HİDROJEN İÇİN BÜYÜK UMUTLAR

Enerji sorunu çözümünde belki de en büyük sorun ulaşım için enerji kaynağının bulunmasıdır. Sorun iki büyük gerçekten kaynaklanmaktadır. Birincisi, dünyada bugün 750 milyon olan araç sayısının, Çin ve Hint toplumlarının alım güçlerinin artmasıyla 2050 yılına kadar üç kat aratacağı, ikincisi ise ulaşım için gerekli yakıtın %97 si bugün ham petrolden elde edildiğidir.


Yakın dönem için yakıt kullanımını ve sera gazlarının etkisini azaltmak için yapılacak tek şey yakıt ekonomisini geliştirmek olacak. Ancak, araç yapımcıları araçların verimliliğini ne kadar geliştirirse geliştirsin, hükümetler halklarını toplu taşıma araçlarını kullanmaya özendirmeye çalışsa da Dünya çapında araç sayısındaki büyük artış fosil yakıt kullanımını ve sera gazlarının emisyonunu belli bir noktaya kadar sınırlayacaktır. Daha kesin çözümler için ulaşım sektörü düşük karbonlu, petrol esaslı olmayan yakıtlar arayışına girecektir. Uzun vadede araçlara yüksek verimlilikte enerji sağlanması ve sıfır emisyonda egsoz gazı çıkarmaları için elektrik sisteminden şarj edilmeleri veya yakıt olarak hidrojen kullanmaları olacaktır.

Ancak maalesef elektrikli araçların ticari boyutta üretimlerinin başlamasını engelleyen birtakım sorunlar var: büyük batarya serileri dahi elektrikli araçları, benzinli araçlar gibi uzak mesafeleri gitmesine olanak sağlayacak kadar enerji depolayamıyor. Bu nedenle birçok oto fabrikası bu teknolojiden vazgeçmek zorunda kalmaktadır. Buna mukabil, yakıt pilli araçlar-hidrojen ile havadaki oksijeni kullanıp enerji üretiyorlar ve elektrik motorunun çalışmasını sağlıyorlar-daha az teknik sorunla karşı karşılar ve oto endüstrisi, enerji şirketleri ve politikacılar tarafından da desteklenmektedirler. Yakıt pilli araçlar bugünün fosil yakıt kullanan araçlar kadar verimli olup egsozlarından ise sadece su buharı çıkmaktadır. Daha da önemlisi, hidrojen yakıtını elde etmede atmosfere sera gazları atılmamaktadır. Örneğin elektroliz yoluyla hidrojen elde etmek için gerekli enerji-suyu hidrojen ve oksijene parçalamak için gerekli elektrik enerjisi-güneş pilleri, rüzgâr türbinleri, hidroelektrik santralleri, jeotermal santrallerden temin edilebilir. Alternatif olarak hidrojen, doğal gaz, kömür gibi fosil yakıtlardan da elde edilebilir, karbon içeren yan ürünler yeraltına toplanabilir.

Hidrojen yakıtının kullanımı gerçek olmadan önce oto sanayinin araç modellerini uygun hale getirmesi, halkın bu araçları beğenmesi, enerji firmalarının hidrojen elde etmede daha da temiz teknoloji kullanmaları ve mevcut benzin dağıtımının yerini alacak alt yapı sistemini kurmaları gibi birtakım önlemlerin alınması gerekecek. Hidrojen gelecekte tüm sorunlarımız çözmeyecek, aslında sera gazı etkisinin azalması için fosil yakıt kullanmayı yıllar önce bırakmamız gerekirdi. Şunu anlamamız gerekir hidrojene geçmek için yaptığımız bu koşu kısa mesafeli bir atak değil bir maratondur.



Yakıt Pillerinin Geleceği

Son on yılda 17 ülke hidrojen enerjisi konusunda çalışmalarını hızlandırdılar ve milyarlarca doları sivil fonlara aktardılar. Kuzey Amerika’da ABD de 30 eyalet, Kanada’da birçok bölge aynı şekilde uygulama başlattılar. Birçok oto fabrikası bu konuda yüz milyonlarca dolar harcayarak AR-GE faaliyetlerini hızlandırdılar, prototip modeller sergilemeye başladılar. Honda Toyota ve General Motors 2010 ile 2020 arasında ticari olarak üretime başlayacaklarını açıkladılar. Oto yapımcıları ve Shell, Chevron ve BP gibi enerji firmaları hükümetleriyle ortak çalışmaya girerek ilk hidrojenle çalışan araç filolarını oluşturdular ve California’da, Kuzeydoğu ABD de ve Çin’de küçük çapta dolum tesisi ağları oluşturdular.

