YenilenebiLİr enerji kaynaklari ve teknolojileri
Yüklə 203,05 Kb.
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- 7.1.Hidrojenin Kullanım Alanları
- 7.4.Hidrojenin Depolanması
- 7.5.Hidrojenin Taşınması
7.HİDROJEN ENERJİSİHidrojen enerjisi tüketiciye yakıt ve/veya elektrik biçiminde sunulan bir enerji kaynağıdır. Bu enerji, sudan elde edilebilmekte ve yüksek verimlilikle, çevre üzerinde hiçbir olumsuz etki yaratmadan yararlı bir enerjiye dönüştürülebilmektedir. Hidrojen, doğada en çok bulunan element olmasına rağmen hafifliği sebebi ile atmosfere yükselip kaldığından yeryüzünde diğer elementlerle bileşik halde bulunur. Doğadaki miktarı sonsuz olup tükenmez, yanması ile çok yüksek verim elde edilir ve sonuçta su buharı meydana gelir. Atık madde olarak hidrojenin yanmasından su buharı oluşması doğal çevreye zarar vermemesinin yanında, diğer enerji atıklarının verdiği zararların giderilmesine yardımcı olabilmekte ve teknolojinin birçok alanında hidrojen atıklarından etkin bir şekilde doğal geri dönüşümlü olarak yararlanılabilmektedir [2]. Doğada bileşikler halinde bol miktarda bulunan hidrojen serbest olarak bulunmadığından doğal bir enerji kaynağı değildir. Bununla birlikte hidrojen birincil enerji kaynakları ile değişik hammaddelerden üretilebilmekte ve üretiminde dönüştürme işlemleri kullanılmaktadır [13]. Hidrojen, evrenin en basit ve en çok bulunan elementi olup, renksiz, kokusuz, havadan 14.4 kez daha hafif ve tamamen zehirsiz bir gazdır. Güneş ve diğer yıldızların termonükleer tepkimeye vermiş olduğu ısının yakıtı hidrojen olup, evrenin temel enerji kaynağıdır. -252.77°C'da sıvı hale getirilebilir. Sıvı hidrojenin hacmi gaz halindeki hacminin sadece 1/700'ü kadardır. Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir (Üst ısıl değeri 140.9 MJ/kg, alt ısıl değeri 120,7 MJ/kg). 1 kg hidrojen 2.1 kg doğal gaz veya 2.8 kg petrolün sahip olduğu enerjiye sahiptir. Ancak birim enerji başına hacmi yüksektir [18]. Hidrojen enerjisinin ideal bir yakıt ve enerji taşıyıcısı olmasının yanı sıra diğer avantajları kısaca şu şekilde özetlenebilir: Üretilmesi kolaydır, taşıma sektörü için uygun bir yakıttır, elde edilen enerji diğer enerji formlarına kolayca dönüştürülebilir, yüksek verimle yararlanılır, çevreye zararsızdır, diğer yenilenebilir enerji kaynakları örneğin rüzgar ve güneş doğa şartlarına bağlı olarak gelişeceğinden zaman zaman kesintilere uğrayabilir. Ancak hidrojen enerjisi süreklidir ve uzun mesafelere enerji iletimini sağlar. 7.1.Hidrojenin Kullanım Alanları1970’li yıllara girilirken hidrojen enerji taşıyıcısı olarak göz önüne alınmamakta ve hidrojen enerjisi kavramına enerji literatüründe pek rastlanmamaktaydı. 1974 ‘de Amerika Florida Maimi Üniversitesi Temiz Enerji Araştırma Enstitüsü’nde, Enstitü Direktörü Türk bilim adamı Prof.Dr.T.Nejat Veziroğlu’nun başkanlığında hidrojen enerjisi ile ilgili ilk çalışmalar başlamıştır. Hidrojen; alevli yanmaya, katalitik yanmaya, doğrudan buhar üretimine, kimyasal dönüşüme ve yakıt pilleri ile elektro-kimyasal dönüşüme uygun bir yakıttır. Fosil yakıtlarda alevli yanma dışında sıralanan özelliklerin bulunmayışı hidrojenin üstünlüğüdür. Hidrojenin alevli yanması içten yanmalı motorlarda, dizel motorlarında, gaz türbinlerinde, jet motorlarında, roket motorlarında, ısıtma ve pişirmede uygulanabilirliğini sağlamaktadır. Katalitik yanmasının uygulandığı yerler pişirme, su ısıtma, hacim ısıtma ve absorbsiyonlu soğutucular için ısı sağlamadır. Hidrojenden doğrudan buhar üretimi buhar türbinlerinde, endüstriyel buhar ve ısıtma buharı sağlanmasında kullanılmaktadır. Hidrojenin hidridleşmeye dayalı kimyasal dönüşümü, hidrojen depolamanın dışında hidrojen arıtma, döteryum ayrıştırılması, sıkıştırma, pompalama, ısı pompaları, soğutma, iklimlendirme ve elektrik üretiminde uygulanır [4]. 