hidrojenli gelecek

hhiiddrroojjeennllii

ggeelleecceekk

HH‹‹DDRROOJJEENNllii

ggeelleecceekk

HAZIRLAYANLAR : Prof. Dr. Salim Ç›rac›, Yrd. Doç. Dr. Emrah Özensoy, Engin DurgunBilkent Üniversitesi

EEKK‹‹MM 22000066 SSAAYYIISSIINNIINN ÜÜCCRREETTSS‹‹ZZ EEKK‹‹DD‹‹RR

bilim ek kapak.pro 9/22/�6 11:2� PM

Yerküremizde önce kömür, dahasonra petrol ve do¤al gaz yüzy›llar bo-yu sanayi ve tafl›ma sektörünün gerek-sinimi olan enerjiyi sa¤lay›p, adetauygarl›¤›n itici gücü oldular. Günümüz-de bütün dünyan›n y›ll›k enerji gereksi-nimi yaklafl›k 400-420 Q (1 Q = 2,5 x1014 kilokalori) olarak tahmin edilmek-tedir. H›zla artan talep karfl›s›nda, yak-lafl›k 30 y›l sonra fosil yak›tlar› tüketi-minin ikiye katlanaca¤› beklenmekte-dir. Önce petrol rezervlerinin, 40-50 y›lsonra da do¤al gaz rezervlerinin tüke-nece¤i, daha bol bulunan kömür re-zervlerinin ise bir kaç yüzy›l daha daya-naca¤› bilinmektedir. Bu süreçte belliülkelerin elinde veya kontrolünde bu-lunan petrol ve do¤al gaz rezervlerinebir çok ülkenin ba¤›ml› olmas›, petrolüstratejik bir madde konumuna getir-mifltir. Di¤er taraftan artan yak›t tüke-timi sonucu ç›kan at›klar, global ›s›n-maya ve iklimlerin olumsuz yönde etki-lenmesine neden olmaktad›r. Günün bi-rinde petrol rezervelerinin sonuna yak-lafl›l›p sanayinin aniden güçsüz kalma-s›, veya iklimlerin h›zla de¤iflip sa¤l›¤›-m›z› tehdit eder hale gelmesi düflünce-si, flimdiden enerjide yeni seçeneklerigündeme getirmifltir. Son zamanlardaÇin ve Hindistan gibi ülkelerde petroltüketiminin h›zla artmas›, petrol fiyatla-r›n› h›zla yukar› çekmifl, geliflmifl eko-nomileri olumsuz etkilemeye bafllam›fl-

t›r. Alarm durumuna geçen geliflmifl ül-keler yeni enerji türleri üzerine aray›fl-lar›n› h›zland›r›p, özellikle hidrojenekonomisi bafll›¤› alt›nda yap›lacakaraflt›rmalara milyarlarca dolar kaynakay›rmaya bafllam›flt›r.

Jules Verne’in ÖnsezisiHidrojen, çeflitli yenilenebilir enerji

kaynak seçenekleri aras›nda uzunca

süredirönemli bir konuma sahip bu-lunmaktayd›. Yaklafl›k 130 y›l önce,kömür rezervlerinin bir gün tükenece-¤inin fark›nda olan ve hidrojenin elek-troliz yoluyla sudan elde edilebilece¤i-ni bilen Jules Verne, suyun gelece¤inkömürü olaca¤›n› söylemiflti. Hidroje-nin enerji kayna¤› olarak önemi dahasonra da vurguland›. Bildi¤imiz en kü-çük ve en basit atom olan hidrojen,Büyük Patlama’dan sonra evren so¤u-

2 Ekim 2006B‹L‹M veTEKN‹K

H‹DROJEN EKO

YEN‹ GELH›zla artan enerji talebi karfl›s›nda yerkürenin fosil yak›tlar›na dayal› enerji kaynaklar›n›n birbölümünün yaklafl›k bir insan ömrüne eflde¤er bir süre içinde tükenmesi bekleniyor. Fosilyak›tlar›n tüketiminin neden oldu¤u zehirli art›klar ve sera etkisi de global ›s›nmaya nedenolmakta, çevreyi tehdit ediyor. Bir gün gelip, bu tehlikeler karfl›s›nda çaresiz kalmamak için,fosil yak›tlar›n yerini alabilecek yeni yak›tlar araflt›r›lmakta. Yaklafl›k 130 y›l önce, kömürrezervlerinin bir gün tükenece¤inin fark›nda olan ve hidrojenin elektroliz yoluyla sudan eldeedilebilece¤ini bilen Jules Verne, gelecekte suyun kömürün yerini alaca¤›n› söylemiflti.Günümüzde de biliminsanlar› hidrojeni gelece¤in temiz ve yenilenebilir yak›t kayna¤› olaraktan›ml›yorlar.

