Hidrojen yakıtı

Hidrojen yakıtı, oksijenle yakılan sıfır karbonlu bir yakıttır. İçten yanmalı motorlarda ve yakıt hücrelerinde kullanılabilir. Uzun yıllardır yakıt hücreli otobüslerde kullanılmaktadır ve binek otomobiller gibi ticari yakıt hücreli araçlarda da kullanılmaya başlanmıştır. Ayrıca uzay araçlarının çalıştırılmasında da yakıt olarak kullanılmaktadır. 2018 itibarıyla hidrojenin büyük bir bölümü (~%95) buhar reformasyonu ya da kısmi metan oksidaysonu ve kömür gazlaştırma gibi fosil yakıtlardan elde edilir. Geriye kalan bölümü suyun elektrolizi, güneş termokimyası gibi yenilenebilir enerji kaynaklarıyla elde edilir.
Hidrojen periyodik tabloda birinci grup ve birinci periyotta bulunur. İlk elementtir ve elementlerin en hafifidir. Hidrojen havadan daha hafif olduğundan atmosferde yükselir ve bu sebeple nadiren saf hali olan H2 formunda bulunur. Havada yanan saf hidrojen gazı alevi (H2) oksijenle (O2) tepkimeye girer ve su (H2O) oluşur. Bu tepkime sonucunda enerji açığa çıkar.
2H2 (g) + O2 (g) - 2H2O (g) + enerji
Hidrojen yanması saf oksijen yerine atmosferik havayla gerçekleşirse su buharıyla birlikte az miktarda nitrojen oksit oluşabilir.
Açığa çıkan enerji hidrojenin yakıt görevi görmesini sağlar. Bu enerji elektrokimyasal bir hücrede nispeten yüksek verimlilikle kullanılabilir. Eğer basitçe ısıtma için kullanılıyorsa ısıl verime ilişkin her zamanki termodinamik sınırlar geçerlidir.
Hidrojen genellikle kömür ya da doğalgaz gibi hidrokarbonlar, güneş panelleri aracılığıyla elde edilen güneş enerjisi gibi birincil enerji kaynağından veya rüzgar türbinlerinden üretilen elektrik, biyoyakıt gibi bir enerji taşıyıcısı olarak nitelendirilir.
Üretim
Doğal saf hidrojen Dünya'da büyük miktarlarda bulunmadığından genellikle endüstriyel ölçekte üretmek için birincil enerji girdisine ihtiyaç duyar. Hidrojen yakıtı metan veya suyun elektrolizi ile üretilebilir. 2020 itibarıyla, hidrojenin çoğunluğu (∼% 95) kömür gazlaştırma, buharla reformasyon veya metanın kısmi oksidasyonu gibi fosil yakıtlar yoluyla üretilirken küçük bir miktarı da biyokütle gazlaştırma veya suyun elektrolizi gibi diğer yollarla üretilmektedir.
Büyük miktarlarda hidrojen elde edilirken kullanılan ana yöntem olan buhar-metan reformasyonu metandan hidrojen elde edilmesini sağlar. Ancak bu reaksiyon, doğal karbon döngüsünün dışında kalan fosil karbondioksit ve karbon monoksit gibi sera gazlarını atmosfere salar ve bu da iklim değişikliğine katkıda bulunur. Elektrolizde hidrojen ve oksijen atomlarını ayırmak için sudan elektrik geçirilir. Elektrolizle hidrojenin elde edilmesi hidrojeni yurt içinde düşük bir maliyetle üretmenin uygun bir yolu olarak araştırılmaktadır.
Dünyanın en büyük hidrojen yakıtı üretim tesisinin 7 Mart 2020'de Japonya'nın Fukushima Eyaleti Namie şehrinde açılışı yapılan 10MW-sınıfı bir hidrojen üretim birimi olan Fukushima Hidrojen Enerjisi Araştırma Sahası (FH2R) olduğu iddia edilmektedir. Saha 180.000 metrekarelik bir alanı kaplamaktadır ve alanın büyük bir bölümü güneş panelleri ile kaplıdır. Şebekeden gelen güç, hidrojen yakıtı üretmek amacıyla suyun elektrolizini yapmak için de kullanılır.
Üretim genellikle renk açısından sınıflandırılır: 'gri hidrojen' endüstriyel bir sürecin yan ürünü olarak üretilir, 'mavi hidrojen' üretim esnasında açığa çıkan karbondioksitin (CO2) Karbondioksitin Jeolojik Depolanması yöntemi kullanarak yakalandığı bir üretim süreci yoluyla üretilir ve son olarak 'yeşil hidrojen' tamamen yenilenebilir kaynaklardan üretilir.