Hidrojene olan bu yoğun ilgi sadece çevresel nedenlerden değil, aynı zamanda yeniliği teşvik etmesinden dolayıdır. Oto üreticileri tüketicilerine en üstün aracı sunma sözü verdiklerinden, yakıt pillerine dört elle sarıldılar. Teknoloji, sessiz çalışma, hızlanmada çabukluk ve düşük bakım maliyeti sunuyordu. İçten yanmalı motorların elektrik motorları ile değiştirilmesiyle araçlarda birtakım mekanik ve hidrolik aksam ortadan kalkacak bu da yapımcılara oto tasarımlarında büyük esneklik sağlayacaktı. Daha da fazlası elektrikli araçlar kullanıcılarına değişik amaçlarda kullanmak için hareketli elektrik enerjisi kaynağı vazifesi de göreceklerdi. Elektriğin en pahalı olduğu, en yüksek enerji kullanılan saatlerde yakıt pilli araçlar jeneratör görevi yapacak büro ve evlere enerji sağlayabilecekti. Oto yapımcıları çeşitli teknik ve maliyet avantajı sağlayan duyurular yaparak bu araçları müşterilerin gözünde cazip hale getirmeye çalışmaktadır. Otomotiv yakıt pilinde kilit parça, hidrojeni oksijenden ayıran proton geçirgen membrandır. Membranın bir tarafında bir katalizör hidrojen atomunu protonlarına ve elektronlarına parçalar, daha sonra proton membrandan geçer ve diğer taraftaki oksijen atomlarıyla birleşir. Yapımcılar araç içinde az yer kaplasın diye bu membranların ağırlık ve hacimlerini azaltma yollarını aramaktadır. Ancak membran kullanmakla bozulmakta olup günümüzde yakıt pillerindeki membranların ömrü 2000 saattir. Seri üretime başlanacak bir araçta bu 5000 saat olmalıdır. 3M firması önümüzdeki beş yıl içinde yakıt pillerinin ömürlerinin 4000 saate çıkacağını açıkladı.

Diğer çözülmesi gereken bir konu da pillerin maliyetlerinin düşürülmesidir. Bugünün yakıt pilli araçları elyapımı olup tanesinin fiyatı 1 milyon doları bulmaktadır. Bu pahalılığın nedeni test filolarının küçük olmasıdır. Yakıt pilli araçlar seri halde üretimi halinde yakma sistemleri maliyeti 6000–10000 dolar arasına düşecek olup bu da kilowat başına 125 dolarlık enerji maliyetidir. Bu fiyat bugünün klasik içten yanmalı araçların enerji maliyetinin- 30$/kW dört katıdır. İçten yanmalı motorlarla rekabet edebilmeleri için yakıt pillerinin üretiminde değişik yeni malzemeye ve üretim metotlarına ihtiyaç olacaktır.

Otomobil mühendisleri diğer taraftan aracın 300 mil gibi uzun mesafeyi gidebilmesi için nasıl daha fazla hidrojenin yakıt piline depolanabileceği konusunda çalışmalar yapmaktadır. Hidrojenin gaz halde depolanması için geniş yüksek basınçlı silindirlere ihtiyaç vardır. Sıvı hidrojen az yer kaplamasına rağmen, -253 0C ye soğutulmaları gerekir. Oto yapımcıları, basınç altında hidrojeni absorplayan metal hidrit sistemini keşfettiler. Ancak bu cihazların 300 kg gibi ağırlıkları vardı. Daha iyi bir hidrojen depolama sistemi konusunda Dünya çapında ARGE çalışmaları yapılmaktadır. Böyle bir teknoloji bulunana kadar, bugün için en pratik yol, gaz olarak sıkıştırıp saklamaktır. Akıllı bir yerleştirme ve basıncı arttırmakla araç ağırlığını arttırmadan ve bagaj hacminden ödün vermeden makul mesafelere araçlar gidebilmektedir. 2005 de GM, Honda ve Toyota kompakt yakıt pilli araçlarla hidrojeni 70 megapaskal ( deniz seviyesinde atmosfer basıncı 0,1 megapaskaldır) gibi bir değere kadar sıkıştırmakla 300 mil yol alabilmişlerdir.

