Geleceğin Enerji Kaynağı Hidrojen

Sanayi devriminden bugüne kadar, yenilikçi enerji teknolojileri dünyamız ve insanoğlu için büyük önem taşımaktadır. Lâkin bu arayışın iklim değişikliği, yeraltı su kaynaklarının kirlenmesi ve doğamızın tahrîbâta uğraması gibi çevresel sorunlara yol açtığı da açık bir şekilde görülmektedir. Yeni enerji kaynaklarından yenilenebilir enerji kaynakları, günümüzde çevre dostu olarak önemli rol oynamaktadır.

Yenilenebilir enerji kaynaklarından hidrojen enerjisinin geleceğin enerjisi olacağı birçok akademisyen tarafından ifâde edilmekte olup, bu bağlamda birçok uluslararası firma yatırım yapıp Ar-Ge çalışmaları yürütmektedir.

Periyodik cetvelin en hafif elementi olan, doğada diatomik molekül halinde bulunan, renksiz, kokusuz, tatsız ve oldukça yanıcı bir gaz olan hidrojen'in (H), evrenin yaklaşık %75’ini oluşturduğu bilinmektedir. Hidrojen 1500’lü yıllarda keşfedilmiş olup, 1700’lü yıllarda yanabilme özelliği fark edilmiştir. 1 atm basınç altında -252.77°C de sıvılaşabilen hidrojen doğada gaz hâlinde bulunur. Güneş ve diğer yıldızlarda gerçekleşen tepkimelerde yakıt olarak hidrojenin kullanıldığı bilinmektedir. 

Hidrojen, oksijenle yakılmasıyla yakıt olarak kullanılır. Yakıt hücrelerinde hidrojen yakıtının kullanıldığı birçok araç bulunmaktadır. Hidrojen yakıtı temel olarak incelendiğinde fosil yakıtlara nazaran muazzam bir enerji içeriğine sahiptir (Şekil 1).

Şekil 1. Fosil yakıtlarla hidrojenin enerji yoğunluğu karşılaştırması.

Şekil 1’den de görüleceği üzere hidrojen, fosil yakıtlara göre yaklaşık 3 kat daha fazla enerji içeriğine sahiptir. Bilinen fosil yakıtlar hidrokarbon bileşiklerini içeren kompleks bir karışımken hidrojen tek başına yakıt kaynağıdır. Bununla birlikte günümüze kadar keşfedilen en temiz yakıt kaynağıdır. Lâkin hidrojenin yakıt olarak kullanılmasında en büyük dezavantaj hidrojenin depolanmasında bulunmaktadır. Depolanmasıyla birlikte hidrojen gazının üretiminde de sorun bulunmaktadır. Bu yazımızda hidrojen teknolojileri, hidrojen yakıtının kullanım alanları, hidrojen yakıtının dezavantajları ve hidrojenin üretim yöntemlerine göre sınıflandırmasına odaklanacağız.

Genel olarak incelediğimiz hidrojen yakıtını aslında hidrojen teknolojisi olarak ifade etmemiz daha doğru olacaktır. Hidrojen teknolojisi, hidrojeni elde etme, depolama ve kullanımını içeren tüm alanları kapsar. Günümüz şartlarında ister üniversitede isterse ticârî firmalarda bulunan araştırmacılar hidrojen teknolojisi üzerine ciddî Ar-Ge ve Ür-Ge çalışmaları yapmaktadır. Hidrojen teknolojisi kronolojik olarak incelendiği takdirde ilk kez 1520’li yıllarda çalışmaların başladığı, bu çalışmaların günümüze kadar artarak ilerlediği görülür (Şekil 2). 

Şekil 2. Hidrojen teknolojileri üzerine yapılan çalışmaların kronolojik olarak gösterimi. 

