İdeal Yakıt: Hidrojen Şiiri - Şair Berzan

Enerji yakıtı, ideal olabilmesi için aşağıdaki koşulları sağlamalıdır:

· Kolayca ve güvenli olarak her yere taşınabilmeli
· Taşınırken enerji kaybı hiç veya çok az olmalı
· Her yerde, örneğin, sanayide, evlerde, taşıtlarda kullanılabilmeli
· Depolana bilmeli
· Tükenmez olmalı
· Temiz olmalı
· Birim kütle başına yüksek kalori değerine sahip olmalı
· Değişik şekillerde, örneğin, doğrudan yakarak veya kimyasal yolla kullanılabilmeli
· Güvenli olmalı
· Isı, elektrik veya mekanik enerjiye kolaylıkla dönüşebilmeli
· Çevreye hiç zarar vermemeli
· Çok hafif olmalı
· Çok yüksek verimle enerji üretebilmeli
· Karbon içermemeli
· Ekonomik olmalıdır.

Yukarıda sayılan bütün bu koşulları yerine getirebilecek bir yakıt olmadığı düşünülebilir. Ancak öyle bir yakıt vardır. Hidrojen, yakıt olarak bütün bu özellikleri içeren, yalnız önümüzdeki yüzyılın değil, güneş ömrü olarak kestirilen gelecek 5 milyar yılın da yakıtı olarak kabul edilmektedir. Hidrojen yakıt olarak taşıdığı özellikler aşağıda daha ayrıntılı olarak ele alınmıştır.

Hidrojen'in Taşınması

Hidrojen gazı, doğal gaz veya hava gazına benzer olarak borular aracılıyla her yere kolaylıkla ve güvenli olarak taşınabilmektedir. Doğal gaz için kurulan yer altı boru dağıtım ağının ileride çok az bir değişiklikle hidrojen içinde kullanılması olanaklıdır. Boru hatları dışında hidrojen, basınçlı gaz olarak veya sıvılaştırarak tüplere konup tankerlerle taşınabilir. Çift çeperli yalıtılmış 25m3 hacmindeki tanklara konulan sıvılaştırmış hidrojen, karayolu ile yine benzer şekilde 130m3 hacminde tanklara konulan sıvı hidrojen ise demiryolu ile taşınabilmektedir.

Hidrojen boru ile taşınmasına, Texas da petrol endüstrisi tarafından kullanılmakta olan ve 80 km uzunluğuna sahip boru şebekesi ile Almanya da Ruhr havzasında 1938 yılında işletmeye açılan ve bu gün

15 atmosfer basınç altında hidrojen taşımaya devam eden 204km lik boru hattı örnek olarak gösterilebilir.

Hidrojen Taşınırken Enerji Kaybı

Günümüzde petrol tankerlerinden sızan veya kaza sonucu her yıl denizlere saçılan binlerce ton ham petrol, bilindiği üzere telafisi çok zor, hatta olanaksız olan büyük zararlara yol açmaktadır. Elektrik enerjisi taşıma ve dağıtma hatlarında ise, yine büyük enerji kayıpları vardır. Ülkemizde elektrik enerjisinin taşınması sırasında kaybolan enerji miktarının Keban Barajı nın bir yılda ürettiği elektrikten neredeyse 1.5 kat fazla olduğu hesaplanmıştır. Kömür çıkartılması ve dağıtılması oldukça yüksek maliyet gerektiren bir işlemdir. Doğal gaz ve petrol yataklarının belirli bölgelerde bulunmasından dolayı, bu yakıtların kullanılacak yere boru hatları ile taşınması için çok uzun, bazen birkaç ülkeyi kapsayan binlerce kilometrelik boru hatları, dolayısıyla yatırım maliyeti getirmektedir. Hidrojen ise her yerde bölgesel olarak üretilebildiği için çok uzun boru hatlarına gerek yoktur.

