Günümüzde dünya enerji üretiminde öncelikli kaynaklar petrol, doğlagaz ve kömür gibi yenilenemeyen enerji kaynaklarıdır. Özellikle doğalgazın çevreyi daha az kirletmesinden dolayı enerji üretimindeki payı gün geçtikçe artmaktadır. Yukarıdaki grafikte görüldüğü üzere, dünyanın en çok kullanılan enerji kaynağı petroldür. İkinci sırada kullanımı gittikçe azalan maden kömürü ve üçündü sırada üretim ve tüketimi hızla artan doğalgaz bulunmaktadır. Her dönem belirli bir enerji kaynağı önem kazanmıştır. Kömürün yerini zamanla petrol almış ve sonraki yıllarda doğalgaz önem kazanmıştır. Önümüzdeki yıllarda ise alternatif enerji kaynakları değer kazanacaktır.

Günümüzde dünya üzerinde kullanılmakta olan alternatif enerji kaynakları ve kullanım oranları şöyledir;

Nükleer Enerji
Nükleer enerji nükleer reaktörlerde atom çekirdeğinin parçalanması veya çekirdek kaynaşması esnasında açığa çıkan enerjidir. Nükleer yakıtlar ise uranyum ve toryumdur. Bu maddelerden çok yüksek oranlarda elektrik enerjisi üretilmektedir. Örnejin bir gram uranyumdan elde edilen enerji dört ton maden kömüründen elde edilen enerjiye denktir. Nükleer enerjide en büyük sorun radyasyon tehlikesidir. Günümüzde dünyada 31 ülkede 437 ünite ile elektrik üretimi nükleer santrallerden sağlanmaktadır. Nükleer enerji ilk olarak II. Dünya Savaşı’ndan sonra İngiltere’de kullanılmıştır. 80 milyon nüfusa sahip olan Fransa’da 59 tane nükleer reaktör bulunmakta ve tüketilen elektriğin %73′ü nükleer enerjiden sağlanmaktadır. Nükleer enerji elektrik elde etmenin yanında tıpta ve sanayide kullanılan izotopların üretilmesinde, gemi ve denizaltının hareket ettirilmesinde kullanılmaktadır.

Güneş Enerjisi
Temiz ve masrafsız bir enerji kaynağı olan güneşin en önemli özelliği bol ve sınırsız olmasıdır. Kullanımı giderek artan güneş enerjisinden önceleri ısı enerjisi olarak son yıllarda ise gelişen teknoloji ile beraber elektrik enerjisi olarak yararlanılmaktadır. Güneş panelleri ve fotovoltaik pillerle giderek azalan maliyetlerle elektrik enerjisi elde edilmektedir. Güneş enerjisiyle çalışan otomobiller yapılmıştır. Fakat bunlar genellikle tek kişilik ve çok sınırlı güce sahip araçlardır. Yapabildikleri hız 5km/h’i geçemediğinden günlük kullanımda yer edinemeyecek kadar verimsizdirler. Güneş enerjisiyle çalışan bir diğer şey de güneş ocağıdır. Yemek pişirme amaçlı olarak kullanılan güneş ocakları son derece kullanışlı araçlardır. Kırsal bölgelerin sosyoekonomik kalkınmasına destek olan, orman tahribatını önlemeye yardımcı olan güneş ocaklarıdır. Güneş enerjisinden sıcak su da elde edilmektedir. Örneğin Fransa ile İspanya arasındaki Pirene dağları üzerinde kurulu olan güneş kollektörlerinden 320 derece sıcaklık sağlanmaktadır. Aynı şekilde evlerin çatısına monte edilen güneş panellerinden sıcak suelde etmek de mümkündür ve yaygın olarak kullanılmaktadır. Avustralya, Japonya, İsrail ve ABD güneş enerjisinden yararlanan ülkelerin başında gelmektedir. İsrail’de güneş enerjisiyle her yıl 300 bin ton petrole eşdeğer enerji sağlanmaktadır. Keşke bütün ülkeler güneş enerjisine bu kadar önem verse, yılda çok büyük miktarlarda fosil yakıt tasarrufu yapılabilmesi mümkün olur. Yazının Devamı…

Yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemli özelliği çevreye emisyon yaymamalarıdır.Bu çalışmada şimdiye kadar incelenen tüm sistemler içerisinde güneş-hidrojen sistemi bunu en iyi sağlayan sistemdir.Yenilenebilir enerji kaynaklarının çok yakın gelecekte tüm dünyanın enerji ihtiyacının büyük bir kısmını sağlayacağı hemen hemen belli olmuşken bu kaynaklar arasında güneş-hidrojen hibrit sistemi şu ana kadar yapılan çalışmalarda en verimli sistem olarak göze çarpmaktadır.Bu çalışmada şu ana kadar anlatılan hemen hemen tüm sistemler güneş-hidrojen hibrit enerji sisteminin bir parçasıdır.İlk kısımda özellikle güneş enerjisinden elektrik üretimi bölümünde fotovoltaik paneller ve bunlara bağlı ekipmanlar ayrıntılı bir şekilde açıklanmıştır. Daha önce de belirtildiği gibi fotovoltaik panellerin verimlerini yükseltmek ile ilgili her gün daha da cesaretlendirici çalışmalar yapılmaktadır.Çok kısa bir süreç içerisinde panellerin verimlerinin hızla artması ve buna paralel olarak fiyatlarının da hızlı bir şekilde düşmesi beklenmektedir.Şu an için hidrojen üretim sistemleri içinde en uygunu doğalgazdan buhar eldesi ile olan yoldur ve 6$/GJ üretim maliyeti vardır.Ancak yakın zaman içinde doğalgazın biteceği ayrıca bu çeşit bir sistemde çıkan emisyon oranlarının yüksekliği düşünülecek olursa maliyet düşüklüğüne rağmen çok da verimli bir yöntem olmadığı görülecektir.

Aşağıdaki şekilde basit bir güneş-hidrojen sisteminin içerdiği elemanlar yer almaktadır. Çoğu daha önceki bölümlerde anlatılan elemanlar burada bir bütün halinde verilecektir.

Güneş-Hidrojen Hibrit Enerji Sistemi

Yazının Devamı…

İçten Yanmalı Motorlarda Hidrojen Kullanımı
Hidrojen içten yanmalı motorlar için çok iyi bir yakıttır.Hidrojen güçlü içten yanmalı motorlar benzinli motorlara göre %20 daha verimlidir.

İçten yanmalı motorlarda ideal termal verim oranı:

Burada;
r = sıkıştırma oranı
k = Spesifik ısılar oranı (Cp/Cv)
Bu denklem termal verimin spesifik ısılar oranı ya da sıkıştırma oranını arttırmakla arttırılabileceğini gösterir.Hidrojen motorlarında, hidrojenin düşük kendinden ateşleme sıcaklığı ve fakir karışımlarda yanma yeteneği dolayısıyla bu oranlar benzin motorlarına göre daha yüksektir.

Hidrojen Motoru Emisyon Oranı

Benzin Motoru Emisyon Oranları

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

Hidrojen elektrik üretmek için bir elektrokimyasal reaksiyon içinde yanma olmadan oksijenle birleştirilebilir. Bu reaksiyonun oluştuğu yer elektrokimyasal yakıt hücresi veya sadece yakıt hücresi olarak adlandırılır.Yakıt pilleri temiz,sessiz,hareketli parça içermeyen ve yüksek verimli,doğalgaz veya diğer hidrojen içeren gazlardan elektrik ve ısı enerjisi üretim teknolojisidir.Diğer enerji üretim teknolojilerinden çok farklı olarak yakıt pili,yakıtın kimyasal enerjisini doğrudan kullanılabilir elektrik ve ısı enerjisine dönüştüren elektrokimyasal bir cihazdır.Yakıt pilinde doğrudan birincil enerji kaynağı olarak,hidrojen kullanılabileceği gibi,dönüştürme yapıldığı takdirde, doğalgaz,LPG,metanol,nafta veya benzin gibi hidrojen içeren yakıtlar da kullanılabilmektedir.

Yakıt pilinde gerçekleşen dönüşüm pil ya da akümülatördeki dönüşüm ile benzerdir.Yakıt pili ile bunlar arasındaki temel farklılık ise,yakıt pillerinin enerji dönüşümünü yakıt ve oksitleyici sağlandığı sürece gerçekleştirebilmesidir.Diğerlerinde ise bu dönüşüm içlerinde depolanmış enerji ile sınırlıdır.

Yakıt pili 3 temel kısımdan meydana gelir.Anot(negatif elektrot),katot(pozitif elektrot) ve bu iki elektrot arasında kalan elektrolit(değişim zarı)

Yakıt Pili Çalışma Şekli

Yazının Devamı…

Konutlara Uygulanan Hidrojen Enerjisi Sisteminin Şekli

Konutlara uygulanan hidrojen enerji sistemleri şekilde görüldüğü gibi 5 adet üniteden meydana gelmektedir.

