Ekonomik kalkınmanın temel öğelerinden biri olan enerji, insanlığın vazgeçilmez gereksinimlerinden biridir. Dünya nüfusu ve endüstriyel gelişmelere paralel olarak enerji gereksinimi giderek artmakta buna karşın fosil enerji kaynaklarının rezervleri hızla tükenmektedir. En son istatiksel değerlendirmelere göre; dünya enerji ihtiyacının %38.5’ini karşılayan petrolün 41, %23.7’sini karşılayan doğal gazın 62, %24.7’sini karşılayan kömürün ise 230 yıl rezerv kullanım süresi bulunmaktadır.
1900 yılında nüfusu 1.6 milyar, birincil enerji tüketimi yaklaşık 1 000 Mtep olan dünyamızda 1997 yılında nüfus 6.5 milyara ulaşmış, birincil ticari enerji tüketimi 8639.6 Mtep düzeyine çıkmıştır. Böylece bir yüzyıl içinde dünyanın birincil enerji tüketimi 8 katın üzerinde artış göstermiş bulunmaktadır.
Günümüz dünyasında tüketilen enerjinin yaklaşık %85’i direkt satış amacıyla üretilen “ticari enerji” olup, kömür, petrol ve doğal gaz dünya enerji gereksiniminin yaklaşık dörtte üçünü karşılamaktadır. Kalan dörtte biri nükleer, hidrolik, odun, bitki ve hayvan artıkları gibi klasik biomas, yeni ve yenilenebilir kaynaklar ile karşılanır durumdadır. Enerji bütçelerinin ağırlıkla fosil yakıta dayanması nedeniyle, fosil yakıt üretici ve satıcı ülkeler ile fosil yakıt alıcı ülkeler arasındaki ilişkiler, dünya stratejik dengesinin önemli unsurları olmuştur.
Dünyada enerji talebinin karşılanmasında ana kaynakların fosil yakıtlar olması, fosil yakıtların yanma reaksiyonu ile değerlendirilmesi ve bu reaksiyonda karbondioksit (CO2) ile diğer zararlı emisyonların ortaya çıkması, çevre sorunları oluşturmaktadır. Bugün dünyanın en önemli çevre sorunu olan global ısınmanın ana nedeni, artan CO2 emisyonu ile atmosferin sera etkisinin güçlenmesidir. Dünyada CO2 emisyonunu sınırlandırmak için çeşitli girişimler yapılmakla birlikte, henüz çare olacak sonuçlardan uzak bulunulmaktadır.
Birincil enerji kaynaklarının rezervlerinin kısıtlı olması, yakıt fiyat artışları, nüfus artışı, endüstrileşme, ulusal kaynaklarının değerlendirilmesi zorunluluğu, 21. yüzyılın sosyo-ekonomik yapılanması, mevcut yakıtların çevre üzerindeki olumsuz etkileri (sera etkisi, küresel ısınma, iklim değişiklikleri, yağış anormallikleri, asit yağmurları, sağlık problemleri gibi), yeni enerji teknolojileri kapsamında, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı gerekliliğinin temellerini oluşturmaktadır.
2. GENEL ENERJİ DURUMU
2.1. Dünyanın Enerji Durumu
Enerji insanoğlunun temel girdilerinin karşılanmasında, ülkelerin sosyal ve ekonomik olarak kalkınmasında en önemli gereksinimlerden biridir. Dünya enerji sektöründe, önceleri petrol krizinden kaynaklanan arz kısıtlamaları, günümüzde ise çevresel baskılardan kaynaklanan büyük maliyet artışları söz konusudur. Enerji sektörü artık ülke sınırlarını aşmış, uluslararası boyutları ile irdeleme konumuna girmiştir. Uluslararası organizasyonların enerji sektörü ile ilgili olarak uyguladıkları kararlar tüm dünya ülkelerinin etkilemektedir.
Dünya enerji tüketimi, 2001 yılında %0,3 oranında artmıştır. Bu yılda kömür ve nükleer enerji tüketimlerindeki artışa karşılık, hidrolik enerji tüketiminde düşme gözlemlenmiştir. Petrol ve doğalgaz tüketimlerinde çok önemli bir değişiklik yaşanmamış olup, bunun da 2001 yılında petrol ve doğalgaz fiyatlarındaki artışlardan kaynaklandığı düşünülmektedir (WEC, 2002).
2.1.1. Fosil yakıtlar
Günümüzde enerji ihtiyacının büyük bir bölümü fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. Dünya fosil yakıt rezervleri Çizelge 2.1’de verilmektedir. 2001 yılı sonu itibariyle dünyadaki fosil yakıt rezervleri, petrolde 142.9 milyar ton, doğalgazda 155,1 trilyon m3, taşkömüründe 519,1 milyar ton ve linyitte 465,4 milyar ton olarak belirlenmiştir (WEC 2002).
Herhangi bir yılın sonunda rezerv olarak geride kalan fosil yakıt miktarının, o yıl içinde yapılan üretim miktarına bölünmesi ile elde edilen rezervlerin kullanılabilme süreleri Çizelge 2.2 ‘de verilmiştir. 2001 yılında fosil yakıt rezervlerinin kullanılabilme süreleri petrolde 40 yıl, doğalgazda 62 yıl ve kömürde ise 216 yıl olarak tespit edilmiştir (WEC, 2002).
2001 yılında dünyadaki toplam fosil yakıt üretimi 8050,9 milyon TEP olarak gerçekleşmiştir. Bunun 3584,9 milyon ton’u petrol, 2217,7 milyon TEP’ i doğalgaz ve 2248,3 milyon TEP’ i kömür olarak gerçekleşmiştir. Dünya fosil yakıt üretimleri Çizelge 2.3’ de verilmiştir.
2001 yılında, 2000 yılına göre fosil yakıt tüketimlerinde toplam %0,3’lük bir artış kaydedilmiştir. 2001 yılında, fosil yakıt tüketimleri içerisinde petrol %44 ile ağırlığını korumuş, bunu %29 ile kömür ve %27 ile doğalgaz takip etmiştir. Dünya fosil yakıt tüketimleri ve bölgelerde tüketilen yakıt türlerinin toplam tüketim içerisindeki payları Çizelge 2.4’te verilmektedir.
2.1.2 Diğer enerji kaynakları
Dünya genelinde 14 000 TWh/yıl değerlendirilebilecek hidrolik potansiyel vardır. Avrupa ve Kuzey Amerika’da bu kapasitenin %60 kadarı kullanılmaktadır. Dünyanın diğer bölgelerinde de söz konusu kapasitenin %10’u kullanılmakta olup, %30’u değerlendirme beklemektedir. Çizelge 2.5’in incelenmesinden, 2001 yılı hidrolik enerji tüketiminin 2000 yılına göre %3.7 azaldığı görülmektedir.
Dünya nükleer santralarının kurulu güç kapasitesi, Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı raporlarına göre, 2001 yılı Nisan ayı itibariyle 438 reaktör ünitesi bulunmakta olup, toplam kurulu güç 351327 MW’dır. İnşası süren 31 ünitenin kurulu gücü 27756 MW düzeyindedir. 2000 yılında toplam nükleer enerji arzı 2562 TWh olarak gerçekleşmiştir.
Dünya nükleer enerji üretiminin %86’si OECD ülkeleri tarafından gerçekleştirilmiştir. OECD’ye üye ülkeler arasında yer alan Fransa’nın elektrik üretimindeki nükleer enerjinin payı (2001 Nisan ayı itibariyle) %76, Belçika’nın %57, Japonya’nın %34 ve ABD’nin ise %20 oranındadır. İşletmede olan nükleer santraller açısından ABD 104 ünite ve 97411 MW kurulu güç ile birinci sırada, Fransa 59 ünite ve 63073 MW kurulu güç ile ikinci sırada, Japonya 53 ünite ve 43491 MW ile üçüncü sırada yer almaktadır. Çizelge 2.6’da 2000 ve 2001 yılları nükleer enerji tüketimleri ile bu yıllar arasındaki yıllık ortalama artış hızları verilmektedir.
2.1.3 Yenilenebilir enerji kaynakları
Dünyanın üzerinde durulan yeni ve yenilenebilir kaynakları jeotermal enerji, güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, biomas enerji, hidrojen enerjisi olup, bunların dışında gel-git enerjisi, deniz dalga enerjisi, deniz ısıl enerjisinin kullanımı için çalışmalar sürdürülmektedir. Yenilenebilir kaynakların toplam brüt ve/veya teorik potansiyeli, insanlığın maksimum 12 TW kadar olan toplam enerji gereksinimi karşısında sonsuz büyüklükte kalmaktadır.
Jeotermal enerji olarak adlandırılan yer derinliklerinden gelen ısı akımı dünya için ortalama 30.6 TW güç rezervi sağlamaktadır. Jeotermal enerjide en büyük kurulu güç elektriksel olarak 2842 MW ve direkt kullanım olarak 2242 MW ile ABD’de bulunmaktadır. ABD’den sonra en büyük elektriksel kurulu güç 1448 MW ile Filipinlerde, en büyük direkt kullanım gücü ise 2143 MW ile Çin’dedir.
Güneş enerjisi dünya için sonsuz bir enerji kaynağı sayılabilir. Dünya genelinde güneş enerjisinin brüt potansiyeli 178000 TW’dır. Teorik olarak alınabilir potansiyel 50-100 TW arasında bulunmaktadır. Güneş enerjisi uygulamaları elektrik üretimi ve ısıl uygulamalar biçiminde iki ana grupta toplanmaktadır. Dünyada güneş elektrik santrallerinin kurulu gücü henüz 580 MW düzeylerindedir. Bunun 180 MW’ı fotovoltaik, kalanı termiktir. Güneş enerjisinin kurulu kollektörlerle ısıl kullanımı 10 Mtep/yıl düzeylerinde bulunmaktadır. Güneş elektrik santrallerinde en büyük kurulu güç termik/hibrid santrallere aittir. Fotovoltaik santraller henüz küçük güçlerdedir ve yeni geliştirmeler ile maliyet düşürülmesine çalışılmaktadır.
Atmosferin rüzgarı oluşturan brüt kinetik potansiyeli 191 TW’dır. 50° kuzey ve güney enlemleri arasında alınabilir rüzgar gücü potansiyeli 3 TW kadar olmakla birlikte, maksimum teknik potansiyelin 1 TW olduğu hesaplanmıştır. Rüzgar enerjisi mini türbinlerin yanı sıra, 2 MW’lık geliştirilmiş türbinlerle de kullanılabilmektedir. Rüzgar elektrik santralleri şebekeden bağımsız ve şebeke bağlantılı kurulabilmekte olup, şebeke bağlantılı olanları yaygınlaşmıştır. Günümüz rüzgar santralleri birden fazla türbin içeren rüzgar tarlaları biçimindedir. 1990 yılında dünyada rüzgar santrallerinin kurulu gücü toplam 2160 MW iken, 1996 sonunda 6097 MW’a ulaşmıştır. Bu hızlı artış trendi sürmekte olup, 1997 yılında kurulu güç 7500 MW’a yükselmişse de, kullanılabilecek minimum potansiyelin binde biri değerlendirilmemiş durumdadır. 1997 yılında dünya genelinde rüzgardan sağlanan elektrik üretimi 12300 GWh kadardır.
Önemli bir yenilenebilir kaynak biomas enerjidir. Biyosferde biyolojik materyal devresinin kuru madde kütlesi 250 milyar ton/yıl ile 100 milyar ton/yıl karbona eşdeğerdir. Biyosferdeki fotosentez enerjisi 2 x 1021 J/yıl (70 TW) düzeyindedir. Dünyadaki toplam biomas üretimin enerji değeri karşılığı, toplam enerji tüketiminin 8 katını aşmaktadır. Biomasın sanayileşmiş ülkelerdeki birincil enerji tüketimindeki payı genel olarak %3’ün altında ise de bazı ülkeler bioenerji kaynağını önemli ölçüde kullanmaya başlamışlardır. Finlandiya %15, İsveç %9, Amerika %4, Eski SSCB Devletleri %3-4 oranında biomas enerjisi kullanmaktadır.
2.2 Türkiye’nin Enerji Durumu
Türkiye’nin birincil enerji kaynakları rezervleri incelendiğinde; kömür rezervi ile jeotermal ve hidrolik enerji potansiyeli, dünya kaynak varlığının %1’i kadardır. Petrol ve doğalgaz rezervleri ise son derece kısıtlıdır. Toryum rezervi dünya rezervinin %54’ünü oluşturmaktadır. Bunun değerlendirilmesi ise henüz deneme safhasında olan toryum santrallerinin gelişmesine bağlıdır. Türkiye’nin 2002 yılı itibariyle birincil enerji kaynakları rezervleri Çizelge 2.7’de verilmektedir.
(*) Hazır rezerv dahil
(**) 300 milyon ton belirlenmiş ve potansiyel kaynakla 8375 milyon ton olmaktadır.
Birincil enerji kaynakları üretimi 2002 yılında, 2001 yılına göre %2’lik bir azalmayla 25,2 Mtep’ten, 24,6 Mtep seviyesine düşmüştür. 2002 yılında hidrolik, güneş ve jeotermal enerji hariç olmak üzere hemen hemen tüm enerji kaynaklarının üretimlerinde düşüşler gözlenmiştir. Petrol ve doğalgaz üretim miktarı oldukça küçük olup, ülkenin ana enerji kaynağı başta linyit olmak üzere kömürdür. 1990-1999 yılları arasında üretiminde önemli artışlar kaydedilen linyitin üretimde bu yıldan itibaren düşmeler kaydedilmeye başlanmış, özellikle 2002 yılında santral tüketimlerindeki azalmaya paralel olarak bu kaynağın üretimi 51 Mt. olmuştur. Üretiminde önemli artış kaydedilen diğer bir enerji kaynağı da hidrolik enerji olup, 1990 yılında 23148 GWh’ten yıllık ortalama %7,8 artışla 1998 yılında 42229 GWh’e ulaşmıştır. Ancak 1999-2001 yılları arasında ülkemizde kuraklığın hüküm sürmesi ve diğer bazı teknik zorunluluklar nedeniyle hidrolik enerji üretiminde önemli derecede düşmeler gözlenmiş ve 33684 GWh olarak gerçekleşmiştir.
2002 yılında toplam kömür, birincil enerji kaynakları üretiminin %47,4’ünü, petrol ve doğalgaz %11,8’ini, hidrolik ve jeotermal elektrik %12,2’sini, diğer yenilenebilir kaynaklar %4,3’ünü, ticari olmayan yakıtlar ise %24,3’ünü oluşturmuştur. 1990-2002 yılları arasında birincil enerji kaynakları üretimleri Çizelge 2.8’de verilmiştir.
1990-2002 yılları arasında yıllık ortalama %3,3’lük bir artış gözlenmiştir. 1990 yılında 53 Mtep olan tüketim, 2000 yılında 81,3 Mtep’ne ulaşmış ancak, 2001 yılında ülkemizde yaşanan krize paralel olarak enerji tüketiminde de önemli derecede bir azalma olmuş, 2002 yılında tekrar tüketimin artışı yönünde bir eğilim olmuştur. 2002 yılında genel enerji tüketiminde petrol %39,3 ile en büyük paya sahip olmuştur. Bunu %20,6 ile doğalgaz, %13,5 ile linyit takip etmiştir. Aynı yılda hidrolik enerjinin payı %3,7 iken ticari olmayan kaynakların payı %7,6 olmuştur. 2002 yılında hidrolik enerji hariç yenilenebilir enerji kaynaklarının toplamı 7,1 Mtep olmuştur. Bunun önemli bir miktarı odun (4,7 Mtep) ile hayvan ve bitki artıklarını (1,3 Mtep) içermekte olup, geri kalan kısmını jeotermal enerjiye (0,8 Mtep) ile güneş (0,3 Mtep) oluşturmaktadır.
1990 yılında 944 kgpe olan kişi başına enerji tüketimi, 2002 yılında 1126 kgpe’ne ulaşmıştır. 1990-2002 yılları genel enerji tüketimleri Çizelge 2.9’da verilmektedir.
2.2.1. Enerji ithalatı ve ihracatı
Enerji üretim artışının talepten daha düşük olması nedeniyle 1990-2002 yılları arasında net ithalatla %5,5’lik bir artış gerçekleşmiş ve net ithalat yaklaşık 2 kat artarak 1990 yılındaki 28,5 Mtep seviyesinden 2002 yılında 53,9 Mtep seviyesine ulaşmıştır.
2002 yılında da başta petrol olmak üzere doğalgaz, kömür ve elektrik enerjisi ithalatları yapılmıştır. Taşkömürü ve ikincil kömür ithalatları toplam olarak 9,6 Mtep (%16,5), ham petrol ve petrol ürünleri 32,6 Mtep (%56), doğalgaz 15,8 Mtep (%27) ve elektrik 0,3 Mtep (%0,5) olarak gerçekleşmiştir. 2002 yılında gerçekleşen bu ithalat miktarları sonucunda 1990 yılında %48,1 olan talebin yerli üretimle karşılanma oranı, 2002 yılında %31,3 olmuştur. Enerji talep-üretim-ithalat ve ihracatın gelişimi Çizelge 2.10’da verilmiştir.
Çizelge 2.10 Enerji Talep-Üretim-İthalat Ve İhracatın Gelişimi (WEC, 2002)
2.2.2. Elektrik enerjisi durumu
Enerjiye doymuş sanayileşmiş ülkelerde bile talebi artan ikincil enerji kaynağı olarak ülke kalkınmasında kritik bir önemi olan elektrik enerjisinin kurulu güç, üretim ve tüketiminin gelişimi Çizelge 2.11’de verilmektedir.