Güvenlik

Son derece hafif bir yakıt olan hidrojen ilk olarak hava taşıtlarında kullanılmaya başlamıştır. Ancak, hidrojenin yaygın olarak kullanımı ile yangın tehlikesinin artacağı görüşü, 1937 yılında New Jersey seyahatinde yanan Alman Zeplini Hindenburg hava gemisinden sonra ortaya çıktığı için bu korkuya Hindenburg sendromu adı verilmiştir. Aradan geçen yıllar içinde, gelişen hidrojen teknolojisi, doğal gaz, petrol, kömür ve uranyum gibi nükleer yakıtların geniş çapta kullanımı nedeniyle ortaya çıkan kazalar yanın da çok daha güvenli kalmaktadır. Hidrojen kullanımında bazı kurallara uyulduğunda tehlike yok denecek kadar azalmaktadır.

Bugün uçaklarda kullanılan yaktın kaza ile yanmasından aşırı sıcaklık ve duman oluşmakta ve bunun sonucunda bir çok insan yaşamını yitirmektedir. Yakıt olarak hidrojenin kullanılması durumunda, yandığında havadaki oksijenle birleşerek su-su buharından başka bir gaz çıkmayan hidrojen alevi, aynı zamanda çok az ısı yayar. Bu nedenle doğrudan alevle temas edilmediğinde tehlike yoktur.

Hava içinde alev alma sınırı, patlama enerjisi, alev sıcaklığı ve atık ürün gibi değişkenler göz önüne alındığında, fosil yakıtların güvenlik katsayılarının 0.5-0.80 arasında olmasına karşın, hidrojen için, daha yüksek (1 dolayında) bir güvenlik olduğunu açıkça göstermektedir.

Hidrojenin Depolanması

Hidrojenin belki de en önemli özelliği, depolanabilir olması. Bilindiği gibi, günümüzde büyük tutarlarda enerji depolamak için hala uygun bir yöntem bulunmuş değildir. Eğer bu gün hidroelektrik santrallerinden depolamamız mümkün olsaydı, enerji sorununu bir ölçüde çözmek mümkün olabilirdi. Ancak, elektrik enerjisi için bilinen en iyi depolama yöntemi hala asitli akümülatör ler den başka bir şey değildir. Ancak, enerjiyi dolaylı olarak iki şekilde depolamak olanaklıdır. Bunlardan birincisi güneş enerjisinin fotosentez yoluyla bitkilere depolamak, yani odun üretmek, ikincisi ise hidrojen elde etmektir. Her iki yöntemde de elde edilen ürünler yakılarak veya başka enerjiye çevrilerek enerji kaynağı olarak kullanılır.

Hidrojen gazını depolamanın belki de en ucuz yöntemi, doğal gaza benzer şekilde yer altında, tükenmiş petrol veya doğal gaz rezervuar larında depolamaktır. Maliyeti biraz yüksek olan bir depolama şekli ise, maden ocaklarındaki mağaralarda saklamaktır.

Orta veya küçük ölçekte depolamak için en çok kullanılan yöntem, sıvılaştırılmış hidrojenin yüksek basınç altında çelik tüpler içinde tutulmasıdır. Ancak bu uygulama, büyük miktarlar için oldukça pahalı bir yöntem olarak görülmektedir. Bir diğer pratik çözüm ise, sıvı hidrojeni düşük sıcaklıktaki tanklarda saklamaktır. Uzay programlarında, roket yakıtı olarak sürekli şekilde kullanılan sıvı hidrojen bu yöntemle depolanmaktadır. Dünyadaki en büyük sıvı hidrojen tankı, Kennedy Uzay Merkezinde olup 3400 metreküp sıvı hidrojen alabilmektedir. Bu miktar hidrojenin yakıt olarak değeri 29 milyon Mega Jule veya 8 milyon kW-saat e karşılık gelmektedir.