Şekil 2’den de anlaşılacağı üzere her yüzyılda çalışmaların sayısının arttığı gözlenmektedir. Bu durum beklenen bir durumdur. Hattâ 21. yy'da çalışma sayılarının pik yapacağı ve ilerleyen tarih boyunca sürekli artacağı öngörülmektedir. Çalışmaların başladığı tarihten günümüze kadar hidrojen gazının yakıt olarak birden fazla araç üzerinde kullanıldığı, bazılarında olumsuz sonuçlarla karşılaşıldığı bazılarında da hâlen kullanılmaya devâm edildiği gözlenmektedir. Bu kısımda merâk edilmesi gereken konular, kronolojik olarak hidrojen yakıtının hangi araçlarda kullanıldığı, nasıl bir sorun ile karşılaşıldığı ve bu sorunların üstesinden nasıl gelindiği olmalıdır. İncelememiz gereken konudan sapmamak adına bu bölümü sonraki sayıda dikkate alabiliriz diye düşünüyorum. Ama hidrojen yakıtı temel olarak hava balonlarında, uzay araçlarında, araba, tren, otobüs ve uçak gibi birçok ulaşım aracında kullanılmıştır. Günümüzde ülkemiz ve birçok devletin, enerji ile ilgilenen bakanlık ya da kurumlarında Hidrojen Teknolojileri ve Hidrojen Enerjisi üzerine politika geliştirildiği, Ar-Ge ve Ür-Ge planlamalarının yapıldığı sunulan raporlarda açık bir şekilde görülmektedir. Buraya kadar olan kısım genel olarak değerlendirildiği takdirde geleceğin yakıtının Hidrojen olduğu net bir şekilde ortaya çıkmaktadır. 

Yukarıda da ifade edildiği gibi, hidrojenin yakıt olarak kullanılmasında ilk iş üretimidir. Hidrojen yakıt olarak kullanıldığında aşağıdaki tepkime gerçekleşmektedir (Şekil 3). Söz konusu bu tepkimede de görüleceği üzere yanma sonrası karbon içerikli salınım 0’dır. Karbon salınımı yoktur.

Şekil 3. Hidrojenin yanma tepkimesi. 

Hidrojen üretimi yakıt olarak kullanımının ilk basamağı olduğundan birden fazla üretim yöntemi vardır, bunlar da temel olarak elektroliz, hidroliz, yakıt hücreleri ve yüksek sıcaklıklı elektroliz işlemi olarak sınıflandırılabilir. Her yöntemin kendi içlerinde avantajları ve dezavantajları mevcuttur. Günümüzde hidrojen üretiminin de iklim değişikliğine katkıda bulunduğu bilinmektedir. Her ne kadar hidrojenin yakıt olarak kullanımı esnâsında karbon salınımı olmasa da üretimi esnâsında karbon salınımı mevcuttur. Bundan dolayı hidrojeni %100 çevre dostu yakıt olarak görmek yanlış olacaktır. Yukarıda sözü edilen yöntemlerde hidrojenin elde edilebilmesi için bir enerji kaynağına ihtiyaç vardır. Kullanılan bu enerji kaynağına bağlı olarak elde edilen hidrojen farklı renklerde sınıflandırılmıştır (Şekil 4). Gerçekten hidrojen %100 çevre dostu olabilir mi? 

Şekil 4. Hidrojenin renk sınıflandırması.

Hidrojen üretiminin çoğunluğu günümüzde CO2 salınımlı yakıtların kullanılmasıyla gerçekleşmesine rağmen yenilenebilir kaynakların kullanılmasıyla da hidrojen üretimi mümkündür. Bu bağlamda en çok kullanılan yöntem Buhar metan reformasyonu (SMR) yöntemidir. Yenilenebilir kaynakların kullanılmasıyla hidrojen üretiminde başvurulan yöntemlerden birisi de elektroliz yöntemidir. Bu yöntemde suyun, oksijen ve hidrojene ayrılabilmesi için elektrik akımı uygulanır. Yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak elektrik akımı elde edilebilir. Bu şekilde elde edilen hidrojende CO2 salınımı olmadığı için yeşil hidrojen olarak nitelendirilir. Lâkin bu şekilde elde edilen hidrojenin mâliyeti oldukça yüksektir. Farklı kaynakların kullanılmasıyla elde edilen hidrojenin elde edilme mâliyeti, elde edilirken salınan CO2 miktarı Çizelge 1'de gösterildi.