1990 yılında 16318 MW olan ülke kurulu güç kapasitesi, son dönemlerde devreye alınan 15528 MW ilave kapasite ile 2002 yılında 31846 MW’a ulaşmıştır. Aynı dönemlerde üretim yıllık ortalama %7 artışla, 57543 GWh’ten 129400 GWh’e ulaşmıştır. 1990-1996 yılları arasında net elektrik enerjisi ihracatçısı olan Türkiye, bu yıldan itibaren arz kapasitesi artışının talep artışından daha düşük olması nedeniyle net ithalatçı konumuna gelmiştir. 1990 yılında net tüketim 46820 GWh, kişi başına net tüketim 834 kWh, kişi başına brüt tüketim ise 1012 kWh iken 2002 yılında yaklaşık iki kat artarak sırası ile 102800 GWh, 1476 kWh ve 1903 kWh olarak gerçekleşmiştir.
3. YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI
Dünya’da artan nüfusa bağlı olarak, enerji ihtiyacı her yıl yaklaşık %4-5 arasında artmaktadır. Buna karşılık fosil yakıt rezervleri ise hızla azalmaktadır. Yapılan hesaplamalara göre en geç 2030-2050 yılları arasında petrol, kömür, doğal gaz rezervleri tükenme aşamasına gelecek ve ihtiyacı karşılayamayacaktır [4].
Fosil yakıtların kullanımı dünya ortalama sıcaklığını 500 bin yılın en yüksek seviyesine ulaştırmıştır. Bu durum son yıllarda yoğun hava kirliliğine, sel, fırtına ve doğal afetlerin hızla artmasına sebep olmaktadır. Sıcaklığın yükselmesi ile deniz seviyesinde bulunan birçok adada yerleşim alanları, buzulların erimesi ve su seviyesinin yükselmesinden dolayı boşaltılmıştır. Önlem alınmaması durumunda yakın gelecekte, deniz kenarlarındaki birçok şehir sular altında kalacaktır. Yakın gelecekte alternatif enerji kaynaklarına geçilmemesi durumunda birçok bitki ve hayvan soyu tükenecektir. Bu durumda doğal denge bozulacak ve yaşam şartları ağırlaşacaktır. Egzoz gazlarındaki kurşun nedeniyle doğan zihinsel özürlü çocuk sayısı hızla artmaktadır. Asit yağmurları nedeniyle birçok doğal eko sistemler tamamen ölmüş, doğadaki gıda ve madde zinciri ile ağır metaller insan vücuduna besinlerle girmeye başlamıştır. Bu olumsuz yönlerden dolayı alternatif enerji kaynakları çok önem kazanmaktadır. alternatif enerji kaynaklarına geçilmesiyle, daha değişik dünya görüşü hayatımıza girecektir. Sınırsız ve sorumsuz harcanan enerji tüketiminin yerini bilinçli, çevreye saygılı ve ihtiyacı karşılamaya yönelik enerji tüketimi alacaktır. Böyle bir ortamda refah düzeyini, en fazla enerji tüketen yerine, enerjiyi en verimli kullanan belirleyecektir. Fosil yakıtları bitmeden temiz enerji dediğimiz alternatif enerji kaynaklarına yönelmek son çare olacaktır[4]. Yenilenebilir enerji kaynakları
1. Hidrolik (Su) Enerjisi
2. Güneş Enerjisi
3. Rüzgar Enerjisi
4. Jeotermal Enerji
5. Biyokütle (Biomas) Enerjisi
6. Hidrojen Enerjisi
olmak üzere 6 grupta incelenir.
3.1. Hidrolik Enerji
Suyun potansiyel enerjisinin kinetik enerjiye çevrilmesiyle elde edilen enerjidir. Hidrolik enerji, kirlilik oluşturmaz, doğal kaynak kullanıldığından dışa bağımlı değildir. Pik enerji ihtiyacında çok hızlı devreye girer ve acil durumlarda da hızlı devreden çıkabilir. Yapılan yatırım enerji üretimi yanında, sulama amaçlı olarak da kullanılabilir. Elektrik enerjisi üretiminde fosil ve nükleer yakıtlı termik, doğalgazlı santraller yanında hidroelektrik santrallerinin yenilenebilir “puant” çalışabilme gibi iki özelliği vardır. Hidroelektrik santraller ilk yatırım maliyeti yönünden özel haller ve doğal gazlı santraller dışında termik ve nükleer santrallerle rekabet edecek durumdadır. İşletilmesi ekonomik ve çevreye zararı en az olan santrallerdir. Bununla birlikte, bu enerji kaynağının yatırım maliyeti yüksek, inşaat süresi uzundur ve aşırı yağışlardan olumsuz etkilenebilmektedir[4].
Türkiye’de 26 akarsu havzasına dağılmış olan su kaynaklarının enerji üretimi açısından toplam debisi 186 km3/yıl düzeyindedir. Bu doğal olanakta havzaların en büyük payları sırasıyla; Fırat % 17, Dicle % 11.5, Doğu Karadeniz % 8, Doğu Akdeniz % 6 ve Antalya % 5.9 düzeylerindedir.
Hidrolik enerji 2002 yılında toplam elektrik enerjisi üretiminin %26’sını sağlamıştır. 1990 yılında 2 Mtep (23148 GWh) olarak gerçekleşen hidrolik enerji üretimi, yıllık ortalama %3,2 artışla 2002 yılında 2,9 Mtep’ne (33648 GWh) ulaşmıştır. 2002 yılı sonu itibariyle 126 milyar kilowatt saat olan toplam hidrolik enerji potansiyelinin %34’ü değerlendirilmiş durumdadır. Önümüzdeki yıllarda hidrolik enerji üretim artışının devam etmesi planlanmaktadır (WEC, 2002).
3.2. Güneş Enerjisi
Güneş enerjisi, bilinen en eski birincil enerji kaynağıdır ve bütün enerji kaynakları güneş enerjisinden türemiştir. Temizdir, yenilenebilir ve dünyanın her tarafında yeterince vardır. Güneş’ten yeryüzüne 8 dakikada gelen enerji, tüm dünyada kullanılan enerji miktarına karşılık gelir. Güneş enerjisi kesikli ve değişken, günlük ve mevsimlik değişimler gösterir. Diğer kaynaklarla karşılaştırıldığında güneş enerjisinin yoğunluğu düşüktür. Güneş enerjisi fotosentetik ve fotokimyasal olayları başlatmak için gereken özelliklere sahiptir. Yarı iletkenlerde, fotoelektrik ve termoelektrik etkileri kullanılarak güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çevirmek mümkündür. Güneş enerjisinden yararlanabilmek için ilk aşama, bu enerjinin depolanmasıdır. Toplama işlemi, ısıl ve elektriksel yöntemle yapılmaktadır. Basit ve ucuz olmasından dolayı toplama yöntemi tercih edilir[4].
Türkiye, coğrafi konumu nedeniyle sahip olduğu güneş enerjisi potansiyeli açısından birçok ülkeye göre şanslı durumdadır. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğünde (DMİ) mevcut bulunan 1966-1982 yıllarında ölçülen güneşlenme süresi ve ışınım şiddeti verilerinden yararlanılarak EİE tarafından yapılan çalışmaya göre Türkiye’nin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat (günlük toplam 7,2 saat), ortalama yıllık toplam ışınım şiddeti 1311 kWh/m2-yıl olduğu tespit edilmiştir. Bu verilerin değerlendirilmesi ile Türkiye bir yılda 26,4 milyon TEP termal, 8,8 milyon TEP elektrik enerjisi teknik potansiyeline sahip olduğu belirlenmiştir. Türkiye’nin en fazla güneş alan bölgesi Güney Doğu Anadolu Bölgesi olup, bunu Akdeniz bölgesi izlemektedir.
Türkiye’de güneş enerjisinin en yaygın kullanımı sıcak su ısıtma sistemleridir. Halen ülkemizde kurulu olan güneş kollektörü miktarı 2001 yılı için 7,5 milyon m2 civarındadır. Çoğu Akdeniz ve Ege Bölgelerinde kullanılmakta olan bu sistemlerden yılda yaklaşık 290 bin TEP ısı enerjisi üretilmiştir. Sektörde 100’den fazla üretici firmanın bulunduğu ve 2000 kişinin istihdam edildiği tahmin edilmektedir. Yıllık üretim hacmi 750 bin m2 olup bu üretimin bir miktarı da ihraç edilmektedir. Bu haliyle ülkemiz dünyada kayda değer bir güneş kollektörü üreticisi ve kullanıcısı durumundadır (WEC, 2002).
3.3. Rüzgar Enerjisi
Rüzgar enerjisi yenilenebilir enerji kaynakları içinde en gelişmiş ve ticari açıdan en elverişli türdür. Bütünüyle doğa ile uyumlu, çevreye zarar vermeyen ve tükenme ihtimali olmayan enerji kaynağıdır. Sera gazı emisyonlarını önlemenin ötesinde, rüzgar enerjisi civa, kükürt, kükürt dioksit, ve azot oksit gibi zararlı fosil kirleticileri önler, hava ve suyun daha temiz olmasını sağlar. Uygun rüzgar alanlarında fosil yakıtlar ve nükleer enerji ile rekabet edebilir. Rüzgar teknolojisi ilerledikçe ve kullanım alanları genişledikçe maliyetleri düşmektedir. Bu enerji kaynağının bazı dezavantajları da vardır. Türbin için geniş yer gereklidir. Bu alanlar aynı zamanda tarım amaçlı olarak da kullanılabilir. Görsel ve estetik açısından olumsuz, gürültülü ve çok az da olsa kuş ölümlerine sebep olabilirler. Rüzgar enerjisi kaynağı doğal olsa da, rüzgarın tutularak enerjiye dönüştürülmesi için bir maliyet gerekir. Rüzgardan verimli enerji eldesi rüzgarın hızına, esme süresine, seçilecek bölgenin meteorolojik özelliklerine ve seçilecek türbin tasarımına bağlıdır. Uygun bölge seçimi, ölçümler sonucu yapılan istatistiksel yöntemlerle hesaplanan kararlı rüzgar rejimlerine göre yapılır. Rüzgarın sürekliliği, rüzgar hızı ve yön ölçümleri, topografik yapı ve arazi pürüzlülüğü önemlidir [4].
Rüzgar enerjisi bakımından en zengin olan bölgelerimiz Ege, Marmara ve Doğu Akdeniz kıyılarıdır. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü’nün 113 istasyonunun saatlik rüzgar kayıtlarını temel olarak EİE İdaresi Genel Müdürlüğü tarafından yapılan değerlendirme çalışmasına göre Türkiye’nin ortalama rüzgar hızı 2,5 m/sn, yıllık ortalama rüzgar gücü yoğunluğu 24 W/m2’dir. Yerleşim alanları dışında 10 m yükseklikteki rüzgar hızı yıllık ortalaması, Ege Bölgesi ve diğer kıyı alanlarında 4,5-5,6 m/sn, iç kesimlerde ise 3,4-4,6 m/sn civarındadır.
Türkiye’nin bugünkü koşullarda rüzgar enerjisi teknik potansiyeli 88000 MW, ekonomik potansiyelinin ise 10000 MW civarında olduğu tahmin edilmektedir. 2002 yılı sonu itibariyle 18,9 MW kurulu gücündeki 2 adet rüzgar santralinden 48 GWh’lik elektrik enerjisi üretilmiştir (WEC, 2002).
3.4. Jeotermal Enerji
Yerkabuğunun çeşitli derinliklerinde birikmiş olan ısının oluşturduğu, sıcaklıkları atmosfer sıcaklığının üstünde olan sıcak su, buhar, ve gazlar olarak tanımlanır. Jeotermal enerji, yerkabuğunun derinliklerinden gelen ısının doğal olarak yer altındaki sulara aktarılması ve yeraltı sularının yeryüzüne çıkması ile oluşan enerji türüdür. Çevre dostudur, temizdir, suyun ısıtılması ve buharlaştırılması için fosil enerjiye gereksinimi yoktur. Yer altı sularının, paslanmaya, çürümeye, kireçlenmeye neden olması ve içerdiği Bor, H2S, CO2 gibi maddeler nedeniyle uygulamada bazı teknolojik önlemlerin alınması gerekmektedir. Jeotermal kuyular CO2 üretimi için kaynak olarak kullanılabilir. Kabuklaşma sorunu akışkana kimyasal inhibitör katılmasıyla çözülmüştür. Kullanılan jeotermal akışkanın çevreye zararlı etkisini azaltmak için yeraltına geri verme (reenjeksiyon) uygulaması geliştirilmiştir [4].
Dünyada jeotermal ısı kullanımı ve kaplıca uygulamalarındaki ilk 5 ülke Çin, Japonya, ABD, İzlanda ve Türkiye’dir. Türkiye’de keşfedilmiş olan 170 adet jeotermal alan ve alt sıcaklık sınırı 20°C kabul edilen toplam 1000 dolayında sıcak ve mineralli su kaynağının varlığı ile ülkemiz Avrupa’da birinci sırayı almaktadır.bilinen jeotermal alanların %95’i ısıtmaya ve kaplıca kullanımına, diğerleri de elektrik üretimine uygundur. Sadece doğal jeotermal kayakların boşalımları değerlendirildiğinde potansiyel 600 MWt’dir. MTA verilerine göre Türkiye’nin ispatlanmış termal kapasitesi 3173 MWt’dir. Muhtemel jeotermal potansiyelimiz ise 31500 MWt’dir. Bu da Türkiye’deki konut sayısının %30’una karşılık gelmektedir.
2002 yılında, jeotermal enerjinin toplam birincil enerji kaynakları arzına katkısı 105 GWh’lik elektrik enerjisi üretimiyle birlikte 820 Btep olmuştur (WEC, 2002).
3.5. Biyokütle (Biomas) Enerjisi
Biomas enerji, uygun bitkilerin yetiştiriciliğine bağlı olduğu için yenilenebilir, çevre dostu ve yerli kaynak olarak değer kazanmaktadır. Bu enerji kaynağı klasik ve modern enerji kaynağı olarak iki grupta incelenir. Klasik biomas enerji, ormanlardan elde edilen odun, yakacak olarak kullanılan bitki ve hayvan artıklarından oluşur. Bitkisel ve hayvansal kökenli bütün maddeler biyokütle enerji kaynağıdır. Bu kaynaklardan üretilen enerji biyokütle enerji adını alır. Modern biomas kaynakları; enerji ormancılığı ürünleri, orman ve ağaç endüstrisi artıkları, enerji tarımı ürünleri, kentsel atıklar, tarım kesiminin bitkisel ve hayvansal atıkları, tarımsal endüstri atıkları olarak sayılabilir. Biomas kütleler çeşitli biomas yakıt teknikleri ile işlenerek katı, sıvı ve gaz yakıtlara dönüştürülür. Biomas yakıt üretmek için piroliz, hidrogazifikasyon, hidrojenlendirme, parçalayıcı distilasyon, asit hidroliz tekniklerinden yararlanılmaktadır [4].
Türkiye biomas materyal üretimi açısından, güneşlenme ve alan kullanılabilirliği, su kaynakları, iklim koşulları gibi özellikleri uygun olan ülkedir. Türkiye’de kültürel yetiştiriciliğe ve gıda üretimi dışında fotosentezle kazanılabilecek enerjiye bağlı olarak biomas enerji brüt potansiyeli teorik olarak 135-150 Mtep/yıl kadar hesaplanmakla birlikte, kayıplar düşüldükten sonra net değerin 90 Mtep/yıl olacağı varsayılmaktadır. Ancak, ülkenin tüm yetiştiricilik alanlarının yıl boyu yalnızca biomas yakıt üretim amacıyla kullanılması olanaklı değildir. Olabilecek en üst düzeydeki yetiştiriciliğe göre teknik potansiyel 40 Mtep/yıl düzeyinde bulunmaktadır. Ekonomik sınırlamalarla 25 Mtep/yıl değeri, Türkiye’nin ekonomik biomas enerji potansiyeli alınabilir (WEC, 2002).
3.6. Hidrojen Enerjisi
Hidrojen enerjisi; verimli, sınırsız ve yeryüzünde bolca bulunmaktadır. Otomotiv sektöründen hava taşımacılığına kadar tüm sanayi kollarında enerji olarak kullanılabilme özelliğine sahiptir. Yakılmasıyla direkt kullanılabildiği gibi, yakıt pili kullanan araçlarda enerji kaynağı olarak da kullanılabilir. alternatif yakıtlar içinde en verimlisi ve kullanışlısı hidrojendir. Hidrojen enerji teknolojisi, hidrojenin üretim teknolojisi, hidrojenin taşınması, hidrojenin depolanması ve hidrojenin kullanım teknolojisi bölümlerine ayrılır. Bu bölümler için gelişmeler sağlanmış olup yakın bir gelecekte kullanılabilecek teknoloji birikimi bulunmaktadır. Hidrojen üretimi için kullanılan konvansiyonel yöntemler; doğal gazın katalitik buhar reformasyonu, ağır petrolün kısmi oksidasyonu, kömürün gazifikasonu, buhar-demir işlemi, suyun ısıl ayrıştırılması (Decomposition), biyolojik ve biyokimyasal hidrojen üretimi, suyun elektrolizi/güneş olarak sınıflandırılabilir. Bazı işlemlerle yan ürün olarak hidrojen elde edilmektedir. Klor-Alkaliden karşıt klor üretiminde, kok fırınlarında kömürden kok üretimi, kimyasal dehidrojenerasyon işleminde hidrojen yan ürün olarak elde edilmektedir. Hidrojen en yaygın olarak sudan elde edilmekte ve yan ürün su ve su buharı olmaktadır.
