8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
1/55
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
2/55
I
TEŞEKKÜR
Bitirme ödevimin konusunun seçiminde ve çalışmalarım süresince bilgi veyardımlarını esirgemeyen bitirme ödevi yöneticim sayın hocam Doç. Dr. KadirBAKIRCI’ ya en içten teşekkürlerimi sunarım.
Fatih ÇELİK
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
3/55
II
İÇİNDEKİLER
TEŞEKKÜR .................................................................................................................... I
1. GİRİŞ ........................................................................................................................... 1
1.1. Genel Bilgiler ............................................................................................................. 1
1.1.1. Güneş Enerjisi ile İlgili Temel Bilgiler ................................................................... 1
1.1.2. Hidrojen ile İlgili Temel Bilgiler ............................................................................ 2
1.1.2.1. Hidrojenin Özellikleri .......................................................................................... 3
1.2. Yakıt Olarak Hidrojen ................................................................................................ 4
1.3. Hidrojenin Kullanıldığı Alanlar ................................................................................. 7
1.3.1. Kimyasal Madde Olarak Kullanıldığı Alanlar ........................................................ 7
1.3.2. Yakıt Olarak Kullanıldığı Alanlar ........................................................................... 8
1.4. Çalışmanın Amacı ve Kapsamı .................................................................................. 8
2. GÜNEŞ ENERJİSİNDEN HİDROJEN ÜRETİMİNİN
SINIFLANDIRILMASI .......................................................................................... .12
2.1. Fotovoltaik Yöntemle Hidrojen Üretimi ................................................................. 13
2.1.1. Fotovoltaik Sistemin Genel Bölümleri.................................................................. 15
2.1.2. Fotovoltaik Teknolojisinin Dünyadaki Durumu ................................................... 17
2.2. Fotoelektrokimyasal Hidrojen Üretimi .................................................................... 20
2.2.1. Fotoelektrokimyasal Yöntem ile Hidrojen Üretimi .............................................. 20
2.2.2. Fotoelektroliz Sistem Tasarımı ............................................................................. 22
2.2.3. Fotoelektrolizin Hidrojen Ekonomisi Üzerine Etkisi ............................................ 23
2.3. Fotobiyolojiksel Hidrojen Üretimi ........................................................................... 24
2.3.1. Direk Biyofotoliz .................................................................................................. 25
2.3.2. İndirek Biyofotoliz ................................................................................................ 27
2.3.3. Foto-Fermantatif Prosesler .................................................................................... 28
2.3.4. Karanlık Fermantasyon ......................................................................................... 31
2.4. GüneşEnerjisi Destekli Yüksek Sıcaklık Hidrojen Üretimi ..................................... 33
2.4.1. Güneş Termoliz .................................................................................................... 33
2.4.2. Güneş Termokimyasal Çevrimler ........................................................................ 34
2.4.3. Güneş Karbonsuzlaştırma .................................................................................... 37
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
4/55
III
2.4.4. Güneş Termal Esaslı Elektrolizör ......................................................................... 39
3. DEPOLAMA VE TAŞIMA ...................................................................................... 40
3.1. Depolama ................................................................................................................. 40
3.1.1. Sıkıştırılmış Hidrojen ........................................................................................... 41
3.1.2. Sıvılaştırılmış Hidrojen ......................................................................................... 41
3.1.3. Metal Hidrürler ...................................................................................................... 41
3.1.4. Karbonda Depolama.............................................................................................. 44
3.1.5. Metanol ................................................................................................................. 46
3.1.6. Benzin ve Diğer Hidrokarbonlar ........................................................................... 46
3.1.7. Sabit Depolama ..................................................................................................... 47
3.2. Taşıma ..................................................................................................................... 48
SONUÇ ........................................................................................................................... 49
KAYNAKLAR .............................................................................................................. 50
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
5/55
1
1. GİRİŞ
1.1. Genel Bilgiler
1.1.1. Güneş Enerjisi ile İlgili Temel Bilgiler
Güneş enerjisi, güneşteki hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklindeki füzyon
sürecinden açığa çıkan ışıma enerjisidir. Termonükleer bir reaktör olan güneşten çeşitli
dalga boylarında (62 MW/2) enerji yayılmakta ve güneşin bütün yüzeyinden yayılanenerjinin sadece iki milyarda biri yeryüzüne gelmektedir. Dünya’ya güneşten, 150 milyon
km kat ederek gelen ener ji, dünyada bir yılda kullanılan enerjinin yaklaşık 15 bin katıdır.
Güneş enerjisinin atmosfer dışındaki ışınım değeri yaklaşık 1.370 MW/2‘dir. Güneş
enerjisinin yeryüzündeki dağılımı dünyanın şekli nedeniyle büyük farklılıklar
göstermekte olup, dünyaya gelen ortalama güneş enerjisi 0 – 1.100 MW/2
mertebesindedir. Güneş radyasyonununenerji olarak % 46’sı spektrumun kızılötesi bölgesinde, % 45’i görünür ışık bölgesinde geri kalan yüzdesi de mor ötesinde bulunur.
Güneş ışınımının tamamı yer yüzeyine ulaşmaz, % 30 kadarı dünya atmosferi tarafından
geriye yansıtılır, % 50’si atmosferi geçerek dünya yüzeyine ulaşır. Güneşten gelen
ışınımının % 20’si ise, atmosfer ve bulutlarda tutulur. Bu enerji ile Dünya’nın sıcaklığı
yükselir ve yeryüzünde yaşam mümkün olur . Rüzgar hareketlerine ve okyanus
dalgalanmalarına da bu ısınma neden olur. Yer yüzeyine gelen güneş ışınımının % 1’denazı bitkiler tarafından fotosentez olayında kullanılır. Bitkiler, fotosentez sırasında güneş
ışığıyla birlikte karbondioksit ve su kullanarak, oksijen ve şeker üretirler. Fotosentez,
yeryüzünde bitkisel yaşamın kaynağıdır. Dünya’ya gelen bütün güneş ışınımı, sonunda
ısıya dönüşür ve uzaya geri verilir.
Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970’lerden sonra hız
kazanmış, güneş enerjisi sistemleri, teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
6/55
2
düşme göstermiş ve güneş enerjisi çevresel bakımdan temiz bir enerji kaynağı olarak
kendini kabul ettirmiştir.
1.1.2. Hidrojen ile İlgili Temel Bilgiler
Hidrojen “su yaratıcı” anlamında bir sözcüktür. Saf hidrojen (H2) yapay bir maddedir;
doğal olarak yeryüzü atmosferinde sadece 1 ppm gibi eser miktarlarda bulunur, oysa
Jüpiter’in %75’i, Evrendeki atomların %90’ı hidrojendir. Yeryüzündeki hidrojen su
molekülünde, canlılarda ve fosil maddelerde bulunur.
Hidrojeni 1520’de ilk defa Paracelsus kullandı, element olarak keşfi ise 1766 yılında
İngiliz fizikçi Henry Cavendish tarafından gerçekleştirildi. Antoine-Laurent de Lavoisier,
bu elemente 1781 de, havada yandığı zaman su meydana geldiğinden Yunanca su
anlamına gelen ‘hidro’ ile oluşum anlamındaki ‘genes’ terimlerinin birleştirilmesiyle
‘hidrojen’ adını verdi ve ilk hidrojen gazı 1782 de Jacques Charles tarafından üretildi.
Hidrojen, geçmişten yakın zamana kadar endüstriyel bir kimyasal madde olarak
kullanılmıştır; en yaygın kullanım alanı rafinerilerde ham petrolün işlenmesi
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
7/55
3
prosesleridir. Hidrojenin bir kimyasal madde olmasının dışında, bir enerji kaynağı olarak
kullanılabildiği teknolojilerin geliştirilmesi çağımızın önemli buluşlarındandır. 19.
Yüzyılda Jules Verne de, bilim adamlarımız günümüzde gerçekleştirdiği bu gelişimi
öngörerek, gelecekte hidrojenden bir enerji kaynağı olarak yararlanılabileceğini
söylemiştir.
1.1.2.1. Hidrojenin Özellikleri
Hidrojen periyodik sistemin ilk elementidir. H sembolüyle gösterilen hidrojen atomu +1değerli bir çekirdek ve 1 elektrondan oluşur, atom ağırlığı 1.008’dir; buna protyum denir.
İki hidrojen izotopu daha vardır; bunlar az miktarda bulunan deuteryum (bir pr oton ve bir
nötron) ve doğal olarak bulunmayan yapay olarak üretilen radyoaktif trityumdur (bir
proton ve iki nötron).
Hidrojen molekülü, bir elektronu olan pozitif yüklü iki hidrojen atomundan oluşur;
normal şartlar altında renksiz, kokusuz, toksik olmayan, havadan ve helyumdan dahahafif ve gaz halindedir, –253
0C’nin altında (20.3 K) sıvı (deuteryum) ve 11 K derecede
katı (trityum) haldedir (Tablo-1).
Boron (NaBH4) bileşikleri metal hidratlar arasında en güvenli hidrojen kaynakları ve
depolarıdır; suda %50’den fazla konsantrasyonlardaki çözeltisine “sodyum borohidrür”
denir, yakıt olarak kullanılır ve bu konsantrasyonlarda alevlenmez. Borohidrür toksik
değildir, yandığı zaman çevreye zarar vermeyen normal boraksa dönüşür. Türkiye
dünyadaki en büyük boron üreticisidir (Tablo-2)
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
8/55
4
1.2. Yakıt Olarak Hidrojen
Hidrojenin, kullanılmakta olan yakıtların yerini alması halinde sağlanacak faydaları ve
karşılaşılacak problemleri belirlemek için Hidrojenin özellikleri diğer yakıtlarla Tablo
1.1’de karşılaştırılmıştır.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
9/55
5
a-Hidrojen en hafif gaz olduğu için birim kütlesinin yanma enerjisi diğer yakıtlardan çok
büyük olduğu halde, birim hacminin yanma enerjisi diğerlerinden çok düşüktür.
2+1
2---------------2 + Q
Q = 120 kJ/g alt yanma ısısı
Q = 140 kJ/g üst yanma ısısı
Q = 11,6 kJ/lt alt yanma ısısı
b-Patlama ve yanma tehlikesi diğer yakıtlardan daha yüksek değildir. Oksijen ve hava ile
500°C üstündeki sıcaklıklarda kendiliğinden yanar. Daha düşük sıcaklıklarda elektr ik
kıvılcımı veya platin, palladyum gibi katalizörlerle reaksiyon başlatılırsa yanar.
c- Yanma ürünleri yalnız sudur. Azot oksitlerde oluşabilir ancak 800°C'deki katalitik
yanma sureti ile azot oksit () oluşumu önlenebilir.
d- Zehirli olmayan renksiz ve kokusuz bir gazdır.
e- Hidrojenin düşük tutuşma enerjisi ve geniş alev alma sınırları yanma olayında
kolaylıklar sağladığı gibi erken tutuşma türünden problemlere de neden olur. Bu problemler, motorda egzoz gazının sirküle ettirilmesi, motora su enjek siyonu gibi bazı
dizayn teknik leri ile ortadan kaldırılabilmektedir.
f- Hidrojen içinde bulunduğu ortamın duvar malzemesine etki ederek onu deforme eder.