Hidrojen ekonomisinin flematik olarak tan›mlanmas›

Bilim ve Teknik Ek.pro 9/22/�6 11:�1 PM

maya bafllarken ortaya ç›kan ilk ele-ment olmufltur. Evrende bulunanatomlar›n yaklafl›k %90’›n› oluflturanhidrojen, fosil yak›tlar›n›n da kayda de-¤er bir bölümünü oluflturmaktad›r.Di¤er atomlarla ve özellikle oksijenleelektron al›flverifli sonucu kolayl›klakimyasal ba¤ yaparak ortama enerji ve-rir. Bu bak›mdan hidrojen do¤am›zdaserbest halde bulunabilseydi, eflsiz birenerji kayna¤› olabilirdi. Ama, hidroje-ni bileflenlerinden ay›r›p serbest halegetirmenin bedeli flimdilik ondan eldeedilecek enerjiden daha fazlad›r. Buba¤lamda hidrojen, bir enerji kayna¤›olarak görülmemeli; elektrik gibi birenerji tafl›y›c›s› olarak nitelendirilmeli-dir. fiimdi en önemli soru, y›llar önceyaflayan Jule Verne’nin önsezisinin nederecede gerçekleflebilece¤i.

Hidrojenin k›sa süre içinde fosil ya-k›tlar›n yerini alma olas›l›¤› bulunmak-tad›r. Çünkü fosil yak›t yerine kullan›-lacak herhangi bir tür yak›t›n, hem ma-liyet hem de üretim miktarlar› olarakfosil yak›tla rekabet edebilmesi gerek-mektedir. Çok say›da araflt›rma çal›fl-mas›, hidrojenin yak›t olarak kullan›l-mas›n›n pek kolay olmayaca¤›n›, çözül-mesi gereken zor bilimsel ve teknolo-jik problemlerin oldu¤unu göstermek-tedir. Bu yaz›m›zda hidrojen ekonomi-sini oluflturan ana süreçleri ve son y›l-larda kaydedilen geliflmeleri ayr›nt›l›bir flekilde inceleyip, hidrojenin birenerji tafl›y›c› olarak kullan›lmas›ndakisorunlar› tart›flaca¤›z. Bu yaz›n›n birdi¤er amac› da Türkiye’de hidrojenekonomisi konusunda araflt›rma politi-kalar›n›n oluflturulmas›na katk›da bu-lunmakt›r.

Hidrojen ekonomisinin birbirini izle-yen bafll›ca üç unsuru vard›r. Bunlar: 1)Serbest hidrojenin üretilmesi. 2) Hidro-jenin depolanmas› ve da¤›t›m›. 3) Hidro-jenden enerji elde edilmesi. fiimdi busüreçleri daha yak›ndan inceleyelim:

Hidrojenin ÜretilmesiHidrojenin ucuz ve büyük miktar-

larda üretilmesi ve üretimin sürdürüle-bilir olmas›, hidrojen ekonomisininbafll›ca kofluludur. ABD’de y›lda 9 me-gaton (milyon ton) civar›nda hidrojenüretilmektedir. Buna karfl›n ABD’ninbütün tafl›ma filosu hidrojen yak›t hüc-releri ile çal›ssayd›; 150 megatonunüzerinde hidrojene gereksinim olacak-t›. Çok say›da araflt›r›c› bu kadar bü-yük miktarlarda hidrojenin uygun ma-liyetlerle nas›l üretilece¤i sorusuna ya-n›t aramaktad›r.

Hidrojenin üretiminde çeflitli yön-temler bilinmektedir. Asl›nda do¤a, enönemli ve en verimli bir hidrojen üreti-cisidir. Bitkiler, fotosentez yoluyla CO2

ve suyu günefl ›fl›¤›n›n yard›m›yla öncehidrojen ve oksijene dönüfltürmekte,hidrojenden karbonhidratlar› üretir-ken oksijeni de di¤er canl›lar›nsolumas› için atmosfere salmaktad›r.Bu süreç milyonlarca y›ld›r kesintisizolarak ifllemektedir. Tek hücreli orga-nizmalar ve bakteriler de normal s›-cakl›klarda çeflitli moleküler süreçleryard›m› ile hidrojen elde etmektedir-ler. Bitkilerde bulunan baz› geçifl ele-

mentlerinin ve oksitlerinin atom to-paklar›, suyu hidrojen ve oksijene ay›-rabilmektedir. Benzer flekilde bakteri-lerde bulunan baz› enzimler de kar-mafl›k elektronik yap›lar›yla proton veelektrondan hidrojen molekülününoluflmas›na arac›l›k etmektedirler. Na-nometre (milimetrenin milyarda biri)boyutlar›nda metal-oksit topaklar›n›nsuyu ayr›flt›rabilme veya elektron veprotondan H2 molekülünü oluflturabil-me yetenekleri, araflt›rmac›lar›n ilgisiniçekmektedir. Canl›lardan esinlenereketkin hidrojen üretimini gelifltirmekamac› ile kataliz ifllevini görebilecekyeni ve ifllevsel nanoyap›lar tasarlan-maktad›r. Bu tasar›mlarda kuantummekani¤ine dayal› reaksiyon hesaplar›yap›lmakta, nanoyap›lar›n atom kom-pozisyonu ve büyüklük iliflkilerine da-yal› yeni özellikleri saptanarak çeflitlifosil ve biyolojik maddelerden hidroje-ni ayr›flt›rabilecek katalizörler ortayaç›kar›lmaktad›r. Son zamanlarda MoS2

