrojene ihtiyaç duyduğunda bu karışım içine kullanım edilen katalizör vasıtasıyla kimyasal reaksiyon başlatılmaktadırReaksiyon sonucunda gaz halinde kalan hidrojen ya yakacak pili vasıtasıyla elektriğe dönüştürülmekte veya aracısız olarak içten yanmalı motorlarda yakacak olarak kullanılmaktadır
Hidrojen evrende bol miktarda bulunan bir malzeme olup,bütün maddelerin adeta ¾ ’lük bir oranını kapsarTüm yıldızlar ve çoğu gezegen koskocoman miktarda hidrojen ihtiva eder ama Dünya üstünde özgürlük olarak dolaşan hidrojen miktarı fazla düşüktürAtmosferde az kalsın onbinde 7 oranında bulunurBu yüzden hidrojen üretilmelidirHidrojenin lokal kaynakları fosil yakıtlar(CxHy) ve su(H2O) olarak gösterilebilirGünümüzde hidrojen başlıca doğalgaz,petrol ve kömür gibi eski kalıntı yakıtlardan üretilmektedir
Oysa uzay programları haricen şimdiye dek hidrojen bir yakacak ya da enerji taşıyıcısı olarak öyle kullanılmamıştırBazı kimyasal ve metalürjik uygulamalar ile rafinerilerde ham petrol yükseltgenmesi gibi işlerde kullanılmıştırGünümüzde dünya çapında takvim hidrojen üretimi 40 milyon ton(5,6 EJ) civarındadırBir enerji taşıyıcı olarak hidrojen ileriki yıllarda fazla daha fazla miktarlarda üretilmeye ihtiyaç duyacaktır
Fosil Yakıtlardan Hidrojen Üretimi
Doğalgazın Buhar Reformasyonu
Hidrokarbonların(genel olarak doğalgaz) buhar reformasyonu hidrojen üretimi için en yaygın,hesaplı ve bereketli yöntemdirYöntem basitçe 3 esas adım içerir
1Gaz Üretim Sentezi 2SuGaz Değiştirmesi 3Gaz Arıtması
CH4 + H2O » CO + 3H2 ; CO + H2O » CO2 + H2 ; CO + 3H2 » CH4 + H2O
Reformasyon reaksiyonu doğalgaz ya da fuel oil ’in yanmasıyla oluşan fazla kuvvetli bir endotermik ve enerji sağlayıcı reaksiyondurReaksiyon sıcaklığı başlıca 700925 ºC arasındadır Buhar reformasyon yöntemi verimliliği enerji girişi ve üretilen hidrojen oranı ile hesaplanır ki bu layık hemen hemen %65 ile 75 arasındadırÜretilen hidrojenin fiyatı adeta 6$GJ dır
Parçalı Oksidasyon
Parçalı oksidasyon hidrokarbonları neftyağından daha ağır ayla çevirmek için kullanılır Fazla yakında doğalgaz,etanol hatta benzinin parçalı oksidasyon dönüştürücüleri otomobil tahrikinde yakıt hücreleri ile beraber kullanılacaklarBu işlemde işlem sıcaklığı az kalsın 1150 ºC ile 1350 ºC arasındadır
genellikle parçalı oksidasyonun verimi buhar reformasyonundan düşük olup %50 civarındadırHidrojen yaklaşık olarak 10 $GJ fiyatla üretilebilir
Doğalgazın Termal Olarak Parçalanması
Doğalgazın termal ayrımı uzun yıllardır öbür ürünler olmak için kullanılan bir yöntemdirBir metanhava alevi sıcaklığı 1400 ºC ’nin üzerine dışlamak için kullanılırYan mahsul(siyah karbon) üretebildiğinden nedeniyle bu yöntem hesaplı olarak oldukça uygundur Ayrıca hidrokarbonlardan hidrojen üretiminde CO2 emisyonu sağlamayan tek usul olması da dikkate alınmalıdır
Kömür Gazlaştırılması
Kömür gazlaştırılması işleminde toz haline getirilmiş kömür atmosferik basınç altında oksijen ve buhar ile çarçabuk parçalanarak oksidasyona uğratılırKömür gazlaştırılması işlemi özellikle katı yakacak taşıma gerekliliği ve büyük miktardaki kül atığından dolayı çok komplike bir operasyon halini almaktadırgenellikle kömür ucuz bir yakacak olmasına rağmen kömür gazlaştırma işlevi hidrojen elde etmek için ucuz bir usul değildirHidrojen üretim fiyatı az kalsın 12 $ ile 14 $GJ aralarında değişmektedir