Enerji
Su, hidrokarbonlar ve diğer organik maddelerde ciddi miktarlarda hidrojen bulunmaktadır. Hidrojeni yakıt olarak kullanmanın zorluklarından biri, bu bileşiklerden hidrojeni verimli bir şekilde çıkarabilmekten kaynaklanmaktadır. Günümüzde yüksek sıcaklıktaki buharı doğal gazla birleştiren buhar reformu, üretilen hidrojenin çoğunluğunu oluşturmaktadır. Bu hidrojen üretim yöntemi 700-1100 C arasındaki sıcaklıklarda gerçekleşir ve % 60-75 arasında bir verime sahiptir. Hidrojen, eğer reaksiyonu yürütmek için kullanılan elektrik fosil yakıtlı enerji santrallerinden değil, yenilenebilir veya nükleer enerjiden geliyorsa daha az karbon yoğunluklu elektroliz yoluyla sudan da üretilebilir. Suyun elektrolizinin verimi yaklaşık% 70-80 arasındadır ve proton değişim membran (PEM) elektrolizörleri kullanılarak 2030 yılına kadar% 82-86 verimliliğe ulaşması hedeflenmektedir. Hidrojen, doğal gazla neredeyse aynı şekilde kullanılabilir. Örneğin elektrik ve ısı üretmek için yakıt hücrelerine verilebilir, merkezi olarak ve daha büyük miktarlarda elektrik üretmek için bir kombine çevrim gaz türbininde veya içten yanmalı bir motorun çalıştırılmasında kullanılabilir. Her koşulda hidrojen, su oluşturmak için oksijen ile birleştirilir. Hidrojen yakıtı çevre dostu olduğundan bu aynı zamanda en önemli avantajlarından biridir. Hidrojen alevindeki ısı, yeni oluşan su moleküllerinden yayılmaktadır. Su molekülleri başta uyarılmış bir durumdadır ve daha sonra termal radyasyon yayarak temel duruma geçiş yapar. Havada yanarken sıcaklık doğal gazla aynı ve yaklaşık 2000 C'dir. Tarih boyunca karbon, birleştirilmiş hidrojen ve karbon hacimsel olarak daha yoğun olduğundan en pratik enerji taşıyıcısı olmuştur.
Kullanım Alanları
Hidrojen yakıtı, sabit elektrik üretim tesislerine güç sağlamak için kullanılabilir veya ısıtma işlemleri için doğal gaza bir alternatif sağlayabilir. Hidrojen yakıtı ayrıca sıvı itici roketler, taşınabilir yakıt hücresi uygulamaları ya da elektrik motorlarına güç veren sabit yakıt hücreleri, araba, kamyon, tren, tekne, uçaklar için itici güç sağlayabilmektedir. Arabalarda hidrojen yakıtı kullanılamamasının sebebi, hidrojenin yüksek basınçlı bir tankta veya bir kriyojenik tankta depolanmasının zor olmasından kaynaklanmaktadır. Karmaşık metal hidritler gibi malzemelerle alternatif depolama ortamları geliştirilmeye çalışılmaktadır.
Yakıt Hücreleri
Yakıt hücreleri, yüksek verimlilikleri, düşük gürültüleri ve sınırlı sayıda hareketli parçaları nedeniyle hidrojenden elektriğe doğrudan enerji dönüşümü için en cazip seçeneği sunmaktadır. Yakıt hücreleri hidrojenden hem durgun hem de hareketli enerji üretimi ile ilgilidir. Yakıt hücreleri genellikle bir araç tahrik sisteminin parçası olarak kabul edilir.
Pil elektrik motoru içeren bir elektrikli güç aktarım mekanizmasına güç sağlamak için yakıt hücresi kullanmak avantajların bir kısmının elektrikli güç aktarım sistemi ile ilgili olmasına rağmen yanmalı motor kullanmaktan iki-üç kat daha verimlidir. Bu, bir hidrojen yanmalı motora kıyasla bir yakıt hücresinde hidrojen kullanılarak çok daha fazla yakıt tasarrufu yapabilmenin mümkün olduğu anlamına gelir.
Dezavantajlar
Hidrojen, birim kütle başına yüksek enerjiye sahip olmasına rağmen, oda sıcaklığında ve atmosfer basıncında sıvı yakıtlara ve doğal gaza kıyasla birim hacim başına çok düşük enerji içeriğine sahiptir. Bu nedenle, genellikle sıkıştırılır ya da sıcaklığı 33 K'nin altına düşürülerek sıvılaştırılır. Yüksek basınçlı tankların ağırlıkları taşıyabilecekleri hidrojenden çok daha ağırdır. Örneğin 2014 model Toyota Mirai'de dolu bir depo yalnızca% 5,7 hidrojen içerir, ağırlığın geri kalanı depodan kaynaklanmaktadır.
Hidrojen yakıtı, hidrojenin düşük ateşleme, yüksek yanma enerjisi ve tanklardan kolayca sızma eğiliminde olması nedeniyle tehlikelidir. Hidrojen dolum istasyonlarında gerçekleşen bazı patlamalar rapor edilmiştir.
Hidrojen yakıt istasyonları hidrojeni genellikle hidrojen tedarikçilerinden kamyonla alır. Hidrojen tedarik tesisinde meydana gelen kesinti birden fazla hidrojen yakıt istasyonunu kapatabilir.