Enerji Dönüşümünün Temel Bileşeni: Hidrojen
Çeviren: Arda Durer
Düzenleyen: Ümit Sözbilir
Özet: Forschungszentrum Jülich Araştırma Enstitüsü güvenilir ve çevreci enerji kaynaklarına sahip olmak için yeşil hidrojen üretip, hidrojen bazlı yakıt hücreleri geliştirdi.
Enerji dönüşümü günümüzde hem toplum hem de bilim için en büyük zorluklardan biridir. Enerji dönüşümü için hidrojenin neden bu kadar önemli olduğu kullanılabileceği potansiyele göre anlaşılabilir. Amaç aslında hidrojenin kaynak olarak fosil yakıtların yerini alması, yenilenebilir enerjiyi depolanması ve böylelikle taşınabilirliği kolaylaştırmaktır. Ayrıca hidrojen sayesinde çeşitli enerji sektörleri bir arada kullanılıp daha verimli çözümler sunmaktır.
Tüm bu nedenlerle beraber beklentiler yüksek tutulmaktadır. Jülich Enstitüsünün bu alandaki araştırması tüm süreci incelemeyi kapsamaktadır. Üretimden depolamaya, uygulanacak bölümden diğer alternatif alanlara geniş bir yelpazede çalışmaktadırlar. Enstitü ayrıca enerji sistemlerinin ülkelerin sosyal ve ekonomik durumlarını olan etkisini incelemektedir. Enstitü yapay fotosentez yapan ve sera gazı olan karbondioksiti singaza1 dönüştüren ve bu dönüşümdeki hidrojen için güvenli sıvı bir taşıyıcı kullanan projeleri de bulunmaktadır.
Forschungszentrum Jülich Ensitüsündeki bilim insanları daha uygun maliyetli hidrojen üretmek için elektroliz gibi yöntemler üzerinde çalışıyor. Bunlardan biri PEM2 (polimer elektrolit membran) elektrolizidir. Bu elektroliz tehlikeli bir kimyasala gerek duymadan, basit şekilde çalışıp yüksek akım yoğunluğu ve verimde hidrojen üretebilir. Bu konuda PEM elektrolizi, hidrojeni yenilenebilir enerjiden üretilmesi sayesinde gelecekte iyi çözümler sunacağı düşünülmektedir. Hali hazırda bulunan yüksek yatırım maliyeti alternatif süreçler geliştirilmesini sağlamaktadır. Diğer bir teknoloji SOEC3 (katı oksitli elektroliz hücreleri) kullanılarak yüksek sıcaklıkta yapılan bir buhar elektrolizidir (HTSE)4. Yüksek sıcaklık potansiyeline sahip diğer çalışmalardan gelen atık ısıları kullanıp oldukça verimli ve uygun maliyetli olabilmektedir. Hala yeni bir teknolojidir ve elektrot hücrelerinin bozulmaması için çalışmalar devam etmektedir.
Elektroliz iklim değişikliğine karşı bir koz olarak karşımıza çıkmaktadır. Bir iklimsel tehdidi ham maddeye dönüştürme potansiyeline sahiptir. Zararlı sera gazlarındaki karbondioksiti yeşil singaza dönüştürmek için yenilenebilir enerjiden yararlanmaktadır. Singaz yakıt üretimi için en önemli girdilerden biridir. Bu çalışma sera gazı salımlarının azaltılmasını sağlamaktadır.
Elektrolize diğer bir alternatif ise yapay fotosentezdir. Tıpkı fotosentezde olduğu gibi güneş panelleri bir yaprak gibi çalışarak elektrik yerine hidrojen üretir. Suyu oksijen ve hidrojene ayrıştırarak güneş enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürür. Verim ve maliyet değerleri bu sistemin hala geliştirilmeye ihtiyacı olduğunu bildirmektedir. Jülich Enstitüsünün ince film kaplamaya sahip silikondan çoklu yığınlı güneş pili, geleneksel katman teknolojisinden yapılan pilden daha az malzemeye gerek duymaktadır. Bu sayede daha uygun maliyetli ve daha üretilebilir olmaktadır.