Hidrojenin bir diğer önemli özelliği de ekzotermik (ısıveren) kimyasal tepkimeyle, bazı metal ve alaşımlarla kolayca büyük miktarlarda hidrit biçimine dönebilmesidir. Bu özellik hidrojenin, metal veya metal alaşımlarla metal hidrit olarak de metal veya alaşım, tekrar depolama için kullanıla bilinir. Hidrojeni daha iyi depolamak için çeşitli metal alaşımları üzerindeki çalışmalar günümüzde sürmekte olup, en iyi depolama için gerekli koşullar şartlar aşağıda verilmiştir.

· Metal veya alaşım oldukça ucuz olmalı

· Birim hacim başına en çok hidrojen depolamalı

· Metal, hidrojenle kolayca tepkimeye girip hidrit oluşabilmeli ve oda sıcaklığında kararlı olmalı

· Hidrojen gazı oldukça yüksek bir sıcaklıkta belirgin bir basınçta metalden ayrılabilmelidirler

Üzerinde yoğun çalışmalar yapılmakta olan hidritler için en umut verici alaşımlar arasında, Lantan-Nikel

(LaNi3) , Demir-Titanyum (FeTi) , ve Magnezyum-Nikel (Mg2Ni) metalleri sayılabilir. Bu çalışmalar için en yüksek hidrojen depolama miktarları için formüller, (LaNi3) H6 (FeTi) H2 ve (Mg2Ni) H4 şeklinde yazılabilir.

Hidrojenin Yakıt Olarak Kullanımı

Bir yakıtın her yerde, örneğin, sanayide, evlerde, taşıtlarda kullanılabilmesi büyük önem taşımaktadır. Diğer yakıtlarla karşılaştırıldığında, bunları bir çoğunun ancak belerli uygulamalar için kullanılabildiğini görmekteyiz. Kömürü, otomobiller de veya uçaklarda kullanmak pratik açıdan uygun değildir. Hidrojen ise, hemen her yerde kolaylıkla kullanılabilir. Evlerde, ısıtma amacı ile kalorifer, fırın ve şofbenlerde doğal gaz yerine rahatlıkla kullanılabilmektedir. Yalnız hidrojenin doğal gaza göre daha az olan yoğunluğu nedeniyle, daha fazla miktarda hidrojenin kalorifer sistemindeki yakıcıya gelmesi gerekir. Hidrojenin oksijenle birleşerek doğrudan yakıldığı bu sistemlerde, atık ürün suyun yanında, alevin yüksek sıcaklığa çıkmasından dolayı az bir miktar azot oksit oluşabilmektedir.

Katalitik yüzeylerde alevsiz yakma mümkün olduğundan, bu tür ısıtıcılarda güvenli olarak ve azot oksit oluşmasına yol açmadan da kullanılabilir.

Hidrojen yakıtlı piller içinde elektriği dönüştürülmesi ile üretilen elektriğin de, evlerde olduğu gibi, sanayi de de bölgesel olarak üretilip kullanılması olanaklıdır. Yakıtlı piller konusunda yapılan yoğun çalışmalar sonucu bu alanda büyük ilerlemeler sağlanmıştır.

Hidrojen yakıtının içten yanmalı motorlarda, yani otobüs, kamyon, otomobil, traktör ile tarım makineleri gibi tüm taşıtlarda kullanılabilmesi, sınırlı rezerve sahip petrol ürünlerinin yerini alması ve çevreye dost bir enerji olması, son yıllarda özellikle araç üreten şirketlerin büyük ilgisini çekmektedir. Benzin veya mazot yerine hidrojen gazı kullanılması ile motorların yakma sisteminde bazı değişiklikler gerekmektedir. Hidrojen yakıtlı motor tasarımlarında bu güne kadar kullanılan 3 temel yöntem aşağıda verilmiştir.

1. hidrojen ve hava karışımı, değişmez bir oranda silindirlerin giriş manifolduna verilmekte olup, motor gücü

hidrojen-hava karışım miktarlarını değiştiren bir valf vasıtasıyla ayarlanmaktadır. Sitemde, özellikle yüksek hızlarda düzgün çalışmayı sağlamak için, hidrojen hava karışımına su buharı ilave edilmesi gerekebilir.

