Geleceğin Hidrojen Ekonomisi: Parlak mı, Sıkıntılı mı? 
Bölüm-2

Ukf Bossel, Baldur Eliassoon, Gordon Taylor


 

 
2002 Yılı Temmuz ayında  The Fuel Cell World konfrenasında  "Geleceğin Hidrojen Ekonomisi: Parlak mı, Sıkıntılı mı?"   konulu çok  önemli çalışmayı  ETP Portalımızda  yayınlıyor ve  21 yıl sonra   bu konudaki değişiklikleri  okuyucularımız  yorumlarına bırakıyoruz.

ETP Portalımız okuyucuları  yazı ile ilgili görüşlerini ve bu konudaki yazılarını " iletisim@etp.com.tr " e-posta adresine   gönderebilirler.

ETP Portalımızda  "Geleceğin Hidrojen Ekonomisi: Parlak mı, Sıkıntılı mı?" makalesinin yayın iznini veren  yazarı  Sn. Ulf Bossel'e içtenlikle teşekkür ederiz. 





6.    Hidrojen Dağıtımı

6.1    Hidrojenin Karayoluyla Dağıtımı

Hidrojen ekonomisi aynı zamanda kamyonlar, trenler ve gemilerle hidrojen nakliyesini de içerecektir. Hidrojen dağıtımı için başka seçenekler de vardır, ancak uzak yerlere hizmet vermek ya da talebin en yoğun olduğu zamanlarda dolum istasyonlarına yedek tedarik sağlamak için karayolu taşımacılığı her zaman bir rol oynayacaktır.

Bu analiz, Almanya ve İsviçre'deki önde gelen endüstriyel gaz tedarikçilerinden elde edilen bilgilere dayanmaktadır: Messer-Griesheim [18], Esso (Schweiz) AG [19], Jani GmbH [20] ve Hoyer [21]. Aşağıdaki varsayımlar yapılmıştır: Hidrojen gazı (20 MPa = 200 bar'da), sıvı hidrojen, metanol, etanol, propan ve oktan (benzini temsil eder) rafineriden veya hidrojen tesisinden tüketiciye kamyonla taşınır. Brüt ağırlığı 40 metrik ton (sıvı hidrojen için 30 metrik ton) olan kamyonlar uygun tanklar veya basınçlı kaplarla donatılmıştır. Ayrıca, tam yükte kamyonlar 100 km'de 40 kg mazot tüketmektedir. Bu, metrik ton brüt ağırlık başına 100 km'de 1 kg'a eşdeğerdir. Boşaltılmış depolarla yapılan dönüş seferlerinde yakıt tüketimi buna göre azaltılır. Tüm kamyonlar için aynı motor verimliliğini varsayıyoruz.

40 metrik tonluk tanker kamyonlar maksimum yakıt taşımak üzere tasarlanmıştır. Oktan (benzini temsil eder), etanol ve metanol için taşıma kapasitesi yaklaşık 26 metrik tondur. Bunların tamamı müşteriye teslim edilir.

Sıkıştırılmış gazlar normalde 20 MPa (200 bar) basınçta teslim edilir, ancak tanklar 4 MPa (40 bar) basınçtaki bir alıcıya boşaltılırken yalnızca yaklaşık 4,2 MPa'ya (42 bar) kadar boşaltılır. Bu tür basınç kademeleri günümüzde standart bir uygulamadır. Sonuç olarak, basınçlı gaz taşıyıcıları yüklerinin yalnızca %80'ini teslim ederken, yükün %20'si tanklarda kalır ve gaz tesisine geri gönderilir.

Modern bir 40 metrik tonluk tüp römorklu kamyon 20 MPa basınçta 3.000 kg metan taşır ve kullanıcıya 2.400 kg teslim eder. Aynı kamyon 20 MPa basınçta sadece 320 kg hidrojen taşıyabilir ve müşteriye sadece 288 kg teslim edebilir. Teslimat tankının içeriğini daha yüksek basınçlı depolama tanklarına tamamen boşaltmak için kompresörler gerekecektir. Bu sadece gaz transferini daha zor hale getirmekle kalmayacak, aynı zamanda yukarıdaki Bölüm 5.1 ve aşağıdaki Bölüm 7'de tartışıldığı gibi ilave sıkıştırma enerjisi gerektirecektir. Bu ekonomik olarak uygun maliyetli olsa da, yüksek bir enerji maliyeti olacaktır.

Hidrojen gazının çok düşük taşıma kapasitesi, düşük yoğunluğunun yanı sıra çelik silindirlerin, vanaların ve 20 MPa basınçta güvenli kullanım için gerekli diğer ekipmanların ağırlığından kaynaklanmaktadır. Bununla birlikte, teknik gelişmeler göz önünde bulundurularak, bu analizde gelecekte kamyonların 4.000 kg metan veya 500 kg hidrojen taşıyabileceği ve bunun %80'inin, yani sırasıyla 3.200 kg ve 400 kg'ının tüketiciye teslim edilebileceği varsayılmıştır. Dolayısıyla, sadece 400 kg gaz halindeki hidrojeni taşımak için 39,6 metrik tonluk bir dara ağırlığı gerekecektir - yani yaklaşık yüzde 1'lik bir yük. Dönüş seferinde, ağır (40 - 0,4 = 39,6 metrik ton) boş
 

Hidrojen kamyonu, çok daha hafif (40 - 26 = 14 metrik ton) boş benzin taşıyıcısından oransal olarak daha fazla dizel yakıt tüketir.

Çoğu durumda yakıtların taĢınması ağırlıkla sınırlıyken, sıvı hidrojen için aşağıdaki örnekte gösterildiği gibi hacimle sınırlıdır. Büyük bir treyler-kamyon 2,4 m genişliğinde, 2,5 m yüksekliğinde ve 10 m uzunluğunda, yani 60 m3 bir kutunun kullanışlı hacmine sahip olabilir. Soğuk sıvının yoğunluğu sadece 70 kg/m3 - ya da ağır hizmet straforundan biraz daha fazla - olduğundan, kutu sadece 4.200 kg sıvı hidrojen içerebilir. Ancak konteyner, ısı yalıtımı, güvenlik ekipmanları vs. için alana ihtiyaç vardır. Aslında, büyük boyutlu bir kamyonda sadece yaklaşık 2.100 kg kriyojenik sıvı için yer vardır. Bu durum sıvı hidrojen taşımacılığını pahalı hale getirmektedir, çünkü küçük taşıma kapasitesine rağmen aracın finanse edilmesi, bakımının yapılması, tescil edilmesi, sigortalanması ve deneyimli bir sürücü tarafından herhangi bir kamyon gibi sürülmesi gerekmektedir. Analiz için sıvı hidrojen taşıyıcısının brüt ağırlığının sadece 30 metrik ton olduğunu varsayıyoruz.