Bazı elementlerle veya metaldeki bazı safsızlıklarla reaksiyona girerek malzemeyi bozar,
karbonla metan, oksitlerle buhar meydana getirir. Yada hidrojen önce malzeme yüzeyinde
adsorblanıp sonra alaşım içine difüzlenerek hidrojen gevrekliği denilen kırılganlığa neden
olur. Basınç ve sıcaklık arttıkça hidrojen gevrekliği artar. Bu nedenle hidrojen depolama
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
10/55
6
tankları, nakil boruları, pompaları hidrojenden etkilenmeyen malzemeden yapılmalıdır.
Hidrojene dayanıklı malzemeler şöyle sınıflandırılmıştı:
- Hidrojenden çok etkilenen malzemeler: Çok sert çelik
- Hidrojenden etkilenen malzemeler: Nikel ve alaşımları, titanyum ve alaşımları,
yumuşak çelik
- Hidrojenden az etkilenen malzemeler: Paslanmaz çelik
- Hidrojenden etkilenmeyen malzemeler: Monel, Alüminyum, Bakır ve alaşımları
(%71 Ni -% 29 Cu)
g-Ticari hidrojen basınçlı gaz veya sıvı hidrojen seklinde depolanıp nakledilmektedir.
Gaz hidrojen tanklarda 350 bar'a kadar sıkıştırılıp depolanmakta,140 bar'a kadar basınç-
lı tüplerde veya 3-50 bar basınçta gaz boruları ile nakledilmektedir. Borularla hidrojen
gazının nakli doğal gaz naklinden daha pahalıdır. Sıvı hidrojen 1 litreden 2,5 3'e kadar
değişik hacimlerde dewar kaplarında saklanır. Dewar kabı olarak vakumlaştırılmış perlit,
köpük veya çok tabakalı süper yalıtkanlar kullanılır.
Hidrojeni daha uygun ve ekonomik bir şekilde depolamak için yeni yöntemler araştırıl-
maktadır. Metal hidritleri , metanolve amonyak gibi bileşikleri ve kriyo adsorblanmış
(Silika veya aktif karbona 65-100°K adsorbe ettirilerek) hidrojen halinde depolanmakta-
dır). Birçok metal ve alasımlar hidrojenle birleşerek hidr itleri meydana getirirler. Bazıları
düşük sıcaklık (0-200°C) ve basınçlarda (1-10 bar) kolaylıkla hidrojenlenebilir ve sonra
hidrit kolaylıkla hidrojen verebilir. Magnezyumhidrit (2), demirtitanyum- hidrit
() ve nadir toprak metallerinin geçiş elementleri ile yaptığı bileşiklerin hidritleri
( 5) hidrojen depolamada kullanılmaktadır.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
11/55
7
h-Ticari hidrojenin satış fiyatı petrolden yüksektir. Birim maliyeti ucuz olacak üretim
yöntemleri geliştirilmelidir.
Tablo 1.1
B E N Z İ N
H İ D R O J E N
M E T A N
P R O P A N
M E T A N O L
Alt Yanma Isısı ( 1000 kJ/kg ) 44 120 50 48 20Yoğunluk ( kg/lt ) - 0.071 0.425 0.58 0.79
Min. Tutuşma Enerjisi ( MJ/kg ) 0.25 0.02 0.28 0.25 -
Tutuşma Sıcaklığı ( °C ) 440 585 540 510 385
Sönme Mesafesi ( cm ) 0.25 0.06 - - -
Alev Alma Limiti ( % Hacim Hava )1.3-7.1
4-75 5-152.2-9.5
6.7-13.6
Stokiometrik Karışım ( % Hacim Hava)
1.7 29.6 9.5 - -
Max. Alev Hızı ( Laminer cm/sn ) 30 270 38 40 12.3Alev Emisivitesi 0.1 0.1 - - -
Hava Düfüzyonu (cm2/sn) 0.08 0.63 0.2 - -
1.3. Hidrojenin Kullanıldığı Alanlar
Hidrojen bugüne kadar genellikle kimya sanayiinde hammadde olarak kullanılıyordu.
Son zamanlarda enerji kaynağı olarak kullanılmaya başlandı ve ekonomik bir yakıt haline
getirebilmek için birçok araştırmalar yapılmaktadır.
1.3.1. Kimyasal Madde Olarak Kullanıldığı Alanlar
- Amonyak sentezi,
- Metanol üretimi,
- Petrol rafinerisi,
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
12/55
8
- Doymamış yağların hidrojenasyonu,
- Oksijen-Hidrojen kaynağı,
- Birçok kimyasal maddelerin üretimi,
- Sentetik sıvı ve gaz yakıtların üretimi, yarı iletken endüstrisi, çelik rafinasyonu, izotop
ayırma.
1.3.2. Yakıt Olarak Kullanıldığı Alanlar
- Uzay araştırmaları ve uçaklarda, - Kara ulaşımında,
- Elektrik üretiminde,
- Binaların ısıtılmasında,
- Soğutmada,
- Su ısıtmada,
- Pişirmede,
- Sanayide ısıtma işlemlerinde.
Hidrojeni yakmak için uzay araştırmalarında roket motorları, uçaklarda turbo makinalar,
taşıtlarda içten yanmalı motorlar, elektrik üretimi için yakıt hücreleri veya magneto
hidrodinamik jeneratörler, ısıtma, pişirme vs. için katalitik ocaklar veya alev ocakları
kullanılır.
1.4. Çalışmanın Amacı ve Kapsamı
Günümüzde enerji ihtiyacının büyük bir bölümü kömür, petrol ve doğal gaz gibi fosil
yakıtlardan karşılanmaktadır. Fosil yakıt kaynakları sınırlı olup, çevre açısından zararlı
emisyonlara ( karbondioksit, kükürt dioksit, azot oksit emisyonları vb. gibi ) neden ol-
maktadır. Dolayısıyla, dünyanın giderek artan enerji gereksinimini çevreyi kirletmeden
ve sürdürülebilir olarak karşılayabilecek en önemli alternatif enerji taşıyıcısının hidrojen
olduğu düşünülmektedir. Hidrojen, karbon ve sülfür içermediği için yanma sırasında poliaromatik hidrokarbonlar ve 2 oluşmamaktadır. Hidrojen bir yakıt olarak yakıt
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
13/55
9
pillerinde değerlendirildiğinde yalnızca su açığa çıkmaktadır. Yapılan çalışmalar evrende
bol miktarda bulunan hidrojenin, bir yakıt için gerekli özelliklerin birçoğuna sahip
olduğunu göstermektedir.
Motor ve araç teknolojisi açısından alternatif olarak seçilen yakıtın; kullanımı,
depolanması doğal dengenin korunması ve fosil yakıt türleri ile rek abet edebilir bir
karakteristiğe sahip olmasını gerektirmektedir. Hidrojenin birçok yönüyle ekolojik açıdan
avantajlı olduğu bilinmektedir. Hidrojen yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı ile
(rüzgar, güneş, biyokütle vb.) elde edilebilmektedir. Hidrojen geleceğin en önemli enerji
taşıyıcısıdır. Ayrıca hidrojen diğer fosil yakıtlarla kullanılabilme özelliğine de sahiptir.
Bu özelliğiyle de birçok avantajlar sağlamaktadır: Bunlar arasında;
• Yakıt/hava karışım oranının düşürülmesi sonucu ve emisyonlarının azalması
ve ısıl verimliliğin artması,
• Yakıt karışımının alev hızının artması, gibi hususlar yer almaktadır.
Günümüzde gelişmiş ülkelerde birçok uygulama için hidrojenden faydalanılmaktadır.
Amonyak ve metanol üretimi, petrol rafinasyonunda gerçekleştirilen hidro parçalama ve
sülfür giderme prosesleri hidrojenin başlıca kullanım alanlarıdır. Ayrıca cam ve metal
sanayinde indirgen atmosfer yaratmak için, yağ sanayinde hidrojenasyon için ve uzay
çalışmalarında roket yakıtı olarak da hidrojenden faydalanılmaktadır. Son yıllarda hidro jenin içten yanmalı motorlarda ve yakıt pillerinde bir yakıt olarak kullanımı yönünde
de önemli araştırma ve uygulama çalışmaları yapılmakta olup, sonuçlar umut vericidir.
Bugün gelişmiş ülkelerde yoğunlaşan bu araştırmalar artık ticari ve endüstriyel bir boyuta
taşınmış olup; birçok başarılı projenin tanıtımı yapılmaktadır. Örneğin, BMW firması bu
alanda ilk iki yakıtlı (benzin ve hidrojen) aracı pazara sunmak üzeredir. Ya- kın bir
gelecekte yakıt pilli araçların da üretimine geçileceği beklenmektedir.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
14/55
10
Fosil yakıtların yakın bir gelecekte tükenecek olması ve fosil yakıtlardan kaynaklanan
çevre kirliliği problemleri (2,
,
vb. emisyonları) nedeniyle alternatif enerji
kaynaklarıve kullanımı üzerine araştırmalar hız kazanmıştır. Alternatif enerji
kaynaklarının kullanılabilirliği değerlendirilirken, söz konusu kaynağın dünyanın enerji
ihtiyacına ne oranda katkı sağlayabileceği ve kullanım sırasında çevresel açıdan ne
oranda zararlı olup olmadığı en önemli iki parametredir.
Hidrojen sentetik bir yakıt olup, üretim kaynakları son derece bol ve çeşitlidir. Bunların
en başta gelenleri arasında su, kömür ve doğal gaz sayılabilir. Hidrojen, bilinen tüm ya-
kıtlar içerisinde birim ağırlık başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir (120.000 kJ/kg).
Sıvı haline dönüştürüldüğünde gaz halindeki hacminin sadece 1/700’ünü kaplar. Saf
oksijenle yandığında sadece su ve ısı açığa çıkar. Hava ile yandığında ise azot oksitler
açığa çıksa da diğer yakıtlara göre kirliliği son derece azdır. Bu açılardan hidrojen,
geleceğin ikincil enerji kaynağı olma yönünde önemli bir avantaja sahiptir.
Hidrojen doğal gaz, petrol ürünleri, kömür gibi fosil yak ıtlardan ve sudan elde
edilmek tedir. Elektroliz yöntemi ile sudan hidrojen üretimi oldukça pahalıdır.
Günümüzde hidro jen üretimi için en çok kullanılan diğer yöntemler, ototermal dönüşüm
reaktör sistemleri (autothermal reforming) , kısmi oksidasyon (partialoxidation) sistemleri
ve su buharı ile katalitik dönüşüm sistemleri (steamreforming) şeklindedir.
Dünya genelinde üretilen hidrojenin % 48’i doğal gazdan üretilmektedir. Bunun nedenidoğal gazın hidrojen oranı yüksek, nispeten ucuz, temiz, şebeke altyapısı yeterli ve
rezervleri yüksek bir yakıt olmasıdır. Ayrıca doğal gazdan hidrojen üretim sistemleri de
diğer kaynakları kullanan sistemlere nazaran daha basit ve yatırım maliyeti daha düşük
olan sistemlerdir.