partiküllerinin hidrojen üretimindeplatin yerine ucuz katalizör olarak kul-lan›labilece¤i gösterilmifltir. Katalizörtasar›m› fizik ve kimyada güncel biraraflt›rma konusunu oluflturmaktad›rve bu alanda yap›lacak araflt›rmalarhidrojen üretiminde ç›¤›r aç›c› sonuç-lara götürebilecektir.

Günümüzde hidrojen üretimi ençok do¤al gaz›n ifllenmesiyle yap›lmak-tad›r. CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 kim-yasal reaksiyonu uyar›nca, sisteme so-kulan enerji ve nikel bazl› katalizörleryard›m› ile metan ve su parçalanarakdört molekül hidrojen ve karbondiok-site dönüflmektedir. Ancak, bu yöntem-de fosil yak›t kullan›ld›¤›ndan, üreti-min sürdürülebilirli¤i tehlikeye gir-mekte, d›flar› at›lan CO2 nedeniyleçevre ve iklimlere verilen zarar devametmektedir. Kald› ki, bu en ucuz yön-temle üretilen hidrojenin maliyeti ha-la benzininkinden dört misli daha pa-

3Ekim 2006 B‹L‹M veTEKN‹K

KONOM‹S‹NDE

L‹fiMELER

Metan, buhar yard›m›yla CO2 ve H2 moleküllerineayr›flt›r›labilmektedir.


hal›d›r. Büyük rezervelere sahip kö-mürden hidrojen üretiminin de benzersorunlar› mevcuttur.

Bu durumda ‘sonsuz’ günefl enerji-si yard›m›yla, her yerde bulunan suyuayr›flt›rarak hidrojen elde edilmesi entemiz ve sürdürülebilir yol olarak gö-rülmektedir. ‹lk akla gelen ve üzerindedurulmas› gereken yöntem, güneflenerjisinin önce yar› iletken kristalleredayal› günefl hücrelerinden yaklafl›k%30 verimle elektrik enerjisine çevril-mesidir. Asl›nda günefl enerjisi aç›s›n-dan bir sorun bulunmamakla birlikte,bu ilk ad›m oldukça pahal› günefl pa-nellerin kullan›lmas›n› gerektirmekte-dir. Hidrojen üretiminde ikinci ad›mise elde edilen elektrik enerjisi kulla-narak elektroliz yoluyla suyun oksijenve hidrojene ayr›flt›r›lmas›d›r. Elektro-liz iflleminde eriflelebilecek en yüksekverim, yaklafl›k %80 olarak gerçekle-flirken, bu ifllemi daha yüksek s›cakl›k-ta gerçeklefltirmek yoluyla elektrik sar-fiyat› düflürülebilir. Ancak, bunun içinjeotermal enerji gibi kullan›ma haz›rbir enerjiye gereksinim vard›r. Yukar›-da de¤inilen süreçlerde bütün verimlerhesaba kat›ld›¤›nda 4-8 bin km2 güneflpanelinden ülkemizin bütün enerji ih-tiyac› karfl›lanabilecektir. Günefl enerji-sinin verimli kullan›lmas› aç›s›ndan busüreç, tar›m yoluyla elde edilen biyolo-jik ürünlerin yak›ta dnüfltürülmesinek›yasla neredeyse on misli daha verim-lidir. Ancak, günefl panellerinin olduk-ça yüksek maliyeti karfl›m›za en önem-li sorun olarak ç›kmaktad›r. Bu du-rumda daha düflük maliyetli organikgünefl pillerinin gelifltirilmesi büyükönem tafl›maktad›r. Bu ba¤lamda yeniorganik yar›iletkenlerin gelifltirilmesigüncel bir araflt›rma konusu olmufltur.

Yukar›da özetlenen iki ard›fl›k süre-cin nanoölçekli tek bir süreç içinde bir-

leflerek basitleflmesi ve toplam veriminartmas› da olas› bulunmaktad›r. Güne-flin fotonlar› so¤urularak önce yerelelektron-deflik (kovuk) çiftleri yarat›l-makta; daha sonra elektrokimyasal et-kilerle su molekülü, hidrojen ve oksije-ne ayr›flt›r›lmaktad›r. fiimdi bu yön-temle laboratuvarlarda %10 civar›ndaverim elde edilebilmektedir. Nanoyap›-larda fotokimya etkileri daha iyi anla-fl›ld›¤›nda bu verim daha art›r›lacakt›r.Ayr›ca, s›v› ortamlara dayan›kl› veband aral›¤› günefl ›fl›nlar›n› so¤urma-ya elveriflli yar› iletkenlerin gelifltiril-mesi bu yöntemin baflar›s› için kritikbir önem tafl›maktad›r.