Günümüzde modern, temiz dizel otomobillerin, kamyonetlerin ve kamyonların yakıt ekonomisi mükemmeldir, ancak yakıt hücreli araçlarınki nihayetinde biraz daha iyi olabilir. Her iki durumda da yakıt ekonomisi, özellikle rejeneratif frenleme sayesinde hibrid sistemler tarafından iyileştirilebilir. Başlangıçta, ne geleneksel motorlu ne de yakıt hücreli araçların yakıt ekonomisinde herhangi bir iyileştirme düşünülmemiştir. Dolayısıyla her iki yakıt dönüştürücüsü de benzer depodan tekerleğe verimliliğe,  dolayısıyla enerji tüketimi ve CO2 emisyonlarına sahip olabilir. Sonuçlar aşağıdaki şekilde gösterilebilir: Büyük bir otoyol üzerindeki orta büyüklükteki bir benzin istasyonu her gün 26 metrik ton benzin satabilir. Bu yakıt 40 metrik tonluk bir benzin kamyonu tarafından teslim edilebilir. Ancak aynı miktarda enerjiyi istasyona ulaştırmak için 22 tüp römorklu hidrojen kamyonu veya yaklaşık üç sıvı hidrojen kamyonu gerekir.

Hidrojen yakıt hücreli araçların potansiyel olarak üstün depodan tekerleğe verimliliği nedeniyle, aynı mesafeyi kat etmek için benzinli veya dizel araçların ihtiyaç duyduğu enerjinin yalnızca %70'ine ihtiyaç duyabileceklerini varsayıyoruz. Öyle olsa bile, günümüzde tek bir benzinli kamyonun hizmet verdiği aynı sayıda aracı hidrojenle doldurmak için yine de 15 tüp römorklu hidrojen kamyonu gerekecektir. Ayrıca, basınçlı hidrojenin bu 15 kamyondan dolum istasyonuna aktarılması, benzinin tek bir tankerden bir yeraltı depolama tankına boşaltılmasından çok daha uzun sürecek ve muhtemelen yerleşik dolum istasyonu prosedürleriyle çatışacaktır.

Farklı yakıt seçenekleri için, 100 km'lik bir yakıt dağıtım mesafesi için enerji tüketimleri Tablo 3'te gösterilmektedir.
 

Tablo 3: Çeşitli yakıtların ve hidrojenin karayolu taşımacılığı için tüketilen enerji


Şekil 10: HHV enerji içeriklerine göre yakıtların karayoluyla taşınması için gereken enerji
 

Bugün yaklaşık her 100 kamyondan biri tankerdir ve diğer karayolu araçları için benzin ya da dizel yakıt taşımaktadır. Hidrojenin karayoluyla taşınması için 15 kamyon, yani toplam 115 kamyon gerekebilir - bu da yaklaşık %13'lük bir artış demektir. Dolayısıyla kamyonların karıştığı her yedi kazadan biri bir hidrojen kamyonunu içerebilir ve her kırk dokuz kamyondan biri iki hidrojen taşıyıcısı arasında çarpışabilir. Bu senaryo, özellikle kavşaklar, köprüler ve tüneller gibi kısıtlı trafik koşullarında birçok nedenden dolayı kesinlikle kabul edilemez. Bu analizin çeşitli mesafeler için temel sonuçları Şekil 10'da gösterilmektedir.

Sıvı hidrokarbon yakıtlardan herhangi birini taşımak için gereken enerji oldukça azdır. Tek yönlü 500 km'lik bir teslimat mesafesi için dizel yakıt tüketimi, teslim edilen yakıtın HHV enerji içeriğinin %2,5'inin altında kalmaktadır. Ancak, yakıt hücreli araçlar için basınçlı hidrojen teslimatı söz konusu olduğunda, ilgili bağıl enerji tüketimi neredeyse her mesafede kabul edilemez hale gelmektedir. Benzinin karayolu teslimatıyla karşılaştırıldığında, gaz halindeki hidrojenin yalnızca %70'i kadar enerji sağlamak için gereken dizel yakıt 32 kat, sıvı hidrojen ise yaklaşık 4,5 kat daha yüksektir.

6.2    Boru Hattıyla Hidrojen Dağıtımı

Günümüzde hidrojen boru hatları mevcuttur, ancak bunlar kimyasal bir ürünü bir üretim sahasından diğerine taşımak için kullanılmaktadır. Gazı taşımak için gereken enerji ikincil öneme sahiptir, çünkü enerji tüketimi üretim sürecinin bir parçasıdır ve enerji harcamaları genel üretim maliyetlerinin bir parçasıdır. Ancak boru hatlarıyla hidrojen enerjisi nakli için durum böyle değildir.

Hidrojeni boru hatlarından pompalamak için gereken enerjinin değerlendirilmesi doğal gaz boru hattı işletme deneyiminden elde edilmiştir. Karşılaştırma için aynı boru hattı üzerinden aynı miktarda enerji sağlandığı varsayılmıştır. Gerçekte, difüzyon kayıpları, malzemelerin ve contaların kırılganlığı, kompresör yağlamasının hidrojenle uyumsuzluğu ve diğer teknik sorunlar nedeniyle mevcut boru hatları hidrojen için kullanılamaz. Ayrıca, pompalama için enerji ihtiyacını azaltmak amacıyla hidrojen boru hatlarının çapının daha büyük olması gerekebilir.