Üretim esnasında, hidrojen ile birlikte karbon monoksit, karbondioksit ve reaksiyon
sırasında ürüne dönüşmemiş metan açığa çıkmaktadır. Açığa çıkan karbon monoksit, yüksek ve düşük sıcaklık -2reaksiyonları ve seçici karbon monoksit
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
15/55
11
reaksiyonlarıile hidrojen ve karbondioksite dönüştürülmektedir. Doğal gazın yanı sıra
diğer hidrokarbon yakıtlardan da ( Metanol, LPG, Nafta, Benzin) su buharı ile katalitik
olarak hidrojen üretilebilmektedir. Hidrokarbon yakıtın ortalama molekül ağırlığı arttıkça
hidrojen üre- tim prosesinde zorluklar da (koklaşma, buharlaştırma için enerji ihtiyacı vb.
gibi) art- maktadır. Hidrokarbon yakıtın sülfür içeriği de proseste önemli katalizör
zehirlenmesi problemlerine yol açmaktadır. Hidrojen, hidrokarbon yakıtların su buharı
oksidasyonu üretim yöntemine alternatif olarak, saf oksijen veya hava ile kısmi
oksidasyon, piroliz ve ototermalreforming (kısmi oksidasyon ve su buharı oksidasyonu
bir arada ) reaksiyonları ile de üretilebilmektedir.
Yakıt pili teknolojileri, yüksek verimleri ve düşük emisyon değerleri nedeni ile hidrojenin
kimyasal enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürüldüğü önemli bir enerji dönüşüm ve
üretim teknolojisidir. Geliştirilmiş olan yakıt pilli mikro kojenerasyon sistemlerinin
temelde, yakıt dönüştürme sistemi, yakıcı, enerji koşullandırma sistemi ve yakıt pilinden
oluştuğu görülmektedir. Teknoloji olarak ergimiş karbonatlı yakıt pilleri (EKYP), katı
oksit yakıt pilleri (KOYP) ve PEM (Proton Exchange Membrane) yakıt pillerinin yoğun
olarak çalışıldığı görülmektedir. İki farklı alternatif üzerine odaklanılmıştır. Enerji
taşıyıcısı olarak hidrojen, bu teknolojiler sayesinde önemini giderek arttırmaktadır.
Ancak gerçek anlamda hidrojen ekonomisine geçiş için stratejik ve teknolojik anlamda
halen çözümlenmesi gereken önemli konuların olduğu değerlendirilmektedir.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
16/55
12
2. GÜNEŞ ENERJİSİNDEN HİDROJEN ÜRETİMİNİN SINIFLANDIRILMASI
Güneş enerjisinden hidrojen üretimi dört ana grupta toplanabilir;
1-) Fotovoltik (PV)
2-) Fotoelektrokimyasal
3-) Fotobiyolojiksel
4-) Güneş termal enerji
Güneş enerjisinden sağlanan termal enerji iki farklı yolla kullanılabilir; düşük sıcaklık ve
yüksek sıcaklık (aynı zamanda yoğunlaştırılmış güneş enerjisi olarak da adlandırılabilir).
Fotovoltaik, fotoelektrokimyasal ve fotobiyolojik hidrojen üretim sistemleri düşük
sıcaklık uygulamaları olarak verilirken güneş termoliz, güneş termokimyasal çevrimler,
güneş enerjili gazlaştırma, güneş reformasyon ve güneşli kraklama yoğunlaştırılmış
güneş enerjisinin yüksek sıcaklık uygulamasıdır. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi buharüretmekte kullanılabilir. Daha sonra buharın gücü kullanılarak elektrik ür etilebilir.
Üretilen hibrit güneş termal-elektrik sistemi ile üretilen elektrik elektroliz ile hidrojen
üretiminde kullanılabilir. Güneş-hidrojen enerjisi sistemi üretimden uygulamaya kadar
işletim prosesleri Şekil 1’de verilmiştir.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
17/55
13
Şekil 1. Güneş-hidrojen üretim sistemleri
2.1. Fotovoltaik Yöntemle Hidrojen Üretimi
Hidrojen üretimi için en basit yöntem doğru ak ım kullanılarak suyun, hidrojen ve oksijene
ayrılması işlemi olan elektroliz yöntemidir.
Şekilde fotovoltaik teknolojiyi kullanarak hidrojen üretiminin şematik sunumu
verilmiştir.
Şekil. Fotovoltaik hidrojen üretim sistemi
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
18/55
14
Elektroliz için gerekli olan elektrik enerjisi genellikle güneş enerjisinden doğrudan
elektrik üreten fotovoltaik gözelerden sağlanmaktadır. Literatürde fotovoltaik elektrolizör
sistemleri üzerine deneysel ve teoriksel olmak üzere çeşitli çalışmalar vardır.
Deneysel çalışmalarda, çeşitli teknolojiler testedilmiş, gerçek durumlardaki sistem
performansları çalışılmış ve güvenlik durumları verilmiştir. Teoriksel çalışmalarda,
seçilen şartlar için toplam sistem performansı değerlendirilerek, hidrojenin üretim
maliyetinin şimdiki ve gelecek teknolojiler için tahmin edilmiştir. Bazı diğer durumlar
için fotovoltaik ve elektrolizör yardımcı sistemlerin genellikle optimize edilmiş işletimleri
ve gerçek çalışmalardaki güneş- hidrojenin maliyeti bildirilmiştir. Elektroliz hücresi için
gerekli elektrik fotovoltaik panellerden sağlanabildiği gibi, yoğunlaştırılmış güneş
enerjisi ile önce buhar elde etmek ve buhar türbinleri ile üretilen elektriğin yine elektroliz
hücrelerinde kullanılması mümkündür. Burada önemli olan yüksek çevrim verimi ve
düşük maliyettir. Prensip olarak, bir elektroliz hücresi içinde, genelde düzlem bir metal
veya karbon plakalar olan, iki elektrot ve bunların içine daldırıldığı, elektrolit olarak
adlandırılan iletken bir sıvı bulunmaktadır. Doğru ak ım kaynağı bu elektrotlara
bağlandığında ak ım, iletken sıvı içinde, pozitif elektrottan (anot), negatif elektroda (katot)
doğru akacak tır. Bunun sonucu olarakda, elektrolit içindeki su, katottan çıkan hidrojen ve
anottan çıkan oksijene ayrışacak tır. Burada yalnız suyun ayrışmasına kar şılık, su iyi bir
iletken olmadığı için elektrolitin içine iletkenliği ar ttırıcı olarak genelde
potasyumhidroksit gibi bir madde ilave edilir. Elektrokimyasal reaksiyonlar şu şekilde
verilmektedir;
4H2O + 4e- → 2H2 + 4OH- (katottaki kimyasal değişme) (1)
4OH- → 2H2O + O2 + 4e- (Anottaki kimyasal değişme) (2)
H2O + elektrik → H2 + ½O2 + ısı (Toplam reaksiyon) (3)
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
19/55
15
Fotovoltaik-elektrolizör sistemlerde güneş enerjisi ile hidrojen üretimi iki basamak lı
olarak gerçek leştirilir. Burada ilk basamakta, genelde silisyumdan yapılan güneş pili
vasıtasıyla doğru ak ım elde edilir daha sonra bu ak ım, bir elektroliz hücresinin
elektrotlarına verilerek suyun oksijen ve hidrojene ayrıştırılması gerçek leşir. Güneş
gözeleri güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yar ı-iletken sistemlerdir.
Paneller birçok fotovoltaik (PV) hücreden meydana gelir ve bu sistemler bazen tek
başlarına bazen de diğer konvansiyonel kaynaklarla beraber kullanıla bilirler. Güneş
gözelerinin verimi, ortalama %18, elektroliz hücresi verimleri ise %75-80 ar asında
alınabilir. Elektrolizin verimi, verilen bir ak ım değeri için ayrışma voltajını düşürmekle
ar ttırıla bilir. Voltaj düşürme işlemi ise elektrot yüzeyi elektroliz işlemini hızlandıracak
şekilde ayarlanmalıdır. Geliştirilen yöntemlerden bir tanesi, ince toz haline getirilmiş
platin par çalarının herhangi bir metal taban üzerine kaplanmasıdır. Fakat platinin çok
pahalı bir metal olması nedeniyle, diğer elektrot yüzeyleri de kullanıla bilir. Pratikte
kullanılan elektroliz hücrelerinde, nikel kaplı çelik elektrotlar kullanılmaktadır.
Elektrotların etkin alanları ve dolaysıyla elektroliz işlem hızı, gözenekli nikel şeritleri bir
tel örgü üzerine yer leştirmekle ar ttırılır. Araştırmalar, elektroliz işleminden daha yüksek
verim elde etmek için elektrot yapılarını ve yerleştirme düzenekleri üzerinde devam
etmektedir. Endüstriyel elektroliz hücrelerinde genellikle, tank tipi ve süzgeçli pres olmak
üzere iki tür elektrot düzenlemesi yapılmaktadır. Hidrojen üretiminin ekonomikliği
kullanılan metodun verimliliğine bağlı olup, hidrojendeki enerji çık tısının girdiye oranı
olarak ifade edilebilir. Elektroliz yoluyla hidrojen üretim verimi sadece elektrik
düşünüldüğünde %80’dir. Fakat bu elektrik üretiminin ısı verimi hafif su reaktörlerinde
yak laşık %34’den, gelişmiş sistemlerde %50’ye kadar değişir ve ortalama olarak %25–
40 civar ındadır. Bu sistemler, düşük verimlerine kar şın, çevre üzerine olumsuz hiçbir
etkisinin olmaması ve güneş enerjisi kullandığı için son derece önem taşımaktadırlar.
2.1.1. Fotovoltaik Sistemin Genel Bölümleri
Bir güneş pili, aktif fotovoltaik malzeme, metal ızgaralar, yansımayı önleyici tabakalar
ve destekleme malzemesinden oluşur. Tamamlanmış bir güneş pili, güneş pili içerisine
giren güneş ışığını maksimum yapmak ve pilden en yüksek verimi elde etmek için
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
20/55
16
optimize edilmektedir. Güneş pilleri ve bağlantı telleri kırılgan ve aynı zamanda, nem ve
uygulanacak baskı ile kolayca aşınabilecek bir yapıdadır. Tek bir güneş pilinin gerilimi
0,5 V civarındadır, bu nedenle çoğu uygulamada yeterli olmamaktadır.
Fotovoltaik modüller, güneş pillerinin paralel veya seri olarak bağlanması ile elde
edilirler. İki güneş pili paralel bağlandığında, voltaj sabit kalırken akım iki katına çıkar,
seri bağlandığında ise, akım sabit kalırken, voltaj iki katına çıkar. Bu şekilde, gerilimi 14-
16 volta çıkarmak mümkündür. Fotovoltaik modüller, sert dış ortam şartları için
tasarlanmaktadır. Güneş pillerinin ve elektriksel bağlantıların dış ortamdan korunması
için modüller kapsüllenirler. Fotovoltaik paneller, fotovoltaik modüllerin, paralel veya
seri olarak bağlanması ile elde edilirler. Bu şekilde 12-600 V arasında gerilim elde etmek
mümkün olabilmektedir.
Şekil 1. Fotovoltaik modül ve panel uygulamaları
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
21/55
17
Şekil 2. Güneş pili, modül ve panele ait görünüm
Fotovoltaik modüllerin birlikte kullanıldıkları cihazlar arasında, batarya (battery), şarj
kontrolcüleri (charge controller), evireç (inverter) ve tepe güç noktası takipçisi (peak -
powertrackers) bulunmaktadır.