Son olarak herhangi yeni bir yakıt tanıtımında güvenlik gerekli bir ön şarttır. Hidrojen parlayıcı olmasına rağmen benzine nazaran daha yüksek bir parlama noktasına sahiptir ve havada daha hızlı dağılır ve yangın riski azalmış olur. Olumsuz tarafı ise, daha geniş konsantrasyonlarda hidrojenin parlayıcı olması ve hidrojen alevinin de çok zor görülebilmesidir. Petrol rafinerileri, kimya fabrikaları ve diğer endüstriyel kuruluşlar bir sorun yaşamadan çok büyük miktarlarda hidrojenle çalışmaktadır. Uygun bir mühendislikle son tüketici kullanımı için de güvenli bir hale getirilebilir.

Hidrojenli araçlar piyasaya çıktığında ne kadar hızla pazardan pay kapacak ve petrol kullanımı azalıp karbon emisyonu da düşmeye başlayacaktır? Araçların ömrü 15 yıldır tüm araçların değişimi de en az bu kadar zaman alacaktır. Üretim hacmi arttıkça fiyat düşecek, yaratıcılıkla da daha cazip hale gelecektir. Yeni bir teknolojinin araç filosunun önemli bir hacmine girebilmesi 25–60 yıl kadar zaman alır. Hibrid araçlarla ilgili araştırmalar 1970 lerde başlamasına rağmen Toyota hibrid modeli olan Prius’u 1993 e kadar çıkarmadı. İlk satışlar 1997 sonlarında başladı. Sekiz yılsonunda dahi, farklı üreticilerin hibrid modelleri ABD de yeni modellerin ancak %1,2 sini oluşturabildi.



Hidrojen Üretimi

Elektrik gibi hidrojen de bir enerji kaynağından elde edilir. Günümüzde hidrojenin büyük bir kısmı doğal gazın ve petrolün yüksek sıcaklıkta işlenmesinden elde edilir. Petrol rafinerileri hidrojeni petrol esaslı yakıtları saflaştırmada kullanır. Kimya sanayi de bu gazı alarak amonyak ve diğer bileşikleri yapmada kullanır. Bugün için hidrojen üretimi küresel enerjinin %2 sini kullanmaktadır ve pay hızla artmaktadır. Eğer tüm bu hidrojen yakıt pilli araçlara tahsis edilseydi, 150 milyon araç veya başka bir deyişle Dünya’daki tüm araçların %20 si faydalanabilirdi. Hidrojenin büyük kısmı rafinerilerde ve kimya fabrikalarında üretilip hemen kullanılmasına rağmen, %5–10 kısmı tankerler veya borularla uzak mesafelere gönderilmektedir. ABD de bu gönderim sistemi birkaç milyon araca güç sağlayabilmekte ve hidrojen ekonomisi için sıçrama tahtası teşkil etmektedir.

Fosil yakıtlardan hidrojen elde edilirken yan ürün olarak karbondioksit çıkar. Eğer hidrojen doğal gazdan elde edilecek olursa, günümüzde en çok kullanılan metottur ve yakıt pilli araçlarda verimli olarak kullanılabilir ve çıkan egsoz gazları ise kilometre başına 110 gram olarak saptanmıştır. Bu miktar benzinli hibrid modellerin emisyonundan ( 150 gr/km ) daha düşüktür. Klasik benzinli otoların emisyonundan195 gr/km ise hayli düşüktür.

En büyük hedef sera etkisi yapmayan gazlar çıkarmadan hidrojen üretmektir. Bir olanak, fosil yakıtlardan hidrojen elde edildikten sonra çıkan karbondioksiti yeraltına ve deniz dibine pompalamadır. Bu metotla düşük maliyetle büyük hacımda hidrojen elde edilebilir. Ancak karbonu ayırmak için gerekli çevresel önlemleri ve fizibl teknolojiyi uygulamak şarttır. Diğer bir yöntem de, odun tahıl artıkları gibi organik maddeleri ısıtarak hidrojen ve karbon monoksit açığa çıkaran biyokütle gazlaştırma teknolojisidir. Üçüncü bir olanak da güneş pilleri, rüzgar türbinleri gibi yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanarak suyun hidrolizidir.

Elektroliz ve biyokütle gazlaştırma teknolojilerinde önemli teknik engeller olmamasına rağmen, bu metotlarla hidrojen elde etmenin maliyeti yüksektir. 6-10$/kg. ( Bir kilo hidrojen hemen hemen bir galon benzinle eşdeğer enerjiye sahiptir ancak daha verimli olduğundan arabayı benzinli motora nazaran daha uzak mesafelere götürür.) Ulusal Mühendislik Akademisi ve Ulusal Araştırma Konseyinin son değerlendirmelerine göre gelecekteki teknolojiler ve etkin dağıtım sistemi fiyatı 2-4$/kg lara kadar düşmesine neden olacaktır. Bu senaryoya göre, yakıt pilli araçta bir kilometre için hidrojen maliyeti, bugünün klasik benzinli araçları için benzin fiyatından daha düşük olacaktır.