Analizimizde, semboller aşağıdaki anlama sahiptir: 


Vo   Hacimsel akış hızı [m3 /s]
A    Boru kesit alanı [m² 
Boru hattından geçen enerji akışı, Q [W]

Q = Vo ρ HHV = A v ρ HHV    (2)

1 MPa (=10 bar) basınçta, metan ve hidrojenin yoğunlukları sırasıyla 7,2 ve 0,9 kg/m3 'dir. Denklem (2)'ye göre, aynı çaptaki bir boru hattından aynı enerji akışı için, hidrojenin hızı metanınkinin 3,13 katı olmalıdır.

Reynolds sayısı şu şekilde verilir:

Re = ρ v D / η    (3)

1 MPa basınçta, metan ve hidrojenin dinamik viskoziteleri şöyledir

Sırasıyla 11.0 x 10-6 ve 8.92 x 10-6 kg/(s m) [22]. Dolayısıyla denklem (3)'e göre ve 1 m boru çapı için metan ve hidrojenin Reynolds sayıları sırasıyla 6.55 x 106 ve 3.16 x 106 'dir. Her iki değer de 2.000'i büyük ölçüde aştığından, akış rejimi her iki durumda da türbülanslıdır.

Türbülanslı akış için teorik pompalama gücü N [W] gereksinimi şu şekilde

verilir: N = Vo ∆p = A v ∆p = p/4 D2 v ∆p = p/4 D2 v L/D 1/2 ρ v2 ζ(4)



Denklem (4)'ten, hidrojen için NH2 ve metan için NCH4 teorik pompalama güçlerinin oranıdır:

NH2 / NCH4 = ( ρH2 / ρCH4 ) (vH2 / v )CH43    (5)

Dolayısıyla, hidrojenin belirli bir enerji akışını belirli bir boru hattından geçirmek, doğal gaza kıyasla yaklaşık 3,85 kat daha fazla enerji gerektirir.

Tipik olarak, doğal gazı bir boru hattı boyunca 10 m/s hızla taşımak için her 150 km'de bir kompresör kurulur. Genellikle gaz akışından yakıt alırlar ve her bir kompresör yerel enerji akışının yaklaşık %0,3'ünü tüketir [23]. Bu model aynı boru hattı üzerinden hidrojen taşınmasına uygulandığında, denklem (5)'ten her bir kompresörün yerel enerji akışının 0,3 x 3,85 = %1,16'sına ihtiyacı olacaktır. Kalan gaz kütle akışının orijinal gaz kütle akışına oranı Şekil 11'de metan ve hidrojen için boru hattı uzunluğuna karşı gösterilmiştir.
 

6.3    Yerinde Hidrojen Üretimi

Dolum istasyonlarında ve dağınık depolarda hidrojen sağlamaya yönelik bir seçenek de elektroliz yoluyla gazın yerinde üretilmesidir. Yine, bu yöntemle hidrojen üretmek ve sıkıştırmak için gereken enerji, yerel müşterilere teslim edilen hidrojenin HHV enerji içeriği ile karşılaştırılır. Doğal gaz reformasyonu Bölüm 4.2'de belirtilen nedenlerden dolayı dikkate alınmamıştır.

Analiz, günde 100 ve 2.000 geleneksel otomobil ve kamyona hizmet veren dolum istasyonları için yapılmıştır. Ortalama olarak her aracın 60 litre (= 50 kg) benzin veya mazot aldığı varsayılmıştır. Günde 100 ve 2.000 araç için enerji eşdeğerleri sırasıyla günde yaklaşık 1.700 ve 34.000 kg hidrojen olacaktır. Karşılaştırma, IC motorlu ve yakıt hücreli araçlar için aynı ulaşım hizmetlerine dayanmaktadır. Ancak, Bölüm 6.1'de belirtildiği gibi, IC motorlu araçlarla karşılaştırıldığında, yakıt hücreli araçlar daha yüksek bir depodan tekerleğe verimliliğe sahip olabilir ve bu nedenle birim mesafe başına daha az enerji tüketir. Hem benzin hem de hidrojenin HHV'sine dayanarak, yakıt pilli araçların sadece %70 daha fazla enerjiye ihtiyaç duyduğunu varsayıyoruz.

Karşılaştırma, fosil yakıtlı ve hidrojenli araçlar için aynı ulaşım hizmetlerine dayanmaktadır. Azaltılmış menzilleri nedeniyle, hidrojenli araçlar 60 litre benzinle aynı enerji eşdeğerini elde etmek için daha fazla dolum gerektirecektir. Elektrolizör verimliliği, sırasıyla günde 100 ve 2.000 araç için boyuta göre %70 ila %80 arasında değişmektedir. Ayrıca AC-DC güç dönüşümünde de kayıplar meydana gelmektedir. Elektroliz yoluyla hidrojen üretmek için sırasıyla 3 ve 51 MW'lık ortalama sürekli elektrik gücü gerekecektir. Su takviyesi (0,09 ve 1,52 MW) ve hidrojeni yerinde depolama için 10 MPa'ya ve 35 MPa'da araç tanklarına hızlı transfer için 40 MPa'ya sıkıştırmak için ek güç gerekecektir (0,29 ve 4,45 MW). Toplamda, günde 100 ve 2.000 araçlık hidrojen üretmek ve depolamak için dolum istasyonuna 3 v e 57 MW'lık sürekli elektrik gücü sağlanmalıdır. Ayrıca günlük 11 ve 214 m3 su tüketilecektir. Daha büyük olan değer saniyede yaklaşık 2,5 litreye karşılık gelmektedir.
 

Sürekli çalışan ve günde çeşitli sayıda araca hizmet veren yerinde hidrojen üretim tesisleri için temel varsayımlar ve en önemli sonuçlar Tablo 4'te sunulmuştur.

Tablo 4:  Yerinde hidrojen üretimi için varsayımlar ve sonuçlar
 

Bu analizin nihai sonuçları  aşağıdaki  Şekil 13'te gösterilmektedir.    
 

Şekil 13: Hidrojenin HHV enerji içeriğine göre 10 MPa'da depolanan elektroliz yoluyla yerinde hidrojen üretimive ardından 35 MPa araç tanklarına hızlı transfer için 40 MPa'ya sıkıştırılması için gereken

Dolayısıyla günde 1.000 araç için, 1 birim hidrojen HHV elde etmek üzere yaklaşık 1,65 birim enerji harcanması gerekir ki bu da %60'lık bir kademe verimliliği sağlar. Eğer elektrik kömürle çalışan enerji santralleri tarafından üretilseydi, kuyudan tanka toplam verimlilik %20'den az olabilirdi.