Günefl enerjisinin hidrojen üreti-minde kullan›m›nda termokimyasalyöntem gibi do¤rudan yöntemler dekullan›labilmektedir. Günefl kollektör-lerinde çok yüksek s›cakl›klara ç›k›ld›-¤›nda, su termokimyasal süreçlerdedo¤rudan do¤ruya parçalanabilmekte-dir. Reaksiyon kineti¤i, belli s›cakl›ktaetkin olabilen katalizörler yard›m› ileh›zlanabilmekte; su, hidrojen ve oksi-jen moleküllerine ayr›flmaktad›r. Hid-rojen ve oksijeni kar›fl›mdan h›zla ay›-rabilecek ince zarlar›n tasarlanmas› vegerçeklefltirilmesi bu alanda önemliaraflt›rma konular›n› oluflturmaktad›r.Baz› durumlarda ›s› enerjisi olarak gü-nefl kolektörleri yerine nükleer enerjide kullan›labilecektir. Ancak nükleerenerjinin de sürdürülebilirli¤i olas› de-¤ildir.

ABD’de sanayi için belirlenen tarife-den elektrik kullanarak do¤rudanelektroliz yoluyla 1 kg hidrojen, 2-4dolara üretilebilmektedir. Do¤rudanelektroliz için gerekli elektrik enerjisirüzgar veya hidrolik santrallerden desa¤lanabilir. Sonuç olarak, flu andahangi yöntemle üretilirse üretilsin ge-rek maliyet ve gerekse miktar aç›s›n-

dan hidrojen, fosil yak›tlarla henüz re-kabet edecek seviyeden uzakt›r.

Hidrojenin Depolanmas›Bir enerji tafl›y›c›s› olan hidrojen

bas›nçl› tüplerde gaz halinde veya s›v›-laflt›r›lm›fl olarak depolanabilir. Ancak,bir kg hidrojen ayn› a¤›rl›kta benzinegöre yaklafl›k üç misli daha fazla ener-ji tafl›mas›na karfl›n bu tür depolama-lar pratik uygulamalar için uygun de-¤ildir.

Bir depo benzinle 400-600 km yolkateden bir binek arabas›, yak›t hücre-si ile çal›flsayd› ayn› yol için kat kat bü-yük hidrojen deposu gerekirdi. S›v›lafl-t›rarak depolamalarda hidrojenden el-de edilecek enerjinin %40 kadar› dahas›v›laflt›rma s›ras›nda harcanmaktad›r.Hidrojeni depolayan ekipman›n a¤›rl›-¤› da hesaba kat›l›nca enerji yo¤unlu-¤u aç›s›ndan s›v›laflt›r›lm›fl hidrojen,benzine göre bile düflük bir enerji yo-¤unlu¤una sahip bulunmaktad›r. Ayr›-ca hidrojenin bas›nçl› gaz veya s›v›lafl-t›r›lm›fl olarak tafl›nmas› esnas›ndaciddi emniyet sorunlar› bulunmakta-d›r. K›saca, gelecek uygulamalardahidrojenin verimli ve emniyetli bir fle-kilde depolanmas›, hidrojen ekonomi-sinin önünde çözülmesi gerekenönemli bir problemdir.

Hidrojenin lityum, karbon ve azotgibi hafif elementlerle birlefltirilerekemniyetli bir flekilde depolan›p tafl›n-mas›, iyi bir seçenek olarak görülmek-tedir. Örnek olarak, metanol ve oktangibi yüksek enerji ve hacim yo¤unlu-¤una sahip olan yak›tlar, yerleflik tesis-lerde hidrojen depolamada kullan›l-maktad›r. Yüksek depolama kapasitesi,lityum gibi hafif elementlerin hidrojenile oluflturduklar› kuvvetli kimyasalba¤lar sayesinde gerçekleflmektedir.Hidrojenle ba¤ yapan hafif elementle-rin LiBH4 gibi kararl› bileflenleri demevcuttur.. Ancak, bu durumda hidro-jenin çevrimi yavafllamaktad›r. Yüksekhacim ve a¤›rl›k (%20) yo¤unluklar›n-da hidrojen depolayabilen sodyum borhidrür (NaBH4), kullan›m için hidroje-ni ancak 300°C s›cakl›kta ortama b›ra-kabilmektedir. Ayr›ca, hidrojeni al›nanbu bileflik ayn› amaç için bir daha kul-lan›lamamaktad›r. Bor içeren NaAlBH4

ve LiBH4 benzer özellikler göstermek-tedir. Çok genifl bor rezervlerine sahipolan ülkemiz, ‘borat’ türü hidrojen de-


Rüzgar enerjisinden elde edilen elektrik, suyunelektrolizinde kullan›larak hidrojen üretilebilecek.