Biyokütleden Hidrojen Üretimi
Biyokütleden hidrojen bir pirolisisgazlaştırma işlevi ile elde edilebilirBiyokütle bir reaktör içinde yüksek sıcaklık ve düşük basınç aşağı işleme alınırİşlem sonunda hidrojen,metan ,CO2,CO ve nitrojen elde edilirGaz akımlarının yüksek sıcaklıkta bulunmalarından dolayı hidrojen içeriği artar ve bu operasyon sonunda epeyce yüksek saflıkta hidrojen elde edilebilir
Bütün sistem biyokütle hazırlama birimi ve reaktör dizaynı dışında kömür gazlaştırma santraline fazla benzerHem biyokütlenin daha düşük kalorifik değerinden nedeniyle kömür gazlaştırma santralinden daha büyük bir alana kurulmuşlardır
Sudan Hidrojen Üretimi
Elektroliz
Suyun içten eğilim kullanılarak hidrojen ve oksijenlerine ayrılması işlemine elektroliz denmektedir Hidrojen üretimi için en kolay yöntem olarak bilinmektedir Ilke olarak, bir elektroliz hücresi içinde, genelde düzlem bir metal ya da karbon plakalar olan, iki elektrot ve bunların içine daldırıldığı, elektrolit olarak adlandırılan geçirgen bir akışkan bulunmaktadır Doğru cereyan kaynağı bu elektrotlara bağlandığında akıntı geçirgen istikrarsız içinde, pozitif elektrottan negatif elektroda doğru akacaktır Bunun sonucu olarak da, elektrolit içindeki su, katottan meydana çıkan hidrojen ve anot tan meydana çıkan oksijene ayrışacaktır Burada yalnız suyun ayrışmasına karşılık, su iyi bir geçirgen olmadığı için elektrolitin içine iletkenliği artırıcı olarak çoğunlukla potasyum hidroksit gibi bir madde eklenir
Suyun elektrolizi için, alışılagelmiş basınç ve sıcaklıkta, ideal olarak 123 volt yeterlidir Tepkimenin yavaş olması ve diğer nedenlerle, elektroliz işleminde daha yüksek gerilimlerde kullanılır Hidrojen üretim hızı, reel eğilim şiddeti ile orantılı olduğundan, idareli nedenlerle yüksek eğilim yoğunlukları yeğlenmektedir Bundan nedeniyle pratikte suyun ayrıştırılması için hücre başına uygulanan gerilim çoğunlukla 2 volt dolayındadır
Kuramsal olarak, her metreküp oksijen için 28 kWsaat elektrik enerjisi tatmin edici olmakla birlikte, yukarıda özetlenen nedenlerle pratikte kullanılan elektrik enerjisi miktarı bir metreküp hidrojen üretimi için 3946 kWsaat aralarında değişmektedir Buna kadar elektroliz işleminin verimi %70 dolayında olmaktadır Ama, son yıllarda bu alanda yapılan araştırmalar ve çoğalan teknoloji sayesinde %90 verim elde edilmiştir Pratik Olarak kullanılan elektroliz hücrelerinde, nikel kaplı çelik elektrotlar kullanılmaktadır
Elektroliz çokça hidrojen üretimi için eski kalıntı yakacak devrinde geliştirilebilecek olan tek usul olarak gözüküyorSu elektrolizinden hidrojen üretimi 50 yılı aşkın bir süredir aşina basit bir altyapıya sahip olan,verimliliği yüksek ve hareketli parçası olmayan bir sistemdir
Altında elektroliz reaksiyonu kimyasal olarak verilmiştir
Katot Reaksiyonu: 2H2O (l) + 2 e¯ » H2 (g) + 2OH¯ (aq)
Anot Reaksiyonu: 2OH¯ (aq) » ½ O2 (g) + H2O (l)
Tüm Hücresel Reaksiyonu: H2O (l) » H2 (g) + O2 (g)
Geliştirilen birkaç ileri elektroliz tekniği aşağı belirtilmiştir;
– İleri alkalin elektrolizler %90 ’a değin çıkabilen verimlere sahiptir
Katı polimer elektrolitik operasyon ise elektrolit olarak proton iletimli bir iyon başkalaşım elemanı kullanırBu tip elektrolizörler fazla yüksek akımlarda (2 Acm²) çalışabilirler