Sürekli çalıştığı varsayıldığında, sık kullanılan otoyollardaki her yirmi ila otuz hidrojen dolum istasyonu 1 GW'lık bir elektrik santralinin üretimini tüketecektir. Bu kadar büyük miktarlarda elektriğin mevcudiyeti kesinlikle sorgulanabilir. Bugün, tüketilen ulusal toplam enerjinin yaklaşık altıda biri elektriktir. Mevcut benzin ve dizel yakıt arzının, dolum istasyonlarında elektroliz yoluyla üretilen hidrojen ile ikame edilmesi, ulusal elektrik enerjisi üretim kapasitesinin 3 ila 5 kat artmasını ve bunları sürekli çalıştıracak enerjiyi gerektirecektir. Eğer bu enerji kömürden elde ediliyorsa, bu tür "sıfır emisyonlu araçlara" geçiş CO2 emisyonlarında önemli bir artışa yol açacaktır. Bu nedenle, elementel hidrojen kullanmayan enerji tasarruflu araç teknolojilerinin geliştirilmesi daha iyi olacaktır (aşağıya bakınız).

7.    Hidrojen Transferi

Sıvılar yerçekiminin etkisiyle dolu bir kaptan boş bir kaba boşaltılabilir. Sıvı daha düşük bir yükseklikten daha yüksek bir yüksekliğe veya hızlandırılmış akış hızlarında aktarılmadığı sürece ek enerji gerekmez.

Ancak, basınçlı gazların transferi başka yasalara uyar. Biri 20 MPa'da dolu, diğeri 0 Pa gösterge basıncında boş olan eşit hacimli iki tank varsayalım. Tanklar arasındaki vanayı açtıktan sonra gaz boş tanka akacak, ancak basınçlar dengeye yaklaştığında akış duracaktır. Bu durumda eşit büyüklükteki iki tankın yarısı dolu ya da yarısı boş olacaktır. Dahası, transfer süreci sıcaklık etkileri nedeniyle karmaşıklaşır. Hızlı basınç düşüşüyle birlikte, Joule-Thompson etkisi nedeniyle besleme tankının içeriği soğur. Dolayısıyla eşit basınçlarda, kalan gazın yoğunluğu diğer tanktaki transfer edilen gazın yoğunluğundan daha yüksektir. Sonuç olarak, besleme tankında alıcı tanka aktarılandan daha fazla kütle kalır. Eşit kütle transferi ancak bir süre sonra, sıcaklıklar tekrar dengeye ulaştığında gerçekleşir. Benzer büyüklükteki tanklar için bu durum Şekil 14'te gösterilmiştir.
 

Şekil 14:  Sıvıların ve gazların transferinin şematik gösterimi
 

Küçük bir tankı önemli büyüklükteki yüksek basınçlı bir kaptan doldurmak için ek enerji gerekmeyecektir. Ne yazık ki otomotiv uygulamaları, yüksek iç basınçlara maruz bırakılamayan büyük sabit tedarik kapları ve sürüş menzilini en üst düzeye çıkarmak için araçlarda küçük yüksek basınçlı tanklar gerektirmektedir. Sonuç olarak, hidrojeni tedarik tankından araç tankına aktarmak için pompalama gerekecektir. Pompalama yoluyla gaz transferi için gereken enerji miktarı, gazı nihai basınç p2 (örneğin 40 MPa) değerine sıkıştırmak için gereken iş ile büyük hacimli deponun ara basınç p1 değerine (örneğin 10 MPa) ulaşmak için gereken işin farkı ile verilir. Çok kademeli bir sıkıştırma için sıkıştırma işi ideal izotermal sıkıştırmanın yaklaşık iki katıdır (bkz. Bölüm 5.1), yani


    W ≈ 2 p0 V0 [ln(p /p20 ) - ln(p /p10 )]    (6)    


 ile W    [J/kg]    spesifik sıkıştırma  çalışması        
     p₀   [Pa]       Başlangıç basıncı       
     p₁   [Pa]         Ara  basınç       
     p₂    [Pa]       Son basınç
     V₀   [m3 /kg]   Başlangıç özgül hacmi        


Örnek vaka için

p₀    = 10    MPa    (= 1 bar)
p₁    = 10    MPa    (= 100 bar)
p2    = 40    MPa    (= 400 bar)
V0 = 11,11 m3 /kg
p₀ V₀    = 1,111    MJ/kg    


Kalan hidrojeni besleme tankından alıcı tanka çok kademeli bir sıkıştırma ile aktarmak için gereken enerji şudur:

W = 1,54 MJ/kg

Bu, sıkıştırılmış hidrojenin HHV enerji içeriğinin yaklaşık %1,1'idir. Dolum istasyonlarına kurulan küçük kompresörlerin mekanik ve elektrik kayıpları da dahil edildiğinde bu rakam %3'e yaklaşacaktır. Ayrıca, hidrojeni 10 MPa'lık büyük bir depolama tankından 35 MPa'lık küçük bir araç tankına aktarmak için en az 4,32 MJ/kg veya diğer kayıplar da dahil olmak üzere aktarılan hidrojenin YHD enerji içeriğinin en az %3'üne ihtiyaç duyulacaktır. Dolayısıyla, 10 MPa'lık bir depolama tankından 35 MPa'lık bir araç tankına 1 birim HHV hidrojen enerjisi aktarmak için en az 1,03 birim (elektrik) enerjisi gerekir.

1 HHV hidrojen enerji birimini 10 MPa'lık bir depolama tankından bir hidrojen aracındaki 70 MPa'lık bir depolama tankına aktarmak için en az 1,08 elektrik enerji birimi yatırılmalıdır. Diğer kayıplarla birlikte bu değer 1,12 birim olur.