Hidrojenin gaz halinde veya s›v›laflt›r›lmfl flekildeçok yüksek bas›nca dayan›kl› özel depolarda tutula-

bilmektedir.


polayan maddelere dayal› hidrojenekonomisi için oldukça flansl› bir ko-numdad›r. NaAlH4 içine %2 titanyumkatarak elde edilen maddeyi geri dönü-flümlü ve çok çevrimli kullan›ma elve-riflli duruma getirmek için aktif araflt›r-malar sürdürülmektedir. Benzer flekil-de NaAlBH4 içine titanyumoksit (Ti-O2) ekleyerek kuvvetli hidrojen ba¤la-r› zay›flat›larak reaksiyon kineti¤i h›z-land›r›lmaktad›r.

H›zl› bir çevrim için h›zl› kinetik vek›sa difüzyon mesafeleri gerekmekte-dir. Bu koflullar, hidrojen molekülü-nün zay›f ba¤ yap›lar› ile yüzeylere so-¤urulmas› ile sa¤lanmaktad›r. Bu du-rumda da yüzeyin hacime oran› yük-sek olan yap›lar tercih edilmektedir.Karbon nanotüp halatlar›, C60, grafit,polimerler, atom topaklar› ve MOF(metal-organik karkas), bu kapsamdaümit veren ve üzerinde çal›flmaktaolan yap›lard›r. Bu nanoyap›lar katk›atomlar› ile ifllevsel hale getirilmekte,hidrojen tutma özellikleri art›r›lmakta-d›r. Örnek olarak karbon nanotüp üze-rine so¤urulan her bir vanadyum ato-mu, 5 H2 molekülünü tutabilmektedir.V - H2 ba¤› zay›f oldu¤undan hidrojenoda s›cakl›¤›n›n üzerinde kolayl›kla b›-rak›l›p serbest halde kullan›ma sunul-maktad›r. Nanobilim sayesinde tekno-lojin›n gereksinimlerine göre yeni ya-p›lar veya katalizörler tasarlama yete-ne¤imiz, verimli hidrojen depolamadaseçeneklerimizi art›rmaktad›r.

UNAM - Ulusal Nanoteknoloji Araflt›rma Merkezi’ndeBilimsel Çal›flmalar:

Nanobilim ve nanoteknolojinin çe-flitli alanlar›nda ulusal bir mükemmeli-yet merkezi yaratmak üzere kurulanUNAM’da hidrojenin depolanmas› ko-nusunda aktif araflt›rmalar yap›lmakta-d›r. Bu araflt›rmalar, boyut ve büyük-lük etkileri sonucu ola¤anüstü özellik-ler sergileyen nanoyap›larda hidrojenmolekülünün oda s›cakl›¤›nda yükseka¤›rl›k ve hacim yo¤unluklar›nda de-polanmas›n› hedeflemektedir. Bununiçin yüzey-hacim oran› yüksek olan ya-p›lar kullan›lmaktad›r. Böyle bir özel-lik için karbon nanotüpler ve C60 mo-lekülü ilk akla gelmektedir. UNAM ‘da

yap›lan kuantum mekani¤ine dayal›hesaplar, karbon bazl› bu yap›larla hid-rojen molekülünün aras›nda çok zay›fbir kimyasal etkileflme oldu¤unu vemolekülün yüzeye daha çok zay›f Vander Waals kuvvetleri yard›m› ile fizik-sel ba¤ yapt›¤›n› göstermifltir. Ancakyüzey geçifl elementleri platin (Pt),paladyum (Pd) ile kaplan›p karbon na-notüp ifllevsel hale getirilince, yüzey-deki atomlar hidrojen molekülünü par-çalayabilmekte ya da üç molekülü za-y›f ba¤larla kendine ba¤layabilmekte-dir. Karbon nanotüplerin titanyum gi-bi atomlarla kaplan›p ifllevsel hale geti-rilmesi daha da ilginç sonuçlara yol aç-maktad›r: Bilindi¤i kadar›yla sadeceTitanyum atomlar› karbon nanotüp ilegüçlü kimyasal ba¤ yaparak yüzeyidüzgün bir flekilde kaplayabilmektedir.Yüzeye ba¤l› her titanyum atomu isekarbon-titanyum ba¤›ndan hidrojenmolekülüne az miktarda elektron akta-rarak etraf›na 4 H2 molekülünü ba¤la-yabilmektedirler. Bu flekilde tüp üzeri-ne depolanan hidrojenin toplam a¤›rl›-¤a oran› %8 de¤erine ulaflt›¤›ndan, et-kin depolama için saptanan %6 oran›-n›n üzerine ç›k›lm›flt›r. Ayr›ca, tüpüniç çeperlerine de so¤urulan Ti benzerkapasitede H2 molekülü tutabilece¤in-den a¤›rl›k yo¤unlu¤u daha da artmak-tad›r. Bu yap›n›n di¤er önemli özelli-¤iyse yar›m elektron volt civar›ndakiba¤lanma enerjileri ile ba¤lanan mole-küllerin oda s›cakl›¤›nda kararl› bir ya-p› olufltururken s›cakl›k yükselincetüpten birer birer kopmalar›. Yüzeydedifüzyon uzunluklar› pek fazla olmad›-¤›ndan reaksiyon h›zlar›n›n da olduk-