Bataryalar, fotovoltaik sistemlerde, geceleri veya fotovoltaik sistemler talebi
karşılayamadığı zamanlarda, güç sağlamak için kullanılır.
Evireç, doğru akımı alternatif akıma dönüştüren cihazdır.
Şarj kontrolcüleri, fotovoltaik modüllerden gelen gücü, bataryaları fazla yüklenmeden
korumak için, ayarlamak amacıyla kullanılır.
Tepe güç noktası takipçisi, akımı maksimum yapmak için, fotovoltaik sistem tarafından
üretilen gerilimi optimize etmek amacıyla kullanılır.
2.1.2. Fotovoltaik Teknolojisinin Dünyadaki Durumu
Dünya genelinde, fotovoltaik teknoloji pazarı hızla büyümektedir ve yapılan çalışmalar
önümüzdeki yıllarda da bu büyümenin devam edeceğini göstermektedir. Tüm dünya
genelinde, toplam kapasite, 2007 sonunda, 9 GWp (gigawatt- peak) miktarını aşmıştır.
Avrupa’da yaklaşık 1,5 milyon konutun elektriği fotovoltaik sistemler ile üretilen elektrik
enerjisi ile karşılanabilmektedir. Şekil 3 ve Şekil 4’de mevcut durum ve ileriye dönük
fotovoltaik gelişimi görülmektedir.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
22/55
18
Şekil 3. Yıllara göre fotovoltaik enerji kapasitesi
Şekil 4. 2012 yılına kadar dünya genelinde fotovoltaik kurulu gücü değişim öngörüsü
Geçtiğimiz son beş yılda, dünya genelinde fotovoltaik pil üretimi, yıllık bazda yaklaşık
%30 oranında bir büyüme göstermiştir. 2007 yılı dünya fotovoltaik pil üretim pazarı 2826
MW'a ulaşmıştır. 2008 yılında ise (Şekil 5), fotovoltaik piyasasında, dünya genelinde
Avrupa’nın %81’lik bir paya sahip oldu görülmektedir. Avrupa’yı %6 ile ABD ve %5 ile
Güney Kore izlemektedir.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
23/55
19
Şekil 5. 2008 yılı fotovoltaik pazarının dünya ülkelerine dağılımı
Avrupa içinde ise, son yapılan yatırımlarla İspanya’nın %56, arkasından Almanya’nın
%33’lük bir payla piyasadaki yeri dikkat çekmektedir (Şekil 6).
Şekil 6. 2008 yılı fotovoltaik pazarının Avrupa ülkeleri arasındaki dağılımı
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
24/55
20
2.2. Fotoelektrokimyasal Hidrojen Üretimi
Bu tür yapılarda ışık soğurucu yarı-iletkenin anot veya katodu, ya da her ikisi birden
elektrokimyasal hücrenin içinde yer alabilirler. Bu yöntem, suyu hidrojen ve oksijene
ayrıştırmak için, yüksek sıcaklık veya elektriğe gerek olmadan, doğrudan güneş
enerjisinin mor ötesi (UV) bölgesini kullanmaktadır. Güneşten gelen UV ışınımları suyun
doğrudan ayrıştırılması için yeterli enerjiye sahip olmakla birlikte, atmosferdeki ozon
tabakası tarafından büyük miktarlarda tutulduklarından çok az bir kısmı dünyaya
gelebilmektedir. Gerçekte tüm canlılar için oldukça zararlı olan UV ışınımlarının, incelen
ozon tabakasından daha fazla miktarda geçmesi, fotokimyasal yöntem için verimi artırıcı
bir öğe olarak görülse de, dünyamız için ciddi bir tehlike oluşturmaktadır. Ancak
fotokimyasal yöntem için bu ışınımların güçlendirilmesi veya su tarafından
soğrulmasının arttırılması gerekmektedir. Bunun için, güneş ışınımını yoğunlaştırıcı bir
takım düzenekler ile su içerisine bazı mineral ve metaller eklenerek UV etkisi
arttırılmaktadır.
2.2.1. Fotoelektrokimyasal Yöntem ile Hidrojen Üretimi
Güneş ışığını kullanarak hidrojen üretiminin diğer bir yolu da suyun elektrolizi için
gerekli olan gücü üreten fotoelektrokimyasal hücre (PEC) adı verilen ışık toplama
sistemleridir. Bu tip yapılarda ışık absorplayıcı yarıiletkenin anot veya katodu ya da her
ikisi birden elektrokimyasal hücrenin içinde yer alabilir. Fujishima ve Honda'nın 1972
yılında ilk olarak geliştirdiği ve titanyumdioksit elektrot (TiO2) kullanılan hücrede,
hidrojen ve oksijen elde edilmesinden sonra, bu alanda büyük bir gelişme yaşanmıştır.
Homojen elektrolit içine yerleştirilmiş yarıiletken fotoelektrot (anot veya katot) güneş
enerjisi ile aydınlatılmaya başlandığında PEC su moleküllerine ayrıştırmaya yetecek
voltajı üretmeye başlar. Bu arada diğer elektrot ise genellikle metal olmaktadır .
Günümüzde, p-InP üzerine küçük Pt alanlar kaplanmış fotokatotlu hücreler %13 gibi
yüksek verim vermektedirler. n-CdS, n-TiO2 veya SrTiO3’un foto-anot olarak
kullanıldığı hücrelerden yaklaşık % 10 verim sağlanmaktadır. Fotoelektrokimyasal
hidrojen üretimi için toplam hücre reaksiyonu aşağıda verilmiştir.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
25/55
21
2 hv+ H 2O(1)
Burada h Planck sabiti ve v ise frekanstır. Fotoelektrokimyasal piller, elektrotların cinsine
göre üç şekilde hazırlanır;
a) n-tipi yarıiletken anot, inert metal katot b) inert metal anot, p tipi yarıiletken katot c) n tipi yarıiletken anot, p tipi yarıiletken katot.
Yarıiletkenin elektronik yapısı yarıiletken fotokatalizlerde anahtar rol oynamaktadır.
İletkenden farklı olarak, yarıiletken değerlik ve valans bandından oluşmaktadır. Bu iki
seviye arasındaki enerji farkı band boşluğu (Eg) olarak adlandırılır. Uyarma olmadan hem
elektronlar ve hem de boşluklar valans bandında bulunur. Yarıiletkenler band boşluk
seviyelerine eşit veya daha fazla enerji içeren fotonlarla etkileştiğinde, elektronlar
fotonlardan enerji alırlar ve eğer enerji kazancı bant boşluğu enerji seviyesinden daha
yüksekse elektronlar valans bandından iletkenlik bandına yükseltilirler. Foto-üretilenelektronlar ve boşluklar ısı veya fotonların formundaki ilişkili enerji ile çok kısa zamanda
yarıiletkenlerin yüzeylerinde veya hacminde yeniden birleşebilir. Yeniden birleşme
olmadan yarıiletkenlerin yüzeyine giden elektronlar ve boşluklar sırasıyla yarıiletken
tarafından absorbe edilen reaktanlar indirgenmeli ve yükseltgenmelidir. İndirgenme ve
yükseltgenme reaksiyonları sırası ile fotokatalitik hidrojen üretiminin temel
mekanizmasıdır. Fotokatalitik reaksiyonları içeren her iki yüzey adsorbsiyonu reaktif
yüzey alanı daha kullanılabilir olduğu için nanoboyutlu yarı iletkenlerle arttırılabilir.
Fotokataliz ile sudan verimli hidrojen üretimi için valans bandı su yükseltgenme
seviyesinden daha pozitifken iletkenlik bandı seviyesi hidrojen üretim seviyesinden daha
negatif olmalıdır.
Yukarıda bahsedilen gereksinimleri karşılanmış yarıiletken tiplerinin hepsi hidrojen
üretimi için fotokataliz olarak kullanılabilir. Yinede, CdS ve SiC gibi yarıiletkenlerin
çoğu fotokorozyondan dolayı su parçalama için uygun değildir. Güçlü katalitik aktiviteye
sahip yüksek kimyasal karalılığa ve elektron boşluk çiftlerinin uzun hayatta kalma zamanı
½ O 2(g) + H 2(g)
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
26/55
22
göz önüne alındığında TiO2fotokataliz olarak en geniş kullanıma sahiptir. Günümüzde,
TiO2fotokatalitik su parçalama ile güneş destekli hidrojen üretiminin enerji dönüşüm
verimi hala düşüktür. Bunun ana sebepleri aşağıda verilmiştir;
1-) Foto-oluşturulan elektron- boşluk çiftinin yeniden birleşimi, iletkenlik bandı
elektronları değerlik bandı boşlukları ile çok hızlı olarak yeniden birleşebilir ve verimsiz
ısı veya fotonların formundaki enerjiyi serbest bırakır.
2-) Hızlı geriye dönük reaksiyon: suyun hidrojen ve oksijene dönüşümü enerjiyi arttıran prosestir. Bundan dolayı geri dönüşüm reaksiyonu (hidrojen ve oksijenin yeniden birleşip
suyu oluşturması) kolayca sürdürülebilir.
3-) Görünür ışıkta dönüşüm: yapılmasındaki yetersizlik. TiO2’din bant boşluğu yaklaşık
olarak 3,2 eV’dur ve yalnız UV ışık hidrojen üretimi için kullanılabilir. Görünür ışık
yaklaşık %50 oranında katkıda bulunurken UV yalnızca güneş radyasyon enerjisinin
yaklaşık %4 içinde bulunduğu için, güneş fotokatalitik hidrojen üretiminin veriminigörünür ışığın yetersiz kullanımını sınırlar.
2.2.2. Fotoelektroliz Sistem Tasarımı
Yüksek verimli ve düşük maliyetli fotoelektroliz sistemi içindeki fotoelektrot, bakır -
indiyum-galyum diselenit (CIGS) yarıiletken, katalitik ve paslanmaz çelik tabaka üzerine
kaplanmış koruyucu filmden oluşmaktadır. Burada CIGS den oluşturulan yarıiletkeneklem güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmekte olup, elektriksel iletkenliğe sahip
indiyum kalay oksit (ITO) filmi, oluşan bu akımı hidrojen reaksiyonu katalizörü olarak
davranan nikel molibden tabakaya aktarır. Yarıiletken tabakanın üzeri korozyona karşı
şeffaf bir koruyucu tabaka ile kaplanmıştır. Paslanmaz çelik tabakanın arka yüzeyi ise
oksijen reaksiyon katalizörü olarak davranan demir-nikel oksit (Fe:NiOx) ile
kaplanmıştır. Fotoelektroliz sisteminin şematik gösterimi şekilde verilmiştir.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
27/55
23
Şekil.Fotoelektroliz Sistemi
Bu tasarımın, elektriksel akımın ITO tabakası boyunca toplanması nedeniyle verimi ters
yönde etkilemesi ve NiMo tabakasının küçük alanın hidrojen çevrim verimini azaltması
gibi dezavantajları bulunmaktadır. Bununla beraber, CIGS fotoelektrodu % 10’un biraz
üzeri bir verime sahip olup, gelecek için ümit vermektedir.