8.    Sonuçların Özeti

Tespit edebildiğimiz kadarıyla, bir hidrojen ekonomisini işletmek için gereken kaynak  enerjisi daha önce tam olarak değerlendirilmemiştir. Dolayısıyla bu derlemenin amacı, temel bir hidrojen ekonomisinin temel zayıflıklarına ilişkin bir farkındalık yaratmaktır. Bununla birlikte, hidrojenin üretilmesi, paketlenmesi, dağıtılması, depolanması ve aktarılmasının enerji maliyeti başka bağlamlarda başka yerlerde analiz edilmiş olabilir. Eğer öyleyse, bu tür çalışmaların bulguları bizim sonuçlarımızı doğrulamak veya düzeltmek için kullanılabilir. Ayrıca, bu çalışmanın okuyucuları analizi geliştirmeye ve genişletmeye davet edilmektedir.

Bu arada, doğal gazın hidrojene dönüştürülmesinin geleceğin çözümü olamayacağını görüyoruz. Doğal gazın dönüştürülmesiyle üretilen hidrojen, elektroliz yoluyla elde edilen hidrojenden daha ucuza (hem para hem de enerji olarak) mal olabilir, ancak çoğu uygulama için doğal gaz, hidrojenden daha iyi olmasa da onun kadar iyidir. Karayolu taşımacılığında kullanım için, eğer doğal gaz hidrojene dönüştürülürse, kuyudan tekerleğe verimlilik azalacak ve dolayısıyla, verilen nihai enerji talebi için CO₂ emisyonu artacaktır. Ayrıca, tüm sabit uygulamalar için, enerjinin elektrik olarak dağıtılması, enerji taşıyıcısı olarak hidrojen kullanımına göre kuvvetle  daha üstün olacaktır.

Karayolu taşımacılığında elektrolitik hidrojen kullanımı için sonuçlar, dört olası tedarik yolunun yer aldığı Tablo 5'te sunulmuştur:

A    Elektrolizle üretilir, 20 MPa'ya sıkıştırılır ve karayoluyla dolum istasyonlarına veya tüketicilere dağıtılır, 10 MPa'da depolanır, daha sonra 35 MPa'da araçlara hızlı aktarım için 40 MPa'ya sıkıştırılır.

B    Elektroliz yoluyla üretilir, sıvılaştırılır ve karayoluyla dolum istasyonlarına dağıtılır  veya tüketicilere, daha sonra araçlara aktarılır.

C    Dolum istasyonlarında veya tüketicilerde elektroliz yoluyla üretilir, depolanır 10 MPa, daha sonra 35 MPa'da araçlara hızlı transfer için 40 MPa'ya sıkıştırılır.

D    Elektroliz yoluyla üretilir ve alkali metal hidritlerin yapımında kullanılır.("Bor" gibi alkali bir metale emdirilerek bor-hidrit haline dönüştürülecek ve bu haliyle dağıtım istasyonlarında depolanacak, daha sonra da araçlara aktarılacaktır.)

Tablo 5: Farklı hidrojen dağıtım yolları için enerjitüketimi

* Salınan hidrojenin sadece %50'si elektrolizden gelir
** Alkali metalleri üretmek için gereken enerji hariç

İdeal süreçler ve mevcut endüstriyel uygulamalar varsayıldığında bile analiz, elektrik kaynağı enerjisi ile tüketiciye teslim edilen hidrojen enerjisi arasında önemli miktarda enerji kaybı olduğunu ortaya koymaktadır. Sıkıştırılmış hidrojenin karayoluyla teslimatı için, Yol A, elektrik enerjisi girdisi, teslim edilen hidrojenin HHV enerjisini en az 1,69 kat aşmaktadır. Sıvı hidrojen söz konusu olduğunda, Yol B, bu faktör en az 2,12'dir. Yerinde hidrojen üretimi için, Yol C, faktör en az 1,69'dur. Hidrojenin kimyasal hidritler yoluyla dağıtımı için( , Yol D, faktör en az 1,95'tir. Bunlardan herhangi birinin cazip olması pek olası değildir. Dolayısıyla elementel hidrojen bazı niş pazarlarda pratik çözümler sağlayabilir, ancak geleceğin enerji ekonomisinde önemli hale gelemez.

Günümüzde petrol kuyuları ile dolum istasyonları arasındaki taşıma, rafine etme ve dağıtım kayıpları yaklaşık %12'dir. Dolayısıyla benzinin kuyudan depoya verimliliği yaklaşık yüzde 88'dir ve dizel yakıt için bu oran biraz daha yüksektir. Yukarıda gösterildiği gibi, elementel hidrojen ekonomisinde, seçilen yola bağlı olarak ve hatta birçok ideal süreç varsayıldığında, yukarı akış kayıpları çok daha yüksek, %69 ila %100'ün üzerinde olacaktır. Dolayısıyla, elde edilebilecek en iyi durumda bile, HHV bazında kuyudan depoya verimlilik %50'nin çok üzerinde olamaz.

8.1    Elementel Hidrojen Ekonomisinin Sınırları

En iyi yollar olan A ve C için bile, Şekil 15'te gösterilen temel "Hidrojen Ekonomisi" ikna edici değildir.

Şekil 15: Suyun doğal döngüsüne dayalı Elementel Hidrojen Ekonomisi. Kullanıcıya elementel hidrojen sağlanır.

Temel Hidrojen Ekonomisi ile ilgili tüm kayıplar doğrudan hidrojenin doğası ile ilgilidir. Bu nedenle herhangi bir araştırma ve geliştirme çalışmasıyla önemli ölçüde azaltılamazlar. Hidrojenin en hafif element olduğunu ve fiziksel özelliklerinin enerji piyasasının gereksinimlerine uymadığını kabul etmek zorundayız. Gazın üretimi, paketlenmesi, depolanması, transferi ve dağıtımı o kadar enerji tüketmektedir ki başka çözümler düşünülmelidir. İnsanoğlu belirsiz faydalar için enerji israfını göze alamaz; piyasa ekonomisi her zaman pratik çözümler arayacak ve enerji daha pahalı hale geldikçe en enerji verimli olanı seçecektir. Bu kritere göre değerlendirildiğinde, temel "Hidrojen-Ekonomisi" asla gerçeğe dönüşemez.