Elektroliz için gerekli enerji nükleer santrallerden de temin edilebilir. Ancak bu yolla hidrojen elde etme maliyeti, yenilenebilir enerji kullanmaya nazaran daha ucuz olmayacaktır. Buna ilave olarak nükleer santraller hidrojeni elektroliz yapmadan da elde edebilir: Reaktördeki yüksek ısı suyu termokimyasal reaksiyonla parçalar. Bu yolla hidrojen belki de daha ucuz elde edilebilir. Ancak fizibilitesi henüz kanıtlanmamıştır. Nükleer santrallerin gittikçe artan radyoaktif artıkları ve bunlara karşı toplumun tepkisi de olumsuz yönlerdir.



Yeni Enerji Altyapısı

ABD zengin rüzgar, güneş ve biyokütle enerji imkanlarına sahip olması nedeniyle bol miktarda temiz, ucuz hidrojen elde etmesi zor olmaz. En büyük sorun lojistiktir: Hidrojen nasıl ucuz bir şekilde dağıtım noktalarına ulaştırılacak? ABD de şimdilik gösteri amacıyla inşa edilmiş 100 kadar küçük hidrojen dolum istasyonu mevcut, buna mukabil 170.000 adet benzin istasyonu vardır. Bu istasyonların kolayca hidrojen dolum tesislerine dönüşümü mümkün değildir. Gazların taşınması ve depolanması sıvılara nazaran farklı olup alternatif teknolojiye ve pompalamaya ihtiyaç vardır.

Yeni teknoloji ihtiyacı “yumurta-civciv” ikilemini çağrıştırır. Tüketiciler hidrojenin ucuz bir fiyata etkin dağıtımı sağlanmadıkça yakıt pilli araçları almayacaktır. Yakıt temin eden firmalar da yakıt pilli araçlar çoğalmadıkça hidrojen dolum istasyonlarını açmaktan kaçınacaktır.

Değişimi ateşleyecek bir strateji araç filolarından başlamaktır. Bölgesel çalışan ticari kamyonetler, otobüsler ve kamyonlar- yaygın dolum tesisi ağına ihtiyaç duymazlar. Deniz araçlarının ve lokomotiflerin de yakıt pillerini kullanmasıyla hava kirliliği daha da azalacaktır. Hidrojenli yakıt pilleri şu an için forklift, elektrikli motosiklet, bisiklet gibi batarya kullanan araçlarda kullanılabilir. Yakıt pilleri aynı zamanda sabit tesislere güç sağlamada da kullanılabilir, örneğin polis karakolları, askeri üsler ve enerji dağıtım ağındaki enerjiye ihtiyaç duymayan diğer tesisler gibi. Bu gibi tesisler yakıt pili fiyatlarının aşağı çekilmesinde, enerji şirketlerini teşvik edecek ve ilk hidrojen dolum istasyonlarının açılmasına yardımcı olacaktır. Küresel petrol kullanımında ve sera gazı emisyonunda bir nebze azalma için hidrojenin yolcu taşıma araçları pazarına girmesi şarttır. General Motors a göre ilk bir milyon yakıt pilli araç için, her biri 1 milyon dolara mal olan şehir içi veya şehirlerarası 12000 hidrojen dolum istasyonuna gereksinim vardır. ABD deki 100 milyon araç için servis verebilecek tam kapasite bir hidrojen dağıtım sistemi için önümüzdeki on yıllar için birkaç yüz milyar dolara ihtiyaç vardır, buna sadece dolum tesisleri değil, hidrojen kullanımının popülerleşmesiyle yeni hidrojen üretim tesisleri de dâhil edilmelidir.

Bu rakamlar sizleri şaşkınlığa sürükleyebilir. Dünya Enerji Konseyine göre, Kuzey Amerika benzin ekonomisi alt yapı bakımı ve önümüzdeki 30 yılda genişlemesi 1,3 trilyon dolara mal olacaktır. Bunun yarısından fazlası gelişmekte olan ülkelerde petrol üretmede kullanılmaktadır. Bu maliyetin büyük bir kısmı petrol bulmaya ve çıkartmaya gitmektedir. 300 milyar doları petrol rafinerilerine, boru hattı ve tankerler- gibi hidrojen kullanılmasıyla değiştirilecek olan tesislerdir.