Ülkemizde hidrojen enerjisi henüz kullanılmamaktadır. 7. Beş Yıllık Kalkınma Planı genel enerji özel ihtisas komisyonu yeni ve yenilenebilir ihtisas komisyonu raporunda hidrojen enerjisine değinilmesine rağmen resmileşen raporda hidrojen enerjisi adı geçmemiştir. Yakıt hücreleri ile ilgili olarak TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi ve ODTÜ Kimya mühendisliği laboratuarlarında araştırma çalışmaları yapılmaktadır, ve ODTÜ’de hidrojen gazından elektrik üretebilecek alkali yakıt hücresi tasarlanmış, kurulmuş ve gücünü etkileyen etkenler araştırılmıştır [4].
4. ENERJİ VE ÇEVRE
Enerji ve çevre çoğu zaman çatışır iki ayrı kavram ve/veya alan gibi görülmek yada gösterilmek istenmişse de, enerji ve çevre ilişkilerinin optimal bir dengede uyuşması olanaklı olduğu gibi, sürdürülebilir çevre ve sürdürülebilir enerjinin paralel gelişimine çalışılmaktadır.
Doğal çevreyi tüm insan faaliyetleri etkilemektedir. Bu faaliyetlerin en etkililerinden biri enerji alanıdır. Sanayi devrimimin başlangıcından beri giderek artan ve aşırı boyutlara ulaşan, artışı tükenme pahasına sürdürülen fosil yakıt kullanımı, enerji-çevre sorunlarının oluşmasının temel nedenidir. Diğer enerji kaynaklarının da doğal çevre üzerinde etkileri vardır. Onların kullanımı fosil yakıtlar düzeyine ulaşmadığından, teknolojilerinin farklılığından etkileri daha sınırlı bulunmaktadır.
Çevre teknolojilerinin dünyadaki gelişim sürecine bakıldığında, 1970’li yıllarda geliştirilen ilk teknolojiler kirlilik kontrol amaçlıdır. Kirleticilerin havaya, suya ve toprağa atılmadan engellenmesini yada azaltılmasını amaçlayan uygulamalardır. Ancak, bu teknolojiler üretim sürecinin sonuna yönelik olup, fazla malzeme ve enerji gereksinimli, düşük verimli teknolojilerdir. 1980’lerin başında çevre yönetimi yaklaşımı ile üretim sürecinin her aşamasında çevre ve enerji verimliliklerini artıracak tasarımlar üzerinde durulmaya başlanmıştır.
1980’lerin sonuna doğru çevre politikaları endüstriyel ekoloji görüşü ile biçimlendirilmiş, üretim sistemlerindeki madde ve enerji akışının irdelenmesi ve atıkların girdi olarak değerlendirilmesi üzerinde durulmaya başlanmıştır. 1990’larda çevre yönetim fonksiyonlarına toplam kalite yaklaşımı eklenmiştir. Çağdaş çevre politikası, işlem ve üretimlerin atık oluşumunu engelleyecek biçimde, yeniden dizayn edilmesi ve düzenlenmesi üzerinde odaklanmıştır. Artık, kirliliğin kaynağında önlenmesi ve temiz üretim ilke edinilmiştir.
1992 Rio de Janerio’da yapılan “Çevre ve Kalkınma Konferansı” sonuçları ve Avrupa Birliği 5. Çevre Eylem Programı, sürdürülebilirlik temeline göre hazırlanmış olup, hedef sektörler arasında enerji sektörü ağırlıklı biçimde yer almaktadır. Belirlenen ve enerji ile ilgili olan hedef alanlar ise; iklim değişikliği, asit etkileri ve hava kalitesi, atık yönetimi, gürültü kirliliği, çevre riskleri ve kazaları şeklinde sıralanabilir. 1997’de Kyoto toplantısında konu alınan “İklim Değişikliği Anlaşmaları”nda ise, özellikle karbondioksit emisyonu ve global ısınma üzerinde durulmuştur.
Türkiye’de 1982 Anayasası ile yurttaşların sağlıklı ve dengeli bir çevrede yaşama hakları tanınmış, 1983 yılında Çevre Kanunu çıkarılmış, 1991 yılında Çevre Bakanlığı kurulmuştur. 7. Beş Yıllık Kalkınma Planının önerisine de uygun olarak Ulusal Çevre Eylem Planı (UÇEP) oluşturulmuştur. UÇEP kapsamında ele alınan hedeflerden “çevre yönetiminin iyileştirilmesi” enerji sektörü ile yakın ilişki içindedir.
Yanma reaksiyonu ile ortaya çıkan fosil yakıt emisyonları, birincil ve ikincil kirleticiler diye ayrılmaktadır. Birincil kirleticiler COx, NOx, SOx, PbOx, TSP hidrokarbonlar iken, yanma dışı reaksiyonlar ve güneşin UV ışınları ile ikincil kirleticilere dönüşmektedirler. Bu grupta aerosollar, aldehitler, olefinler, PAH, nitrosamin, oksidantlar vb kirleticiler bulunmaktadır. Birincil ve ikincil kirleticilerin bazıları sera etkisi oluşturmakta ve iklim değişikliğine neden olmakta, bazıları biyosferi zehirlemektedir. PAH bileşikleri ve halojenli yakıtlardan çıkan PCDD/PCDF (dioksin ve furan) türü yanma ürünleri ise, kanserojen maddeler olarak bilinmektedir.
Enerji üretiminin neden olduğu çevre etkileri; asit kirleticiler, sera etkisi (global ısınma), insan sağlığı ve emniyet sorunu, partiküller, ağır metaller, afet olasılığı, atık sorunu, çirkin görüntü, gürültü, ışık kirliliği, radyasyon kirliliği, arazi gereksinimi olmak üzere gruplandırılabilir. Açıklanacak olan olumsuz çevre etkilerini ve/veya kirlilikleri giderebilecek mühendislik çözümleri bulunmaktadır. Bu nedenle, yeterli güvenlik önlemleri alınmak koşulu ile her teknolojiden yararlanılabilir.
4.1. Sera Etkisi ve Global Isınma
20. yüzyılda enerji tüketimi başlangıca göre 8 kat artış göstermiştir. Her enerji dönüşümü ve/veya çevrimi, dünyada entropiyi artırmış, kullanılabilir enerjiyi azaltmıştır. Dünyada entropi artışının yanı sıra, global dünya sıcaklığı da artmıştır. Dünyanın buzul çağından bu yana ortalama yüzey sıcaklığının 3 oC arttığı hesaplanmakta, bu artışın zaman sürecine bağlı olarak en yüksek hızını son yarım yüzyıl içinde aldığı belirtilmektedir. Yaklaşık 1 oC’lik daha artış, kutuplardaki buzulların erimesi ve iklim değişiklikleri ile insanlık için önemli sorunlar dizini ortaya çıkaracaktır.
Sera etkisine neden olan gazlar başta CO2 olmak üzere, N2O, HFC, PFC VE SF6 olarak sıralanabilir. 1997 yılında imzalanan “Kyoto Protokolü” gereği protokole dahil olan ülkelerde 2008- 2012 dönemine kadar toplam sera gazı emisyonlarında 1990 yılı değerlerine ulaşılması hedeflenmektedir. 1990- 2000 yılları arasında AB ülkelerinde sera gazları emisyonlarında sağlanan azalma %5.4’tür. 2000 yılı ilk yarısında, AB’de CO2 emisyon değerleri 1990 değerlerinin %0.6 aşağısında olup, ikinci yarısında değerler sabitlenmiştir. Sera gazı emisyon kaynağı olarak gösterilen enerji üretimi, tarım, sanayi, atık yönetimi ve konut sektörlerinde azalmalar gerçekleştirilmesine ve 1995- 2000 yılları arasında otomobillerde üretilen CO2 emisyonu miktarları %7.5 azaltılmasına rağmen ulaşım sektöründe kullanılan araç sayısındaki hızlı artış nedeniyle emisyonlarda %18’e varan bir artış gerçekleşmiştir. İleriye dönük projeksiyonlar sonucunda teknolojideki gelişim ve taşıt sayısındaki artışa paralel olarak 2010 yılında bu artışın %28 olacağı düşünülmektedir. Otomobillerden kaynaklanan CO2 emisyonlarının 1995-2008 döneminde %25 azaltılması ACEA (Assoc. des Constructeurs Europeens D’Automobiles), JAMA (Japan Automobile Manufacturers Association) ve KAMA (Korea Automobile Manufacturers Association) tarafından onaylanmıştır. Avrupa’da hedeflenen CO2 emisyon oranı ortalama 140 g-CO2/km’dir.
Sera gazlarının etkisinin azaltılması için bir takım önlemler alınmaktadır. Bunlar sırasıyla; fosil yakıtların tüketiminin azaltılması ve bu yakıtların yüksek verimle yanmalarının sağlanması, yanma sırasında oluşan CO2’in absorpsiyon gibi yöntemlerle tutulması ve karbon sayısı düşük veya hiç karbon içermeyen yakıtların kullanılmasıdır. Günümüzde ulaşım sektöründe emisyonların azaltılması için yakıt tüketiminin azaltılması, alternatif yakıtların kullanılması, ulaşım planlaması, trafik düzenlenmesi gibi önlemler alınmaktadır.
4.2. Enerji Kaynakları ve Çevre Etkileri
Fosil yakıtların ve yenilenebilir enerji kaynaklarının çevreye olan etkileri farklıdır ve bunlar ayrı kategorilerde incelenecektir.
4.2.1. Fosil yakıtlar
Fosil yakıtların en önemli çevre etkisi CO2 emisyonudur. Bu yakıtın karbon (C) içeriğine bağlıdır. Genelde 1 kg karbonun yanması ile 4 kg karbondioksit oluşmaktadır. Fosil yakıt kullanımında CO2 emisyonu kömürde 85.5-101.2 kg/GJ, petrolde 69.4-81.2 kg/GJ ve temiz yakıt diye sunulan doğal gazda 52.0-54.8 kg/GJ kadardır.
Fosil yakıtların tümünün bileşiminde az veya çok miktarda kükürt bulunur. Yanma sonucu bu kükürt SO2 ve SO3 biçimine, kısaca bunların toplamını ifade eden SOx emisyonuna dönüşür. Özellikle, SOx solunum yolu enfeksiyonlarına ve kalp rahatsızlıklarına neden olduğu gibi, atmosferdeki mutlak nem ile birleşerek sülfüroz ve/veya sülfürik asit biçimine dönüşerek, yağmurla birlikte asit yağmuru olarak yeryüzüne döner. Kültür alanlarında, ormanlarda ve doğal bitki örtüsü üzerinde büyük tahribat yapar. SOx gazlarının arıtılması için termik santral bacalarına baca gazı desülfürizasyon tesisleri eklenmektedir.
Fosil yakıtların yanması sonucu ortaya çıkan bir diğer kirletici NOx emisyonudur. Doğal gazın alevinin yüksek sıcaklıkta olması NOx üretimini artırmaktadır. NOx emisyonu CO2 gibi bir sera gazıdır. Ayrıca, NOx solunması koşulunda aside dönüşerek akciğer dokusunu tahrip etmektedir.
1995 yılında dünyada 9.33 milyar ton fosil yakıt yakılmıştır. Yanma sonucu ortaya çıkan sera gazları, asit yağmuru bileşenleri ve toksit kimyasallardan oluşan kirleticilerin toplam miktarı 29.3 milyar tondur. Miami Temiz Enerji Araştırma Enstitüsü tarafından yapılan araştırma, bu kirleticilerin oluşturduğu çevre zararının 2 700 milyar $ ile dünya brüt gelirinin % 14’üne eşit olduğunu ortaya koymuştur (Çizelge 4.1.).
Ulaşım sektörü de kirletici emisyonlar yönünden önemli bir paya sahiptir. Toplam emisyonlarda trafiğin payı, partikül maddeler ve SO2 için hemen hemen yok varsayılırken, NOx emisyonu için % 82, toksit olan CO için % 57 ve hidrokarbon (HC) için % 92 dir. Dizel motorlu araçlar, taşıtların CO emisyonuna % 15, benzin motorlu araçlar % 85 katkı yapmaktadır. NOx emisyonu için bu durum tersine dönmekte, dizel motorlu taşıtların katkısı % 84, benzin motorlu taşıtların katkısı % 16 olmaktadır. Taşıtların HC emisyonunda dizel motorlu araçların payı % 62, benzin motorlu araçların payı % 38 düzeylerindedir. Büyük kentlerde trafikten ortaya çıkan emisyon kirlilikleri, termik santrallerin oluşturduğu kirlilikten fazladır.
4.2.2. Yenilenebilir Enerji Kaynakları
Yenilenebilir kaynakların başında yer alan hidrolik enerjinin başlıca olumsuz etkileri; büyük alan kaplaması, iklimi değiştirmesi, dikkate değer kaza ihtimali bulunması, doğal görünümü bozarak görüntü kirliliği oluşturabilmesi, balık ve doğal yaşamı etkilemesi, ekolojik dengeyi bozması, suyun kalitesini düşürmesi, doğal fay hareketlerini etkileyerek deprem oluşum riskini artırması biçiminde sıralanmaktadır.
Bir diğer yenilenebilir kaynak olan jeotermal akışkan, bünyesindeki yoğuşmayan gazlar nedeni ile az da olsa asit kirleticilere katkı yapabilmekte, bünyesindeki CO2 ve CH4 sanayi amaçlı değerlendirilmeyecek olursa, sera gazı atımı gerçekleşmektedir. Akışkandaki bor nedeni ile su ve toprak kirliliği oluşabilmektedir.
Teknolojik gelişmeler yeni ve yenilenebilir kaynaklardan rüzgar enerjisine önem kazandırmıştır. Rüzgar santrallerinin görsel ve estetik kirliliği, gürültü yapması, kuş ölümlerine neden olması, gerek radyo ve gerekse TV alıcılarında parazitler oluşturması gibi olumsuz çevre etkileri ile kaza olasılıklarından söz edilmektedir. Görüntü kirliliğini engellemek ve estetik görünüm için pilon tipi kafes kulelerin yerini boru kuleler almıştır. Türbinlerin haberleşmede parazit oluşturması ise 2-3 km’lik alanla sınırlı kalmaktadır. Uçma hızı düşük kuşların rüzgar türbinlerine çarpması ve kuş ölümlerine neden olması ise ihmal edilebilir düzeyde bulunmaktadır.
Güneş enerjisinin kullanım biçimine göre çevre etki ve sorunları değişik olmaktadır. Bugün yaygın biçimde kullanılan güneşli su ısıtıcılar, mimari yapı ile bütünleşik ele alınmadıklarından görüntü kirliliği oluşturmaktadırlar. Burada özellikle güneşle elektrik üretiminin çevre etkileri ele alınmıştır. Fotovoltaik üreteçler, üretimleri ve atılmaları koşulunda partikül sorunu, ağır metal sorunu ve atık sorunu ortaya çıkarmaktadır. Görüntü kirliliği oluşturabilmekte, çevrim verimlerinin düşüklüğü nedeni ile büyük alan istemektedirler.
Bir başka yenilenebilir kaynak olan biomas enerji asit kirletici, CO2 emisyonu, CH4 emisyonu oluşturabilmektedir. Ancak, yetiştiricilik aşamasındaki fotosentez prosesinde CO2 gazını kullandığı için, CO2 salımı yapmadığı varsayılır. Partikül emisyonu olmakta, atık sorunu oluşabilmekte, çirkin görüntü ve tesisin cinsine göre gürültü kirliliği de ortaya çıkmaktadır. Ayrıca alan gereksinimi ve su gereksinimi önemli büyüklüktedir.
Tüm enerji kaynaklarını işlenmesinde, bu kaynaklara dayalı çevrimlerde ve/veya dönüşümlerde, çevre sorunlarından ve bazılarında büyük bazılarında küçük çevre ve sağlık risklerinden söz edilebilir. Bununla beraber, bu sorunlar çözülemez değildir. Çevre sorununu çözümleyici önlemler en son teknolojiyle yeterince alınarak hiçbir santralın yapımı ve işletilmesi engellenmemelidir.
4.3. Enerji Teknolojilerini Değerlendirme Kriterleri
Enerji teknolojilerini değerlendirirken; doğal kaynakların kullanımı, çevre üzerindeki tahrip edici etkiler, insan sağlığı üzerindeki etkileri, muhtemel kazaların yaratacağı etkiler, dışa bağımlılık, makroekonomik etkiler, üretim ve yatırım maliyetleri gibi çeşitli kriterler kullanılmaktadır. Üzerinde en çok durulanlar ise; çevre üzerindeki etkiler ve sosyo-ekonomik risklere ilişkin kriterler olarak göze batmaktadır.
Son 25-30 yıl içerisinde enerji darboğazları, enerji sorununa toplumsal ilginin artması, enerji seçeneklerine ilişkin karar vermeyi çok daha karmaşık bir hale getirmektedir. Bu nedenle son yıllarda, farklı yapıdaki enerji teknolojilerinin birbiriyle mukayesesinde önem kazanan noktalar ve bu doğrultuda çalışmalar yapılmaktadır. Enerji teknolojilerini mukayeseye yönelik çalışmalar genellikle gelişmiş ülkelerde gerçekleştirildiği için, mukayesede kullanılan kriterler doğal olarak bu ülkelerin şartlarını ve değer yargılarını aksettirmektedir. Ülkemiz şartlarına ve değer yargılarına bağlı olarak, değerlendirilmelerde önem kazanan faktörler, maliyetler, faydalar ve dolayısıyla varılacak sonuçlar çok farklı olabilmektedir. Enerji teknolojilerinin değerlendirme kriterleri Çizelge 4.1’de verilmektedir.