ça elveriflli olmas› beklenmektedir.Kuantum mekani¤ine dayal› olarak ya-p›lan hesaplardan elde edilen bu so-nuçlar, titanyum atomunun ola¤anüs-tü özelliklerini ortaya ç›karm›fl, etkinhidrojen depolamada yeni nanomalze-melerin tasarlanmas›na yol açm›flt›r.Nitekim, C60 molekülüne ve grafit yü-zeyine ba¤lanan titanyum atomu kar-bon nanotüplere benzer özellikler ser-gilemektedir. Kore’de araflt›rma grup-lar› titanyum ile ifllevsel hale getirilenbaz› karbon bazl› polimerlerin hidro-jen depolamada kullan›labilece¤inigöstermifltir.

UNAM’da TÜB‹TAK deste¤i ile sür-dürülen proje çal›flmalar›nda Ti8C12 to-paklar›n›n hidrojen tutma kabiliyeti in-celenmifl ve oldukça iyimser sonuçlar


Karbon nanotüpü titanyum (k›rm›z›) atomu ile düzgün bir flekilde kaplad›ktan sonra so¤urulan her Titanyumatomu dört H2 molekülünü oda s›cakl›¤›nda tutabilmektedir. (Sar›, k›rm›z› ve yeflil toplar s›ras› ile karbon, ti-

tanyum ve hidrojen atomlar›n› göstermektedir.)

‘Met-car’ olarak bilinen Ti8C12 topa¤›nda köflelerde bulunan Ti atomlar› üç adet, yüzey merkezle-rinde bulunan Ti atomlar› ise sadecebir adet h›drojen molekülü tutmakta-d›r. (Gri, mor ve yeflil toplar s›ras› ilekarbon, titanyum ve hidrojen atomla-r›n› göstermektedir.)

Bilim ve Teknik Ek.pro 9/23/�6 1:27 AM

elde edilmifltir. En önemlisi, etilen mo-lekülüne so¤urulan 2 adet titanyumatomunun, toplam 10 adet H2 molekü-lü tuttu¤u ve bunun sonucu, hidrojendepolamada a¤›rl›k yo¤unlu¤ununyaklafl›k %15 de¤erine ç›kabilece¤igösterilmifltir. Böylece, hidrojen depo-lamada küçük moleküllerin de çokönemli bir seçenek oluflturdu¤u görül-müfltür.

Kuramsal yollardan elde edilen veuluslararas› çevrelerde büyük ilgi çe-ken bu araflt›rmalar›n ›fl›¤› alt›nda,UNAM’da hidrojen üretimi ve depolan-mas› konusunda yo¤un deneysel ve ku-ramsal araflt›rmalar yapmak üzere yeniprojeler üretilmektedir. Bu projelerindevreye girmesi ile ülkemizde hidrojenekonomisi konusunda çal›flmalar›n vekurumlararas› iflbirli¤inin artmas› bek-lenmektedir. Ayr›ca, günümüzün buönemli araflt›rma konusunda uzmanla-r›n yetiflmesi ve sanayi sektöründen ba-

z› flirketlerin yat›r›mlar›n›n da konuyaçekilmesi sa¤lanacakt›r.

Serbest Hidrojeni Nas›lKullanabiliriz?

Hidrojen depolamada son y›llardakaydedilen baz› geliflmeler, hidrojenekonomisi için beklentileri kuvvetlen-dirmifltir. Serbest halde bulunan hidro-jen, do¤rudan yak›larak ›s› enerjisi eldeedilir. Is› enerjisi, termik santrallerdeoldu¤u gibi yerleflik santrallerde elek-trik enerjisine dönüfltürülebilir. Birbaflka yol, içten yanmal› benzin ve dizelmotorlar›nda, hatta jet motorlar›ndayak›t olarak kullan›lmas›d›r. Ancak,benzinli motora göre üç kat, dizel mo-tora göre 1,5 kat daha verimli olan ya-k›t hücreleri varken, hidrojenin yak›l-mas› pek ekonomik olmamaktad›r. Do-lay›s› ile bugün için motorlara göre

çok pahal› olan yak›t hücrelerinin gelifl-tirilmesi, daha mant›kl› bir yol olarakgörünüyor. Böylece tafl›tlarda hidroje-nin kullan›lmas› sa¤lanarak flehirler za-rarl› egzoz gazlar›ndan bir an öncekurtar›labilecektir. Çeflitli tip yak›t hüc-relerinin maliyetlerinin düflürülmesiiçin temel araflt›rmalar›n, yeni katali-zörlere ve malzeme tasar›mlar›na yo-¤unlaflmas› gerekmektedir. Bu aradabir çok mühendislik problemi de çö-züm beklemektedir.

