Global  ekonomik gelişmeler ve insan popülasyonun hızla artması  enerji ihtiyacını da aynı hızla artırmaktadır. Günümüzün en popüler enerji kaynakları; kömür, fosil yakıtlar doğalgaz nükleer enerji  ve hidrolik enerji oluşturmaktadır. Dünyada, insan ihtiyaçlarının karşılanması için kullanılan ısının üretimi, taşıt motorlarının ve stasyoner motorların güç üretimi iletişim amaçları ve aydınlatmaları için enerjiye ihtiyaç vardır. Dünyada enerji politikaları belirleyen ülkeler genellikle uygarlık düzeyi yaşam standartları teknoloji seviyleri ayrıca iklim şartı gibi bağıntılı olarak değişmektedir.

Bu yazımızda geleceğin en etkin kullanıma sahip enerjilerinden biri olan hidrojeni ele aldık. Hidrojen yenilenebilir enerji olmasıyla yani sudan elde edebiliyor olmamız ve kullandıktan sonra tekrar suya dönüşüm özelliği olan hidrojen geleceğin en önemli enerjisidir.  Su kaynaklarında başta elektroliz yöntemiyle üretilen hidrojenin yanmasıyla beraber üretimde kullanılan kaynakları tekrardan besleyebilecek su üretilmektedir. Diğer önemli avantajlarından biri ise giderek kirlenen dünyamızda hava kirliliğini çok az miktarda etkileyen hidrojenin değeri ilerleyen zamanlarda daha da artacaktır.

► Şekil 1: Yakıtların Enerji İçeriği

Sıvı ve gaz olarak kullanılabilen hidrojen bu özelliğiyle göze batıyor. Gaz halindeki hidrojen, aynı hacimdeki havadan yaklaşık 14 kat daha hafiftir. İçten yanmalı motorlarda kullanılan yakıtlarla karşılaştırdığımızda0, sıvı hidrojenin sıvı hidrokarbon yakıtlara göre  10 kat daha hafif, gaz halindeki hidrojenin ise metan, doğal gaz vb. gaz halindeki yakıtlardan yine 10 kat daha hafif olduğu görülmektedir.

► İlginizi Çekebilir: Dünyanın İlk Hidrojen Yakıt Pili

Hidrojen, hava içerisinde %4 ile %75 oranları arasında bulunduğunda kolayca tutuşur.Bu özelliğiyle birlikte  hidrojenin motorlarda yakıt olarak kullanımında büyük avantaj sağlar. Hidrojen-hava karışımlarını  gaz yakıtlarla karşılaştırırsak  daha geniş tutuşma sınırlarına sahip olduğu görülmektedir. Örnek vermek gerekirse ,metan-hava karışımlarının tutuşabilmesi için hava fazlalık katsayısının 0.6-1.9 aralığında bulunmalıdır.
 

► İlginizi Çekebilir: Yakıt Pilleri
 

Dünyada her yıl yaklaşık 600 milyar metreküp hidrojen üretilmektedir. En eski zamanlardan beri hidrojeni elde etme yöntemi  H2O olan suyun içindeki hidrojeni elektroliz yoluyla ayırmaktır. Birincil enerji kaynaklarının hepsi ile aşağıda tanımlanan yöntemlerin herhangi biriyle üretilebilir.

En fazla uygulanan yöntemleri ; doğal gazın katalitik buhar ıslahı, petrolün kısmi oksidasyonu, buhar demir işlemi ve kömür gazlaştırılmasıdır. Günümüzün sanayisinde kullanılan hidrojenin büyük miktarı doğal gaz, petrol ürünleri veya kömür gibi fosil yakıtlardan elde edilmektedir.

 

► İlginizi Çekebilir: Türkiye'de Biyogaz İhtiyacı

 

Elektrik üretirken açığa çıkan ısı enerjisi, suyun ayrıştırılması için kullanılırsa, daha yüksek verim elde etmek mümkündür. Fakat, suyun ısı enerjisi ile ayrıştırılması için en az 2500 C'lik bir sıcaklık gerekmektedir. Burada, tek basamakta termo-kimyasal işlem yerine, birkaç basamaklı işlemler ön görülmektedir. Bu alanda yapılan çalışmalar sonucu, çok basamaklı ısıl kimyasal işlemlerde gerekli sıcaklık 950 C ye kadar indirilmiş, toplam verim ise %50 olarak bulunmuştur . Isıl-kimyasal yöntem üzerindeki çalışmalar yoğun bir şekilde sürmektedir.

Hidrojeni diğer yakıtlardan ayıran en önemli özelliklerinden biri ise hemen her yerde kullanılabilir olmasıdır. Evlerde, ısıtma amacı ile kalorifer, fırın ve şofbenlerde doğal gaz yerine rahatlıkla kullanılabilmektedir. Yalnız hidrojenin doğal gaza göre daha az olan yoğunluğu nedeniyle, daha fazla miktarda hidrojenin kalorifer sistemindeki yakıcıya gelmesi gerekir.