Çizelge 4.1. Enerji Teknolojilerini Değerlendirme Kriterleri
Ülkemizde yakın gelecekte sıkıntıya düşmemek için enerji talebinin hangi kaynaklarla karşılanacağının belirlenmesi ve uygulamaların da buna göre yapılması gereklidir. Enerji politikalarındaki ciddiyetsizlik ve dağınıklık önlenmeli, ülkenin güvenli, temiz ve yeterli enerjiye sahip olmasını hedefleyen planlı bir enerji politikası oluşturulmalıdır.
5. HİDROJEN ENERJİSİ
Enerji insanoğlunun temel girdilerinin karşılanmasında, ülkelerin sosyal ve ekonomik olarak kalkınmasında en önemli gereksinimlerden biridir. Dünya nüfusu ve endüstriyel gelişmelere paralel olarak enerji gereksinimi giderek artmakta buna karşın fosil enerji kaynaklarının rezervleri hızla tükenmektedir.
Birincil enerji kaynaklarının rezervlerinin kısıtlı olması, yakıt fiyat artışları, nüfus artışı, endüstrileşme, ulusal kaynaklarının değerlendirilmesi zorunluluğu, 21. yüzyılın sosyo-ekonomik yapılanması, mevcut yakıtların çevre üzerindeki olumsuz etkileri (sera etkisi, küresel ısınma, iklim değişiklikleri, yağış anormallikleri, asit yağmurları, sağlık problemleri gibi), yeni enerji teknolojileri kapsamında, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı gerekliliğinin temellerini oluşturmaktadır. alternatif enerji olarak en çok şans verilen enerji türü hidrojen enerjisidir.
Endüstri devrimi ile 1750 yılından bu yana, teknik yeniliklere dayalı olarak dünya genelinde ekonominin gelişmesi, peş peşe beş ayrı dalgalanma biçiminde sürmüştür. 1750-1825 yılları arasındaki birinci dalgalanmanın başat enerji kaynağı kömürdür. 1825-1860 arasındaki ikinci dalgalanmada, ekonomiye ivme kazandıran elektrik olmuştur. 1860-1910 yılları arasındaki üçüncü dalgalanmada elektrik etkisini sürdürmüş, ama yeni kaynak olarak petrol ortaya çıkmıştır. 1910-1970 arasındaki dördüncü dalgalanmada ekonomiyi büyüten yeni enerji kaynağı nükleer enerjidir. Şimdi ise1970’lerde başlayan 21. yüzyılın neresinde biteceği henüz bilinmeyen yeni bir dalgalanma içindeyiz. Bu yeni dalgalanmayı etkileyen enerji türü hidrojendir. Hidrojen aşağıda sıralandığı gibi çeşitli avantajlara sahip ideal bir enerji taşıyıcısıdır.
1. Hidrojen yenilenebilir enerji kaynakları da dahil olmak üzere herhangi bir enerji kaynağı kullanılarak üretilebilir.
2. Hidrojen elektrik kullanılarak üretilebilir ve nispeten yüksek verimle de elektriğe çevrilebilir. Hidrojenin solar enerjiden doğrudan üretim süreçleri de geliştirilmiştir.
3. Fosil yakıtlar son kullanımda sadece bir süreç ile dönüştürülürken, hidrojen kullanılacak enerji şekline beş farklı süreç ile dönüştürülmektedir.
4. Son kullanımda hidrojen kullanılacak enerji şekline dönüşürken en yüksek verime sahiptir. Hidrojen fosil yakıtlardan %39 daha verimlidir. Kısaca hidrojen birincil enerji kaynaklarını korur.
5. Hidrojen gaz şeklinde (büyük ölçekli depolamada), sıvı şeklinde (hava ve uzay ulaşımında) veya metal hidrit şeklinde (araçlar ve diğer küçük ölçekli depolamada) depolanabilir.
6. Hidrojen boru hatları veya tankerler ile büyük mesafelere taşınabilir (bir çok durumda elektrikten daha ekonomik ve verimlidir).
7. Hidrojen diğer yakıtlardan farklı güvenlik ekipmanı ve prosedürü gerektirse de onlardan daha fazla tehlikeli değildir. Hidrojen güvenlik sıralamasında propan ve metanın (doğal gaz) arasındadır. Yangın tehlikesi ve zehirlilik dikkate alındığında hidrojen en güvenilir yakıttır.
8. Hidrojen elektrikten veya solar enerjiden üretilirken, taşınırken veya depolanırken ve son kullanımda herhangi bir kirletici üretmez veya çevreye zararlı herhangi bir etkisi yoktur. Hidrojenin yanması veya yakıt hücresinde tüketilmesi sonucu son ürün olarak sadece su üretilir. Yanma yüksek sıcaklıkta olursa havadaki azot ve oksijenden NOx oluşabilir. Ancak bu sorun diğer yakıtlarla aynıdır ve kontrol edilebilir.
9. Çevresel hasarlar ve yüksek kullanma verimi dikkate alındığında solar hidrojen enerji sistemleri en düşük etkin maliyete sahiptir.
Yenilenebilir enerji kaynakları içinde hidrojenin önemi her geçen gün hızlı bir şekilde artmaktadır. Yıldız ve gezegenlerde serbest halde en çok bulunan element olan hidrojen, dünyada da fazla miktarda bulunmasına rağmen, serbest halde bulunmamaktadır. Hidrojen kömür ve doğal gaz gibi fosil yakıtlardan, güneş enerjisi ve nükleer enerjiden, su gibi sonsuz bir kaynaktan elde edilebilir. Sınırsız kaynağa sahip olan ve havayı kirletmesi açısından içten yanmalı motorlarda kullanılan diğer alternatif yakıtlara göre pek çok avantaja sahip hidrojenin, içten yanmalı motorlarda kullanım çalışmalarına 1900’lü yılların başında başlanmıştır ve günümüzde de çalışmalar çok yoğun bir şekilde devam etmektedir.
Gaz haldeki hidrojen renksiz, kokusuz ve tatsız bir gazdır. Hafif olan kütlesi nedeniyle çok yüksek yayılma özelliğine sahiptir. Gaz haldeki hidrojen aynı hacimdeki havadan 15 kat daha hafiftir. Kullanım alanları incelendiğinde hidrojenin, fosil yakıtlara göre oldukça fazla alanda kullanılabileceği ortaya çıkmaktadır; hidrojen alevli yanma, doğrudan buhar üretimi, katalitik yanma, kimyasal dönüştürme, elektrokimyasal dönüştürme uygulamalarında yakıt olarak kullanılabilirken, fosil yakıtlar sadece alevli yanma uygulamalarında kullanılabilmektedirler (Çizelge 5.1.).
Çizelge 5.1. Yakıtların Çok Yönlülüğü
Dönüşme İşlemleri Hidrojen Fosil Yakıtlar
Alevli Yanma
Direkt buhar üretimi
Katalitik Yanma
Kimyasal Dönüşme (Hidrit)
Elektrokimyasal Dönüşüm (Yakıt Pilleri) Evet
Evet
Evet
Evet
Evet Evet
Hayır
Hayır
Hayır
Hayır
Hidrojen araçlarda sıvı veya gaz formda depolanabilmektedir. Depolamada seçilecek yol, aracın kullanım alanı, araçtan beklenen performansına bağlıdır. Günümüzde, hidrojenli yakıtlarda hidrojen sıvı ve yüksek basınç altında gaz halde depolanmaktadır. Hidrojenin yukarıda sıralanan özellikleri gösteriyor ki yeni yüzyıl, enerji-ekonomi-ekoloji uyumu açısından hidrojen çağı olacaktır.
5.1 Hidrojen Enerjisinin Gelişimi ve Dünyadaki Uygulamaları
Hidrojenin yakıt olarak kullanılmasına ilişkin düşünceler 1820’lere kadar gitmekte ise de, bu düşüncenin gerçekleşmesine yönelik çalışmaların başlaması 150 yıl sonra olabilmiştir. 1970’li yıllarda hidrojene enerji taşıyıcısı olarak az bir dikkatle bakıldığı söylenebilir. O yıllarda “hidrojen enerjisi”, “hidrojen ekonomisi” ve “hidrojen enerji sistemi” gibi kavramlar enerji literatürlerinde yer almıyordu. Ancak, roket yakıtı olarak hidrojen kullanılıyor, süper devletler hidrojen çalışmalarını gizlilik içinde yürütüyordu.
1974 yılında ABD Florida’da, Miami Üniversitesi Temiz Enerji Enstitüsü tarafından düzenlenen “Hidrojen Ekonomisi Miami Enerji Konferansı” (THEME), bu konuların yayılması ve hidrojen enerjisi kullanımına başlangıç oluşturması açısından önemlidir. Bu toplantı ile Uluslararası Hidrojen Enerjisi Birliği (IHEA) kurulmuştur. Bugün söz konusu örgütün dışında, çeşitli ülkelerde ona yakın hidrojen enerjisi örgütü bulunmaktadır. Ayrıca, on bir kez Dünya Hidrojen Enerjisi Konferansı (WHEC) toplanmıştır.
Yakıt olarak hidrojen kullanan ilk uçak ABD’de 1956 yılında denenmiştir. Eski Sovyetler Birliği’nin hidrojenle uçan ilk uçağı ise 1988 yılında yapılmıştır. ABD Lockheed firması hidrojenle çalışan kargo uçağı geliştirmiştir. Bu konuda Alman-Rus işbirliği ile air-bus tip uçak geliştirme projesi olup, Japonya’da hidrojenli hipersonik uçaklar geliştirilmesi üzerinde durulmaktadır. Halen uzay mekiğinde ve uzay araştırma roketlerinde yakıt olarak hidrojen kullanılmaktadır.
Son on beş yıl içerisinde hidrojenle çalışan değişik motorlar üretilmiş, otomobillere, otobüslere uygulanarak demonstrasyonlar yapılmıştır. İçten yanmalı motorlarda yakıt olarak hidrojen kullanılabilmekte olup, bunlar çoğunlukla enjeksiyonlu motorlardır. Bu motorların hem iki ve hem de dört zamanlı olanları vardır. Son yıllarda hidrojen/benzin ve hidrojen/doğal gaz sistemli Otto motoru gibi düzenlemeler ortaya çıkarılmıştır. Hidrojen yakıtı araçlara sıvılaştırılmış biçimde veya metalik hidrit biçiminde uygulanmaktadır.
Ballard, BMW, Buick, Daimler Benz, Ford, G.M., Honda, Mazda, Suzuki, Toyota gibi otomobil firmalarının 1990 öncesi deneme ve demonstrasyon amacıyla ürettikleri hidrojenli araçlar vardır. % 15-20 hidrojen ve % 80-85 doğal gaz karışımı hythane olarak adlandırılmakta olup, bu yakıtla çalışan otobüs, 1993 yılında Kanada Montreal’da denenmiştir. MAN firması içten yanmalı doğal gaz motorundan geliştirdiği tek sıra üzerinde altı silindirli hidrojen motorunu MAN SL 202 otobüsüne uygulamıştır. MAN D 2566 Diesel motoru da hidrojene uyarlanmış olarak bir diğer test otobüsünde kullanılmıştır. Almanya’da bu tür test ve gösterim otobüsleri 1994 yılından bu yana piyasaya sürülmüş bulunmaktadır.
Hidrojenin eşsiz bir özelliği, ekzotermik kimyasal reaksiyon altında, bazı metal ve alaşımlarla kolayca büyük miktarlarda hidrit biçimine dönüşebilmesidir. Değişik tip hidritler geliştirilmiş olmakla birlikte, metal hidritler hidrojen depolanması ve taşınması için kullanıldığından, kütlesi hafif olanlar tercih edilmektedir. Hidritlere ısı verildiğinde hidrojen serbest kalmaktadır. İlk kez Mercedes firması tarafından metal hidritli bir deneme aracı yapılmıştır.
Değişik senaryolara göre 2025 yılında dünya genel enerji tüketiminin ulaşacağı düzey 12 000-16 000 Mtep olarak kestirilmektedir. Aynı yılda dünyada 1 500-2 600 Mtep hidrojen enerjisinin kullanılması planlanmaktadır. Böylece, göz önüne alınan etüt periyodu (2000-2025 dönemi) sonunda, dünya birincil enerjisinin % 9-21 açıklığı arasındaki bir bölümü hidrojene dönüştürülerek kullanılabilecek demektir. Bu oran daha çok % 10 olarak öngörülmektedir.
5.2 Hidrojen Üretim Yöntemleri
Hidrojen sentetik bir yakıt olup, üretim kaynakları son derece bol ve çeşitlidir. Bunlar arasında su, hava, kömür ve doğal gaz sayılabilir. Ancak, sayılan bu kaynaklardan kömür ve doğal gaz fosil yakıt olup, sınırlı rezerve sahiptir. Ayrıca, bu gerçek birincil enerji kaynağı, gerekse hidrojen üretim kaynağı olarak kullanması çok büyük çevre zararlarına yol açmaktadır. Bu nedenle, hidrojenin temiz enerji kaynakları ile sudan üretilmesi en doğru seçim olacaktır.
Her türlü birincil enerji yardımıyla üretilen hidrojen, günümüzde suni gübreden, nebati yağlara, oradan roket yakıtlarına kadar çeşitli alanlarda kullanılmakta ve bunun için dünyada her yıl 600 milyar metreküp hidrojen üretilmektedir. Hidrojen üretimi için çok eskiden beri bilinen bir yöntem, bileşiği H2O olan suyun içindeki hidrojeni elektroliz yoluyla ayırmaktır. Burada hidrojen üretimi yöntemlerini tanımlarken, kullanılabilecek birincil enerji kaynaklarını da ayrıca belirtmek yerinde olacaktır. Buna göre hidrojen, fosil yakıtlar yardımıyla olabildiği gibi, güneş,rüzgar, dalga enerjileri, jeotermal enerji ve biyokütle gibi birincil enerji kaynaklarının hepsi ile aşağıda tanımlanan yöntemlerin her hangi biri ile üretilebilir.
Şekil 5.1. Hidrojen Üretim Zinciri.[14]
Hidrojen evrenin en bol elementi olmasına rağmen atmosferdeki derişimi milyonda birden daha da azdır. Hidrojenin çoğu kimyasal bileşiklere bağlıdır. Bu nedenle büyük ölçekli kullanım için hidrojen bitkiler, su, kömür veya doğal gaz gibi kaynaklardan elde edilmektedir. Elde edilme sırasında önemli miktarda enerji tüketildiğinden, hidrojen enerji kaynağı olmaktan çok bir enerji taşıyıcısı olarak düşünülmektedir. Aslında hidrojen kullanımı sonucunda açığa çıkan enerji üretimi sırasında yatırılan enerjidir. Bu nedenle hidrojenin nasıl üretildiği büyük önem taşımaktadır.
Hidrojen üretim yöntemleri; buhar iyileştirme, atıkgazların saflaştırılması, elektroliz, fotosüreçler, termokimyasal süreçler, radyoliz, solar hidrojen, hidrokarbonların kısmi oksidasyonu olarak sıralanabilir.
• Buhar iyileştirme: Fosil yakıttan hidrojen üreten bir süreçtir. Hidrojen kaynağı olarak en yaygın metandan oluşan doğal gaz kullanılır. Su buharı ve metan yüksek basınç ve sıcaklıkta kimyasal tepkime ile hidrojen ve karbon dioksite dönüşür. Üretilen hidrojenin enerji içeriği, tüketilen doğal gazdan daha yüksektir. Ancak iyileştirmenin yapılması için yüksek miktarda enerji gerekmektedir. Bu nedenle net dönüşüm verimi %65’dir.
• Atıkgazların saflaştırılması: Petrol rafinerileri ve bazı kimyasal tesisler gibi bir çok endüstrinin atık akımlarında hidrojen derişimi yüksektir. Bu gazların toplanması ve saflaştırılması uygulanır. Atık gazdan elde edilen hidrojen yine endüstride kullanılır. Bu uygulama mevcut hidrojen pazarının önemli bir öğesidir, ancak gelecekte hidrojenin yaygın kullanımında talebi karşılayacak yeterlilikte değildir.
• Elektroliz: Elektroliz, sudan elektrik akımı geçirerek su moleküllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını sağlar. Bu süreçte enerji kaybı nispeten azdır ve yaklaşık %65 enerji verimi elde edilir. Elektroliz mevcut hidrojen pazarında küçük bir paya sahip olsa da, temiz bir süreç olması ve suyun bol bulunması nedeniyle büyük ilgi çekmektedir. Ancak, yüksek maliyet nedeniyle yakın ve orta vadede elektrolizin pazarda büyümesi sınırlı görülmektedir.
• Fotosüreçler: Fotosüreçler genellikle güneş ışığını kullanarak su veya biyokütleden hidrojen üreten süreçlerdir ve üç ana kategoriye ayrılır. Bunlardan birincisi olan fotobiyolojik teknikler bazı bakteri, alg ve bitkiler ile fotosentez döngüsüne dayanır. Fotobiyolojik hidrojen üretim verimi sadece %1-5 arasındadır. Diğer fotosüreç olan fotokimyasal süreçler, sentetik molekülleri kullanarak doğal fotosentezi taklit eder. Bu teknik sadece %0.1 verimlidir. Üçüncü fotosüreç olan fotoelektrokimyasal süreçte yarı iletken maddeler ışığa maruz kaldığında gerilim farkı yaratır ve bu da suyun hidrojen ve oksijene parçalanmasını sağlar. Günümüzde hidrojen araştırma programlarının çoğu fotosüreçlerden oluşmaktadır.