SonuçHidrojen ekonomisinin üç önemli

unsurunu sorunlar› ile tart›flt›k. Hidro-jenin fosil yak›tlar›n›n yerini alabilmesiiçin önemli engellerin afl›lmas› gerek-mektedir. Ancak son zamanlarda eldeedilen bilimsel sonuçlar, bundan 2-3 y›löncesine göre daha ümitli olmam›z›sa¤lam›flt›r. Hidrojen ekonomisinde ge-liflmeler çok say›da mühendislik prob-leminin çözümü kadar, temel araflt›r-malara, özellikle nanoteknoloji kulla-narak ç›¤›r açacak yeni bulufllara ba¤l›olmaktad›r. Bir enerji tafl›y›c›s› olanhidrojenin, ucuz enerji kullanarak su-yun elektrolizinden elde edilmesi içingünefl enerjisini elektrik enerjisine çe-virecek organik yar›iletken günefl pa-nellerinin gelifltirilmesi büyük önem ta-fl›maktad›r.

Ülkemiz flimdilik enerji aç›s›ndan d›-fla ba¤›ml›d›r. Hidrojen ekonomisindebaflar›m›z, bizleri bu ba¤›ml›l›ktan kur-tarabilecek bir f›rsat olark de¤erlendi-rilmelidir. Bu ba¤lamda hidrojen eko-nomisinde ileri araflt›rma olanaklar›nasahip ulusal laboratuvarlar kurulmal›ve yine ulusal bir a¤ ile araflt›r›c›lar bir-birleri ile ve yurtd›fl› bilim çevreleri ilesürekli iletiflim içinde bulunmal›d›rlar.Üniversitelerimizde alternatif enerjikaynaklar› konusunda disiplinleraras›lisansüstü programlar yap›lmal›, bilim-sel ve teknolojik araflt›rmalar Enerji veTabii Kaynaklar Bakanl›¤›, DPT ve TÜ-B‹TAK iflbirli¤inde oluflturulacak prog-ram ve kaynaklardan desteklenmelidir.

P r o f . D r . S a l i m Ç › r a c ›Bilkent Üniversitesi, Fizik Bölümü

Kaynaklar:1. G. W. Crabtree, M.S. Dreselhaus, ve M. V. Buchanan, Physics

Today, 39, December 2004.2. R. Coontz and B. Hanson, Science 305, 957 (2004).3. J.K. Norskov and C. Christensen, Science 312, 1322 (2006).4. J.A. Turner, Science 305, 972 (2004).5. T. Y›ld›r›m and S. Ciraci, Phys. Rev. Lett. 94, 175501 (2005).


Ti atomlar› ile ifllevsel hale getirilen C2H4 10 adet H2 tutabilmektir. (Sar›, k›rm›z› ve yeflil toplar s›ras› ilekarbon, titanyum ve hidrojen atomlar›n› göstermektedir.)

Kuantum mekani¤i kullan›larak yap›lan hesaplar grafit atom tabakas› üzerine düzgün olarak ba¤lanantitanyum ile ifllevsellefltirilmifl etilenin yüksek a¤›rl›k yo¤unlu¤unda hidrojen molekülü depolayabilece¤inigösteriyor. (Sar› toplardan oluflan bal pete¤i grafitin tek atom tabakas›n›, k›rm›z› toplar titanyum ve yeflil

toplar hidrojen atomlar›n› gösteriyor.)



Yak›t hücrelerinin birçok çeflidi var. Hepsininkullan›m alan›na göre tafl›d›¤› avantaj ve dezavantaj-lar› bulunuyor. Kat› oksit yak›t hücreleri, pahal›elektrotlar tafl›mad›¤› ve elektrolitin kat› olmas› ne-deniyle tercih ediliyor.

Bir yak›t hücresi, bir kimyasal tepkime( 2H2+O2 ® 2H2O+2e ) sonucu elektrik üreten biraraç. Her yak›t hücresinin biri pozitif (katot) ve biride negatif (anot) olmak üzere iki elektrodu bulunur.Elektrik üreten tepkimeler, elektrotlarda meydanagelir. Her yak›t hücresinde ayr›ca, elektrik yüklü par-çalar› bir elektrottan di¤erine tafl›yan bir elektrolit veelektrotlarda tepkimeleri h›zland›ran bir de katalizörbulunur. Hidrojen esas yak›tt›r; ancak yak›t hücrele-rine oksijen de gerekir. Yak›t hücrelerinin çekicili¤i,çok az kirletici ç›kararak elektrik üretmelerinde yat›-yor. Elektrik üretiminde kullan›lan hidrojen ve oksi-jen sonunda birleflerek tamamen zarars›z bir yanürün ortaya ç›kart›yor: Su.