2.2.3. Fotoelektrolizin Hidrojen Ekonomisi Üzerine Etkisi
Yakıt pili ile çalışan araçların özellikle çevre üzerindeki olumlu etkileri göz önüne
alındığında, son zamanlarda hidrojen enerjisi üzerindeki çalışmalar gittikçe yoğunluk
kazanmıştır. Yapılan hesaplar 2010 yılında 100,000 den fazla hidrojenli aracın yollarda
olacağını göstermektedir. Buna göre yılda yaklaşık 40 milyon ton civarında hidrojen
yakıtı üretilmesi gerekmektedir. Günümüzde fosil yakıtlardan hidrojen üretim
maliyetleri, yenilenebilir enerji kaynaklarından yapılan hidrojen üretimine göre daha
ucuzdur. Mevcut doğal gaz fiyatları ile hidrojen üretimi GigaJoule başına yaklaşık 7.0
USD’dir. Buna karşın Fotoelektroliz yöntemi ile hidrojen üretim maliyeti Gigajoule
başına halen yaklaşık 41.0 USD civarındadır . Ancak, fotoelektroliz yöntemi üzerindeki
çalışmalarla bu fiyatların giderek düşeceği buna karşın petrol ve gaz fiyatlarının artışı ile
fosil yakıtlardan hidrojen üretim maliyetlerinin de giderek artacağı açıktır. Buna göre
aradaki fiyat farkının önümüzdeki 10-15 yıl içerisinde kapanması beklenmektedir.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
28/55
24
2.3. Fotobiyolojiksel Hidrojen Üretimi
Fotobiyolojiksel hidrojen üretiminde bitki ve alg fotosentezi olarak aynı proses
kullanılmaktadır. Biyolojiksel hidrojen üretimi iki gruba ayrılabilir:
1-) Işığa bağlı proses
2-) Işıktan bağımsız proses
İlk proses direkt veya indirekt biyofotolizi ve fotofermantasyonu içermekte iken, ikinci proses karanlık fermantasyonu kapsamaktadır. Fotosentetik organizmalar, güneş
enerjisini bütün dünyada çok büyük miktarlarda depolayan bir enerji depolama
mekanizması oluşturmaktadır. Genel olarak fotobiyolojiksel sistemler hidrojen üretmede
bakterilerin doğal fotosentetik aktivitesini ve yeşil algleri kullanırlar. Fotosentetik
sistemler normalde CO2’di karbon hidratlara indirgerken, hidrogenaz veya nitrognaz gibi
hidrojen içeren enzimleri birleştiren fotosentetik prosesin sonunda indirgeme gibi
değiştirme şartlarını barındırması muhtemeldir. Fotosentez reaksiyonları aşağıdaki gibiverilebilir.
4H2O + 4e- 2H2 + 4OH- (katottaki kimyasal değişme)
4OH- 2H2O + O2 + 4e- (Anottaki kimyasal değişme)
H2O + elektrik H2 + ½O2 + ısı (Toplam reaksiyon)
Bütün prosesler hidrogenaz ve nitrogenaz gibi hidrojen üreten enzimler ile kontrol edilir.Bu enzimlerin özellikleri aşağıdaki çizelgede verilmiştir.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
29/55
25
2.3.1. Direk Biyofotoliz
Direk biyofotoliz ile hidrojen üretimi, hidrojen oluşturmak amacıyla güneş enerjisini
kimyasal enerji biçimine dönüştürmek için mikro alg fotosentetik sistemlerin kullanıldığı
biyolojik bir prosestir.
İki fotosentetik sistem fotosentez prosesinden sorumludur.
1) CO2 azalması için indirgeyici üretecek fotosistem I (PSI)
2) Oksijen açığa çıkaran ve suyu ayrıştıran fotosistem II(PSII).
Biyofotoliz prosesinde sudan gelen iki proton hidrogenazın varlığında hidrojen oluşumu
yada PSI ile CO2 azalmasını sağlayabilir.
Yeşil bitkilerde hidrogenaz eksikliğinden dolayı sadece karbon azalımı olur. Diğer
tarafta, yeşil alg ve Cyanobacteria (mavi-yeşil alg) gibi mikroalgler hidrogenaz içerir ve
bu yüzden hidrojen üretme yeteneğine sahiptir. Bu proseste PSII ışık enerjisiniabsorbladığı zaman elektronlar üretilir. Daha sonra elektronlar PSI tarafından absorbe
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
30/55
26
edilen güneş enerjisini kullanarak ferrodoksine (Fd) transfer edilir. Hidrogenaz enzimi
şekilde gösterildiği gibi hidrojen üretmek için Fd’den elektronları kabul eder.
Hidrogenaz oksijene duyarlı olduğu için hidrojen üretiminin sürdürülebilir olması
amacıyla oksijen içeriğini % 0.1’in altındaki düşük seviyelerde tutmak gereklidir. Bu
koşul oksidatif solunum süresince oksijeni tüketen yeşil alg Chlamydomonasreinhardtii’nin kullanımı ile elde edilebilir. Fakat substratın önemli miktarı bu proses süresince
harcandığı ve solunum olduğu için verimlilik düşüktür. Son zamanlarda, mikro alglerden
kaynaklanan mutasyonların iyi bir O2 toleransına ve bu yüzden de daha yüksek hidrojen
üretimine sahip olduğu görülmüştür.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
31/55
27
2.3.2. İndirek Biyofotoliz
Dolaylı biyofotoliz kavramı şekilde gösterildiği gibi 4 aşamada yapılır:
i) Fotosentezle biyokütle üretimi
ii) Biyokütle zenginleşmesi
iii) 2 mol asetat ile birlikte alg hücresi içindeki 4 mol H2/mol glikoz verim getiren aerobik
karanlık fermantasyon
iv) Asetatın 2 molünün hidrojene dönüşümü.
Tipik bir dolaylı biyofotolizde, Cyanobacteria (mavi-yeşil alg) aşağıdaki reaksiyonla
hidrojen üretmek için kullanılır:
12H2O+ 6CO2→C6H12O6 + 6O2
C6H12O6 + 12H2O→12H2 + 6CO2
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
32/55
28
Troshina ve ark.,Cyanobacterium gloeocapsa alpicola ile yapılan dolaylı biyofotolizçalışmasında pH değeri 6.8 ila 8.3 arasında tutularak optimum hidrojen üretiminin elde
edildiğini bulmuştur. Sıcaklığı 30ºC’den 40ºC’ye artırmak hidrojen üretimini iki kata
kadar artırabilir.
2.3.3. Foto-Fermantatif Prosesler
Fotosentetik bakteriyal hidrojen üretimi olarak da isimlendirilen fotofermantatif proseslerhidrojen geliştirmek için mor non-sülfür bakterisinin nitrogenaz enzim aktivitesine
katkıda bulunur. Bu proseste klorofil, carotenoids ve phycobilin’ler gibi ışığı toplayan
pigmentler ışık enerjisini ayırır ve ayrılan enerjiyi fotolitik organizmalar (alg) içindekilere
benzer membran reaksiyon merkezlerine transfer eder. Güneş ışığı suyu proton, elektron
ve oksijene dönüştürür. Nitrogenaz katalizör amonyak, hidrojen ve ADP oluşturmak için
ATP ve azot ile proton ve elektronları tepkimeye sokmak için kullanılır. Oksijen
nitrogenazı engellediği için cyanobacteria mekana ya da zamana bağlı olarak azot
sabitleşmesi ve oksijen üretimini ayırır. Gerçekte bakteri, hidrogenaz enzimini yapısına
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
33/55
29
aldığında diğer enerji gerektirecek proseslere yakıt sağlamak için yan ürün olarak
hidrojeni kullanır. Bu yüzden, araştırmacılar bu enzimi ortadan kaldırmak için bakteriyi
genetik olarak modifiye etmeye çalışmaktadır. Proses ilk olarak infrared ışık enerjisi
kullanarak yetersiz azot koşullarında yapılır ve tercihen, diğer indirgenen bileşikler
kullanılabilmesine rağmen organik asitler azalır.
Bu prosesin avantajları oksijen prosesi inhibe etmez ve bu bakteri çok farklı koşullarda
(kesikli prosesler, sürekli kültürler ve karragenan, agar jel, gözenekli cam, aktive edilmiş
cam ya da poliüretan köpük içinde immobilizasyon) kullanılabilir. Dezavantajları,
organik asitlerin sınırlı kullanılabilirliliği, nitrogenaz enziminin yavaşlatıcı olması,
prosesin nispeten yüksek miktarda enerji gerektirmesi ve hidrojenin tekrar
oksidasyonunun gerekiyor olmasıdır. Nitrogenaz aktivitesini artırmak ve enerji ihtiyacını
azaltmak için C/N oranı korunmalıdır.
Fotosentetik bakteriler güneş enerjisi ve organik asit ya da biyokütle kullanarak
nitrogenaz aktivitesi ile hidrojen üretme kapasitesine sahiptir. Bu proses şekilde
gösterildiği gibi foto fermantasyon olarak bilinir. Son yıllarda endüstriyel ve tarımsal
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
34/55
30
atıklardan etkili atık yönetiminde hidrojen üretimi için bazı teşebbüsler yapılmıştır.
Çizelgede özetlendiği gibi hidrojen çeşitli tipteki biyokütle atıklarının foto fermantasyonu
ile üretilebilir.
Fakat foto fermantasyon üç temel dezavantaja sahiptir:
1) Yüksek enerjili nitrogenaz enziminin kullanımını gerektirir.
2) Güneş enerjisi dönüşüm verimliliği düşüktür.
3) Geniş alanları kaplayacak anaerobik fotobiyo reaktörlerin hazırlanması gerekir.
Bu yüzden şu anda, fotofermantasyon prosesi hidrojen üretimi için diğer proseslerle
rekabet edecek durumda değildir.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
35/55
31
2.3.4. Karanlık Fermantasyon
Karanlık fermantasyon ile H2 üretimi karbonhidratlarca zengin substratlar üzerinde
karanlıkta büyüyen anaerobik bakteri ile gerçekleştirilir. Fermantasyon reaksiyonları
mezofilik (25-40ºC), termofilik (40-65ºC), aşırı termofilik (65-80ºC) ve hipertermofilik
(>80ºC) üzerindeki sıcaklıklarda gerçekleşebilir.
Direk ve dolaylı fotoliz sistemleri saf H2 üretirken karanlık fermantasyon prosesleri
öncelikli olarak H2 ve CO2 içeren karışık biyokütle üretir. Fakat daha az miktarda CH4,
CO veH2S içerebilir. Karanlık fermantasyon sistemleri hidrojen eldesi ve elde edilen
enerjinin yakıt hücrelerinde kullanımı için mükemmel bir potansiyel sunar.
Karbonhidratça zengin substratlar üzerinde büyüyen bazı alg türleri de kullanılıyor
olmasına rağmen karanlık fermantasyon da öncelikli olarak anaerobik bakteri kullanılır.
