Hidrojen ve Oksijen, doğanın en kaliteli yakıtı ve en kaliteli yakıcı elementi bir araya geliyor ve o olmadan hayatımızı sürdüremediğimiz, en doğal, en temel ihtiyaçlarımızdan biri olan suyu oluşturuyorlar, bu çok garip öyle değil mi?
Hidrojenin Hikayesi
Yazının Başlıkları
Renksiz, kokusuz ve evrendeki en zararsız, en değerli gazlardan biri olan Hidrojen 1500‘lü yıllarda keşfedilmesine rağmen, onun özel kılan yanabilme özelliği bu tarihten 200 yıl sonra 18.yüzyılda keşfedilmiştir.
Hidrojen, varoluştan bu yana evrenin yegane yakıt kaynağı olma özelliğine sahiptir, ilkokuldan bu yana H2O molekülü ile sürekli olarak suyu oluşturan bir element olarak tanıtılan hidrojen aslında evrene enerji sağlayan ve güneş sistemi dahil evrendeki tüm gök cisimlerinin ana yakıt kaynağı olma unvanına sahip olan bir elementtir.
Doğada izotoplarının değişik ismi olan tek element Hidrojendir. Doğada Protium ( 1H ), Döteryum ( 2H ) ve Trityum ( 3H ) formlarında izotop halinde bulunur. Trityum bu izotopların arasında en ağırı olup T harfi ile de simgelenebilirken en ağır suyu olan süper ağır suyu oluşturur. bkz: T20
Peki dünyada neden element halinde kolayca bulunmuyor?
Hidrojen molekülleri, elementi havadan yaklaşık 14 kat daha hafiftir. Yoğunluğu düşük olan hidrojen havadan hafif olması sebebi ile yer çekimin yenebilecek güçte bir kaldırma kuvveti ile atmosferi yenebilir, bu yüzden dünya üzerinde hidrojenin element halinde bulunması ve kolay yollardan eldesi pek mümkün değildir. Hidrojenin havadan ağır bir element olması durumunda, dünya yüzeyinde bulunması havada yüksek oranda bulunan oksijen molekülleri tarafından yakılıp dünyanın diğer güneş sistemindeki gezegenler, yıldızlar hatta güneş gibi sürekli yanma eğiliminde olan bir ekosisteme sahip olması pek muhtemel olurdu.
Buna rağmen çeşitli formlarda ( H20 , CH4 (Organik maddeler) ) dünyada en çok bulunan elementlerden biridir, ayrıca dünyadaki atom kütlesinin %75’ini yine hidrojen molekülleri oluşturur. Dünyada bu denli çok bulunması ve elektroliz gibi çeşitli kimyasal reaksiyonlar ile yakıt halinde eldesinin mümkün olması da onu zaten gelecekte içten yanmalı motorların en potansiyel yakıtlarından biri yapıyor.
Hidrojenin elde edilmesi
Hidrojen, günümüzde elde edilmesi kolay bir element kompozisyonuna sahip olsa da elde edildiği yöntemlerin %90’ından fazlasının yenilenemez – petrol kaynaklı ham maddelerin oksidasyonuna bağlı olması, bizleri yenilenemez enerji kaynaklarından koparamıyor, kurtaramıyor. Bu yüzden hidrojenin eldesi başlığını Yenilenebilir ve yenilenemez enerji kaynaklarından eldesi olarak ayırmak ve yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilmesini irdelemek daha doğru olacaktır.
Doğalgazdan hidrojen elde edilmesi
Hidrojenin her ne kadar yenilenemez enerji kaynakları ile bağımızı koparacak bir yardımcı, kurtarıcı yakıt olduğunu düşünsek de onun elde edilmesinde en yaygın kullanılan yöntemlerden birinin doğalgazdan eldesi olduğu gerçeğini değiştiremeyiz.
Her yıl çeşitli amaçlar ile (gübreler, sanayi kullanımı) 500 milyar metreküpten fazla hidrojen gazının, sıvı veya gaz halde kullanıldığı biliniyor. Tüm bu harcamanın 250 milyar metreküp gibi %50 oranında bir üretim oranı bu yöntem ile yani doğalgazın hidrojen buhar reformasyonunda elde ediliyor.
En bilindik yöntem : Elektroliz
Elektroliz, lisede de eğitimi ve çalışma prensibi verilen en bilindik hidrojen eldesi yöntemidir. Fakat bu yöntem tüm üretim yöntemleri arasında en az verime ve en düşük maliyete sahip yöntemlerden biridir. Düşük maliyetle icra edilmesinden ötürü de okullarda deneylerde sıkça hidrojen eldesinin gösterilmesi için gösterilir.
Elektroliz düzeneğinde doğru akım kaynağı bir güç kaynağı, anot ( – ) olarak adlandırılan bir uç ve katot ( + ) olarak adlandırılan bir uç yer alır, bu düzeneğin içerisinde iletken bir madde olan su ile teması sırasında suyu oluşturan hidrojen atomları anot, oksijen atomları ise katot üzerinde toplanır. Elektroliz işleminin temel mantığı budur, elektrik akımı sayesinde suyu oluşturan ayrılmaz ikili 2 arkadaş hidrojen ve oksijeni farklı uçlarda toplayarak ayrıştırmaktır.
[latex class=”tam-satir”][{H_2}O \to 2H + O][/latex]
Elektroliz işlemi sonucunda hidrojen eldesi oranı oksijen eldesi oranından 2 kat fazladır bunu yukarıdaki formülde de görebilirsiniz.
Diğer hidrojen eldesi yöntemleri;
- Termoliz: Suyun 1700 derece sıcaklığın üzerine çıkarılarak termoliz yöntemi ile suyu oluşturan hidrojen ve oksijen atomlarına parçalanması yöntemidir.