7.2.Hidrojenin Üretimi Hidrojen üretiminde tüm enerji kaynakları kullanılabilmektedir. Kullanılan hammaddeler ise su, fosil yakıtlar ve biokütle materyallerdir. Yakıt olarak kullanılacak hidrojenin üretimi için suyun direkt elektrolizi, termokimyasal üretim, fotobiyolojik üretim yöntemleri ağırlık kazanmıştır. Hidrojen üretiminde güneş enerjisinden yararlanma istemiyle, elektrolizde kullanılacak elektrik enerjisinin fotovoltaik panellerden üretilmesine yönelik olarak, güneş fotovoltaik-hidrojen enerji sistemleri üzerinde önemle durulmaktadır. 7.3.Hidrojenin Sıvılaştırılması Hidrojenin sıvılaştırılması gaz hidrojenin kompresörlerde yüksek basınçta sıkıştırılması, sıkıştırılmış gazın sıvı nitrojen ile soğutulması ve türbinlerde genişletilmesiyle olur [8]. Teoride ideal bir sıvılaştırma prosesinde izotermal kompresör ve izentropik türbin kullanılır. Pratikte ise türbin sadece gazın soğutulması amacıyla kullanılır, yoğuşturmada kullanılmaz. Çünkü aşırı sıvı formasyonu türbin kanatçıklarına zarar verir [3]. 7.4.Hidrojenin DepolanmasıHidrojenin belki de en önemli özelliği, depolanabilir olmasıdır. Bilindiği gibi, günümüzde büyük tutarlarda enerji depolamak için hala uygun bir yöntem bulunmuş değildir. Eğer bugün diğer enerji santrallarından üretilen elektrik enerjisinin depolanması mümkün olsaydı, enerji sorununu bir ölçüde çözmek mümkün olabilirdi. Ancak, elektrik enerjisi için bilinen en iyi depolama yöntemi hala asitli akümülatörlerden başka bir şey değildir. Hidrojen gaz veya sıvı olarak saf halde tanklarda depolanabileceği gibi, fiziksel olarak karbon nanotüplerde veya kimyasal olarak hidrür şeklinde depolanabilmektedir. Hidrojen uygun nitelikli çelik tanklarda gaz veya sıvı olarak depolanabilir. Ancak gaz olarak depolamada yüksek basınç nedeniyle tank ağırlıkları problem yaratmaktadır. Hidrojen gazını depolamanın belki de en ucuz yöntemi, doğal gaza benzer şekilde yeraltında, tükenmiş petrol veya doğal gaz rezervuarlarında depolamaktır. Maliyeti biraz yüksek olan bir depolama şekli ise, maden ocaklarındaki mağaralarda saklamaktır. Hidrojen petrole göre 4 kat fazla hacim kaplar; hidrojenin kapladığı hacmi küçültmek için hidrojeni sıvı halde depolamak gereklidir. Bunun için de yüksek basınç ve soğutma işlemine ihtiyaç vardır. Sıvılaştırılmış hidrojen yüksek basınç altında çelik tüpler içinde depolanabilir. Bu yöntem orta veya küçük ölçekte depolama için en çok kullanılan yöntemdir. Ancak büyük miktarlar için oldukça pahalı bir yöntemdir. Çünkü hidrojen enerjisinin yaklaşık ¼'ü sıvılaştırma işlemi için harcanmalıdır. Bir diğer pratik çözüm ise, sıvı hidrojenin düşük sıcaklıktaki tanklarda saklanmasıdır. Uzay programlarında, roket yakıtı olarak sürekli şekilde kullanılan sıvı hidrojen bu yöntemle depolanmaktadır. Dünyadaki en büyük sıvı hidrojen tankı, Kennedy Uzay Merkezinde olup 3400 m3 sıvı hidrojen alabilmektedir. Bu miktar hidrojenin yakıt olarak değeri 29 milyon MJ veya 8 milyon kWh’e karşılık gelmektedir. Son yıllarda yapılan çalışmalar sonucu hidrojen karbon nanotüplerde de depolanabilmektedir. Karbon nanotüpler kısaca grafit tabakaların tüp şekline dönüşmüş halidir. Çapları birkaç nanometre veya 10-20 nanometre mertebesinde, boyları ise mikron seviyesindedir.