1. Yakıt pili

2. İnverter

3. Doğalgazdan hidrojen üreten hidrojen jeneratörü

4. Yakıt pilini açık havadaki oksijen ile besleyen hava üfleyicisi

5. Sıcak su üreten ısı radyatörü

Doğalgaz şebekesinden alınan gazdan hidrojen üretilerek yakıt piline gönderilir.Hava üfleyicisi açık havadaki oksijeni yakıt piline göndererek hidrojenle oksijenin yakıt pili içerisinde birleşmesini sağlar.Bunun donucunda ortaya elektrik,saf su ve ısı çıkar.Elektrik enerjisi konutun elektrik ihtiyacını karşıladığı gibi yakıt pilindeki ısı su ısıtmada yada konutun ısıtılmasında kullanılır.Bu sistemler ulusal şebeke sistemlerine paralel çalışacak şekilde tasarlanmıştır.Aşırı yük çekimi durumunda enerji talebi şebekeden karşılanır.Sistemin en büyük avantajı ulusal şebekelerde meydana gelen dalgalanmalardan etkilenmemesidir.Genellikle 1 kW,2 kW, 5 kW ve 10 kW’lık sistemler evler için dizayn edilmiştir.

Hidrojen Enerjisinin Konut İçinde Devirdaim Şeması

Yakıt pili sistemlerinin kojenerasyon sistemlerine dahil edilip birleştirilmesi ile bir bölgede cazibeli üretim teknolojisi ortaya çıkmaktadır.Binalarda yakıt pili kojenerasyon sistemlerinin tatbiki,bina düzenlemelerine uygun olarak,ekonomik yararlılığının değerlendirilmesi,bölgesel faydanın belirlenmesi gibi bir takım çalışma stratejilerinin seçimini zorunlu kılar.

Eğer başlangıç maliyetleri 1000-1500 $ aralığına kadar düşürülürse yakıt pili kojenerasyon sistemi ekonomik açıdan cazibeli bir hal alacaktır.Son maliyet projeksiyonları proton değişim membranlı yakıt pili teknolojisinde sağlanan gelişmeler sayesinde bu rakama kadar düşülebileceğini göstermektedir. PEM yakıt hücresinde yarım kilogramının maliyeti 10.000 $’ı bulan platinyum yerine çok daha ucuz olan nano-nikel kullanılmaya ve üzerinde araştırmalar yapılmaya başlanılmıştır.Yakın gelecekte bunların satışa çıkmasıyla kojenerasyon sistemleri için de gerekli fiyat aralığına ulaşılacaktır.

Şebeke Bağımsız Evin Enerji İhtiyacı

Edirne ili içerisinde şebeke bağımsız bir konutun enerji ihtiyacı hesaplanırken, göz önüne alınan konut 2 katlı, 143 m² genişliğinde bir çiftlik evidir.Aşağıda, hesaplanan konutun şekli ve mimari projesi yer almaktadır.

2 Katlı Çiftlik Evi

2 Katlı Çiftlik Evi Mimari Projesi

Konut içerisinde kullanılan elektrikli aletler ve bunların güç tüketimleri aşağıda verilmiştir.

(Kullanım süreleri ortalama olarak alınmış olup günden güne değişim gösterebilir.)

Yukarıda verilen değerler bir evin günlük minimum enerji tüketim miktarlarıdır.Eve uygulanabilecek durumda olan kojenerasyon sistemi neticesinde,sistem için otomatik kontrol üniteleri,valfler,pompalar gibi ekstra elektriki yükler girecektir.Bu değerler de göz önüne alınarak sistemde 3,72 kw ve 5,1 kw’lık enerji tüketimi ayrı ayrı hesaplanmıştır.Tablolar ve grafikler minimum enerji tutarı olan 3,72 kw’lık kısım gösterilecek olup,5,1 kw’lık enerji tüketimi sadece fiyat analizlerinde verilecektir.

Sistemde Kullanılacak Ekipmanların Fiyatları
Literatürde “standalone PV-hydrogen system” olarak geçen bu sistemde daha önce de ayrıntılı olarak bahsedildiği gibi Fotovoltaik paneller,yakıt hücresi,hidrojen yakıt tankı,akü grubu, elektrolizör ünitesi ve inverter(converter) kullanılmıştır.Bu ekipmanların fiyat aralıkları, fiyatların alındıkları yer ile birlikte aşağıda verilecektir.

PV Hücresi : 80 watt monokristal hücre:500 $ (Fore Enerji Sistemleri)

Yakıt Hücresi: 50 watt PEM hücre: 1700 $ (Enisolar Enerji Sistemleri)

Hidrojen Yakıt Tankı :5 kg : 1500 $ (Enisolar Enerji Sistemleri)

Solar Akü: 200 Ah 12 v jel akü : 300 $ (Fore Enerji Sistemleri)

Elektrolizör: 1 kw :1000 $ (Fore Enerji Sistemleri)

İnverter: 1 kw : 900 $ (Fore Enerji Sistemleri)

Bu alınan fiyatların hiçbirisine KDV dahil değildir.Ayrıca sistem için gerekli olan diğer ekipmanların fiyatları analiz yapılırken göz ardı edilmiştir.Bu ekipmanlar arasında otomatik kontrol ünitesi,çekvalfler,anahtarlama elemanları ve de tabi ki kablolama masrafları ile sistemin monte edileceği yerlerin(çelik koruma kılıfları vb) üretim masrafları bulunmaktadır.Bunun dışında sistem için yapılacak olan mühendislik tasarım ücretiyle,kurulum ücretleri yani işçilik fiyata yansıtılmamıştır.Tüm bu ücretler sistemin hesaplanan ücretlerine eklendiğinde fiyatta tahminen %50-60 oranında bir artış olacaktır.