Bu çalışma, bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin güçlü ve zayıf yönleri hakkında bazı ipuçları sağlamaktadır. Kaybedilen enerjinin oranı kesinlikle uygulamaya bağlıdır. Analiz, hidrojen gazının binlerce kilometre boyunca boru hattıyla taşınmasının büyük enerji kayıplarına yol açacağını göstermektedir. Ayrıca, uygulamada, malzeme ve bakım talepleri muhtemelen engelleyici seviyelerde sızıntı ve sistem maliyetleri ile sonuçlanacaktır. Ayrıca analiz, hidrojenin sıkıştırılması veya sıvılaştırılması ve kamyonlarla taşınmasının büyük enerji kayıplarına yol açacağını göstermektedir. Bununla birlikte, hidrojen çözümleri belirli niş uygulamalar için uygun olabilir. Örneğin, çatılardaki fazla güneş enerjisi, hidrojen üretmek için kullanılabilir, sabit tanklarda düşük basınçta depolanabilir, motorlar veya yakıt hücreleri ile ısı ve güç üretimi için özel binalar için uygun bir çözüm olabilir.
 
Başta da belirtildiği gibi, elektroliz yoluyla üretilen hidrojen, yenilenebilir kaynaklardan elde edilen - çoğunlukla fiziksel - enerji ile kimyasal enerji arasındaki en iyi bağlantı olabilir. Ayrıca taşınabilir yakıt hücreleri gibi modern temiz enerji dönüşüm cihazları için ideal yakıttır ve modifiye edilmiş IC motorlarda bile kullanılabilir. Ancak hidrojen, birincil kaynaklardan uzak veya mobil son kullanıcılara enerji taşımak için ideal olmaktan uzaktır. Elektrolizör ile yakıt hücresi veya içten yanmalı motoru arasındaki ticari köprü için başka çözümler düşünülmelidir.


8.2    Sentetik Sıvı Hidrokarbon Ekonomisi
 

Sadece hidrojen perspektifi, sentetik sıvı hidrokarbonlara dayalı bir enerji ekonomisi olan üstün bir temiz enerji çözümünü gizlemektedir. İdeal enerji taşıyıcısı, kaynama noktası 80°C'nin üzerinde ve donma noktası -40°C'nin altında olan bir sıvı olacaktır. Bu tür enerji taşıyıcıları normal iklim koşullarında ve yüksek rakımlarda sıvı halde kalacaktır. Benzin, dizel yakıt (= ısıtma yağı) mükemmel örneklerdir. Sadece ham petrol ve doğal gazdan elde edilebildikleri için değil, esas olarak fiziksel özellikleri onları ulaşım uygulamaları için ideal hale getirdiği için yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Taşıma, depolama, nakliye ve enerjik kullanım açısından en iyi çözümler olarak ortaya çıkmışlardır. Petrol hiç keşfedilmemiş olsaydı bile, dünya sentetik hidrojen değil, taşınabilir yakıtlar ve özellikle karayolu taşımacılığı için bir veya daha fazla sentetik hidrokarbon kullanacaktı.

Sentetik Sıvı Hidrokarbon Ekonomisi, su ve karbondioksitin iki doğal döngüsüne dayanabilir ve tamamen yenilenebilir kaynaklardan üretilen tüketici dostu enerji taşıyıcıları sağlayabilir. Su hidrojen kaynağıdır, karbon ise biyosferden ("biyo-karbon") alınır - örneğin biyokütleden, organik atıklardan ve CO'dan2 baca gazlarından yakalanır. Tipik olarak biyokütlenin hidrojen/karbon oranı ikidir. Metanol sentezinde, her biyo-karbona iki ek hidrojen atomu eklenir. Biyokütleyi hidrojene dönüştürmek yerine, yenilenebilir kaynaklardan ve hatta sudan elde edilen hidrojen, metanol veya etanol oluşturmak için kimyasal bir işlemle biyokütleye eklenebilir. Sentetik Sıvı Hidrokarbon Ekonomisinde, karbon atomları son kullanımına kadar enerji taşıyıcısında bağlı kalır. Daha sonra atmosfere geri gönderilirler (veya sabit tesislerde baca gazlarından geri kazanım yoluyla doğrudan geri dönüştürülebilirler). Özellikle paketleme, teslimat, depolama ve transfer için daha az enerji gerektiğinden, bu tür Sentetik Sıvı Hidrokarbonlar çevresel açıdan elementel hidrojenin kendisinden daha üstündür.

"Sentetik Sıvı Hidrokarbon Ekonomisi "nin bir şeması Şekil 16'da gösterilmektedir.

Şekil 16: Sentetik Sıvı Hidrokarbon Ekonomisi su ve karbondioksitten oluşan iki doğal döngüye dayanabilir. Doğal ve sentetik sıvı hidrokarbonlar kullanıcıya sağlanır.

 

8.3    Sıvı Hidrokarbonlar

Herhangi bir sentetik sıvı yakıt bir dizi gereksinimi karşılamalıdır. Normal basınç altında -40°C ile 80°C arasındaki sıcaklıklarda sıvı olmalı, sentezlenmesi kolay olmalı, toksik olmamalı ve IC motorlarda, yakıt hücrelerinde ve kazanlarda kullanıma uygun olmalıdır. Hidrojen ve karbondan birçok hidrokarbon sentezlenebilir. Likidite kriterini karşılayan bazı bileşikler aşağıda tablolaştırılmıştır. Ancak, üretim, güvenlik, yanma vb. hususlar bazılarını listeden çıkarabilir veya listeye yeni seçenekler ekleyebilir.

Aşağıdaki sıvı hidrokarbonlar dikkate alınmıştır:

Bu maddelerin karakteristik verileri Tablo 6'da gösterilmektedir.

Tablo 6 : Seçilmiş hidrokarbonların    fiziksel ve enerjik özellikleri [3]    

Tablolaştırılan maddelerin temel özellikleri Şekil 17'de gösterilmektedir.