Sorunların çözümü olan hidrojenin temin edilebilmesi için öncelikli olarak güvenle taşınabilmesi ve depolanması gerekmektedir. Geçmişte hidrojenden kaynaklı birçok kaza karşımıza çıkmaktadır. Yer altı depolama tesisleri ve doğal gaz şebekeleri mevcut durumda depolama için kullanılmakla beraber Forschungszentrum Jülich’teki bilim insanları LOHC5 (sıvı organik hidrojen taşıyıcısı) teknolojisi gibi yeni teknolojiler kullanılarak depolama sağlayabilmektedir. LOHC teknolojisi temelde hidrojenin bir organiğe bağlanmasını içermektedir. 650 litre hidrojen için 1 litre organik yeterlidir.
Hidrojen üretiminden sonraki aşama yakıt hücrelerinin hidrojeni elektrik enerjisine dönüştürmektir. Forschungszentrum Jülich’teki bilim insanları, yakıt hücrelerinin verimliliğini, dayanıklılığını iyileştirmek için çalışmaktadır. Yüksek sıcaklıktaki seramik yakıt hücreleri, yakıt hücreleri arasında en yüksek verime sahiptir ve alternatiflerine nazaran daha az bakım gerektirir. Yüksek çalışma sıcaklığı malzemeler için zorluk oluştursa da bu hücreler 5–10 yıl çalışabilmektedir. Bunun yanında Jülich’in geliştirdiği SOFC6 (katı oksit yakıt hücresi) uzun vadeli bir deneyde seramik yakıt hücrelerinden çok daha uzun bir çalışma süresi elde etti. Bunun yanında tersinir katı oksit hücreleri (rSOC)7 sadece elektrik üretmeyip aynı zamanda elektrolizle hidrojen üretimi içinde kullanılabilmektedir. Bu sistem elektrik enerjisinin hidrojen olarak depolanabileceği ve istenildiği zaman tekrar elektrik enerjisine dönüştürülmesini sağlamaktadır. Jülich Enstitüsündeki bilim insanları hidrojenle çalışması sırasında %60’ın üzerinde elektriksel verime ulaşabilen bir yakıt hücresi geliştirdiler. Jülich’in bu rSOC’si 5 kW güce sahiptir ve bu yaklaşık olarak iki ailenin yıllık güç tüketimini karşılamaya yeterlidir. Şu an Jülich Enstitüsündeki bilim insanları katı oksitli yakıt hücrelerini metal ile destekleyerek geliştirmeye ve yeni elektrot malzemeleri üretmeye çalışmaktadır.
Forschungszentrum Jülich’teki analistler gelecekteki enerji kullanım sistemlerini modellemeye çalışırken hidrojen teknolojisini de bunun içine dahil ediyorlar. Gelecekte elektrikli araçların yanında hidrojenle çalışan yakıt hücreli araçlar olacak mı? Analistler gerekli alt yapı maliyetlerini tahmin etmeye çalışıyor. Rüzgâr santralleri ve güneş enerjisi santrallerinin önemli ölçüde artmasıyla hidrojen önemli bir enerji taşıyıcı konumuna yükselecektir. Gelecekte ihtiyaç duyulacak yüksek miktarlarda hidrojen için şimdiden yeşil hidrojen üretimi önemli bir odak noktasıdır.
[1] Hidrojen, karbon monoksit, karbondioksit ve metandan oluşan yakıt olarak kullanılan bir sentez gazı.
[2] Elektroliz hücresinde elektrolit olarak iletken katı bir polimer bulunması.
[3] Suyun elektrolizinde kullanılan elektrokimyasal dönüşüm için katı oksit içeren elektroliz hücresi.
[4] Yüksek sıcaklıklar sayesinde daha az elektrik enerjisi ve daha yüksek elektrot etkinliğiyle hidrojen üretimini sağlayan elektroliz metodu.
[5] Hidrojenin depolanması hidrojenle reaksiyona girmeyen bağ yapması için radikal grup içeren organik.
[6] Elektroliz hücresinin tersi olarak çalışan hidrojen ve oksijenin bir araya gelerek su ve sonrasında elektrik oluşturmasını sağlayan katı oksitli yakıt hücresi.
[7] Katı oksit elektroliz hücreleri ve katı oksit yakıt hücrelerinin birleşimi olan hem elektroliz hem de elektrik üretimini sağlayan tersinir çalışan hücre.