• Termokimyasal süreçler: Suyun hidrojen ve oksijene ayrılması için ısının kullanıldığı bir süreçtir. Basit bir uygulaması suyun çok yüksek sıcaklığa (3400 K) ısıtılması ile doğrudan ısıl dönüşümdür. Yüksek sıcaklık gerektiğinden, doğrudan ısıl dönüşüm pratik bir süreç değildir. Kompleks, çok basamaklı süreçler çalışılmaktadır. Ayrıca bir veya daha fazla tepkime basamağının elektrolizi içerdiği hidrit çalışmalar da yapılmaktadır.
• Radyoliz: Bu metotta nükleer reaktörde üretilen yüksek enerjili partiküllerin çarpışması ile su molekülleri parçalanır. Üretilen hidrojen ve oksijen atomları tekrar su oluşturmak üzere çok çabuk bir araya geldikleri için radyolizin verimi %1 civarındadır.
• Solar hidrojen: Bu yöntemde fotovoltaik hücreler kullanılarak güneş ışığından üretilen elektrik ile su elektroliz edilir. Genellikle solar hidrojen terimi rüzgar gibi diğer yenilenebilir kaynaklı elektrikle suyun elektrolizinden elde edilen hidrojen için de kullanılmaktadır. Fosil yakıt yerine yenilenebilir enerji kaynağının kullanımı çevresel yararından dolayı oldukça ilgi çekmiştir.
• Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu: Bu yöntemde hidrojen hidrokarbonların katalitik olmayan kısmi oksidasyonundan (örneğin gazifikasyon) elde edilir. Bu teknikte sıkıştırılabilen veya pompalanabilen hidrokarbon kaynağı kullanılmaktadır. Ancak sürecin toplam verimi %50 civarındadır ve saf oksijen gereklidir. Bu dönüşümün kullanıldığı iki ticari teknoloji vardır: Texaco gazifikasyon süreci ve Shell gazifikasyon sürecidir.
Bu sayılan teknolojilerden başka bir çok hidrojen üretim teknolojileri vardır. Ancak bu süreçlerin çoğu gelişme aşamasındadır.
5.3. Hidrojenin Depolanması
Gerek sabit gerekse taşınabilir uygulamalar için hidrojenin etkin ve güvenilir tarzda depolanabilmesi gereklidir. Taşınabilir uygulamalarda ilave olarak depolamada hafiflikte önem kazanmaktadır. Hidrojenin depolanması; dağıtım sisteminde depolama ve son kullanımda depolama olarak iki grupta incelenebilir.
5.3.1. Dağıtım Sisteminde Depolama
Hidrojen dağıtım sisteminde depolanması gaz veya sıvı şekilde olabilir. Gaz hidrojen depolanması genellikle doğal gazın tükendiği yer altı mağaralarında yapılmaktadır. Hidrojenin diğer gazlara göre sızma özelliği daha çok olmasına karşın bu teknik ile depolamada sızıntı problem oluşturmamaktadır. Bu teknik ile depolamaya örnek şehir gazının (hidrojen içeren karışım) mağarada başarı ile depolandığı Fransa verilebilir. Ayrıca, hidrojenden daha fazla sızma eğilimli olan helyum gazı Teksas, Amarillo yakınında, tükenmiş doğal gaz mağarasında depolanmaktadır. Bu teknikte gazın mağara içerisine ve sonra da mağaradan dışarıya pompalanması için kullanılan enerji önem taşımaktadır. Bu tip depolamaya alternatif, yüksek basınçlı tanklarda depolamadır.
Hidrojenin sıvı olarak depolanmasında, sıvı hidrojen taşınım tanklarına benzer tanklar kullanılır. Örneğin Kennedy Uzay Merkezinde fırlatma alanının yanında 3217 m3 hacminde küre kullanılır ve bu tanktan uzay mekiğine 38 m3/dk hıza kadar aktarım olabilmektedir. Sıvılaştırma tesislerinde ise depolama genellikle 1514 m3 hacminde vakum-izole küresel tankta yapılır [14].
5.3.2. Son Kullanımda Hidrojenin Depolanması
Araçlarda hidrojen kullanımında başlıca engel hidrojenin depolanmasıdır. Hidrojen gaz formunda oda sıcaklığı ve basıncında aynı eşdeğer enerji miktarına sahip bir gazdan 3000 kat daha fazla yer kaplar. Bu nedenle de hidrojenin araçta kullanımı için sıkıştırma, sıvılaştırma veya diğer teknikler gereklidir. Dört ana teknik mevcuttur. Bunlar sıkıştırılmış gaz, karyojenik sıvı, metal hidrit ve karbon absorpsiyonudur. Kısa dönemde en uygulanabilir olanları ilk ikisidir. metal hidrit yöntemi gelişmiş bir yöntem olsa da rekabet edebilir olması için daha fazla araştırma gereklidir. Karbon absorpsiyonu ise henüz olgunlaşmış bir teknik değildir, ancak araştırma-geliştirme çalışmalarının sonunda hedefler gerçekleştirilirse uygulanabilir yöntem olarak görülmektedir. Hidrojenin son kullanımda depolama teknikleri her bir uygulama için farklıdır [14].
• Sıkıştırılmış Gaz Olarak Hidrojenin Depolanması: Bu depolama oda sıcaklığında yüksek basınca dayanıklı tankta yapılmaktadır. Sıkıştırılmış gaz depolamada tankın ağırlığına dolayısıyla tankın tipine bağlı olarak ağırlıkça %1-7 hidrojen depolanmaktadır. Daha hafif, dayanıklı ve ağırlıkça daha fazla hidrojen depolayabilen tanklar daha pahalıdır. Doldurma istasyonunda hidrojen gazının sıkıştırılması için yakıtın enerji içeriğinin %20’si harcanır [14].
• Karyojenik (Dondurulmuş) Sıvı Depolama: Bu teknikte hidrojen atmosfer basıncında, 20 °K’de oldukça iyi izole edilmiş tankta depolanmaktadır. Hidrojen sıvı şekilde olduğu için, eşdeğer ağırlıktaki benzinden 3 kat fazla enerji içerir ve eşdeğer enerji içerdiği durumda da 2,7 kat fazla hacim gerektirir. Bu teknik tank ve izolasyon dahil ağırlıkça %16 hidrojen depolar. Ayrıca, sıvılaştırma yakıtın enerji içeriğinin %40’ı kadarını gerektirir. Diğer bir dezavantaj izolasyona rağmen tanka ısının sızmasıdır. Bu sızma sonucunda hidrojen ısınır. Basınçlı tank kullanılarak bu problem çözülebilir ama bu da ağırlığı ve boyutu artırır [14].
• metal Hidrit Sistemi İle Depolama: Bu teknikte hidrojen granüler metallerin atomları arasındaki boşluğa depolanır. Bu amaçla çeşitli metaller kullanılmaktadır. Kullanım sırasında da ısıtma ile hidrojen salınır. metal hidrit sistemleri güvenilir ve az yer kaplar, ancak ağırdır ve pahalıdır. Araştırma aşamasında olan uygulamalarda ağırlıkça %7 hidrojen depolanabilmektedir. Sıkıştırılmış gaz veya dondurulmuş sıvı depolamanın aksinemetal hidrit yeniden doldurulmada çok az enerji gerektirir. Ancak yakıtın dışarıya salınımı için enerji harcanır. Düşük sıcaklıkta metal hidrit depolanmasında bu enerji yakıt hücresinin veya motorun atık ısısından sağlanabilir. Yüksek sıcaklık metal hidrit depolaması daha ucuz olmasına rağmen, aracın enerji tüketiminin yarısı metalden hidrojeni açığa çıkarmak için harcanır . Tepkimeler
Absorpsiyon :M+xH2 → MH2x+ısı (1)
Desorpsiyon: MH2x+ısı → M+xH2 (2)
şeklindedir. Burada M, metal, element veya metal alaşımı temsil etmektedir.
• Karbon Absorpsiyon Tekniği: Bu teknik hidrojeni basınç altında oldukça gözenekli süper aktif grafit yüzeyine depolar. Bazı uygulamalarda soğuk ortam bazılarında oda sıcaklığı gereklidir. Mevcut sistem ağırlıkça %4 hidrojen depolar. Bu verimin %8’e çıkması beklenmektedir. Bu teknik sıkıştırılmış gaz depolamaya benzer, ancak burada basınçlandırılmış tank, grafit ile doldurulur. Grafitler ek ağırlık getirmesine rağmen aynı basınçta ve tank boyutunda daha fazla hidrojen depolanabilmektedir [14].
• Cam Mikrokürelerde Depolama: Küçük, içi boş, çapları 25 ile 500 mm arasında değişen ve duvar kalınlıkları ~1mm olan cam küreler kullanılır. Bu mikroküreler 200-400 °C’de hidrojen gazı ile doldurulur. Yüksek sıcaklıkta cam duvarlar geçirgenleşir ve gaz kürelerin içine dolar. Cam oda sıcaklığına soğutulduğunda, hidrojen kürelerin içine hapsolur. Kullanılacağı zaman kürelerin ısıtılması ile hidrojen tekrar açığa çıkar [14].
• Yerinde Kısmi Oksidasyon: Benzin veya dizel gibi geleneksel yakıt kullanılan kısmi oksidasyon süreci doğrudan %30 hidrojen gazı ve %20 karbonmonoksit verir. Daha sonra karbonmonoksit su buharı ile tepkimeye girerek yakıt hücresinde kullanıma hazır hidrojen ve karbondioksit gazı oluşturur [14].
Diğer Teknikler: Araştırılan diğer teknikler gelişme aşamasındadır. Toz demir ve suyun kullanıldığı bir teknikte yüksek sıcaklıkta pas ve hidrojen üretilmektedir. metal hidrit tekniğine benzer şekilde metal yerine sıvı hidrokarbon veya diğer kimyasalların kullanıldığı teknikte mevcuttur.
5.4. Hidrojen Kullanımında Güvenlik
Hidrojen diğer yakıtlardan farklı güvenlik donanımı ve prosedürü gerektirse de onlardan daha fazla tehlikeli değildir. Dünyada hidrojen zaten petrol ve kimya endüstrisinde veya başka yerlerde güvenle kullanılmaktadır. Hidrojen güvenlik sıralamasında propan ve metanın (doğal gaz) arasındadır.
Hidrojenin fiziksel özelliklerinden dolayı güvenlik karakteri diğer yakıtlardan oldukça farklıdır. Hidrojen düşük yoğunluklu olduğundan bir kaçak anında yer seviyesinde birikinti halinde kalmayarak atmosferde yükselir ve dağılır. Bu durumda iyi havalandırma uygulanarak güvenlik artırılabilir. Düşük yoğunluklu olması demek aynı zamanda belirli bir hacimde patlayan diğer yakıtlardan daha az enerji verecek demektir. Ayrıca hidrojen diğer yakıtlardan daha hızlı yayılır, böylece tehlike seviyesi de azalmış olur.
Hidrojen benzin, propan veya doğal gazdan daha hafiftir.Benzin veya doğal gaz ile karşılaştırıldığında hidrojenin patlama yapması için havada daha yüksek derişimde bulunması gerekir. Patlama için yakıt/hava oranı hidrojen için %13-18’dir ve bu oran doğal gazın sahip olduğu orandan 2 kat, benzinin sahip olduğundan 12 kat büyüktür. Yakıtlar içerisinde hidrojen birim depolanan enerji başına en düşük patlama enerjisine sahiptir. Belirli bir hacimdeki hidrojen aynı hacimdeki benzin buharından 22 kat daha az patlama enerjisine sahiptir.
Hidrojenin yanması için havada hacimce %4-%75 arasında olması gerekir. Bu aralık diğer yakıtlarda düşüktür. Örneğin doğal gaz için %5,3-15, propan için %2,1-10 ve benzin için %1-7,8’dir. Herhangi bir kaçak anında hidrojenin en düşük tutuşma sınırı benzininkinden 4 kat, propanınkinden 1,9 kat ve doğalgazınkinden de çok az büyüktür. Böylece hidrojenin geniş bir derişim aralığında düşük tutuşma sıcaklığı ve tutuşturuculuğu özellikle garaj gibi kapalı mekanlarda yangın tehlikesini azaltır. Hidrojen temiz ve kokusuz olduğu için sızıntısı benzin veya diğer yakıtlara göre daha az fark edilecektir. Hatta yanan hidrojenin alevi görülmez. Ancak sızıntı belirleme teknikleri vardır ve öncelikle de araştırılmaktadır. Ayrıca doğal gaza uygulandığı gibi kokulu bir maddenin veya renklendiricinin veya her ikisinin hidrojene eklenmesi yapılabilir. Ancak yapılacak herhangi bir ekleme saf hidrojenin çevresel açıdan temizliğini bozar [14].
Çizelge 5.2. Yakıtların Güvenirliliğinin Kıyaslanması [16].
Özellik Yakıt Güvenirliliği
Benzin metan Hidrojen
Yakıtın Zehirliliği 3 2 1
Yanma Zehirliliği 3 2 2
Yoğunluk 3 2 1
Difüzyon Katsayısı 3 2 1
Özgül Isı 3 2 1
Tutuşma Limiti 1 2 3
Tutuşma Enerjisi 2 1 3
Tutuşma Sıcaklığı 3 2 1
Yanma Sıcaklığı 3 1 2
Patlama Enerjisi 3 2 1
Yanma Yayılımı 3 2 1
Toplam 30 20 16
Güvenlik faktörü fs 0.53 0.80 1.00
1, En güvenli ; 2, Daha az güvenli; 3, Güvensiz.
Çizelge 5.2., yakıtların güvenirliliğini kıyaslamaktadır. Her toksit eleman ve yanma zararı karakteristikleri için yakıtları 1’den 3’e kadar derecelendirmiştir. 1. en güvenli, 3. en güvensizdir. Bu dereceler toplam derecelendirme bulmak için, her yakıt için toplanmıştır. Toplam dereceler, hidrojenin toplam derecesini verilen yakıtın derecesine bölme ile tanımlanan güvenlik faktörünü çıkartmak için yapılmıştır. Buradan hidrojenin en güvenli, benzinin en güvensiz ve metanın bu ikisi arasında olduğu görülebilir.
5.5. Hidrojen Enerjisinin Ekonomisi
Hidrojen diğer yakıtlara göre pahalıdır. Ancak teknolojik ilerlemeler ile maliyet düşürülürse uzun dönemde hidrojen pazarda önemli rol oynayacaktır. Fosil yakıt, ısı ve elektrik kullanılarak hidrojenin elde edildiği yöntemlerde, petrol veya kömürün fiyatının artması hidrojen fiyatını da yukarı çekecektir. Bu nedenle fosil yakıtların fiyatlarının artması, fosil kaynaklı hidrojeni ticari olarak rekabet edebilir duruma getirmeyecektir. Hidrojen ekonomisinin gerçek bir değerlendirilmesi kirlilik önleme/ortadan kaldırma ve kirleticilerin etki maliyetleri olan dış maliyetler dikkate alınarak yapılabilir. Fosil yakıtların neden olduğu kirleticilerin iklim değişikliğine etkisinin maliyeti ölçülemez ve nümerik olarak hesap edilemez. İklim değişikliğinin ölçülemez maliyeti dikkate alınmaksızın, dış maliyetler dahil edilirse hidrojen enerjisi, hidrokarbon enerji maliyetinden 2,9 kat yüksektir.
Yakıt hücreli otomobillerde hidrojenin kullanılması için maliyet pazarın bölgesine ve boyuta bağlı olarak hidrojenin kg başına maliyeti 2,35 ile 7$ arasındadır. Günümüzde hidrojenin üretimi için en uygun süreç ısıl sürece dayalı olanıdır. Yeterli kapasite elde edilirse hidrojen üretiminde mali olarak en uygun süreç ise kimyasal artık hidrojendir. Enerji açısından en iyi süreç biokütlenin gazifikasyonudur. Ancak bu da toprağın sulanması, hasat gibi enerji tüketimi gerektirir. Doğrudan nükleer güç sağlamak yerine nükleer güçten hidrojen üretilirse, hidrojenin üretimi ve dağıtımından dolayı hidrojenin maliyeti nükleer güç maliyetinin iki katı olmaktadır. Enerji, yenilenebilir kaynaktan sağlandığında en kullanılabilir olan sistem hidrogüçle birleştirilmiş suyun elektrolizidir. Böylece en düşük birincil enerji ihtiyacına ve elde edilen her kWh enerji için en düşük maliyete sahiptir. İkinci en iyi metot rüzgar gücü ile birleştirilmiş suyun elektrolizidir. Birincil enerji talebi buhar iyileştirmeden daha da düşüktür. Teçhizatın üretimi için yüksek birincil enerji talebi ve oldukça yüksek yatırım maliyetinden dolayı fotovoltaik ile birleştirilmiş suyun elektroliz maliyeti yüksektir ve üretim yerine bağlı olarak farklı sonuçlar verir. Mümkün olan her yerde uygulanabilen gaz hidrojen, hem enerji, hem de maliyet açısından en iyisidir. Hidrojenin sıvılaştırılması enerji yoğun bir süreç olduğundan, sıvı hidrojen kara ve hava trafiği gibi sadece mutlaka sıvı hidrojenin kullanılması gereken alanlarda uygulanmalıdır. 2020 yılına kadar sadece fotovoltaiklerin fiyatlarında önemli düşüşler beklendiğinden mevcut maliyetin diğer sistemler için çok değişmeyeceği söylenebilir.