Çizelge 1. Hidrojenin elde ediliş yöntemine göre CO2 salınımı ve maliyeti

Hidrojen Türü

Enerji Kaynağı

Karbon Ayak İzi a

(kg CO2 / kg H2)

Maliyeti a

(USD / kg H2)

Mavi

Fosil Yakıtlar ve Doğal Gaz

< 3

1.3 – 2.2

Mor

Nükleer Enerji

< 2

3.5 – 7.0

Turkuaz

Doğal Gaz

< 4

1.5 – 3.0

Gri

Buhar Reformasyon

8 – 10

0.5 – 1.7

Yeşil

Yenilenebilir Enerji

< 1

4.0 – 9.0

a Söz konusu veriler 19.01.2023 tarihinde Türkiye Cumhuriyeti Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığının yayınlamış olduğu “Türkiye Hidrojen Teknolojileri Stratejisi ve Yol Haritası” raporundan alınmıştır. 

Mavi Hidrojen:

Mevcut kullanılan hidrojen üretim yöntemlerinde “karbon yakalama ve depolama” ve “karbon yakalama ve kullanma” sistemleri entegre edilerek salınan CO2 miktârı en aza indirilmeye çalışılır. Günümüzde mavi hidrojen üretimi yoğun bir şekilde kullanılmaktadır ve küresel hidrojen ihtiyâcının büyük bir kısmı bu şekilde sağlanmaktadır. Mavi hidrojen üretiminde fosil yakıtlar ve doğal gazlar kullanılmaktadır. Fakat doğal gaz kullanımında H2S gibi istenmeyen kirliliklerin olabildiği, bu safsızlıkların giderilmesi için de ön işlemden geçirilmesi önem arz etmektedir. 

Mor Hidrojen:

Nükleer enerjinin kullanılmasıyla elde edilen hidrojendir. Nükleer reaktörün yüksek enerjisi sayesinde termokimyasal işlemler ile üretilir. Uranyum atomlarının parçalanmasıyla nükleer enerji üretilir. Nükleer enerjiden gelen ısı buhar oluşturmak için kullanılır. Oluşan buhar, türbinlerde kullanılarak elektrik üretilir. Nükleer enerji santrallerinde doğrudan yakıt yanmadığı için CO2 salınımının olmadığını vurgulamakta fayda olacağını düşünüyorum.

Turkuaz Hidrojen:

Hidrokarbonlar, hidrojen elde etmek için parçalanır. Turkuaz hidrojenin elde edilmesinde birden fazla yöntem mevcuttur. Bu yöntemle hidrojen elde edildiğinde katı karbon da elde edilmektedir. En çok tercih edilen yöntem plazma prosesi olsa da soğuk plazma, metan katalitik dönüşümü ve eriyik metal pirolizi ile de hidrojen elde edilebilmektedir. Bu kısımda belirtilen hidrokarbonlara örnek olarak doğal gazlar verilebilir. 

Gri Hidrojen:

Karbon ilâvesi, depolaması ve kullanımı olmaksızın kömür ve doğal gazın buharla reforme edilmesiyle elde edilir. Diğer yöntemlerle kıyaslandığı zaman bu yöntemle %40’dan daha fazla hidrojen elde edilebilmektedir. Temel olarak hidrojen eldesi mavi hidrojene çok benzemektedir. Gri hidrojen petrokimya sanayiinde oldukça kullanılmakta olup amonyak üretiminde de kullanılmaktadır. Gri hidrojenin en büyük dezavantajı, üretimi esnâsında salınan CO2 miktarıdır. Gri hidrojenin elde edilmesinde mâlî açıdan en uygun yöntem buhar reformasyonu yöntemidir. Gri hidrojenin mavi hidrojenden temel farkı, üretim sonrasında oluşan CO2’i filtre edecek, tutacak veya depolayacak bir ek basamağın olmayışıdır. 