Dünyamız sınırlı petrol rezervlerine sahip olduğundan içten yanmalı motorlarda yani otobüs, kamyon, otomobil, traktör ile tarım makineleri gibi tüm taşıtlarda yeni enerji kaynağı aranmaktadır. Eğer hidrojen benzin ve mazot yerine kullanılırsa motorların yakma sisteminde bazı değişikliklerin olması gerekir.

► Şekil 2: Hidrojen Yakıtlı Motordan Bir kesit


► İlginizi Çekebilir: Hidrojen Enerjisi ve Karadeniz

Benzinli motorlara göre bir çok üstünlüğü bulunan Hidrojen yakıtlı motorların tercih edilme sebeplerinden biri, hidrojenli motorların yüksek verimi, diğer sebebi belki de en önemlisi, atık ürün olarak sadece su buharı olmasıdır. Silindirleri yağlamak için kullanılan petrol ürünlerinden kaynaklanan çok az miktarda karbonmonoksit ve hidrokarbonlarla yüksek sıcaklıktan kaynaklanan azot oksitlerinde atık ürünlerin arasında yer alabileceği göz önüne alınmalıdır. Fakat, ortaya çıkan bu zararlı gazlar, petrol ürünü kullanan taşıtlara daha minimize edilebilecek kadar düşük düzeyde olduğu için, hidrojenli motorları çevre dostu olarak tanımlamak hiçte yanlış olmayacaktır. Yanma sıcaklığını, atık su buharının bir kısmını yeniden silindire vermek suretiyle düşürmek ve böylece azot oksitlerin miktarını daha azalma olanağı vardır. Taşıtlarda, içten yanmalı motorlar yerine, yakıtlı piller ile elektrik üretmek ve elektrik motorları ile taşıta güç sağlamak da mümkündür. Bu tür taşıtlarda havaya atılan zararlı ürün hiç olmayacağı için bunlara, sıfır salınımlı taşıtlar da denmektedir. İster içten yanmalı isterse yakıtlı pilli olsun, taşıtlarda en temel ve büyük sorun hidrojenlerin güvenli olarak depolanmasıdır.

İçten yanmalı motorlarda hidrojenin yakıt olarak kullanılması için birçok çalışma yapılmaktadır. Fakat bu çalışmalarda benzine göre tasarlanmış olan motorlar kullanılmaktadır ve bu motorlar hidrojen kullanımına imkan sağlayacak şekilde modifiye edilmişlerdir.  İçten yanmalı motorlarda hidrojen kullanılmasına ilişkin yapılan  incelemelerde bir takım sonuçlar elde edilmiştir.

► Şekil3: Hidrojen Yakıt Hücresi


► İlginizi Çekebilir: Dünya'nın İlk Hidrojen Yakıt Pili

• Bazı modifiyelerle benzin motorları hidrojen ile çalışır duruma getirilebilirler. Isıl verimleri benzin motorununkine yakındır.
• Stokiyometrik çalışma şartlarında hidrojen motorunda yüksek miktarda NO oluşur. Fakat silindirlere gönderilen karışım fakirleştirilerek NO 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.

Bu dezavantajlar yüzünden hidrojen motoru benzin motoruyla girdiği rekabette tercih edilme bakımından bir adım geride kalıyordu. Fakat günümüzde yapılan bir takım çalışmalarla bu sorunlar çözümlenerek hidrojenin motor verimine ve hava kirliliğinin azaltılmasına olan katkıları ortaya çıkmıştır. 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.
 

► Şekil 4: Hidrojen Yakıt Kullanılan Araç


► İlginizi Çekebilir: Hidrojen Yakıt Hücreli Araçlar  LA Fuarında Ses Getirdi

 

Hidrojen takviyesi benzin motoruna yapılarak yanmamış hidrokarbon emisyonları azaltılarak ısıl verim iyileştirilir. Hidrojen takviyesi yapılan Otto motorları küçük bir ön yanma odasına sahiptir. Bu oda bujinin yerine monte edilmiştir. Bu ön yanma odası içinde hidrojen enjektörü ile buji vardır. Esas yakıt ise (benzin, metanol vs.) emme portlarındaki enjektörlerden püskürtülerek silindirlere gönderilir. Hidrojen takviyesi ile asıl 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 azaltılabilir.
 

► Şekil 5: Hidrojen Yakıt Tasarrufu Sistemi Montajı
 

Dünyada insan popülasyonun artması yüzünden gelecekte enerji kaynaklarında sıkıntıya düşebileceğimiz açıkça gözükmektedir. Hidrojen bu sıkıntıya çare olabilecek enerjilerden biridir. Eğer yanma ve depolama ile ilgili konular çözümlenirse önümüzde ki senelerde rakipsiz bir içten yanmalı motor olacaktır.

► Şekil 6: Bir Hidrojen Dolum İstasyonu


► İlginizi Çekebilir: Suyun Hidrolizi Sonucu Hidrojen Yakıt Hücreleri