Hidrojen sıkıştırılmış gaz, sıvı ya da metal hidritlerle katı halde taşınabilir. Hidrojen tüplere doldurularak karayolu, demiryolu, denizyolu ve boru hatları ile iletilmektedir. Hidrojenin taşınmasında seçimi etkileyecek ana faktörler uygulama, miktar ve üretim yerinden alıcıya olan mesafedir. Burada unutulmaması gereken nokta, en ucuz taşıma yönteminin, taşınacak hidrojenin miktarına ve taşıma yapılan yola bağlı olduğu ve hidrojenin son kullanıcının ihtiyacına cevap verecek formda taşınması gerektiğidir. Hidrojenin taşınmasındaki yöntemleri kısaca en uygun koşullara göre özetleyecek olursak; Boru hattı, büyük miktarlar ve uzun mesafelerdeki güç iletimi için, sıvı hidrojen, uzun mesafelere taşımada, sıkıştırılmış gaz, küçük miktarlar ve kısa mesafelerdeki taşımalarda, metal hidrit, kısa mesafelerde taşımada kullanılması en uygun yöntemlerdir. Araştırmalar, mevcut koşullarda hidrojenin diğer yakıtlardan yaklaşık üç kat pahalı olduğunu ve yaygın bir enerji kaynağı olarak kullanımının hidrojen üretiminde maliyet düşürücü teknolojik gelişmelere bağlı olacağını göstermektedir. Bununla birlikte, günlük veya mevsimlik periyotlarda oluşan ihtiyaç fazlası elektrik enerjisinin hidrojen olarak depolanması günümüz için de geçerli bir alternatif olarak değerlendirilebilir. Bu tarzda depolanan enerjinin yaygın olarak kullanılabilmesi -örneğin toplu taşım amaçları için yakıt piline dayalı otomotiv teknolojilerinin geliştirilmesine bağlıdır.
Yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen elektrik enerjisinin birim maliyeti tüketiciye iletilen mesafeye bağlıdır. Bu mesafe uzadıkça birim enerji maliyeti artmaktadır. Bu sebeple yerleşim yeri bu santrallerden uzakta ise ikinci bir dönüşebilecek enerji kaynağına ihtiyaç bulunmaktadır. Bunlardan birinci kullanımı olan hidrojen enerjisidir. Örneğin; Kanada’da 100 MW gücünde bir hidroelektrik santral kurulmuş, bu santralden elde edilen elektrik enerjisi ile nehir suyu elektroliz edilerek hidrojen elde edilmiştir. Elde edilen gaz hidrojen tüplere doldurulmuş, Almanya’ya Hamburg limanına gönderilmiştir ve burada enerji olarak kullanılacaktır. 100 MW’lık bu tesisin Almanya’da 75 MW’ lık bir güç santralına eşdeğer olacağı hesaplanmıştır. Hidrojenin depolama yöntemlerinden biri de metal hidritlerdir ve metal hidritler çoğunlukla otomobillerde kullanılmaktadır. Bugün 135 km. yol alabilen metal hidritli otomobiller çalışmaktadır. Hidritler oldukça pahalı ve daha ziyade büyük kamyon otobüs ve tırlar için uygun olduklarından yakıt pilleri alternatif bir çözüm olarak karşımıza çıkar. Bunlar hidrojeni doğal gaz ve oksijen ile birleştirerek elektrik üretirler. Üretilen bu elektrik daha sonra motorların çalıştırılmasında kullanılabileceğinden otomobillerin de hareketini sağlar. Bu, elektroliz işleminin tam aksidir. En büyük problem dolum istasyonudur. Ancak yakıt pilleri bugün için mevcut olan içten yanmalı motorlardan iki kat daha fazla verimli olduğundan otomobillerin o kadar fazla hidrojen taşımaları gerekmeyecektir. Bu da büyük ölçüde yakıt depolamasını ve maliyetini azaltacaktır. Enerji dönüşümü için en etkin sistemler yakıt pilleridir. Uygulanmalarında çevre sorunlarının fazla olmaması ve kolaylıkla taşınabilmesi, gelecekte çok yaygın olarak kullanılabileceklerinin işaretidir[4]. Bugün yakıt pilleri, 1 W ile 10 MW arasında değişen geniş bir güç aralığına sahiptir[24]. Türkiye’de Bozcaada pilot bölge seçilerek, 10.2 MW kurulu gücündeki rüzgar santralından adanın elektrik enerjisi üretilmektedir [23]. Günün daha az enerji enerji gerektiren zamanlarında deniz suyu elektroliz edilerek hidrojen elde edilecek ve gaz hidrojen yeraltı boru hatlarıyla tüm adaya iletilecek ve aynı zamanda yakıt olarak kullanılacaktır. Güneş-hidrojen uygulamaları da dünyada oldukça kullanımı yaygın bir enerji türüdür. Güneş enerjili santrallerden elde edilen elektrik enerjisi elektroliz sisteminde kullanılarak hidrojen üretimi sağlanmıştır.