5.6. Hidrojen Enerjisinin Çevresel Yönü
Hidrojen kullanımı çok temiz bir yakıttır. Hidrojenin yanması veya yakıt hücresinde tüketilmesi sonucu son ürün olarak sadece su üretilir. Yanma yüksek sıcaklıkta olursa havadaki azot ve oksijenden NOx oluşabilir. Ancak bu sorun diğer yakıtlarla aynıdır ve kontrol edilebilir. Diğer yakıtların aksine hidrojen elementlerden üretilen kirletici içermez. Bu nedenle de SO2, CO, CO2, uçucu organik kimyasallar oluşmaz. Çizelge 5.3’te farklı enerji sistemlerinden üretilen kirleticilerin miktarları görülmektedir [14].
Çizelge 5.3. Enerji Sistemlerinde Üretilen Kirletici Miktarları [16,14].
Kirletici Fosil Yakıt
Sistemi (kg/GJ) Kömür/Sentetik
Fosil Sistem (kg/GJ) Solar-Hidrojen
Sistemi (kg/GJ)
CO2 72,40 100,00 0
CO 0,80 0,65 0
SO2 0,38 0,50 0
NOx 0,34 0,32 0,10
HC 0,20 0,12 0
Partikül Madde 0,09 0,14 0
Hidrojenin fosil yakıt kullanarak buhar iyileştirme ile üretilirse oluşacak karbondioksit miktarı fosil yakıt direkt yakıldığında oluşacak emisyon miktarından yüksektir. Ayrıca buhar iyileştirmede kükürt gibi fosil yakıtın içerdiği safsızlıklarda kirletici emisyona neden olmaktadır. Elektroliz yöntemi kullanıldığında ise elektroliz işleminin sürebilmesi için gerekli elektriğin ne şekilde temin edildiği önem taşımaktadır. Hidrojenin biyokütleden, solar enerjiden veya diğer yenilenebilir kaynaklardan üretimi emisyon miktarını azaltır.
Uçaklarda hidrojenin kullanımı sonucunda oluşacak su buharı emisyonu tehlikeli olabilir. Ortalama yükseklik ve enleme bağlı olarak buz bulutları oluşur ve bu bulutlarda sera etkisine ve ozon tüketimine neden olurlar. NOx oluşumu ise alev sıcaklığına ve zamana bağlıdır. Hidrojen geniş bir aralıkta alev alma sıcaklığına sahip olduğundan NOx emisyonu motor tasarımları değiştirilerek azaltılabilir.
Hava kirliliğinin insan sağlığı üzerindeki etkileri düşünüldüğünde, fosil yakıt yerine hidrojen kullanılması ile fiziksel sağlık şartlarında da iyileşmeler olacaktır. Enerji üretimi sırasında CO2 emisyonunun azalması veya atmosferdeki CO2 derişiminin düşürülmesi sağlanabilir. Atmosferdeki CO2 derişiminin düşürülmesi teknik ve ekonomik olarak solar fotosentez ile sağlanabilir. Atmosferde CO2 derişimi 2050 yılında 520 ppm’e ulaşacaktır. Ancak hidrojen kullanılırsa, bu senaryo değişebilecektir. Şekil 3’ten de görüleceği gibi solar hidrojene geçiş 25 yıl gecikirse karbon dioksit 2070 yılında yaklaşık 620 ppm’e kadar yükselir. Eğer hidrojene geçiş 2050 yılında olursa bu geçişin hiç pozitif etkisi olmaz.
Şekil 5.2. Atmosferik CO2 Derişiminin Hidrojene Geçiş ile Değişimi [14].
5.7. Hidrojen Yakıtının Özellikleri
Bugün yakıt seçimindeki kriterler olarak; motor yakıtı olma özelliği, dönüşebilirlik yada çok yönlü kullanıma uygunluk, kullanım verimi, çevresel uygunluk, emniyet ve efektif maliyet açısından yapılan değerlendirmeler, hidrojen lehine sonuç vermektedir. Yakıtın dönüşebilirliği yada çok yönlü kullanımı, yanma işlemi dışında, diğer enerji dönüşümlerine uygunluğunu gösterir. Hidrojen alevli yanmaya, katalitik yanmaya, direkt buhar üretimine, hidritleşme ile kimyasal dönüşüme ve yakıt hücresi ile elektrik dönüşümüne uygun bir yakıt iken, fosil yakıtlar yalnızca alevli yanmaya uygundur.
Hidrojen alevli yanma özelliği ile içten yanmalı motorlarda, gaz türbinlerinde ve ocaklarda yakıt olarak kullanılabilmektedir. Hidrojenin direkt buhara dönüşüm özelliği, buhar türbinleri uygulamasında kolaylık sağlamaktadır. Bu özelliği ile endüstriyel buhar üretimi de kolaylaşmaktadır. Hidrojenin katalitik yanma özelliğinden mutfak ocakları, su ısıtıcılar ve sobalara uygulanmasında yararlanılmaktadır. Hidritleşme özelliği, emniyetli hidrojen depolaması açısından önemlidir. Hidrojen Carnot çevriminin sınırlayıcı etkisi altında kalmadan, yakıt pillerinde elektrokimyasal çevrimle direkt elektrik üretiminde de kullanılabilmektedir [9].
Hidrojen diğer tüm otomotiv yakıtlarından üstün özellikler taşımaktadır ve ideal bir yakıttır. Akaryakıt motorlarında görülen buhar tıkacı, soğuk yüzeylerde yoğuşma, yeterince buharlaşamama, zayıf karışım gibi sorunlar hidrojen motorlarında yoktur. Hidrojen yüksek alev hızına, geniş alev cephesine ve yüksek detanasyon sıcaklığına sahip olup, kontrolsüz yanmaya (vuruntuya) karşı dayanıklıdır. Hidrojenin geniş bir tutuşma açıklığı olduğundan, bu tür motorlar değişik hava fazlalık katsayılarında çalıştırılabilmektedir.
Hidrojenle çalışan içten yanmalı motorun yanma sırasında oluşan azot oksit (NOx) emisyonu, mevcut bir motordan 200 kat daha azdır. Kaldı ki, benzin-hava karışımına % 5 hidrojen eklenince NOx emisyonu % 30-40 azalma göstermektedir. Bu da çevre açısından önemli bir kazançtır. Nitekim, son yıllarda çift yakıtlı motorlar denilen, hidrojen/benzin ve hidrojen/doğal gaz karışımlı Otto çevrimli motorların ortaya çıkarılmasının nedeni, karışımın fakirleştirilmesi ile özgül yakıt tüketiminin azaltılmasıdır. Fakir karışımlı motorların COx ve HC emisyonları azalmaktadır. Çift yakıtlı motorların, günümüz klasik motorları ile hidrojen motorları arasında bir geçiş aşaması oluşturması beklenmektedir.
Yakıtlar için önemli olan bir özellik de çevresel uygunluktur. Fosil yakıt kullanımının hava kalitesi, insanlar, hayvanlar, plantasyonlar ve ormanlar, akuatik ekosistemler, insan yapısı, açık madencilik, iklim değişikliği, deniz seviyesi yükselmesi üzerindeki olumsuz etkilerinden kaynaklanan çevre zararları dünya genelinde, 1990 verileriyle; kömür için 9.8 ABD $/GJ, petrol için 8.5 ABD $/GJ ve doğal gaz için 5.6 ABD $/GJ olarak saptanmıştır [9,16].
Yakıtın zehirliliği, yanma ürünlerinin zehirliliği, difüzyon katsayısı, ateşleme enerjisi, patlama enerjisi, alev emissivitesi gibi faktörlere göre yapılan emniyet değerlendirmesi açısından, hidrojen en emniyetli yakıttır. Hidrojenin emniyet faktörü 1 iken, benzinde 0.53 ve metanda 0.80 olmaktadır. Kısacası benzin ve doğal gaz hidrojene göre tehlikeli yakıtlardır. Hidrojenin benzin ve metana göre yanma tehlikesi daha azdır [9] .
5.8. Hidrojen Enerjisi ve Türkiye
Türkiye’nin 7. Beş Yıllık Kalkınma Planı Genel Enerji Özel İhtisas Komisyonu Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Raporu’nda, hidrojen teknolojisine değinilmekle birlikte, resmileşen kalkınma planında hidrojen enerjisinin adı geçmemektedir. Hidrojen konusu üniversitelerimiz ve araştırma kuruluşlarımızda çok sınırlı biçimde ele alınmaktadır. TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi’nde hidrojen alanında Uluslararası Enerji Ajansı programları kapsamında çalışma başlatılmak istenmişse de, söz konusu işbirliği 1996 yılında kesilmiştir.
Birleşmiş Milletler (UNIDO) desteği ile ICHET projesi kapsamında, İstanbul’da Hidrojen Enstitüsü kurulması konusu gündemdir. 20-22 Kasım 1996 tarihlerinde Viyana’da yapılan 16. UNIDO Endüstriyel Kalkınma Kurulu Toplantısı’nda, UNIDO işbirliği ile ülkemizde Uluslararası Hidrojen Enerjisi Teknolojileri Merkezi (ICHET) kurulması kararı alınmıştır. Buna göre, UNIDO hukuksal çerçevesinde özerk bir kurum olarak çalışacak ICHET, İstanbul’da kurulacaktır. ICHET’in tasarlanan amacı, gelişmiş ve gelişmekte olan ülkeler arasında hidrojen teknolojileri köprüsünü oluşturmak, hidrojen teknolojilerinin geliştirilmesini sağlamak ve uygulamalı Ar-Ge çalışmalarını yürütmektir.
ICHET’in işlevi; kısa ve uzun dönemli eğitim vermek, bilimsel toplantılar düzenlemek, danışmanlık hizmetleri sunmak ve benzeri kuruluşlarla işbirliği oluşturmak biçiminde belirlenmiştir. Merkezin çalışma konuları; hidrojen enerjisi politikaları, hidrojen ekonomisi, enerji ve çevre, hidrojen üretim teknolojileri, hidrojen depolama teknikleri, hidrojen uygulamaları ve demonstrasyonlar olacaktır. Türkiye, ilk beş yıllık dönem için arazi, tesis, ilk yatırım ekipmanı ve işletme faaliyetlerini finanse etmek üzere, 40 milyon ABD $’ı verecektir. ICHET projesi Türkiye’nin hidrojen çağına tutarlı biçimde adım atmasını sağlayacak, Türkiye’ye avantaj kazandıracak önemli bir girişimdir.
Türkiye’de hidrojen yakıtı üretiminde kullanılabilecek olası kaynaklar; hidrolik enerji, güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, deniz-dalga enerjisi, jeotermal enerji ve adım atılması gereken nükleer enerjidir. Türkiye gibi gelişme sürecinde ve teknolojik geçiş aşamasındaki ülkeler açısından, uzun dönemde fotovoltaik güneş-hidrojen sistemi uygun görülmektedir. Fotovoltaik panellerden elde edilecek elektrik enerjisi ile suyun elektrolizinden hidrojen üreten bu yöntemde, 1 m3 sudan 108.7 kg hidrojen elde olunabilir ki, bu 422 litre benzine eşdeğerdir.
Türkiye’nin hidrojen üretimi açısından bir şansı, uzun bir kıyı şeridi olan Karadeniz’in tabanında kimyasal biçimde depolanmış hidrojen bulunmasıdır. Karadeniz’in suyunun % 90’ı anaerobiktir ve hidrojensülfid (H2S) içermektedir. 1000 m derinlikte 8 ml.lt-1 olan H2S konsantrasyonu, tabanda 13.5 ml.lt-1 düzeyine ulaşmaktadır. Elektroliz reaktörü ve oksidasyon reaktörü gibi iki reaktör kullanılarak, H2S den hidrojen üretimi konusunda yapılmış teknolojik çalışmalar vardır. Bu konuda yapılmış bir diğer teknoloji geliştirme çalışması, semikondüktör partikülleri kullanarak fotokatalitik yöntemle hidrojen üretimidir. Güneş ve rüzgar enerjisinden yararlanarak, Karadeniz’in H2S içeren suyundan hidrojen üretimi için literatüre geçmiş bilimsel araştırma olup, Bulgaristan proje geliştirmeye çalışmaktadır.
Teknolojik verilere ve Türkiye’nin enerji-ekonomi verilerine göre, 1995-2095 arasında güneş-hidrojen sistemi ile yapılabilecek yakıt üretimi ve bunun fosil yakıtlarla rekabet olanağı, özel bir simülasyon modeli kapsamında bilgisayar çözümleri ile araştırılmıştır. Bu ulusal modelde, hidrojen üretiminin artışı için yavaş ve hızlı olmak üzere iki ayrı seçenek alınmıştır. Her iki seçenekte de 2010-2015 döneminde hidrojen enerjisi maliyetinin fosil enerji maliyetinin altına düşebileceği, ancak yapılabilecek yerli hidrojen üretiminin 2.3 Mtep’in altında kalacağı görülmüştür.
2020-2025 döneminde yerli hidrojen üretiminin 10 Mtep’in üzerine çıkabileceği, 2015 yılından sonra fosil yakıt dışalımını azaltıcı etki yapacağı bulgulanmıştır. Giderek sağlanacak hidrojen üretimi artışıyla, yerli petrol, doğal gaz ve kömür üretiminin sıfırlanabileceği 2065 yılında, yaklaşık 290 Mtep hidrojen üretilebileceği görülmüştür. Hidrojen üretimine bağlı biçimde ulusal kazancın artacağı saptanmıştır. Model bulguları, diğer bazı ülkeler ve dünya geneli için yapılmış benzer çalışmalara koşut durumdadır.
ABD’nin Enerji Departmanı tarafından, 2025 yılında Amerika’nın toplam enerji tüketiminin % 10’unun hidrojenle karşılanması ve böylece petrol dışalımının yarı yarıya azaltılmasının hedeflediği göz önüne alınırsa, Türkiye için yapılmış simülasyon modeli çalışmasının bir abartma olmadığı anlaşılır. Kuşkusuz, bu bir bilimsel senaryo olup, gerçekleşmesi koşullara ve alınacak önlemlere bağlıdır. Modelin verdiği en önemli sonuç, hidrojenin ülkemiz için umut olabileceğidir.
6. HİDROJENİN KULLANIM ALANLARI
Ulaşımda, endüstride ve evlerde hidrojen kullanımı aslında sanıldığı kadar yeni değildir. Dünyanın pek çok yerinde hala evlerde kullanılmakta olan havagazı aslında hidrojen ve karbonmonoksidin bir karışımıdır. Zeplin ve bazı balonlar gibi hava taşıtlarında hidrojen kullanılmıştır. Sanayide petrolün rafine edilmesinde, amonyak ve metanol üretiminde, metalürji ve gıda sektörlerinde kullanılmaktadır. Uzay mekiğinin roketlerinin yakıtı da hidrojendir.
Evlerde, sanayide ve ulaşımda elektrik üretimi ve yakıt olarak hidrojen kullanımı için araştırmalar devam etmektedir.
Uygun şekilde depolanabildiği takdirde, hidrojen, ister gaz ister sıvı halde bulunsun yakıt olarak kullanılabilir. Motorlu araçlar ve fırınlar hidrojen yakacak şekilde modifiye edilebilirler. 1950’lerden beri bazı hava taşıtlarında yakıt olarak hidrojen kullanılmıştır. Otomobil üreticileri hidrojenle çalışan otomobiller geliştirmişlerdir. Hidrojen benzinden %50 daha verimli yanar ve daha az kirliliğe yol açar. Kirliliğin azaltılması için benzin, etanol, metanol ve doğal gazla karıştırılabilir. Benzin/hava karışımına sadece %5 oranında hidrojen eklenmesiyle azot oksit salınımı %30-%40 arasında azaltılabilir. Tamamıyla hidrojen yakan bir motor sadece su ve az miktarda azot oksit üretecektir. Hidrojen daha yüksek ateşleme hızına , daha geniş ateşleme sınırlarına, daha yüksek patlama sıcaklığına sahiptir, daha yüksek sıcaklıkta yanar ve benzinden daha düşük ateşleme enerjisine ihtiyaç duyar. Bu hidrojenin daha hızlı yandığı ama erken ateşleme tehlikesi taşıdığını gösterir. Hidrojenin taşıtlarda yakıt olarak kullanılması için önemli avantajları olsa da benzinin yerini alabilmesi için daha pek çok araştırma yapılmalıdır. Hidrojenle çalışan taşıtların yaygınlaşması için en azından 20 yıllık bir sürenin geçmesi gerektiği öngörülmektedir.
Hidrojenin birim ağırlık başına enerji kapasitesi çok yüksek olduğu için hidrojenle çalışan hava taşıtları daha fazla yük taşıyabilirler yada menzilleri önemli ölçüde artabilir.
Yakıt pilleri hidrojenden enerji elde edilmesi için geliştirilen bir teknolojidir. Yakıt pillerinde elektroliz prosesi tersine çevrilerek hidrojenle oksijen elektro kimyasal bir prosesle birleştirilir. Bunun sonucunda elektrik, su ve ısı açığa çıkar. ABD’nin uzay programında uzay araçlarına enerji sağlamak için onlarca yıldır yakıt pilleri kullanılmaktadır. Otomobil ve otobüsleri çalıştıracak güçte yakıt pilleri geliştirilmiştir ve geliştirilmeye devam edilmektedir. Çeşitli şirketler yerleşik enerji üretimi için yakıt pilleri geliştirmek üzere çalışmalar yapmaktadır.