Şekil 17: Amonyak ve seçilmiş sentetik sıvı hidrokarbon yakıtların hidrojen yoğunluğu ve HHV enerji içeriği

Sıvı veya yüksek basınçlı (80 MPa) gaz halindeki hidrojenle karşılaştırıldığında, on bileşiğin her biri (A'dan J'ye) birim hacim başına iki ila neredeyse dört kat daha fazla enerji içerir. Bunlardan amonyak, metanol, etanol, DME ve toluen nispeten basit moleküler yapılara sahipken, benzin benzeri oktan en iyi hidrojen taşıyıcısıdır ve aynı zamanda birim hacim başına enerji içeriği açısından ikinci sıradadır.

Amonyak metreküp başına 136 kg hidrojen içermesine rağmen son derece zehirlidir. İster enerji ister hidrojen dağıtmak istensin, en iyi yol hidrojeni karbonla birleştirerek sıvı bir yakıt haline getirmektir. Metanol ve etanol ile karşılaştırıldığında, oktanın sentezlenmesi daha zordur, örneğin Fischer-Tropsch işlemi ile ve Yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere hidrojen üretmek için reformu daha zordur. Dimetileter (DME) iyi özelliklere sahiptir, ancak alkollerden daha az çok yönlüdür.


Metanol, ısı motorları ya da Doğrudan Metanol Yakıt Hücreleri (DMFC), Erimiş Karbonat Yakıt Hücreleri (MCFC) ve Katı Oksit Yakıt Hücreleri (SOFC) aracılığıyla doğrudan elektriğe dönüştürülebilir. Ayrıca Polimer Elektrolit Yakıt Hücrelerinde (PEFC veya PEM) ve Alkalin Yakıt Hücrelerinde (AFC) kullanılmak üzere kolayca hidrojene dönüştürülebilir. Metanol, yakıt hücreleri ve diğer birçok uygulama için evrensel bir yakıt haline gelebilir.

Etanol zehirsizdir (a ş ı r ı y a k a ç m a m a k k a y d ı y l a ) ve doğrudan biyokütleden, örneğin fermantasyon yoluyla elde edilebileceği gibi biyo-karbon ve sudan da sentezlenebilir. Nispeten yüksek bir hacimsel enerji yoğunluğuna sahip olduğundan, özellikle araçlarda kullanım için uygundur. Özel veya Esnek Yakıtlı Araçlarda benzinle (E85) %85 oranında karıştırılarak kıvılcım ateşlemeli ("SI") motorlarda veya dizel yakıtla (E95) %95 oranında karıştırılarak sıkıştırma ateşlemeli ("CI") motorlarda kullanılabilir [24]. Prensip olarak yakıt hücreli araçlarda da kullanılabilir. Dolayısıyla etanol, yenilenebilir enerji kaynaklarına ve karbondioksitin geri dönüşümüne dayalı bir enerji ekonomisi için mükemmel bir çözüm olabilir.

9.    Sonuçlar

Analiz, karayolu taşımacılığı için temel bir "Hidrojen Ekonomisi "nin düşük bir kuyu-tank verimliliğine ve dolayısıyla düşük bir çevresel kaliteye sahip olacağını göstermektedir. Özellikle, elektrik enerjisi kömürle çalışan enerji santrallerinde üretilirse, kuyudan depoya verimlilik %20'nin altına düşebilir. Hidrojen yakıt hücrelerinde kullanılsa bile, genel enerji verimliliği 20. yüzyılın ilk yarısındaki buharlı motorlarınkiyle karşılaştırılabilir olurken, CO2 emisyonları genel enerji tüketimindeki artış nedeniyle önemli ölçüde artmış olacaktır.

Enerji stratejisi planlama, araştırma ve geliştirme odağını temel bir "Hidrojen Ekonomisi "nden "Sentetik Sıvı Hidrokarbon Ekonomisi "ne kaydırmanın zamanı gelmiştir. Bu, sınırlı insan, malzeme ve mali kaynakların, iki kapalı temiz doğal su (hidrojen için) ve CO2 (karbon için) döngüsü üzerine inşa edilmiş sürdürülebilir bir enerji geleceği için teknik çözümler sağlamaya yönlendirilmesi anlamına gelmektedir. Neyse ki, biyokütle yetiştirme ve etanol üretmek için fermantasyon ve damıtma gibi teknolojilerin çoğu halihazırda mevcuttur. Hem metanol hem de etanol su ve karbondan sentezlenebilir. Karbonun fosil kaynaklardan ("jeo-karbon") değil, biyosferden alınması veya enerji santrallerinden geri dönüştürülmesi ("biyo-karbon") koşuluyla, "Sentetik Sıvı Hidrokarbon Ekonomisi" hem enerjik hem de çevresel açıdan temel bir "Hidrojen Ekonomisi "nden çok daha üstün olacaktır.
 

 Kaynaklar

[1]    "Hidrojen Ekonomisinin Geleceği: Bright or Bleak?", Baldur Eliasson ve Ulf Bossel, Proceedings, THE FUEL CELL WORLD, Lucerne / İsviçre, Temmuz 2002

[2]    "Kimya ve Fizik El Kitabı", son baskılar
[3]    G. H. Aylward, T. J. V. Findlay, "Datensammlung Chemie in SI-Einheiten", 3. Auflage (Almanca Baskı), WILEY-VCH, 1999
[4]    "Sentetik Yakıtlar", R. F. Probstein ve R. E. Hicks, Mc-Graw Hill,1982

[5]    Yakıtların Özellikleri. http://www.afdc.doe.gov/pdfs/fueltable.pdf
[6]    H. Audus, Olav Kaarstad ve Mark Kowal, "Decarbonisation of Fossil Fuels: Hydrogen as an Energy Carrier", CO2 Conference, Boston/Cambridge 1997, Energy Conversion Management, Vol. 38, Suppl., pp. 431-436'da yayınlanmıştır.