Enerji üretim sistemlerinin karşılaştırılması, çevre ve ekonomik açıdan yapılmıştır. Bunun için de tablolar halinde açıklanmıştır. Çizelge 9.1. Enerji türlerinin bağımlılık ve kalan ömürlerinin karşılaştırılması
Çizelge 9.2. Enerji türlerinin yaklaşık olarak yatırım ve birim enerji maliyetlerinin karşılaştırılması
Çizelge 9.3. Enerji türlerinin çevresel etkilerinin karşılaştırılması
Yukarıdaki tablolara baktığımızda yenilenebilir enerji kaynakları oldukça avantajlı görünmektedir. Bir tek yatırım maliyeti ve birim enerji maliyeti diğer enerji kaynaklarına nazaran daha pahalıdır. Teknolojinin ilerlemesiyle ve seri imalata geçilmek suretiyle ileriki yıllarda daha da ucuzlayacağı aşikardır. Yenilenebilir enerji kaynakları ile kurulan santrallerin güçlerini, fosil yakıtlı santrallerin güçleri ile karşılaştırmak mümkün değildir. Bu sebeple yenilenebilir enerji kaynakları ile çalışan santraller ile fosil yakıtlı santralleri karşılaştırmaya gerek yoktur, yenilenebilir enerji kaynakları her zaman diğer enerji kaynaklarının tamamlayıcısı olmuştur. Kaynaklar [1] Sorensen, B., “Renewable Energy”, Third Edition, Elsevier, 2004 [2] Fanchi, J.R., “ Energy Technology and Directions for the Future”, Elsevier, 2004 [3] Acaroğlu, M., “Alternatif Enerji Kaynakları”, ,Atlas yayın,2003 [4] Şen, Z., “Temiz Enerji ve Kaynakları”, Su Vakfı Yayınları,2002 [5] Kocaman, B., “ Elektrik Enerjisi Üretim Santralleri”, Birsen Yayınevi, 2003 [6] Muslu, Y., “Ekoloji ve Çevre Sorunları”, Aktif Yayınevi, 2000 [7] Spera A. D.,, “ Wind Turbine Technology”, ASME Press, 1-31, 1998 [8] Gipe P., , “Wind Energy Basics”, Chelsea Green Publishing Company, 2003 [9 ] Johnson, G.L., “ Wind Energy Systems”, Manhattan, 2001 [10 ] Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N., Bossanyi, E., “ Wind Energy Handbook” , Wiley , 2001 [11] Heier S., “Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems”, John Wiley&Sons Pres, 1998 [12] Walker J. F.,Jenkins N., “Wind Energy Technology” , Unesco Energy Engineering Series, 19-57,84-85,106-131, 1997 [13] Ohta, T., Funk, J.E., Porter, J.D. ve Tilak, B.V., “Hydrogen Production From Water: Summary of Recent Research And Development Presented At The Fifth Whec”, International Journal Of Hydrogen Energy, 10:571-576, 1985 [14] http://www.eie.gov.tr [15] http://eng.harran.edu.tr [16] www.windpower.com/index.htm [17] www.ewea.com/2004facts.pdf [18] www.turkelektrik.com [19] www.meteor.gov.tr [20] http://www.cres-energy.org/techbasics/hydropower [21] http://www.rmi.org/sitepages/pid703.php [22] www.eere.energy.gov/RE/hydropower.html [23] www.demirer.com.tr [24] www.hidrojenforumu.com Yüklə 203,05 Kb. Dostları ilə paylaş:
|