Hidrojen, sürekli üretim yapamayan (güneş, rüzgar) yada enerji tüketim merkezlerinin çok uzağında inşa edilen (hidroelektrik, jeotermal) enerji üretim tesislerinde üretilen enerjinin tamamının yada o an için kullanılmayan kısmının depolanması için kullanılabilir. Örneğin; Humbold State Üniversitesinin Schatz Enerji Araştırma Merkezinde tasarlanan ve inşa edilen bir güneş enerjisi – hidrojen sistemi güneş enerjisi ile bir akvaryumun havalandırılmasını sağlayan kompresörleri çalıştırılmakta artan enerji ile de bir elektroliz cihazı ile hidrojen üretilmektedir. Güneş enerjisinin yetersiz olduğu zamanlarda üretilen hidrojen bir yakıt pilinde yakılarak enerji ihtiyacı karşılanmaktadır.
Hidrojenin büyük elektrik santrallerinde yakılıp enerji üretilmesine yönelik çalışmalar bulunmakla beraber maliyetlerin çok yüksek olması sebebiyle yakın zamanda bu mümkün görülmemektedir. Ancak, doğal gaza hidrojen eklenerek doğal gaz santrallerinin yarattığı kirlilik azaltılabilir. ABD 2030 yılından sonra toplam enerji ihtiyacının %10’unu hidrojenden karşılamayı düşünmektedir.
6.1. Hidrojenin Motorlarda Kullanımı
Uzunca bir süreden beri hidrojenin motorlarda yakıt olarak kullanılma imkanları araştırılmaktadır. Günümüzde yakıt seçiminde ölçüt olarak alınan ulaştırma yakıtı olma özelliği, çok yönlü kullanıma uygunluk, kullanım verimi, çevresel uygunluk, emniyet ve maliyet açısından yapılan değerlendirmeler hidrojen lehine sonuç vermektedir. 1970’lerde hidrojenin alternatif motor yakıtı olarak kullanılması yeniden gündeme gelmiştir. Egzoz emisyon değerlerinin düşük olması, petrole olan bağımlılığı azaltması hidrojenin uzun yıllar önceden tespit edilmiş olan avantajlarıydı.
Hidrojenin kendi kendine tutuşma sıcaklığı yüksek olmasına rağmen, hidrojen-hava karışımlarının tutuşturulabilmesi için gerekli enerji miktarı düşüktür. Tutuşma aralığının geniş olması, hidrojenin daha geniş karışım aralığında düzgün yanmasını sağlar ve yanma sonucunda daha az kirletici oluşur. Benzin motorları ise stokiyometrik orana daha yakın oranlarda yada zengin karışım oranlarında çalıştırılmak zorunda olduklarından egzoz gazlarında önemli miktarda azot oksit (NOx,), karbonmonoksit (CO) ve yanmamış hidrokarbon (HC)’lar oluşur. Hidrojen motorları, maksimum yanma sıcaklığını azaltacak biçimde fakir karışım ile çalıştırılabilirler. Böylece daha az NOx oluşurken, HC ve CO emisyonları oluşmaz. Alev hızının yüksek olması ise Otto motorlarında ideale yakın bir yanmanın oluşmasını sağlayarak, ısıl verimi arttırır. Geniş tutuşma aralığı sayesinde, gaz kelebeğine gerek kalmadığından, karışımın silindirlere kısılmadan gönderilmesi sonucu pompalama kayıpları azaltılmış olur.
Hidrojenin yüksek sıkıştırma oranlarında, fakir karışım ile yanabilmesi yakıt tüketimini azalttığı gibi, yanma sonucu oluşan maksimum sıcaklığı da azaltır. Yanma sonucu partikül madde oluşmadığından bujiler kirlenmez. Alev parlaklığının düşük olması, diğer karbon esaslı yakıtlara göre radyasyon yolu ile olan ısı kaybını azaltacağından daha yüksek verim sağlar.
Hidrojenin alev hızının yüksek olması, buji kıvılcımından sonra karışımın başka noktalardan tutuşma (detenasyon) ihtimalini azaltır. Bu durum sıkıştırma oranının arttırılmasını sağlayacağından motorun gücü de artar [1,6].
6.1.1. Buji ile ateşlemeli motorun hidrojen motoruna dönüştürülmesi
Yakıt besleme sistemleri açısından hidrojen motorları 4 kategoriye ayrılmaktadır. Karbürasyon, emme manifolduna püskürtme, emme supabının arkasına püskürtme ve doğrudan silindir içine püskürtmedir.
Hidrojen ile hava karışımı, sırasıyla dahili ve harici olarak adlandırabileceğimiz yöntemlerle motorun yanma odası içerisinde veya motorun emme manifolduna hazırlanmaktadır. Harici karışım hazırlama yönteminde, basit bir gaz karıştırıcı içerisinde düşük basınçlarda hava ile karıştırılması veya hidrojenin yine düşük basınçlarda motorun emme manifolduna sürekli veya kesikli olarak gönderilmesi mümkündür. Kesikli olarak yakıt gönderme durumunda, dizel ilkesi ile çalışan motorlardaki gibi yüke göre karışım ayarı yapılabilir. Bu durumda karbüratördeki gaz kelebeği ortadan kalkacağı için motorun kısılma kayıpları da kaldırılacak ve hacimsel verim dolayısıyla motorun maksimum gücü artacaktır [1,6].
6.1.2. İçten yanmalı motorlarda hidrojen kullanımı
Hidrojenin içten yanmalı motorlarda yakıt olarak kullanılması konusunda bir çok çalışma yapılmaktadır. Fakat bu çalışmalarda benzine göre tasarlanmış olan motorlar kullanılmaktadır ve bu motorlar hidrojen kullanıma imkan sağlayacak şekilde modifiye edilmişlerdir. Hidrojenin içten yanmalı motorlarda kullanılmasına ilişkin yapılan incelemelerde aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir.
• Bazı küçük değişikliklerle benzin motorları hidrojen ile çalışır duruma getirilebilirler. Isıl verimleri benzin motorununkine yakındır.
• Stokiyometrik çalışma şartlarında hidrojen motorunda yüksek miktarda NOx oluşur. Fakat silindirlere gönderilen karışım fakirleştirilerek NOx oluşumu azaltılabilir.
• Benzin motorundan hidrojen motoruna çevrilmiş motorda, stokiyometrik hidrojen-hava karışımında %20 güç kaybı meydana gelir.
• Karbüratörlü motorlarda emme manifoldundaki alev tepmesi önemli bir problemdir.
Hidrojen motorunun bu dezavantajları, onun benzin motoru ile rekabet etme sansını azaltmaktadır. Fakat günümüze kadar yapılan çalışmalar ile bu problemler çözülerek, hidrojenin motor verimine ve hava kirliliğinin azaltılmasına olan katkıları görülmüştür. Hidrojenin sıkıştırma oranı yüksek olan motorlarda kullanılması ile de sebep olduğu güç kaybı azaltılabilir. Ayrıca aşırı doldurma uygulanarak ilave güç sağlanabilir. Sıkıştırma oranının arttırılması ve fakir karışım ile hidrojen motorunun ısıl veriminde, benzinli motora göre %25’lik bir artış sağlanabilir. Fakir karışım ile alev tepmesi önemli miktarda azaltılır.
Akaryakıt motorlarında görülen buhar tıkacı, soğuk yüzeylerde yoğuşma, yeterince buharlaşmama gibi sorunlar hidrojen motorlarında yoktur. Hidrojen motorları 20,13 °K’ de (-253°C) ilk harekete geçerken bile sorun çıkarmaz [1,6].
6.1.3. Hidrojenin motorlarda yakılması ve işletim problemleri
Hidrojen yakıtlı motorlarda yanma açısından ortaya çıkan en önemli iki sorun, geri tutuşma ve erken ateşleme olaylarıdır. Yanma odasına gönderilen yakıt hava karışımının silindire girmeden önce tutuşması sonucunda motorun emme manifoldun içinde geriye doğru alevin ilerlemesi geri tutuşma olarak tanımlanmaktadır. Bu olay emme sistemi elamanlarını tahrip etmekte ve emniyet açısından sorun oluşturmaktadır. Yanma odasına gönderilen karışımın bujide kıvılcım çakmadan önce sıcak odaklar tarafından tutuşturularak yanmayı istenilenden önce başlatması da erken tutuşma olarak tanımlanmaktadır. Hidrojenin tutuşma enerjisinin düşük olması bu iki sorunu ortaya çıkarmaktadır. Geri tutuşma hava fazlalık kat sayısının 2 ila 3 arasında olduğu durumlarda oluşmaktadır. Hidrojenin yakıt olarak kullanılabilmesi için bu sorunların ortadan kaldırılması gerekir.
Geri tutuşmanın sebeplerinden biri benzin ile kıyaslandığında hidrojenin tutuşturulabilmesi için daha düşük iyonlaşma enerjisine ihtiyaç duymasıdır. Dolayısıyla hidrojen yakıtlı motorlarda buji kıvılcımından sonra ateşleme sisteminde kalan artık enerji miktarı daha fazla olur. Egzoz zamanı genişleme periyodundan sonra silindir içi basıncının atmosfer basıncına yakın olduğu durumlarda, sistemdeki artık enerji bujide kıvılcım oluşmasına sebep olur. Kıvılcımın oluştuğu nokta çevrimden çevrime farklılık gösterir. Eğer buji kıvılcımı emme zamanında oluşursa, diğer bazı etkenlerle birlikte geri tutuşmaya sebep olur. Artık enerji oluşumunu önlemek için ateşleme sistemi modifiye edilmelidir.
Yüksek yük altında, yanma odasındaki sıcak noktalar karışımın erken ateşlenmesine sebep olur. Hidrojenin tutuşma enerjisinin düşük olması nedeniyle; yanma odasındaki sıcak noktalar, supap bindirmesinde sıcak egzoz gazları, çok fakir karışımlarda yanma hızlarının düşük olması nedeni ile yanma süresinin artması sonucu yanan gazlarla yeni karışımın teması, motor yağından gelen sıcak partiküller, yanmayı istenilenden önce başlatabilmektedir. Bu amaçla yanma odası sıcaklığının düşürülmesi gerekmektedir. Bunun için; karışımın bir miktar fakirleştirilmesi, egzoz gazları resirkülasyonu (EGR), yanma odasına su püskürtülmesi, sübap bindirmesi süresinin azaltılması, giriş havasının sıvı hidrojen kullanımı sonucu soğutulması gibi çeşitli yöntemler uygulanabilir. Ancak karışıma EGR uygulanması veya gönderilen hidrojenin azaltılması sonucu fakirleştirilmesi çevrimden çevrime olan farklılıkları artıracak ve motorun düzenli çalışmasını önleyecektir. Ayrıca EGR sonucu ortalama efektif basınçta düşecektir.
Hidrojen yakıtlı motorlarda hava-yakıt oranı 0,8 olduğunda egzoz gazları içindeki NOx miktarı maksimum olur. NOx oluşumunu azaltmak için hidrojene saf oksijen ilave edilmelidir. Bu durum ise sisteme daha karmaşık hale getirir ve taşıt ağırlığını arttırır. Bu sorunun çözümü için kullanılan yöntemlerden biri; taşıt üzerinde suyu elektroliz ederek, açığa çıkan hidrojen ve oksijenin basınç altında depo edilmesidir. Şekil 6.1’de böyle bir sistem görülmektedir.
Şekil 6.1. Buji ile Ateşlemeli Motorlara Hidrojen Takviyesi ve Egzoz Gazları Emisyonu [1].
Benzin motoruna hidrojen takviyesi ile yanmamış hidrokarbon emisyonları azaltılarak ısıl verim iyileştirilir. Hidrojen takviyesi yapılan Otto motorlarında küçük bir ön yanma odası mevcuttur. Yanma odası bujinin yerine yerleştirilmiştir. Bu ön yanma odası içinde hidrojen enjektörü ile buji vardır. Esas yakıt ise (benzin, metanol, propan vs.) emme portlarındaki enjektörlerden püskürtülerek silindirlere gönderilir. Hidrojen takviyesi ile esas yanma odası içinde yakılan hidrokarbon esaslı yakıtların çok fakir karışım oranlarında düzgün bir şekilde yakılması sağlanır. Böylece ısıl verim arttırılarak, azot oksit emisyonları önemli derecede azaltılır.
Hidrojenin hava ile yanmasının sonucu da, yakıtta karbon bulunmaması nedeni ile yanma ürünleri arasında CO, CO2, HC’ler mevcut olmayacak, sadece motorun yağlama yağının yanması nedeni ile oluşan HC’ler egzoz gazları arasında bulunacaktır. Ayrıca yüksek yanma sıcaklıkları nedeniyle havanın kimyasal reaksiyonu sonucu azot oksitler oluşacaktır.
Hidrojenin yanma ürünü su buharıdır ve sınırlı maksimum sıcaklıklardaki NOx emisyonları ihmal edilebilir. Nitekim hidrojenle çalışan bir içten yanmalı motor, günümüz taşıt motorlarından çok daha az NOx emisyonuna neden olmaktadır [1,6].
6.2. Yakıt Pilleri
Yakıt pili sisteme dışarıdan sağlanan yakıt ve elektrokimyasal reaksiyonun gerçekleşmesi için gerekli olan oksitleyicinin kimyasal enerjisini doğrudan elektrik ve ısı formunda kullanılabilir enerjiye çeviren güç üretim elemanıdır.
. İlk yakıt pili çalışmaları 1838 yılında Sir William Grove tarafından H2-O2 pili üzerinde yapılmıştır. Yaptığı çalışmalar sırasında suyun elektrolizinin ters reaksiyonu sonucunda sabit akım ve gücün üretildiğini fark eden Grove, böylece tesadüfen çok büyük bir buluş gerçekleştirmiştir. Yakıt pili tarihi çok eski tarihlere dayanmasına rağmen ilk kullanımı 120 yıl sonra, 1958 yılında NASA’ nın uzay programında Apollo, Gemini, ve Space Shuttle uzay gemilerinde yakıt olarak kullanılmasına dayanmaktadır
Bir yakıt pili, anot (negatif, hidrojen elektrot), katot (pozitif, oksijen elektrot) ve elektrolit çözeltisinden oluşur. Hava katot yüzeyi üzerinden geçerken, hidrojen veya hidrojence zengin gaz da anot yüzeyinden geçer. Elektronlar katoda doğru bir dış devre yoluyla taşınırlarken, hidrojen iyonları da elektrolit yoluyla oksijen elektroda göç ederler. Katotta oksijen ve hidrojen iyonları ile elektronların reaksiyona girmesiyle su elde edilir. Elektronların dış devre yoluyla akışı elektrik üretir. Şekil 6.2 de basit bir yakıt pilinin yapısı verilmiştir.
Yakıt kullanımındaki yüksek verim nedeniyle, bu elektrokimyasal işlemden çıkan yan ürün sadece su ve ısıdır. Yakıt pili sistemi bir yanma reaksiyonu vermediği için çok daha fazla elektrik üretmektedir. Tek bir hücre gerilimi 1 volttan daha az olduğundan, gerekli elektrik enerjisini üretmek için birden fazla yakıt pili seri ve paralel bağlayarak kullanmak gereklidir.
Bir yakıt pili “Yakıt İşleme Ünitesi”, “Güç Üretim Sistemi” ve “Güç Dönüştürücü” olmak üzere 3 ana bölümden oluşmaktadır. Yakıt İşleme Ünitesi’nde yakıt beslemesi gerçekleştirilirken, dolaylı besleme yönteminde ön işlemlerin gerçekleştirildiği ünitedir. Güç Üretim Sistemi olarak isimlendirilen bölüm bir veya birden fazla yakıt pili yığınından meydana gelmektedir( Şekil 6.3.).
Şekil 6.3. Yakıt hücresi Güç Üretim Sistemi[8].
Yakıt pilinde doğrudan birincil enerji kaynağı olarak, hidrojen kullanılabileceği gibi, dönüştürme yapıldığı takdirde, doğal gaz, LPG, metanol, nafta veya benzin gibi hidrojen içeren yakıtlar da kullanılabilir. Hidrojen içeren maddelerden saf hidrojen elde etmek için öncelikle bir yakıt işlemci (reformer) kullanmak gereklidir.
Yakıt pilleri, yeni enerji üretim teknolojisi olarak bilinen ticari güç üretim sistemlerinin gelişiminde; termik, nükleer ve hidrolik sistemlerin ardından dördüncü kuşak teknoloji olarak değerlendirilmektedir. Yakıt pili ile enerji üretimine yönelik araştırmalar son yıllarda oldukça yoğunlaşmıştır. Bunun nedeni, enerji üretim veriminin mevcut sistemlerden daha yüksek olmasıdır. Yakıt pili tipine ve yapısına bağlı olarak, doğru akım elektrik enerjisi üretim verimi %40-60 arasındadır. Yakıt pili, ölçüsüne ve yük durumuna bakmaksızın, yüksek verimde çalışabilmektedir. Atık ısı değerlendirildiği takdirde, toplam enerji verimi %85’e yaklaşmaktadır.
Yakıt pili teknolojisi ile elektrik enerjisi elde edilmesi tipik olarak alevli bir yanma işlemi içermediğinden yanma esaslı teknolojilerden daha fazla enerji üretmektedir. Bataryanın tersine yakıt pili şarj gerektirmemekte ve yakıt sağlandığı sürece kesintisiz güç üretimine devam etmektedir.