Fermantatif prosesler için kullanılan biyokütlenin biyolojik parçalanabilir olması, yüksek
miktarlarda elde edilebilir olması, pahalı olmaması ve yüksek karbonhidrat içeriğine
sahip olması gerekir. Glikoz ve laktoz gibi kolaylıkla biyolojik parçalanmaya uğrayan
saf, basit şekerler tercih edilir fakat bunlar yüksek miktarlarda kolaylıkla elde edilemezler
ve nispeten pahalıdırlar. Biyohidrojen üretimi için kolayca kullanılabilen başlıca
biyokütle atıkları çizelgede listelenmiştir.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
36/55
32
Anaerobik fermantasyonda üretilen gaz H2, CO2, CH4, CO ve bazı hidrojen sülfitlerin
karışımıdır. Bu yüzden yüksek saflıkta hidrojen elde etmek için ayırma aşaması
gereklidir. Karanlık fermantasyon prosesleri için hidrojenin kısmi basıncı bir faktördür,
hidrojen basıncını artırırken hidrojen üretimini azaltır. Bu kısıtlamalara belirgin bir
çözüm üretim olurken hidrojeni uzaklaştırmaktır. Fermantasyon prosesi asetik, butirik ve
daha önemli bir problem olan diğer organik asitleri üretir. Bu asitler organik kimyasal
üretim yönündeki metabolik akışı yönlendirerek hidrojen verimini bask ılayabilir. Aynı
zamanda bu asitlerin üremesi sistemdeki komplekslik ve maliyete ek olarak daha
sonrasında atık su arıtımını gerektirir. Bu işlemlerden herhangi birinin hidrojen üretimini
maksimum yapmak ve prosesi basitleştirmek için elimine edilmesi gerekebilir.
Karbonhidratça zengin substratlar ile yeşil alg gibi bazı mikroalglere ek olarak anaerobik
bakteri ile fermantasyon, karanlık koşullarda özellikle 30-80ºC’de hidrojen üretebilir.
Hidrojen üretimi için karanlık fermantasyonun kullanıldığı bir proses örneği şekilde
verilmiştir. Sadece H2 üreten biyofotoliz prosesi aksine karanlık fermantasyon ürünleri
çoğunlukla kullanılan substrat ve reaksiyon prosesine bağlı olarak CH4 yada H2S gibidiğer gazlar ile birleşen H2 ve CO2’dir. Karanlık fermantasyon ile hidrojen üretim
teknolojisi çok fazla alan gerektirmediği ve hava koşullarından etkilenmediği için ticari
değer kazanmaktadır.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
37/55
33
2.4. GüneşEnerjisi Destekli Yüksek Sıcaklık Hidrojen Üretimi
2.4.1. Güneş Termoliz
Suyun yüksek sıcaklıkta termal olarak parçalanması sonucu hidrojen üretilmesi işlemine
termoliz denilmektedir. Bu yöntemde sıcaklık 1400 °C veya daha yüksek sıcaklıklara
çıkarıldığında buhar molekülleri hidrojen ve oksijen gazlarına ayrışacak şekilde
parçalanmaya başlar. Sıcaklık arttıkça buhar moleküllerinin parçalanma oranı da artar.
Aynı durum buhar basıncı düşürülerek de elde edilebilir. Endüstriyel kullanımı
karşılayacak ölçüde hidrojen üretmek için sıcaklık 2500 –3000 °C’ye yükseltilmelidir.
Gerekli olan bu enerjiyi temin etmenin en temiz yolu güneş ışığını toplayacak ve küçük
bir alanda yoğunlaştıracak güneş kulesi sistemidir. Güneş güç kuleleri, güneş ışınlarını
kule tepesine monte edilmiş olan ısı değiştiricisine (alıcı) odaklama ile yoğunlaştırarak
ısı üretirler. Sistemde, gelen güneş ışınlarını yansıtan ve helyostat diye adlandırılan,
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
38/55
34
yüzlerce ya da binlerce güneş izleme aynaları kullanılır. Helyostat kuleyi çevreleyen alan,
tesisin yıllık verimini optimize edecek şekilde düzenlenir. Alan ve alıcının boyutları
işletmenin ihtiyaçlarına da bağlı olarak değişir. Proses oldukça yüksek verime sahiptir ve
üretiminde ara kimyasal maddelere ihtiyaç olmadığından çevresel kirliliği çok azdır.
Bununla birlikte çok yüksek sıcaklığın ticari olarak maliyeti arttırması ve oldukça hafif
olan hidrojenin yüksek sıcaklıklarda diğer gazlardan ayrılarak saflaştırma zorlukları bu
yöntemin dezavantajları olarak görülmektedir. Bu proses kimyasal olarak aşağıdaki gibi
verilmektedir.
H2O + ısı → aH2O + bH2 + cO2
a, b ve c mol kesirleridir. Burada dikkat edilmesi gereken, yüksek sıcaklık altında
birbirinden ayrılıp gaz formuna geçenoksijen ve hidrojenin hemen birbirlerinden izole
edilmesinin gerekli olduğudur. Diğer yöntemlerin arasından efüzyon ayrıştırma ve
elektrolitik ayrıştırma ürünlerden hidrojenin ayrıştırmasında kullanılan en başarılı
yöntemlerden iki tanesidir. Proses süresince çok yüksek sıcaklıklara gereksinim
duyulduğu için bazı materyal problemleri ortaya çıkmakta aynı zamanda absorbsiyon
veriminin düşmesine neden olan güneş ışığının önemli miktarda reaktörden geri
yansıması problemi bulunmaktadır.
2.4.2. Güneş Termokimyasal Çevrimler
Termokimyasal çevrimlerde H2 /O2 ayrışım problemleri olmadığı için ve daha düşükçalışma sıcaklıklarına (1000 °C’ye kadar) oldukları için gelecek açısından güneş termoliz
yönteminden daha fazla uygumla alanı bulacaktır. Bu yöntem ile hidrojen elde
edilmesinde, su ve bir veya birkaç reaktan yüksek sıcaklıklarda kimyasal değişime
uğratılırlar. Değişim sonucunda bazı kimyasal bileşiklerle birlikte hidrojen ve oksijen
gazları da elde edilir. Bu değişimlerde kullanılan reaktanlar tekrar tekrar kullanılabilirler.
Termo-kimyasal olarak suyun bozunması genel olarak üç basamakta gerçekleşir; oksijen
üretimi, hidrojen üretimi ve kullanılan materyallerin yeniden kazanılması şeklindedir. Bu
proses için temel basamaklar; ısı ve elektrik üretimi, termo-kimyasal olarak suyun
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
39/55
35
bozunması, üretilen hidrojen ve oksijenin saflaştırılmasıdır. Literatürde mevcut olan ve
en yaygın kullanılan bazı termokimyasal çevrimler ve gerekli maksimum sıcaklıklar
aşağıdaki Tablo’daverilmiştir.
Tablo : Bazı termokimyasal çevrimler ve maksimum işletim sıcaklıkları
Termokimyasalçevrimler Maksimumsıcaklık °C Cerium-chlorine(Ce-Cl) 850
Hybridcopper-chlorine(Cu-Cl) 550
Hybridcopper-sulfate (Cu-SO4) 850 Iron-chlorine(Fe-Cl) 925
Hybridchlorine(Cl2) 850
Magnesium-iodine(Mg-I) 600
Vanadium-chlorine(V-Cl) 850 Brom-kalsiyum-demir (Br-Ca-Fe) 725
Tablo incelendiğinde iki çevrimin; Cu-CI ve Mg-I, işletim sıcaklığının 600 °C’den dahaaz olduğu görülmektedir. Böyle bir sıcaklığı noktasal güneş yoğunlaştırıcılarından
kolaylıkla üretmek mümkündür. Aşağıda Mg-I çevrimi için kullanılan çevrim adımları
sıcaklıkları ile birlikte verilmiştir.
(120°C) 6/5 MgO + 6/5 I 2 → 1/5 Mg( IO3)2 + MgI 2
(600°C) 1/5 Mg( IO3)2→ 1/5 MgO + 1/5 I 2 + 1/2O2
(120°C) MgI 2 + 6 H 2O→ MgI 2.6 H 2O
(450°C) MgI 2.6 H 2O→ MgO+ 5 H 2O + 2 HI
(500°C) 2 HI→ I 2+ H 2
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
40/55
36
South Carolina Üniversitesi tarafından geliştirilen Mg-I çevrimi ise aşağıda verilmiştir.
(150°C) 6 MgO + I 2 → Mg( IO3)2 + MgI 2
(600°C) Mg( IO3)2→ MgO + I 2
(400°C) 5 MgI 2 + 5 H 2O → 5 MgO +10 HI
(500°C) 10 HI→ 5 H 2 + 5 I 2
Mg-I çevriminin avantajı reaksiyon sıcaklığını düşük olması, ürünlerin kolay
ayrıştırılabilmesi (çoğunlukla filitrasyonla veya iyodun katılaştırılması ile) ve kimyasal
türlerin birçoğu için termodinamik verilere ulaşılabilir.
Bakır klor çevrimi üç termal reaksiyon ve bir tanede elektrokimyasal reaksiyonadımından oluşmaktadır. Bu çevrim beş adımdan oluşmaktadır;
(1) akışkan yatak gibi cihazı kullanarak HCI(g) üretim adımı,
(2) oksijen üretim adımı,
(3) bakır (Cu) üretim adımı,
(4) kurutma adımı,
(5) hidrojen üretim adımı.
Kurutma adımı hariç, kimyasal reaksiyon her adımda gerçekleşmektedir. Kimyasal
reaksiyonlar devamlı olarak bakır -klor bileşiklerinin kapalı bir iç döngü formu
oluşturduğu için atmosfere herhangi bir sera gazı yayılımı olmamaktadır. Beş adımda
gerçekleşen bakır -klor çevrimi aşağıda verilmiştir .
(400°C) 2CuCl2 + H 2O → CuO + CuCl2 + 2 HCI
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
41/55
37
(550°C) CuO + CuCl2 → 2CuCl + 1/2O2
(80°C) 4CuCl + H 2O → CuCl2 + 2Cu
(100 °C) CuCl2 → CuCl2
(475°C) 2Cu + 2 HCI → 2CuCI + H 2
Yüksek sıcaklık prosesi ihtiva etmesine rağmen gelecek vadeden brom-kalsiyum-demir
(Br-Ca-Fe) çevriminin reaksiyon adımları ve anahtar proses parametreleri aşağıdaverilmiştir.
(725°C) CaBr 2 + H 2O→ CaO + 2 HBr
(550°C)CaO + Br 2→ CaBr 2 + 1/2O2
(250°C) Fe3O4 + 8 HBr → 3FeBr 2 + 6 HBr + H 2
(575°C) 3FeBr 2 + 4 H 2O → Fe3O4 + 6 HB + H 2
2.4.3. Güneş Karbonsuzlaştırma
Güneş termokimyasalprosesler kullanılarak fosil yakıtlardan hidrojen üretilebilir. Güneş
termokimyasal prosesler üç alt başlık altında toplanabilir 1-) Güneş kraklama 2-) Güneş
Reformasyon 3-) Güneş gazlaştırma. Güneş kraklamaprosesi hidrokarbonların (doğalgaz,
petrol vb.) termal ayr ıştırması ile açıklanabilir. Güneş kraklamaprosesi kısaca aşağıdakinet reaksiyon ile verilebilir.
C x H y→ xC ( gr) + y/ 2 H 2
Yukarıdaki reaksiyon karbonca zengin yoğunlaştırılmış faz ve hidrojence zengin gazın
fazını ihtiva eder. Karbon yapılı katı ürün materyal endüstrisinde kullanılabilir.