2. hidrojen gazı basınç altında silindirlere enjekte edilir. Havanın ise başka bir giriş manifold aracılığıyla ayrı

olarak silindirlere geldiği için, hidrojen hava patlayıcı karışımı silindirlerin dışında oluşmaz. Bu yöntem, ilk tarif edilen sisteme göre daha emniyetlidir. Burada motor gücü, hidrojen gazı basıncını 14 atmosfer ile 70 atmosfer arasında değiştirmek suretiyle ayarlanabilir.

3. üçüncü yöntemde de, ikinciye benzer şekilde yine silindirlere ayrı ayrı verilen hidrojen ve hava karışımı

verilmekle beraber, yüksek basınç yerine hidrojen, normal veya orta basınçta tutulur ve motor gücü, hidrojen miktarını değiştirmek suretiyle ayarlanır. Burada silindirlere giren hava tutarı değişmediğinden değişim hidrojen-hava karışımına meydana gelir. Böyle bir ayarlama hidrojen hava karışım oranının oldukça geniş bir aralıkta patlama özelliğine sahip olması nedeniyle kolaylıkla gerçekleşebilir.

Hidrojen yakıtlı motorların, benzinli motorlara göre bir çok üstünlüğü bulunmaktadır. Bunlardan biri, hidrojen li motorların yüksek verimi, diğeri, belki de en önemlisi, atık ürün olarak sadece su buharı olmasıdır. Silindirleri yağlamak için kullanılan petrol ürünlerinden kaynaklanan çok az miktarda korbon monoksit ve hidrokarbonlar la yüksek sıcaklıktan kaynaklanan azot oksitlerinde atık ürünlerin arasında yer alabileceği göz önüne alınmalıdır. Ancak, bu zararlı gazlar, petrol ürünü kullanan taşıtlara göre göz ardı edilebilecek kadar düşük düzeyde olduğu için, hidrojenli motorları tümüyle çevre dostu olarak varsaymak olanaklıdır. Yanma sıcaklığını, atık su buharının bir kısmını yeniden silindire vermek suretiyle düşürmek ve böylece azot oksitlerin miktarını daha azalma olanağı vardır.

Yukarıda kısaca belirtildiği gibi, taşıtlarda tümüyle farklı bir yaklaşım olarak, içten yanmalı motorlar yerine, yakıtlı piller ile elektrik üretmek ve elektrik motorları ile taşıta güç sağlamak da mümkündür. Bu tür taşıtlarda havaya atılan zararlı ürün hiç olmayacağı için bunlara, sıfır salım lı taşıtlar da denmektedir. İster içten yanmalı isterse yakıtlı pilli olsun, taşıtlarda temel sorun, hidrojenlerin güvenli olarak depolanmasıdır. Bu konuda yapılan çalışmalarda, yine 3 ayrı yöntem geliştirilmiş olup, her birini kendine göre üstünlükleri bulunmaktadır.

· Basınçlı hidrojenin, çelik tüpler içine yerleştirerek taşınması, bu güne kadar geliştiren bir çok deneme

amaçlı hidrojenle çalışan taşıtta kullanılan yöntem olmuştur. Burada görülen en bük sorun çelik tüplerin kendi ağırlıklarıdır. Benzin li bir otomobil ortalama olarak 65 litre (47kg) benzin almakta olup, bu da enerji olarak 17 kg hidrojene karşılık gelmektedir.

· Hidrojeni sıvı olarak depolamak ağırlık sorununu çözmekle birlikte, tank hacmi ve maal oluşu

yükseltmektedir. Diğer bir sorun ise, hidrojenin gaz haline geçmesi ile oluşan kayıplar ve yakıt ikmali zorluğu.