Yakıt pili, okul sıralarında öğrenilen suyun elektrolizinin tersine bir reaksiyon gerçekleştirir. Elektroliz işleminde elektrik gücü uygulanarak su, gaz bileşenleri olan hidrojen ve oksijene ayrışır. Yakıt pili bu iki bileşeni alarak, tekrar suya dönüştürür. Teoride, elektroliz için kullanılan aynı miktardaki enerji bu dönüşüm ile serbest bırakılır. Pratikte ise, farklı kimyasal süreçler nedeniyle kayıplar meydana gelmektedir. Böylece elektrik gücü hidrojende depolanabilmektedir. Yakıt pili ile hidrojende depolanan elektrik gücü geri alınabilmektedir. Birçok yakıt pili hava ile çalışabildiğinden oksijeni depolamaya gerek yoktur.
Yakıt pili geleneksel güç üretim sistemlerine göre aşağıdaki üstünlüklere sahiptir:
• Çevresel kirlilik oranı çok düşüktür,
• Enerji üretim verimi oldukça yüksektir,
• Farklı yakıtlar ile çalışabilir (hidrojen, doğal gaz, metanol, LPG, nafta vb.),
• Atık ısı geri kazanılabilir (kojenerasyon),
• İşletim karakteristiği uygulamada kolaylık sağlar,
• Geleceğe yönelik gelişme potansiyeli oldukça yüksektir,
• Katı atık ve gürültü problemi yoktur,
• Güç yoğunluğu yüksektir,
• Düşük sıcaklık ve basınçta çalışabilir,
• Modüler yapıdadır,
• Şebeke ile birlikte veya ayrı çalışabilir.
Avrupa’da elektrik güç piyasasının özelleşmesiyle birlikte, büyük çaplı güç üretim istasyonlarının kurulması ve geniş iletim ve dağıtım hatlarının tesisinin gelecekte geri ödemesinin olmayacağı endişesi ortaya çıkmıştır. Bu görüşe alternatif olarak, rüzgar türbinleri, mikro türbinler, ve blok ısı ve güç üreten istasyonlar gibi tek başına (stand alone) uygulamalar önerilmektedir. Bu tür dağıtılmış güç üretimi uygulamaları içinde yakıt pili teknolojisi önemli yer tutmaktadır. Çeşitli güç ölçülerinde birkaç yüz yakıt pili güç sistemini bir şebeke üzerinde birbirine bağlayarak kolaylıkla 100 MW çıkış gücüne erişilebilmektedir. Bu sistemde herhangi bir yakıt pilinin arıza durumu da tüm şebekenin güvenilirliğini etkilemez. Günümüzde bir çok ülkede büyük güç istasyonları yerine daha küçük, modüler ve ısı ve elektrik üreten kojenerasyon sistemleri tercih edilmektedir.
ABD enerji bakanlığı tahminlerine göre 2015 yılında dünya enerji tüketimi 1995’dekinden %120 daha fazla olacaktır (bu oran gelişmekte olan Asya ülkelerinde %129). Dünyanın en büyük petrol şirketleri, otomobil üreticileri ve elektrik şirketleri hidrojenden elektriği en verimli biçimde üretecek yakıt pili geliştirmeye çalışmaktadırlar. Gelişmelere bakılırsa iki binli yıllara yakıt pilli taşıtları kullanarak gireceğiz. Evlerimizde iş yerlerimizde kullandığımız elektrik yine yakıt pilinden üretiliyor olacaktır [2,3,8].
6.2.1. Temel Yakıt Pili Teknolojileri
Yakıt pili teknolojisi askeri, taşınabilir, konutsal, uzay, sabit güç ve ulaşım araçlarında kullanılabilmektedir. Tüm yakıt pili tipleri yakıt olarak saf hidrojen gerektirmektedir. Hidrojen ise birçok farklı yoldan ve yakıt kaynağından üretilebilmektedir. Bunların başında suyun elektrolizi ve doğal gaz veya alkol gibi hidrokarbon yakıtlardan yakıt işleme (reforming) gelmektedir.
Birtakım yakıt pilleri halen gelişmektedir. Bunlar genellikle kullanılan elektrolit tipine göre sınıflandırılmaktadır. Şu anda üzerinde çalışılan başlıca yakıt pili türleri şunlardır :
1. Proton değişim zarlı (PEM) veya katı polimer elektrolitli yakıt pili (SPEFC)
2. Alkalin yakıt pili (AFC)
3. Fosforik asit yakıt pili (PAFC)
4. Erimiş karbonat yakıt pili (MCFC)
5. Katı oksit yakıt pili (SOFC)
6. Direkt metanol yakıt pili (DMFC)
PAFC, en gelişmiş ticari yakıt pili tipidir. PAFC, hastaneler, oteller, resmi daireler, okullar şebeke güç istasyonları ve hava alanı terminalleri gibi çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. PAFC, içten yanmalı motorların %30 verimine karşılık eğer atık ısı kojenerasyon ile kullanılırsa yaklaşık %85, kullanılmazsa %40 ve daha fazla verimle elektrik üretir. İşletim sıcaklığı 200°C dır.
Proton değişim zarlı (PEM) yakıt pilleri yapımı kolay, oldukça hafif ve verimli cihazlardır. PEM yakıt pili saf oksijen yerine atmosferik oksijeni kabul ederken, bir yakıt işlemci (reformer) ile elde edilen saf hidrojen gerektirmektedir. Ayrıca PEM yakıt pilleri karbon monoksite (CO) duyarlıdır. CO gazı anot katalizörünü tıkayarak yakıt pili performansının düşmesine neden olmaktadır. Yakıt pili temel bileşeni olan elektrolit, polimerden üretilen bir katı proton değişim zarından meydana gelmektedir.
PEM, oldukça düşük sıcaklıkta çalışır (80°C), yüksek güç hacmine sahiptir ve güç talebindeki değişimi karşılamak için çıkış gücünü çabucak değiştirebildiği için çabuk çalışmayı gerektiren otomobil gibi uygulamalara uygundur. PEM yakıt pilleri uzun ömürlü ve hafiftir. Yüksek akım ve güç yoğunluğuna sahiptir. Üretim maliyetlerinin pahalı olması dezavantajıdır. Ayrıca su idaresi de performans için kritik bir noktadır. PEM yakıt pilleri tüm yakıt pilleri arasında en fazla ilgi çeken ve en fazla ümit vaat eden tipidir. Günümüzde geliştirilen yakıt pilleri arasında PEM yakıt pilleri bu özellikleri nedeniyle en başta gelmektedir. Bu önemli potansiyelin en önemli nedeni seri üretime imkan vermesidir. Bir PEM yakıt pili modülü için ticari üretim maliyeti 400 $/kW olarak hedeflenmektedir [2,3].
6.2.2. Konutsal Yakıt Pili Kullanımı
Konutsal yakıt pili enerji üretim cihazları içinde en yaygın pil tipi, yüksek güç yoğunluğu nedeni ile PEM yakıt pilidir. Konutsal yakıt pili enerji üretim cihazları deneme ürünlerinin 2003 yılında piyasaya sınırlı sayıda sunulması beklenmektedir. Yüksek miktarda seri üretimin 2004 yılından sonra başlaması öngörülmektedir.
Konutsal yakıt pili sistemleri gelişiminde çözüm bekleyen sorunlar da bulunmaktadır. Bu sorunlar aşağıdaki gibi sıralanabilir:
• Yakıt dönüştürücü sorunları
• Maliyet
• Isınma süresi
• CO
• Yöntem
• Hidrojen depolaması ve taşıması
• Ekonomik hidrojen üretimi
• Kojenerasyon sistemi
• CO2 Atığı
Bu sorunların çözümüne yönelik olarak başta Amerika ve Avrupa olmak üzere tüm dünyada araştırma ve geliştirme faaliyetleri hızla sürmektedir.
Konutsal yakıt pili üretimi yapan firmaların kojenerasyon enerjisinin kullanımı için, büyük çapta ısı enerjisi kullanımına yönelik çalışan büyük firmalar ile yakıt pili geliştirmeye yönelik olarak ortaklıklar içine girdiği görülmektedir. Yakıt pilleri birkaç yüz kilowatt güçlerde üretilebilmeleri yanında küçük ve mini ölçülerde de yapılabilmektedir. Özellikle 5-10 kW güçlerde elektrik üreten konutsal yakıt pili güç sistemlerinin önümüzdeki yıl piyasaya çıkması beklenmektedir. Böylece evlerimizde kullandığımız doğal gazdan ısınma ihtiyacımızı karşılayan kombi cihazları yerine, hem ısıtma ve sıcak su hem de elektrik üreten yakıt pili güç sistemlerini kısa sürede kullanmaya başlayacağız. Bu konuda yakıt pili üreticileri ve ısıtma konusundaki dünya çapındaki şirketler ortak çalışmalar yürütmektedir. Bu firmalar, 2010 yılına kadar 100.000 konutsal yakıt pili güç sistemi satmayı planlamaktadır [2,3].
6.2.3. Ticari Yakıt Pili Üretimi
Yakıt pilleri aynı zamanda, dağıtılmış elektrik enerjisi (distributed electric energy) kavramına katkıda bulunmaktadır. Bu cihazlarla uzak bölgelere elektrik enerjisi götürülebilmektedir. Dağıtılmış enerji düzeninde, elektriğin tüketicilerin bulunduğu kentlerden uzakta üretilmesine gerek kalmamaktadır. Ayrıca, santrallerden kullanıcılara kadar uzanan binlerce kilometrelik elektrik iletim hatlarına ve aradaki transformatör ve direklere de gerek duyulmamaktadır.
Yakıt pilinin tüm bu avantajlarına karşılık kısa dönemde güç üretimi amacıyla kullanılabilmesi için çözülmesi gereken birkaç sorun bulunmaktadır. Bunlardan ilki yakıt pili güç üretim sistemlerinin maliyetleridir. Şu anda anahtar teslim bir yakıt pilli güç üretim sistemi maliyeti 1000-1200 $/kW olarak belirlenmektedir. Fakat yakın bir gelecekte seri üretim ve yeni teknolojiler ile bu maliyetlerin yakın dönemde 400$/kW, verimlerinin de %80 ve daha fazla olması hedeflenmektedir. Ayrıca bu yeni teknoloji birçok prototip uygulaması ile test ediliyor olmasına rağmen halen tam kanıtlanmamış bir teknolojidir.
Son birkaç yıldır tüm otomobil üreticileri yakıt pilli otomobil geliştirmek üzere çalışmakta ve seri üretimin otomotiv uygulamaları için 2004 yılında başlaması beklenmektedir
Dünyada tüm bu gelişmeler olurken Türkiye enerji sektörü bu yeni teknolojiye dikkat çekmelidir. Özellikle doğal gazın oldukça yaygın olduğu ülkemiz büyük kentlerinde doğal gazdan enerji üretimine yeni bir alternatif olarak yerinde enerji üretimi açısından yakıt pili teknolojisi oldukça kullanışlıdır. Böylece konutlar, iş merkezleri, orta ölçekli fabrikalar, otel ve hastaneler elektrik gereksinimleri yanında sıcak su ve ısınma ihtiyaçlarını da bu yeni teknoloji ile giderebilecektir.
Yakıt pillerinin yaygın bir şekilde kullanımındaki en önemli engel şimdilik yüksek yatırım maliyetleri ve kısa işletim zamanı olarak gözükmektedir. Bu konular üzerinde de çok geniş araştırmalar yapılmaktadır. Anahtar teslim evsel yakıt pilli güç üretim sistemlerinin iki yıl içerisinde devreye girmesi beklenmektedir. Fakat bu yeni teknolojinin hızlı gelişimi dikkate alındığında daha kısa sürede önemli değişimlerin olacağı açıktır [2,3,8].
Yakın bir gelecekte birçok bölgede evsel yakıt pili güç üretim uygulamaları, şebeke gücü kullanmak yerine çekici bir alternatif olacaktır. Yakıt pili, bir fırın, su ısıtıcısı veya merkezi klimaya benzer biçimde bir ev eşyası olarak yerini alacaktır. Yakıt pili evin içinde veya dışında tesis edilebileceği gibi şebekeye bağlı veya bağlı olmadan çalışarak evin elektrik ve ısıtma ihtiyaçlarını karşılayacaktır. Ayrıca yakın bir gelecekte elektrik dağıtım şirketlerinin özelleştirilmesiyle birlikte ürettiği elektriği yüksek talep sürelerinde şebekeye satarak enerji tasarrufu ve kullanıcıya gelir sağlayacaktır. Unutulmamalıdır ki, sürdürülebilir kalkınma ancak çevre ile uyumlu, kaliteli ve ucuz enerjinin zamanında temini ile mümkün olur.
7. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME
Hidrojen enerjisi alanında çeşitli ülkelerin işbirliği sonucu hidrojenin üretim, dağıtım ve kullanım teknikleri üzerinde yoğunlaşılmış ve uluslararası programlar başlatılmıştır. Güvenlik sıralamasında propan ve metanın arasında olan hidrojenin güvenlik karakteri diğer yakıtlardan oldukça farklıdır. Ayrıca hidrojen diğer yakıtlara göre pahalıdır ancak hidrojen çağına adım atılmakla maliyetin hızla düşeceği beklenmektedir. Hidrojen kullanımı sonucunda sadece su oluştuğundan hidrojen (özellikle solar hidrojen) kullanımı ile çevresel ve iklimsel kalite iyileşecektir. Ancak bu iyileşmelerin olabilmesi için hidrojen kullanımına bir an önce geçilmesi gerekmektedir. Geçiş ne kadar erken olursa uzun dönemde ekonomi ve çevre açısından o kadar yararlı olacaktır.
Çevre sorunları hidrojen kullanımına yönelmeyi gerektirirken, fosil yakıt rezervlerinin sınırlı oluşu bu gelişmeyi zorunlu duruma getirmektedir. Çağdaş teknolojinin ürünü olan hidrojenin üretimi, taşınması, depolanması ve hemen her sektörel kesimde kullanımı için geliştirilmiş hazır teknolojiler mevcuttur ve ilk uygulamalar da yapılmıştır. Uzun dönemde de hidrojen üretim alanındaki problemler çözülerek gelecekte hangi hidrojenin uygun bir enerji kaynağı olacağı belirlenmelidir.
Hidrojen enerjisi alanında, çeşitli ülkelerin işbirliği sonucu uluslararası programlar başlatılmıştır. 2010 yılına kadar yakıt hidrojenin ticari kullanımının başlaması beklenmektedir. Önümüzdeki çağ hidrojen çağıdır. Hiçbir ülke bu çağdaş gelişimden soyutlanamayacağı için Türkiye’nin hidrojen ile ilgili bir strateji, bir politika saptaması ve çalışmalara girişmesi gerekmektedir. Ülkemizde hidrojen enerjisine verilen önem diğer alternatif yakıtlara olduğu gibi düşük düzeyde olup, enerji politikamızda geleceğe dair yatırımlar içinde hidrojen enerjisini de yer alması ve dünya ile aynı seviyede araştırma ve geliştirme çalışmalarının yapılması gerekmektedir.
Ülkemizde yakıt pili üniversitelerimizde bilimsel düzeyde uzun zamandır devam etmektedir. İTÜ, ODTÜ ve YTÜ’nde değerli hocalarımız ve araştırma grupları yakıt pilleri üzerinde çalışmalarını sürdürmekte ve dünya çapında başarılara imza atmaktadır. Yakıt pillerine ilk endüstriyel ilgi ELİMSAN Şirketler Grubu tarafından gösterilmiştir. Bir başka proje de Endüstri- Üniversite işbirliği olarak sonuçlandırılmıştır. EAE Elektrik A.Ş., konutlarda yakıt pilinin kullanımı ve Türkiye’de yakıt pili üretimi amacıyla, TÜBİTAK-TİDEB tarafından desteklenen bir proje başlatmıştır. Bu projenin amacı, Proton Değişim Zarlı (PEM: Proton Exchange Membrane) bir yakıt pili prototipi geliştirmektir. Projenin amacı 5 kW elektriksel güç üreten bir cihaz geliştirmektir. Proje sonucunda, doğrudan hidrojenle çalışan veya bir yakıt işlemci (reformer) ilavesi ile, doğal gaz veya LPG ile de çalışabilecek, bir prototip üretilmesi hedeflenmektedir. Sistemde kullanılacak güç dönüştürücü (inverter) ile yakıt pilinde üretilen doğru akım, alternatif akıma dönüştürülecektir. Söz konusu prototipin oluşumu sırasında geliştirilecek teknoloji ile, konutlarda elektrik enerjisi ihtiyacını bağımsız şekilde ve çevre koşullarına uygun biçimde karşılamak mümkün olacaktır. Çok yakında “Temiz Enerji Yasası” düzenlenecektir. Bu yasa kapsamında EPDK çalışmaları içinde yakıt pillerinin yerini bulması ve üretilecek elektriğin konumunun belirlenmesi gereklidir
Sonuç olarak, hidrojen enerjisi ve yakıt pilleri gerek taşıt gerek güç istasyonları uygulamalarında gelecekte çok önemli kullanım alanına ve sektörde büyük bir paya sahip olacaktır. Dünyada önde gelen otomotiv şirketleri ve devletler , yakıt pillerinin geliştirilmesi ve araştırılması için çok yüksek miktarlarda para ve zaman harcamaktadır. Çevre faktörünün önem kazandığı bu zamanda çevre dostu olmasının yanında yüksek verime de sahip olan yakıt pilleri gelecekte uygun fiyat uygulamalarıyla öne çıkacak ve alternatif yakıtlar içinde ilk sıraya oynayacak yakıtlardan biri olacaktır