Hidrokarbonların (doğalgaz, petrol, vb.) buhar reformasyonuve katı karbonların
(taşkömürü,linyit, vb.) buhar gazlaştırılması aşağıdaki net reaksiyon ile verilebilir.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
42/55
38
C x H y + xH 2O → ( y / 2 + x) H 2 + xCO2
Reaksiyon materyallerine ve ham materyallerdeki saf olmayan materyallerin varlığına
bağlı olarak diğer birleşenlerde üretilebilir. Aşağıdaki reaksiyonun ürünleri sentez gazdır.
Sentez gazda bulunan CO aşağıda verilen katalitik su-gaz değişim reaksiyonu ile hidrojen
üretmede kullanılabilir.
CO + H 2O → H 2 + CO2
Yukarıda verilen reaksiyon kullanılan katalizöre bağlı olarak düşük ve yüksek sıcaklık sugaz değişim reaksiyonu olarak kullanılmaktadır. Bu reaksiyonda üretilen CO2 gazı
basınçlı salınım adsorbsiyon tekniği kullanılarak hidrojenden ayrıştırılabilir. Şekilde
güneş kraklama, reformasyon ve gazlaştırma ile hidrojen üretiminin şematik görünüşü
sunulmuştur.
Şekil.Güneşkraklama, reformasyon ve gazlaştırma ile fosil yakıtlardan hidrojen
üretiminin şematik diyagramı
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
43/55
39
2.4.4. Güneş Termal Esaslı Elektrolizör
Yoğunlaştırılmış güneş radyasyonlarının termal enerjisi orta ve yüksek sıcaklıklarda özel
bir akışkana (faz değiştirici materyaller veya molden tuz karışımları) ısı olarak verilebilir
ve bu akışkan kullanılarak buhar ve eş zamanlı olarak elektrik üretilebilir. Faz değiştirici
materyaller veya molden tuz karışımları termal enerjiyi yaklaşık 500°C’de
depolayabilirler. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisinden üretilen elektrik elektroliz ile
hidrojen üretimi için kullanılabilir. Şekilde güneş termal esaslı elektroliz ile hidrojen
üretiminin şematik gösterimi sunulmuştur.
Şekil. Güneş termal elektroliz hidrojen üretimi
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
44/55
40
3. DEPOLAMA VE TAŞIMA
Fosil, nükleer, yenilenebilir ve elektrik enerjilerinden üretilen hidrojen çeşitli şekillerde
depolanarak tüketiciye ulaştırılır.
3.1. Depolama
Hidrojen kullanımının fazla olduğu yerlerde depolama önemlidir; örneğin, araç yakıtı
olarak kullanıldığında araç deposunun en az bir benzin deposu kadar güvenli ve bir depo
benzinin kat edebildiği kadar yol alabilecek kapasitede olması önemlidir.
Hidrojen depolama genel olarak üç şekilde yapılabilir;
• Basınçlı tankta sıkıştırılmış gaz halinde depolama,
• Sıvılaştırılmış halde özel izolasyonlu tanklarda depolama,
• Özel katı maddeler içinde absorblatılarak depolama
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
45/55
41
3.1.1. Sıkıştırılmış Hidrojen
Hidrojenin sıkıştırılmış halde taşınması yıllardır uygulanan bir taşıma yöntemidir.
Hidrojen 800 bar basınca kadar sıkıştırılarak depolanabilir. Ayrıca, doğal gazın
depolanmasında uygulanan teknolojiler hidrojen için de kullanılabilir.
Sıkıştırılmış hidrojen depolama tankları çelik, kompozitle (özel alaşımlar) kaplanmış
alüminyum veya kompozitle kaplanmış plastik malzemelerden yapılır. Bunlardan en
ekonomik olanı çelik malzemedir, fakat fazla ağır olduğundan sabit depolamalar içinuygundur. Ancak taşıtlarda kullanılacak depo tanklarının hafif kompozit malzemelerden
yapılması gerekir; bunlar 350 bar basınca kadar (ağırlıkça %10-12 hidrojen) güvenle
kullanılabilmektedir. Halen 700 bar basınca dayanıklı hafif kompozit malzemeler
üretimine yönelik çalışmalar devam etmektedir.
3.1.2. Sıvılaştırılmış Hidrojen
Hidrojen, süper izolasyonlu vakumlu tanklarda – 253 °C’de sıvı halde (LH2)
depolanabilir. Sıvı hidrojen uzun mesafe yolcu araçlarında, uçaklarda ve uzay araçlarında
çok avantajlı bir yakıttır. Bu konuda uzun yıllardır yapılan araştırmalarla uygulama için
önemli veriler elde edilmiştir. Günümüzde sıvı hidrojen uzay araçlarında
kullanılmaktadır, ancak kara araçlarında kullanıma geçilmesi daha sonraki yıllarda
olabilecektir.
3.1.3. Metal Hidrürler
Bazı metaller ve alaşımlar, normal basınç ve sıcaklıkta hidrojen absorblayarak hidrür
bileşiklerini meydana getirirler; hidrürler, hidrojen ile bir veya daha fazla başka
elementler içeren kimyasal maddelerdir.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
46/55
42
Bir metal hidrür tankta bir ısı alışveriş sistemi ile metal granülleri bulunur. Metal
granüller, tıpkı bir süngerin suyu emmesi gibi hidrojeni absorblar. Isı alışveriş sistemiyle
tanka hidrojen doldurulurken ısı çekilir, tank boşaltılırken de ısı verilir; metal hidrür
ısıtıldığında absorbladığı hidrojeni serbest bırakır.
Metal hidrür oluşum mekanizması şematik olarak gösterilmiştir. Şemada görüldüğü gibi,
hidrojen gazı metal ara yüzeylere doğru gider, buralarda her bir hidrojen molekülü iki
hidrojen atomuna ayrılır ve metal granüller tarafından absorblanır; böylece metalik
matriks içinde depolanır.
Metal hidrür sistemi pahalıdır ve hidrojenin doldurulması uzun zaman alır. Fakat
depolama ve taşımada çok güvenlidir; örneğin tankın delinmesi halinde ısı sistemi hemen
soğutmaya geçerek hidrojen kaçağını engeller. Güvenlik yönünden benzin depo
tanklarından daha üstündür.
Ticari amaçlı kullanılabilen birkaç metal hidrür vardır. Bu tür depolamada en önemli
dezavantaj depolanan hidrojene kıyasla metal hidrürün fazla ağır bir malzeme olmasıdır.
Araştırmacılar tarafından daha ucuz, daha hafif ve daha fazla hidrojen absorblayabilen,
ayrıca absorbladığı hidrojeni daha düşük sıcaklıklarda serbest bırakacak alaşımlar
üzerinde çalışmalar devam etmektedir. Yeni bulunan bazı alaşımlar %5 kadar hidrojen
tutabilmekte ve içerdiği hidrojeni 100 °C da bırakmaktadır.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
47/55
43
Sodyum alüminyum hidrür (NaAlH4) de bu sayılan gereksinimlerin çoğunu karşılayan
yeni ve gelecek vadeden bir metal hidrürdür; hidrojen absorblama kapasitesi %4,hidrojeni bırakma sıcaklığı 150°C ‘dir (LaNi
5H
6de ~%2).
Diğer bir hidrojen depolama bileşiği sodyum bor hidrürdür (NaBH4). Bu bileşiğin
avantajı depoladığı hidrojenin normal şartlar altında ve katalizörlü ortamda kontrollü
olarak geri alınabilmesidir. Bu konudaki çalışmalar NaBH4
elde edilmesi, bu bileşikten
hidrojen üretimi ve reaksiyon sonucunda oluşan sodyum metaboratın (NaBO2) tekrar
sodyum bor hidrüre dönüştürülerek kullanıma alınmasını hedeflemektedir.
Sodyum bor hidrür üretimim için çeşitli araştırmalar yapılmıştır; örneğin, çalışmaların
biri boraks (susuz), kuvartz ve sodyumun 450-500°C’de hidrojen atmosferi altında
reaksiyona sokulmasına dayanır, bir diğer çalışmada boraks magnezyum hidrür ve
değişik sodyum bileşikleriyle normal şartlar altında öğütülerek NaBH4 elde edilmiştir.
Devam etmekte olan NaBH4
üretimi çalışmalarının önemli bir bölümü de sodyum bor
hidrürden hidrojenin çekilmesinden sonra oluşan metaboratın ekonomik ve basit
yöntemlerle tekrar NaBH4
dönüştürülmesidir; örneğin, sonuçlanmış bir çalışmaya göre
sodyum metaborat MgH2
(veya Mg2Si) ve hidrojen yüksek sıcaklık (350-750°C) ve
yüksek basınç altında reaksiyona sokularak NaBH4'e dönüştürülmüştür (Kojima ve Haga
2003).
Günümüzde hızla yol alan teknoloji otomotiv sanayiini yoğun enerjili su- bazlı yakıtla
(sulu sodyum bor hidrür gibi) çalışan araçlar üzerinde araştırmalara yöneltmiştir; örneğin,
ağırlıkça %30’luk NaBH4
çözeltisinde %6.7 H2 bulunur. Katalitik ortamda aşağıdaki
ekzotermik reaksiyon meydana gelir.
kat. NaBH
4
+ 2 H2
O ⎯→ 4 H2
+ NaBO2
(sulu) + ~300 kJ
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
48/55
44
Ayrılan saf ve nemlendirilmiş hidrojen yakıt pili veya hidrojen motoruna verilir.
Reaksiyonda oluşan borat hidrojenle reaksiyona sokularak tekrar sodyum borohidrür ’e
dönüştürülür.
Volumetrik hidrojen depolama verimi dikkate alındığında, %30’luk NaBH4
çözeltisinde
≈63 g H2/L bulunur. Bu değer sıvılaştırılmış ve basınçlandırılmış hidrojenle kıyaslanırsa,
sıvılaştırılmış hidrojende ≈71 g H2/L, 5,000 psi sıkıştırılmış H
2≈23 g H
2/L, 10,000 psi
sıkıştırılmış H2
≈39 g H2/L olduğu görülür.
3.1.4. Karbonda Depolama
Çok yeni ve gelecek vadeden bir teknoloji de özellikle nanofiberler, nanotüpler vefullerenler gibi nano yapılı farklı karbonların ve bazı karbon siyahlarının hidrojen
depolayan absorblayıcılar olarak kullanılmasıdır; karbon siyahı daha ucuz ve çok
miktarlarda üretilebildiğinden daha avantajlıdır.
Karbon nanotüpler tüp şeklinde dizilmiş grafit tabakalardır; çapları birkaç nanometre ile
20 nanometre, boyları mikron seviyelerindedir. Çeşitli ilavelerle oluşturulan, örneğin
alkali-ilaveli (Li-K), nanotüpler de mevcuttur
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
49/55
45
Hidrojen, nanotüplerde iki şekilde depolanabilmektedir; fiziksel ve kimyasal olarak.
• Fiziksel depolama zayıf Van der Waals kuvvetlerinin etkin olduğu bir depolamadır;depolanan hidrojen etkin kuvvetlerin kaldırılmasıyla tekrar geri kazanılır. Depolama ve
geri kazanma işlemleri sürekli olarak tekrarlanabilir.