Yeşil Hidrojen:

Suyun elektrolizi için gerekli olan elektriğin yenilenebilir kaynaklardan elde edilmesiyle hidrojen üretilebilir. Bu şekilde elde edilen hidrojen yeşil hidrojen olarak adlandırılır. Yeşil hidrojenin elde edilmesinde yenilenebilir enerji kaynaklarına ilâveten düşük karbon salınımlı kaynakların da kullanılabileceği ifâde edilse de, %100 çevre dostu hidrojen elde etmek ve kullanmak için yenilenebilir enerji kaynakların kullanılmasının daha iyi olacağı âşikârdır. Yeşil hidrojenin elde edilebileceği tek yöntem elektroliz olmayıp, termoliz, termokataliz, termokimyasal proses, foto-kataliz gibi birçok yöntem bulunmaktadır. Yukarıda da bahsedildiği gibi elektroliz en uygun ve verimi yüksek yöntemlerden birisi olmasından dolayı en çok tercih edilen yöntemdir.

Beyaz Hidrojen:

Her ne kadar Şekil 4’te kendisine yer vermemiş olsam da hidrojen renk skalasında beyaz hidrojen olarak bilinen doğal hidrojen de yer almaktadır. Yâni doğada kendiliğinden bulunan hidrojene verilen addır.

Renk cetveline göre sunulan hidrojenlerin elde edilmesinde salınan CO2 miktarı incelendiğinde, gri hidrojen eldesinde en fazla olduğu gözlenmektedir. Mâlî açıdan bakıldığında ise en ucuz yöntem gri hidrojen eldesidir. Yeşil hidrojen eldesinde CO2 salınımının olmayışı ya da çok çok az oluşu çevre dostu olarak görünse de, yeşil hidrojen mâlî açıdan gri hidrojene göre yaklaşık 5 kat daha mâliyetlidir. Bu sebepten dolayı üretim kısmında yeşil hidrojen maliyetini düşürecek strateji ve çalışmalara ihtiyaç olduğu açık bir şekilde görülmektedir. 

Sonuç olarak, yukarıda hidrojen teknolojisi ve hidrojen enerjisi hakkında bilgiler sunuldu. Hidrojen'in geleceğin enerji kaynağı olduğu hakkında şüphenin olmadığı görülmektedir. Günümüzde hidrojen teknolojileri üzerine birçok çalışma yapılıyor olup, üretim – depolama – kullanım üzerine ayrı ayrı çalışmalar yürütülmektedir. Hidrojenin renk cetveli bizlere hidrojenin nasıl üretildiği ve çevre dostu olup olamayacağına dâir cevaplar vermektedir. Oysa üretilen hidrojen nasıl depolanır, depolama için nasıl bir materyal kullanılmalıdır ve depolama üzerine yapılan akademik çalışmalar bizlere nasıl yön vermektedir soruları cevap beklemektedir. Unutmayalım ki hidrojenin depolanması ve kullanımı da üretimi kadar önem arz etmektedir. Lütfu bol ve yüce olan Rabbimizin, fazlı ve rahmetine ihtiyâcımız vardır. 

Kaynaklar

Dash, S. K., Chakraborty, S., & Elangovan, D. (2023). A brief review of hydrogen production methods and their challenges. Energies, 16(3), 1141.

Dincer, I. (2012). Green methods for hydrogen production. International journal of hydrogen energy, 37(2), 1954-1971.

Özcan, B. (2008). SÜRDÜRÜLEBİLİR KALKINMA ve HİDROJEN ENERJİSİ. Humanities Sciences, 3(2), 152-160.

Rouch, D. A. (2022) Electricity power plan Australia: replacing coal-fired plants by 2040 with renewable energy plants, Working Paper No. 21, Clarendon Policy & Strategy Group, Melbourne, Australia.

Singla, M. K., Nijhawan, P., & Oberoi, A. S. (2021). Hydrogen fuel and fuel cell technology for cleaner future: a review. Environmental Science and Pollution Research, 28, 15607-15626.

Türkiye Hidrojen Teknolojileri Stratejisi ve Yol Haritası, T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, Ocak 2023, https://enerji.gov.tr/Media/Dizin/SGB/tr/Kurumsal_Politikalar/HSP/ETKB_Hidrojen_Stratejik_Plan2023.pdf

Yusaf, T., Mahamude, A. S. F., Kadirgama, K., Ramasamy, D., Farhana, K., Dhahad, H. A., & Talib, A. R. A. (2023). Sustainable hydrogen energy in aviation–A narrative review. International Journal of Hydrogen Energy. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.02.086 (Kabul Edilen Makale).

Eylül 2023, sayfa no: 26-27-28-29-30