Yakıt Pili Çeşitleri

Elektrolit kullanım tiplerine göre yakıt pilleri birkaç çeşit’e ayrılabilir.

1.Alkali Yakıt Pili (AFC)

Bu yakıt pilinde elektrolit olarak KOH kullanılır.Alkali elektrolitlerde oksijen indirgeme kinetiği asit elektrolitlerden daha hızlıdır ve soy metal olmayan elektro katalizörlerin kullanılabilmesi AFC’yi ekonomik yapmaktadır.Ancak elektrolitin CO2 gibi asidik safsızlıkların ortamda bulunmasına izin vermemesi emisyon oranından dolayı sorun yaratır.

Alkali sistemler oda sıcaklığında çok iyi çalışır ve diğer tüm yakıt sistemleri arasında en yüksek voltaj verimine sahiptirler.Ayrıca birçok malzeme ile iyi uyum sağlayabildiğinden AFC’ler uzun işletim ömrüne sahiptir.

AFC’ler güvenilir sistemlerdir ve küçük hacimde nispeten yüksek güçler elde edebilmektedirler.Güç yoğunlukları 100-200 mW/cm² arasında değişmektedir.Maliyetler ise ulaştırma sektörü için 50/100 $/kW değerlerine ulaştırılmaya çalışılmaktadır.

Alkali Yakıt Pilinin Şematik Gösterimi

Yazının Devamı…

Hidrojen ve Yakıt Pili Kullanımı İle Dünya Üzerindeki Gelişimi

Daha önce de belirtildiği gibi hidrojenden, yakıt pili teknolojisi ile elektrik elde edilmektedir. Bugüne kadar, yakıt pillerini çeşitli yönleriyle inceleyen 200′den fazla araştırma NASA tarafından desteklenmiştir. Bugün, Apollo ve Space Shuttle görevlerinde güvenli olarak elektrik (ve su) sağlamış olmaları nedeniyle, yakıt pilleri uzaydaki rollerini ispatlamış bulunmaktadır.

Bu başarılar, 1960′larda, yakıt pillerinin dünyanın enerji problemlerinin tümüne çözüm olabileceği tahminlerine yol açmış ve 1970′li yıllarda çalışmalara başlanmış, 2000′li yıllarda ülkelerin enerji politikalarında önemli yer tutmaya başlamıştır.

1959 Yılında Üretilen 5 kW Alkalin Yakıt Hücresi

ABD Başkanı G.W. Bush 28 Ocak 2003 tarihinde yaptığı bir konuşmada hidrojen enerjisini hürriyet yakıtı olarak tanımlamış ve bu alandaki çalışmalara destek amacıyla 1.7 milyar dolarlık bir kaynak ayrıldığını söylemiştir. ONSI Corp. adında bir Amerikan firması 200 kW enerji sağlayan fosforik asit tipi (PC25) yakıt pilinin pazarlamasını yapmaktadır.

Teksas Valisi Hidrojen Yakıtlı Arabaya Hidrojen Doldururken

Japonya’da WE-NET (World Energy Network) projesi ile Tokyo metropolitan bölgesinde hidrojen kullanımı ile oluşacak azot oksit emisyonundaki azalma potansiyeli araştırılmaktadır. WE-NET Programı Japonya’nın Uluslar Arası Ticaret ve Endüstri Bakanlığınca desteklenmektedir. Bu programda Japonya hidrojen enerji sistemini geliştirmek üzere 2020 yılına kadar 4 milyar $’lık bir bütçe ayırmıştır. Gelecekte de Pasifik denizinin ekvator bölgesinde yapay bir adada solar radyasyon kullanarak deniz suyundan elektrolizle hidrojen üretmeyi planlamaktadırlar.

Halen Japonya’da Tokyo Electric Company tarafından kurulan 11 MW’lık elektrik santralı Rokko adasının elektrik ve ısı ihtiyacını karşılamakla birlikte, kapasiteleri 50 ile 500 MW arasında değişen yüzlerce yakıt pilli tesis bulunmaktadır. Sadece Tokyo’da şehrin elektrik ihtiyacının 40.000 kW’lık bölümü hidrojen enerji sistemlerinden sağlanmaktadır. Yazının Devamı…