• Kimyasal depolamada atomlar arasında kovalent bağlar oluşur, yüklenen hidrojeningeri kazanılması için bu bağların kırılması, yanı yüksek sıcaklıklara gereksinim olur.
Bu konuda yapılan çalışmalar karbon nanotüplerde ağırlıkça yüzde 4-14 arasında hidrojen
depolanabildiğini göstermişti. Bunun ne kadarının fiziksel ne kadarının kimyasal bazlı
olduğu henüz kesin olarak bilinememektedir.
Karbon nano tüplerin hidrojen depolama kapasiteleri nanotüpün cinsine (tek duvarlı, çok
duvarlı), tüplerin kapalı veya açık olmasına, ölçülerine (tüp çapı ve uzunluğu vb.) ve tüp
yüzeylerinin aktifliğine göre değişir.
Nanotüp (veya Karbon Nanotüp): Uzun ve ince karbon silindirlerdir; nanotüpler çapı,
uzunluğu ve bükülme şekline göre çeşitli elektronik, termal ve yapısal özellikler
gösterirler. Örneğin elektronik bir parça olan diod farklı elektronik özeliklerdeki iki nano boyutlu karbon tüpün birbirine bağlanmasıyla yapılır.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
50/55
46
3.1.5. Metanol
Metanol, hidrojen ve karbon monoksitten elde edilir, normal şartlar altında sıvıdır ve
hidrojen içeriği yüksektir; bu özellikleri nedeniyle metanol uygun bir taşıt yakıtı olarak
değerlendirilebilir. Kullanım prensibi metanolün parçalanarak hidrojen açığa çıkması ve
oluşan hidrojenin yakıt olarak harcanmasıdır. Parçalanma prosesinde enerji kaybı oldukça
yüksektir, dolayısıyla sistemin verimi düşük olur. Bu olumsuzluğu yenmek için doğrudan
metanolle çalışan yüksek verimli yakıt pilleri geliştirilmiştir. Yapılan çalışmalara göre
metanol reformerli yakıt piliyle çalışan bir araç, benzeri benzinli bir araca kıyasla %40-
70 daha fazla CO2
emitler; ayrıca CO ve hidrokarbon emisyonları da vardır.
Metanol zehirli, suyla karışabilen ve çok korozif bir maddedir. Bu özellikleri dolayısıyla
taşıma ve kullanım sırasında benzinle kıyaslandığında, daha özel güvenlik önlemlerine
ihtiyaç vardır. Olumsuz özellikleri ve yüksek emisyonları metanolün fazla tercih edilen
bir yakıt olmasını engellemektedir.
3.1.6. Benzin ve Diğer Hidrokarbonlar
Benzin ve diğer hidrokarbonlar bir reformerden geçirilerek hidrojen üretilebildiğinden bu
ürünler birer hidrojen depolama sistemleri olarak düşünülebilir. Ancak benzinden
hidrojen üretilmesi için 30 dakika kadar süre gerekir; yani araç kullanılmadan önce 30
dakika ısıtılmalıdır; dolayısıyla araç bataryasının hareketten önce en az 30 dakika
dayanıklılığı olması gerekir. Reformer ve batarya bağlantısının karmaşık, zor ve pahalıolması, hidrojen üretimi yanında oluşan hidrokarbonlar ve CO’in uzaklaştırma
zorunluluğu, CO’in reformer membranlarını tahrip etme olasılığı ve yüksek sıcaklıklarda
çalışma gereğinden dolayı oluşan NOx bileşikleri ve dolayısıyla emisyon sorunları benzin
ve hidrokarbonları ideal hidrojen taşıyıcı olmaktan uzaklaştırır.
Benzin motorlu bir araçta hidrojen deposu olarak sıkıştırılmış hidrojen, metanol ve benzin
kullanılması halinde, farklı hızlarda ölçülen CO2 emisyonları verilmiştir. Görüldüğü gibi
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
51/55
47
en düşük CO2
emisyonu elektroliz yoluyla üretilen hidrojen kullanılması durumunda elde
edilmiştir.
3.1.7. Sabit depolama
Hidrojen sabit basınçlı tanklarında, yeraltı mağaralarında ve sıvı halde süper izoleli
tanklarda depolanabilir. Çok fazla miktarlarda hidrojen depolama için en ekonomik olanı
basınçlı yer altı takalarıdır.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
52/55
48
3.2. Taşıma
Boru Harlarıyla Taşıma: Hidrojenin uzun mesafelere boru hattıyla taşınması ekonomik
ve güvenli bir taşıma şeklidir. 2004 yılı itibariyle Avrupa’da 1500 km, Amerika’da 720
km hidrojen boru hattı ağı vardır.
Hidrojen transferinde kullanılan boru hatları 25-30 cm çaplı çelikten borulardan yapılır,
10-20 bar basınç altında kullanılır. Doğal gaz veya LPG naklinde kullanılan bazı boru
hatları olduğu gibi veya çok az değişikliklerle hidrojen taşımada da kullanılabilir. Buradaönemli kriter boru metalinin içerdiği karbon miktarıdır (hidrojen için düşük karbonlu
çelik tercih edilir).
Boru hatları gazların transferinde kullanıldığı gibi bir miktar basınçlandırılarak depolama
görevi de yaparlar.
Sıvılaştırılmış Halde Taşıma: Sıvılaştırılmış hidrojen -253°C’ye soğutulmuştur.Soğutma prosesinde büyük miktarlarda enerji gerekir; fakat uzun mesafelere taşımada ve
ayrıca yakıt olarak havacılık ve uzay seyahatlerinde diğer yakıtlara göre hala daha
avantajlıdır.
Karayoluyla Taşıma: Hidrojen hem sıvı ve hem de sıkıştırılmış gaz halinde özel
tankerlerle taşınabilir.
Denizyoluyla Taşıma: LH2, deniz tankerleriyle de taşınır; bunlar LNG tankerlerine
benzer, ancak, uzun mesafelere taşındığında daha iyi izolasyonlar gerekir.
Havayoluyla Taşıma: Sıvı hidrojenin hava yolu ile taşınmasının gemiyle taşımaya
kıyasla bazı avantajları vardır. LH2 hafiftir, hava yoluyla teslim yerine çok çabuk
ulaştırılacağından buharlaşma kaybı sorunu olmaz.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
53/55
49
SONUÇ
Hidrojen sentetik bir yakıt olup üretim kaynakları son derece bol ve çeşitlidir. Hidrojen
fosil yakıtlar (kömür, doğalgaz, vb.) yardımıyla olabildiği gibi güneş enerjisi kullanılarak
da üretilebilir. Bu çalışmada farklı güneş hidrojen üretim metotları, günümüzdeki ve
yakın gelecekteki durumları göz önünde bulundurularak incelenmiştir. Düşük sıcaklık
güneş enerjisi destekli hidrojen üretim metotları içerisinde yer alan elektroliz,
fotoelektrokimyasal ve fotobiyolojiksel yöntemlere bakıldığında en rasyonel çözümü
elektroliz yönteminin sunduğu görülmektedir. Fotoelektrokimyasal ve fotobiyolojiksel
hidrojen üretimlerinin ise teknolojiksel olgunluğa ulaşmadığı, pratiksel kullanım ve
verimlilik potansiyelinin yükseltilmesi sorunun henüz çözülmediği görülmektedir.
Yüksek sıcaklık güneş enerjisi destekli hidrojen üretim metotlarının güneş termal
hidrojen üretimi için yüksek sıcaklık mebranlarına ve ısı değiştiricilerine ihtiyaç
duyulmaktadır. Ekolojik açıdan çevre ile dost güneş enerjili hidrojen üretimi, hiçbir
zararlı emisyon atığı içermemesi ve alternatif enerji üretim opsiyonları içinde
sürdürülebilir çözüm sunması açısından önemi her geçen gün artmaktadır. Güneşli bir
kuşakta yer alan ülkemiz açısından güneş enerjisi destekli hidrojen üretiminin gelişen
teknoloji ile birlikte uygulama alanlarının artacağı beklenmektedir.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
54/55
50
KAYNAKLAR
M.Öztürk, A.Elbir, N.Özek, A.K.Yakut, “Güneş Hidrojen Üretim Metotlar ının
İncelenmesi”
Ö.F.Noyan,“Entegre Bir Hidrojen Ekonomisi İçin Hidrojen Üretiminin K ısa, Orta ve
Uzun Vadede Optimizasyonuna Yönelik Bir Deneme”, Yeni ve Yenilenebilir
Enerji Kaynaklar ı Enerji Yönetimi Sempozyumu, Kayseri,2005.
Noyan, Ö.F., (2003), “Hidrojenin Özellikleri”, II. Ulusal Hidrojen Kongresi, 9 Temmuz
2003, Ankara .
Prof. Dr. Zafer AYVAZ , “GÜNEŞ IŞIĞIYLA DENİZ SUYUNDAN HİDROJEN
ÜRETİLMESİ” .
Alnıak M.O., Bayramoğlu F.M., “Hidrojen Enerjisi ve Ekonomisi”, IV. Ulusal Hidrojen
Enerjisi Kongresi ve Sergisi, Kocaeli .
Bahadır T., “Yenilenebilir Enerji Kaynakları Kapsamında Biyolojik Hidrojen Üretimi”
Doktora Semineri, Fen Bilimleri Enstitüsü, O.M.Ü., 2009.
İ. Güler Şentürk, H. Büyükgüngör , “BİYOHİDROJEN ÜRETİM YÖNTEMLERİ VE
KULLANILAN FARKLI ATIK MATERYALLERİN İNCELENMESİ” .
Veziroğlu, T. N. ve Noyan, Ö. F. ,2003, “21. Yüzyılın Enerjisi: Hidrojen Enerji Sistemi,
Türkiye 4. Enerji Sempozyumu” .
N. GENÇ , BAÜ FBE Dergisi , Cilt:11, Sayı:2 ,2009 “Biyolojik hidrojen üretim
prosesleri”.
Tamer KARAKAŞ , “GÜNEŞ PİLLERİ ile HİDROJEN ÜRETİMİ” .
M. Öztürk, B. Bozkurt Çırak, N. Özek , “Evsel Fotovoltaik Sistemlerin Ömür Boyu
Maliyet Analizi” .
İbrahim ATILGAN , “HİDROJEN ENERJİSİ VE UYGULAMA ALANLARI” .
Ayşegül PAŞAOĞLU , YÜKSEK LİSANS TEZİ , “HİDROJEN YAKITLI,ÇOK
AMAÇLI BİR BİLEŞİK ISI-GÜÇ SANTRALİ TASARIMI, TEKNİK VE
EKONOMİK ANALİZLERİ” .
Prof.Dr . Bilsen BEŞERGİL , “Hidrojen” .
Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi , “DÜNYA’DA VE TÜRKİYE’DE GÜNEŞ
ENERJİSİ”.
8/13/2019 GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ - 090704021 - Fatih ÇELİK
55/55
51
Ç.Tırıs, M.Tırıs, “Kollektör Yutucu Yüzeyi Optik Özelliklerinin Toplam Isı Kayıp
Katsayısına Etkisi”, Güneş Günü Sempozyumu ve Fuarı, İzmir, 1998.
Kılıç, Abdurrahman. Öztürk, Aksel. “ Güneş Enerjisi ” / İstanbul Teknik Üniversitesi
Makina Fakültesi.
Top Related