- Kısmi Oksidasyon: Doğalgazın oksijenle reaksiyona girmesi sonucu metan gazının yakılması ile hidrojen eldesini temel alır ve verimi diğer yöntemlere göre %60 olması ile daha fazladır.
- Kvaerner Yöntemi: Oksijen kullanmadan elektirk akımı yardımı ile doğalgaz ve petrolden yüksek ısılarda enerji ve hidrojen eldesini temel alır, oksijen kullanılmadığı için bu yöntem ile oluşan hidrojen atomları oluşurken ortama karbondioksit veya karbonmonoksit gazları salınmaz. Verim %90’larda ve emisyon salınımı çok azdır.
- Biyokütleden Hidrojen Eldesi: Fotosentetik bakteriler ile hidrojen eldesi, yüksek sıcaklık ve düşük basınç altında hidrojen eldesini temel alan bir yöntemdir.
- Hidrojen Sülfürden Hidrojen Eldesi: H20 gibi H2S molekülü de elektroliz yöntemi ile hidrojen eldesini mümkün kılan bir yapıya sahiptir, hatta bu yöntem ile elde edilen verim, suyun elektrolizinden elde edilenden fazladır. Ayrıca hidrojen sülüfürün elektrolizi sonucu oluşan kükürt, sanayide çokça kullanılan bir element olması sebebi ile ekstra ekonomik kazanç sağlayan bir yöntemdir.
Hidrojenin elde edilme yöntemleri halen daha standartlaştırılmış bir temele dayanmıyor, onlarca yüzlerce yöntem ile hidrojen atomlarının ayrıştırılması farklı moleküllerden, bileşiklerden eldesi mümkündür, fakat günümüzde halen daha en kısa sürede maksimum hidrojen eldesini mümkün kılan yöntem doğalgazın reformasyonudur. Durum böyle olunca hidrojenli motorların, yenilenemez enerji kaynakları ( petrol, doğalgaz ) ile olan bağımızı keseceğine inanmak oldukça güç. Fakat her geçen gün elektroliz, termoliz gibi yöntemler ile hidrojen eldesi yöntemlerinin iyileşmesi, hidrojen depolama sistemlerinin verimliliğinin arttırılması ile geleceğe dair umutlarımız halen daha taze.
Hidrojenli Motorlar
Konumuzu buraya kadar hidrojenin eldesi başlığı ile kirlettiğimizi düşünüyorum, artık bir hidrojenli motorun nasıl çalıştığını ve ne gibi gereksinimleri beraberinde getirdiğinden konuşmak isterim.
Hidrojen, yanıcı – yakıt olabilme özelliği ile aynı yenilenemez enerji kaynaklarının işlenmiş formlarında benzin, dizel gibi yakıtlar gibi içten yanmalı motorlarda kullanıldığı gibi, elektroliz yönteminin tam tersi yöntemi ile yakıt pillerinin yeniden şarj edebilme yeteneği ile de elektrikli motorlarda da kullanılabilir. Yani “Hidrojenle çalışan otomobil” dediğimizde aklımıza tek bir form değil 2 ayrı form gelebilir, şimdi bu formları ayrı başlıklar halinde irdeleyelim.
Hidrojenle çalışan içten yanmalı motorlar
Hidrojenli içten yanmalı motorlar, aynı diğer içten yanmalı motorlar ( benzinli otto motorlar, motorinli dizel motorlar, LPG kullanan otto motorlar ) gibi hidrojenin basınç ve sıcaklık yardımı ile tutuşturulmasını ve oluşan yüksek basıncın krank milleri yardımı ile mekanik enerjiye dönüştürülüp araca ivme kazandırılmasını temel alır.
Hidrojenin kullanılabileceği motorlar günümüzde LPG’nin de ekonomik olması yönü ile sıkça kullanım tarzlarını gördüğümüz otto çevrimini prensip alan benzin kullanan motorlardır.
Hidrojen, benzin yakıtına göre %25 daha fazla verim sunabilen ve yakıt olarak kullanılmaya daha yatkın, artıları benzine oranla daha fazla olan, doğa dostu bir yakıttır. Buna rağmen hidrojenin de halen daha araç üreticilerinin aklını karıştıracak ve içten yanmalı motorlara güç verip vermemesini konusunda tartışmalara yol açacak, ayrıca içten yanmalı motorlar yerine pil teknolojisi ile çalışan elektrikli otomobillerde kullanılmasının daha mantıklı olup olmadığı konusuna değinen belirli başlı düşünceler, sorular yer alıyor.
Bunun en doğal sebebi, hidrojen, her ne kadar yüksek ısıl verimli ve günümüzde kullanılan hali hazırdaki araçlara entegre edilebilir yapısı ile doğa dostu olması ile cazip bir yakıt kaynağı olarak görülse de, benzinli motorların yapısı içerisinde kullanıldığında ön görülemeyen erken ateşlemeler ile hem emme bölümündeki manifolt, karbüratör gibi elemanlara zarar vermesi ve öngörülemeyen bu patlamalar ile subap sistemine de erken sinyaller vererek motorun yüksek yük altında verimli çalışmamasına sebep olmaktadır. Tüm bu sorunlar çözülemediği için ayrıca hidrojeni bir yakıt tankı içerisinde sıvı halde depolamak için gereken gücün, enerjinin, maliyetin yüksek olması sebebi ile araç üreticileri bu teknolojinin aktif olarak kullanılmasında çekingen davranıyor, tüm bu aksaklıklar giderilmediği sürece de bu çekingenliklerinde haklı gibi gözüküyorlar.
Hidrojenle çalışan pilli motorlar
Devam ediliyor.