· Metal hidritler hidrojen depolamak için çok uygun bir yöntem olmasına karşın, bunlarında kendi ağırlıkları

ciddi sorun olarak ortaya çıkmaktadır. Daha önce belirtilen üç metal hidritten, Magnezyum-Nikel, en fazla hidrojen depolaması ve en ucuz olmasına karşın, yine ağırlık olarak taşıta 500kg gibi bir ek yük getirmektedir. Bir diğer sorun da, hidrojen gazını belli basınç da elde edebilmek için, metal hidritin, 2500C ye ısıtılması gereğidir. Bu sıcaklık araç çalışırken egzost çıkışından elde edilen sıcak gazla sağlanabilmekle beraber, motorun ilk başta soğukken çalıştırılması sorun yaratmaktadır. Bu sorun, Almanya da otobüslerde denen yeni bir yöntemle çözülmüştür. Bu otobüslerde, düşük sıcaklıkta hidrojen sağlayan Demir-Titanyum alaşımı ile Magnezyum-Nikel alaşımı birlikte kullanılmıştır. Buna göre, ilk alaşım motor soğukken devreye girmekte daha sonra ikinci alaşım devreye girerek süreklilik sağlanmaktadır. Birinci alaşımda depolanan hidrojen, daha sonraki bir ilk çalıştırma için yedekte tutulmaktadır.

Bütün bu sorunlara karşın, hidrojenin özellikle, otobüs, kamyon ve traktör gibi ağır taşıtlarda kullanımı gittikçe artmakta ve gelişen teknoloji ile birlikte sorunlar giderek çözülmektedir. Petrolün sınırlı ömrü ve artan çevre kirliliği, hidrojen yakıtı kullanımının yaygınlaşmasına yol açmaktadır.

Hidrojen yakıtının ilk kullanım alanlarından biri jet uçakları olup, bu konuda ilk olarak 1957 yılında yapılan denemelerden sora yapılan çalışmalar artık ticari uygulama aşamasına gelmiştir. Dünya Enerji Ajansı Hidrojen Programı çerçevesinde yürütülen çalışmalarda, Airbus tipi uçakların yakıt olarak hidrojen kullanması 2007 yılında başlayacaktır. Sıvı hidrojen doğrudan veya dolaylı olarak motorları ve dış yüzeyi soğutmak için de kullanılabileceği için, yüksek hızı supersonic uçaklar için ideal bir yakıt olarak görülmektedir.

Tükenmez ve Yenilenebilir Enerji

İnsanlık tarihin de ateşin bulunmasından sonra ve odunun enerji kaynağı olarak kullanımından bu güne kadar geçen ve gelecek milyonlarca yıl içinde, fosil yakıt olarak tanıdığımız, kömür, petrol, doğal gaz kullanımı, gerçekten son derece küçük bir zaman dilimini kapsamaktadır. İnsanlık on binlerce yıl önceden başlayarak 19. yüzyıl başlarına kadar yalnız, odun, su, güneş ve rüzgar gibi yer üstü kaynakları kullanmış ve 21.yüzyıl ortalarından itibaren gelecek on binlerce sene de yine bu kaynakları, bu sefer farklı bir teknolojiyle kullanacaktır. Aradaki 200 sene fosil yakıtların kullanıldığı bir dönem olarak tarih de kalacaktır. Günümüz insanı bu konuda ne yazık ki ileriyi görmekten veya görmek istemekten kaçınmakta, eldeki sınırlı rezervleri sorumsuzca ve çevreyi kirletme pahasına harcamaktadır. Ancak, bütün bunlar fosil yakıtların kısa bir süre sonra biteceği gerçeğini değiştirmediği için, bu günkü yaşantı ve konforun sürdürülmesine yönelik seçenekler arayışları yoğun bir şekilde sürmektedir.

Su-Hidrojen-Su Çevrimi

Hidrojen, yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi, suyun her hangi bir birincil enerji kaynağı, tercihen güneş kullanılması ile elde edildikten sonra, bir çok yerde kullanılabilmekte ve atık ürün yine su olmaktadır. Böylece hidrojen yenilenebilir ve asla tükenmeyecek bir enerji kaynağı olarak milyonlarca yıl insanlığın hizmetinde olacaktır.