7001000 ºC arasında çalışan yüksek sıcaklıklı buhar elektrolizi elektrolit olarak oksijen iyon iletici seramikler kullanır
Suyun Uç Termal Ayrıştrılması(Termoliz)
Su termal olarak 2000 K sıcaklığının üzerinde ayrılabilirBu ayrışma aşağıdaki denklem ile gösterilebilir
H20 » a H2O OH + c H + dO + e H2 +f O2
Ayrışma işleminin sadece % 1 ’lik kısmı 2000 K de,% 8,5 ’i 2500 K de ve % 34 ’ü 3000 K de gerçekleşirGazların karışım ürünü epeyce yüksek sıcaklıklardadırBu işlemin en büyük problemi reaksiyonu yapmak için gerekli olan malzemelerin bu sıcaklığa dayanamamasıdırİleriki yıllarda daha yüksek sıcaklıklara dayanan malzemeler bulundukça bu yöntem daha yaygınlaşabilir
Termokimyasal Çevrimler
Hidrojenin termokimyasal üretimi termoliz için gereken sıcaklıktan daha düşük sıcaklıklarla suyun kimyasal parçalanmasına izin verir1960 ’ların ortalarından bu yana hidrojen eldesi için 23000 civarında termokimyasal çevrim bulunmuşturOysa bunlardan sadece 2030 kadarı günümüzde hidrojen üretimi için kullanılabilir durumdadır
Bunlardan bazıları şunlardır;
– Sülfürik Asitİyot Çevrimi
– Hibrid Sülfürik Asit Çevrimi
– Hibrid Sülfürik AsitHidrojen Brömür Çevrimi
– Kalsiyum Bromürİyot Oksit Çevrimi
Sıcaklığa tabi olarak değişmekle beraber bu usul ile epeyce yüksek (%40%50) verim edinmek mümkündürOysa kimyasalların saldığı toksik atıklar ve yüksek sıcaklıklarda malzemelerde oluşan korozyon problemi metodun gelişmesi için çözülmesi gereken problemler aralarında yer almaktadır
Fotoliz
Fotoliz sudan hidrojen almak için enerji kaynağı olarak günışığını kullanan bir sistemdir ve fotobiyolojik sistemler,fotokimyasal çeviriciler ya da fotoelektrokimyasal hücreler ile desteklenebilirBu yöntemle ilgili yeni ve cesaretlendirici çalışmalar yapılmaktadır
Bor Mineralinden Hidrojen Üretimi
Ülkemiz bor minerallerinin takriben %64 ’üne sahiptirBu tedarik içten kullanılabildiği takdirde çok büyük bir potansiyeldirBor minerali endüstride 250 ’den fazla alanda kullanılmaktadır Bor 1950 ’lerden bu yana üzerinde en çok araştırma yapılan minerallerden biridirBu noktada bor mineralinin 3 özelliği üzerinde durulabilir
– Hidrojen taşıyıcısı olarak bor kullanımı
– Hidrojenden daha iyi bir enerji hammadesi olması
– Füzyon reaktörlerinde yakıt olarak kullanımı
Bor üzerinde yapılan araştırmalardan birinde geliştirilen bir teknolojide enerji olmak için kullanılan hammadeler saf su ve sodyum bor hidrittirSodyum bor hidrit sodyumlu bor tuzunun rafinasyonu sonucu elde edilen ve deterjan sanayinde de kullanılan bir üründürGeliştirilen bu teknoloji taşımacılığın yanı sıra taşınabilir enerji sağlayıcı piller için de uygulanabilir bir teknoloji olmuşturYakıt pillerinde Sodyum borhidritin kullanımı fosil yakıtlardan daha pahalı olan ve eldesi,depolaması,nakli baskı olan hidrojenin de dezavantajını ortadan kaldırmıştır
NaBH4(sH2O—4H2 + NaBO2
Su içerisinde çözünen sodyum borhidrit, bir karışım olarak depolanmakta,enerji üretmek için hidrojene ihtiyaç duyduğunda bu karışım içine kullanım edilen katalizör vasıtasıyla kimyasal reaksiyon başlatılmaktadırReaksiyon sonucunda gaz halinde kalan hidrojen ya yakacak pili vasıtasıyla elektriğe dönüştürülmekte veya aracısız olarak içten yanmalı motorlarda yakacak olarak kullanılmaktadır