[7]    E. Schmidt, "Technische Thermodynamik". 11. Baskı, Cilt 1, s287 (1975)
[8]    Burckhardt Compression AG, Winterthur / İsviçre (özel iletişim)
[9]    "Die Schlüsselrolle der Kryotechnik in der Wasserstoff-Energiewirtschaft" H. Quack, TU Dresden / Almanya. www.tu-dresden.de/mwiem/kkt/mitarbeiter/lib/wasserstoff/wassertech.html
[10]    "Flüssigwasserstoff für Europa - die Linde-Anlage in Ingolstadt", Reinhard Gross, Wolfgang Otto, Adolf Patzelt ve Manfred Wanner, Berichte aus Technik und Wissenschaften 71 (1994)

[11]    Linde Kryotechnik AG www.linde-kryotechnik.ch/deutscheversion/anlagen/linde_kryo_ht.htm
[12]    "Study of Large Hydrogen Liquefaction Process", H. Matsuda ve M. Nagami, Nippon Sanso Corp., Kanagawa / Japonya (1997) http://www.enaa.or.jp/WE-NET/ronbun/1997/e5/sanso1997.html
[13]    Linde Kryotechnik AG, Pfungen / İsviçre (özel iletişim)
[14]    "Bir Enerji Taşıyıcısı Olarak Hidrojen", C. J. Winter ve J. Nitsch, Editörler, Springer Verlag, 1988
[15]    Ürün özellikleri, HERA Hydrogen Storage Systems GmbH, Höfener Strasse 45, DE-90431 Nürnberg / Almanya
[16]    Lawrence D. Burns ve diğerleri, "Değişim Aracı", Scientific American, p. 47, (Ekim 2002)
[17]    Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim / Almanya (1996)
[18]    Messer-Griesheim AG, Krefeld / Almanya (hidrojen gazı, özel iletişim)
[19]    Esso (Schweiz) AG, Zürih / İsviçre (benzin ve dizel, özel iletişim)
[20]    Jani GmbH & Co. KG, Seevetal / Almanya (propan, özel iletişim)
[21]    Hoyer GmbH, Köln / Almanya (sıvı doğal gaz, özel iletişim)
[23]    Swissgas Schweiz AG, Zürih, İsviçre (özel iletişim)
[22]    "VDI Wärmeatlas", VDI Düsseldorf, Almanya 1977
[24]  "Biyoenerji: An Overview", U.S. Department of Energy. www.eere.energy.gov/consumerinfo/refbriefs/nb2.html
 


 
Yazarlar:

Ulf Bossel
1936 yılında Almanya'da doğdu, Darmstadt (Almanya) ve Zürih'teki İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü'nde Makine Mühendisliği okudu ve 1961 yılında Diploma Derecesini (akışkanlar mekaniği, termodinamik) aldı. Brown Boveri'de kısa bir çalışma döneminin ardından Berkeley'deki Kaliforniya Üniversitesi'nde lisansüstü eğitimine devam etti ve 1968 yılında uzay aerodinamiği alanındaki deneysel araştırmalarıyla doktora derecesini aldı. Syracuse Üniversitesi'nde iki yıl Yardımcı Doçent olarak çalıştıktan sonra Göttingen'deki DLR'de serbest moleküler akış araştırma grubunu yönetmek üzere Almanya'ya döndü. 1976'da güneş enerjisi için bu alandan ayrıldı, Alman Güneş Enerjisi Derneği'nin kurucusu ve ilk başkanı oldu ve yenilenebilir enerji teknolojileri için kendi Ar-Ge danışmanlık firmasını kurdu. 1986 yılında Brown Boveri, İsviçre'deki yeni teknoloji grubuna katılmasını istedi. 1987'de yakıt hücrelerine dahil oldu ve daha sonra ABB'nin dünya çapındaki yakıt hücresi geliştirme çabalarının direktörlüğünü yaptı.ABB'nin kaynaklarını daha geleneksel enerji teknolojilerinin geliştirilmesine yoğunlaştırma kararından sonra, serbest yakıt hücresi danışmanı olarak çalışmaya başladı,1994'te Ulf Bossel, Lucerne'de yıllık uluslararası toplantıları olan, oldukça tanınan bir uluslararası konferans serisi olan Avrupa Yakıt Pili Forumu'nu yarattı. 13 başarılı etkinliğin ardından, 2010 yılında konferans sorumluluklarını İsviçreli yakıt hücresi bilim adamlarından oluşan daha genç bir ekibe devretti. Şu anda tamamen ALMUS AG'de yakıt hücresi ürünlerinin geliştirilmesiyle ilgileniyor. E-Posta info@almus-ag.ch, ubossel@bluewin.ch

Baldur Eliasson
1937'de İzlanda'da doğdu, Zürih'teki İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü'nde Elektrik Mühendisliği ve Astronomi okudu ve burada 1966'da mikrodalga yayılımı üzerine teorik bir çalışma üzerine doktorasını aldı. Daha sonra, 1969'da İsviçre'de yeni kurulan Brown Boveri (daha sonra ABB) Araştırma Merkezi'ne katılmadan önce Pasadena'daki California Teknoloji Enstitüsü'nde üç yıl radyo astronomu olarak çalıştı. Ekim 2002'de ABB'den emekli oldu, ancak Kıdemli Danışman olarak kaldı. enerji, sürdürülebilirlik ve küresel değişim için. ABB'nin dünya çapındaki Enerji ve Küresel Değişim Programından sorumluydu ve doğrudan ABB'nin Baş Teknoloji Sorumlusuna bağlıydı. Bir dizi uluslararası programda ABB'yi temsil etti.


Gordon Taylor
1936'da İngiltere'de doğdu, Londra Üniversitesi'ndeki King's College'da Makine Mühendisliği ve Cranfield Üniversitesi'nde Otomobil Mühendisliği okudu ve yüksek lisans derecesi aldı. 15 yıl İngiltere'de Ford Motor Company'de, çoğunlukla Ürün Araştırmasında çalıştı. Motor soğutma, ısıtma, havalandırma ve iklimlendirme ve aerodinamik üzerinde çalıştı. 1975'te Finspong, İsveç'teki Granges Metallverken'e katıldı ve kompakt ısı eşanjörlerinin test edilmesi ve analizi ile güneş enerjisi üzerinde çalıştı. Birleşik Krallık'ta bir süre kendi hesabına danışman ve yazar olarak çalıştıktan sonra, 1990 yılında Pazarlama Müdürü olarak Computer Concepts'e (bir yazılım şirketi) katıldı. 1996'dan beri, enerji teknolojisi ve politikası konusunda serbest danışman ve yazar olarak çalışıyor. 1974'ten beri Uluslararası Güneş Enerjisi Derneği'nin üyesidir ve İsveç, Almanya,