Hidrojeni araçlara iletmenin değişik yolları vardır. Hidrojen büyük tesislerde bölgesel olarak da üretilebilir ve daha sonra da sıvı veya sıkıştırılmış gaz olarak depolanabilir ve tankerlerle veya boru hatlarıyla dolum tesislerine dağıtılabilir. Hidrojen dolum tesislerinde hatta evlerde dahi doğal gazdan ve elektrikle üretilebilir. Hidrojen ekonomisinin ilk yıllarında yakıt pilli araçların sayısı az olduğunda bölgesel üretim veya tankerle taşıma en ekonomik alternatiflerdir. Ancak yoğun hidrojen ihtiyacı doğdukça- diyelim ki büyük bir şehirdeki araçların %2,5 gibi- merkezi bir üretim tesisi ve boruyla dağıtım en ekonomik yoldur. Merkezi hidrojen üretimi çok büyük hacımda üretim söz konusu olduğunda önemli bir miktar tutacak karbon tutma işlemini de mümkün kılar.

Birçok sebepten dolayı hidrojen benzinden ziyade elektriğe daha çok benzer. Hidrojenin depolaması ve dağıtımı benzine nazaran daha pahalıdır, enerji şirketleri yakıtı bölgesel tesislerde üretip, bölge pazarına sunarak tüm ülke çapında üretmeyi tercih eder. Temin yolları da bölgeden bölgeye de çok farklılık gösterir. Ohio gibi kömürü bol ve karbondioksit tutma tesisi bol olan bölgedeki hidrojen ekonomisi –hidroelektrik enerjinin ucuz olduğu kuzeybatı Pasifik bölgesine göre veya biyoyakıt ve rüzgar enerjisi bol olan Orta batı ya göre büyük farklılık gösterebilir.

Hidrojen ekonomisinin gelişmesi birtakım finansal riskleri beraberinde getirir. Eğer enerji şirketi büyük bir hidrojen üretim tesisi kurar da yakıt pilli araç sayısı beklendiği gibi artış göstermez ise firma yatırımlarını karşılayamayabilir. Bu sorun bazen “kapana kısılmış kâr” problemi olarak da isimlendirilebilir. Enerji şirketleri artan talebe karşılık hidrojen teminini küçük miktarlarda arttırarak risklerini minimumda tutarlar. Örneğin ilk yakıt pilli araçlar için enerji şirketlerinin hem elektrik ve az miktar hidrojen üreten tesisler kurması gibi. Dağıtım için de önce tanker kullanılır. Talep arttıkça boru hattı gibi daha yüksek yatırımlara gidilir.







İlk Adımlar

Hidrojen nakil sisteminde birkaç parametrenin gelişimine gereksinim vardır. Artan yakıt ekonomisi ilk temel adımdır. Hafif araçların üretilmesi, daha verimli motorlar ve hibrid elektrikli motorlar önümüzdeki birkaç on yılda petrol kullanımını ve sera gazlarını önemli miktarda azaltacaktır. California Hydrogen Highways Network ve Highways Europe enerji şirketleri şimdiden test filolarına hidrojen tedarik ederek tanıtım çalışmaları yapmaktadır. Gelecek 10-15 yılda yakıt pilli araçların pazara tam hakim olabilmesi için hidrojen fiyatının makul rekabet edebilecek seviyelere düşmesi gerekir. Güney Kaliforniya veya Kuzeydoğu koridoru gibi anahtar bölgelere hidrojen projesinin yoğun uygulanmasıyla yakıt pili pazarı büyümesini hızlandıracak ve alt yapı maliyetlerini de aşağı çekecektir.

Yakın dönemde büyük miktarda hidrojen doğal gazdan elde edilecektir. Bu modelle araçlara yakıt sağlamakla sera gazları miktarı benzinli hibrid araçlara nazaran bir miktar daha azalmış olacaktır. Hidrojenin tüm avantajlarını kavrayabilmek için, enerji firmaları sıfır karbon emisyonu sağlamalı veya karbon içeren yan ürünleri tam anlamıyla tutmalıdır. Hidrojen bir numaralı yakıt olduğu zaman- 2025 de veya sonrası diyelim- hükümetler emisyonlarını sıfır olarak duyuracak, aynı zamanda enerji politikası belirlenirken, rüzgar enerjisi, güneş enerjisi, biyokütle gazlaştırma ve karbon tutma gibi temiz enerji teknolojileri desteklenecektir.

Bu geçiş birkaç on yılı alacaktır. Hidrojen yakıt pilli araçlar küresel iklimi koruyacak ve Amerika’nın yabancı ülkelerin petrolüne olan bağımlılığını azaltacaktır. Bu yeni endüstrinin büyük potansiyeli şimdilik araştırma geliştirme hidrojen teknolojisinin tanıtım gösterisi aşamasındadır.





Kaynak: Scientific American