Tek bir yak›t hücresi çok küçük bir miktar do¤ru-dan ak›ml› elektrik (DC) üretir. Dolay›s›yla yak›t hüc-releri demetler halinde biraraya getirilerek kullan›l›r.

Yak›t hücrelerinin amac›,bir elektrik motorunuçal›flt›rmak, bir elektrik ampülünü ya da bir kenti ay-

d›nlatmak gibisinden ifl yapmak üzere hücre d›fl›nayönlendirilecek bir elektrik ak›m› üretmektir. Ak›mdaha sonra hücreye geri dönüp bir elektrik devresi-ni tamamlar.

Farkl› yak›t hücreleri, farkl› biçimlerde çal›fl›r;ama genelde hidrojen atomlar› hücreye anottan girerve burada bir kimyasal tepkime elektronlar› atomlar-dan kopar›r. Hidrojen atomlar› flimdi iyonlaflm›fllar-d›r ve + elektrik yükü tafl›rlar. - elektrik yüklü elekt-ronlar teller arac›l›¤›yla ifli yapacak olan ak›m› sa¤-larlar. E¤er de¤iflken ak›m (AC) gerekirse, yak›t hüc-resinin DC ç›kt›s› inverter (tersindirici) adl› bir ayg›t-tan geçirilir.

Oksijen hücreye katotdan girer ve baz› hücre tip-lerinde (yukar›da gösterilen gibi) orada elektrik dev-resinden dönen elektronlarla ve elektrolit içinden ge-çerek anottan gelen hidrojen iyonlar›yla birleflir. Bafl-ka hücre tiplerindeyse oksijen elektronlar› toplay›pelektrolitten geçerek anota gider ve hidrojen iyonla-r›yla orada birleflir.

Elektrolit önemli bir rol oynar. Anot ile katotaras›nda yaln›zca uygun iyonlar›n geçmesine izin ver-mek zorundad›r. Çünkü serbest elektronlar ya dabaflka maddeler elektrolitten geçebilseydi, kimyasaltepkimeyi bozarlard›.

‹ster anotta ister katotta olsun, hidrojen ve oksi-jen birlefltiklerinde su oluflturur ve su da hücredend›flar› süzülür.

Bir yak›t hücresi, kendisine hidrojen ve oksijenverildi¤i sürece elektrik üretir. Verimi de yüksekolur. Yak›t hücreleri elektri¤i yanma yerine kimyasalolarak ürettiklerinden s›radan bir güç santralini s›n›r-layan termodinamik yasalar›na tabi de¤ildir, dolay›-s›yla yak›t hücreleri yak›ttan daha verimli bir biçim-de enerji elde ederler. Baz› hücrelerden ç›kan at›k ›s›da yeniden kullan›l›p sistemin verimini daha da yük-seltir.

Günümüzde çeflitli yak›t hücresi tipleri yap›lmak-ta: Bunlar, alkali, erimifl karbonat, fosforik asit, pro-ton de¤iflim zar› (P.E.M) ve kat› oksit tipleri olaraktan›n›yor. Hepsinin farkl› özellikleri, farkl› avantaj vedezavantajlar› var. Henüz hiçbirisi ucuz de¤il. Farkl›tipler, farkl› s›cakl›klarda çal›fl›yor ve verimleri detiplerine göre %40-%80 aras›nda de¤ifliyor.

K›saltarak Çeviren: Raflit Gürdilekhttp://www.iit.edu/~smart/garrear/fuelcells.htm

Not: Bu çerçeve daha önce Bilim ve Teknik Dergisi Eylül 2004say›s›nda yay›nlanm›flt›r.

Alkali Yak›tHücresi

Elektronak›fl›

Yük

Hidrojen

Su

Anot Elektrolit Katot

Hidroksiliyonlar›

Hidrojeniyonlar›

Oksijeniyonlar›

Oksijen

Elektronak›fl›

Yük

Hidrojen

Su


Oksijen

Elektronak›fl›

Yük

Hidrojen

Su


Oksijen

Fosforik Asit ve P.E.MYak›t Hücresi

Kat› Oksit Yak›tHücresi

ceviz kabu¤unda enerji

HidrojenPeriyodik tablonun bafl›n-

da yer alan hidrojen en hafifelement. Yaln›zca bir protonve bir elektrondan olufluyor.Elektronun protona ba¤lanmaenerjisi 13.6 eV kadar. Hidro-jen buna karfl›n güçlü birelektropozitif karaktere sahip,yani elektronundan kurtulmae¤iliminde. Örne¤in oksijengibi elektron almaya merakl›, elektronegatif birelementle bir araya geldi¤inde tepkimeye giriyorve atomu bafl›na, yaklafl›k 1,3 eV enerji aç›¤a ç›-k›yor. Hidrojen bu nedenle, kütlesel enerji yo¤un-lu¤u (142kJ/g) yüksek bir madde ve gram› bafl›-na s›v› hidrokarbonlardan (47kJ/g) bile daha faz-la enerji içeriyor. Uzay uçufllar›nda üst kademeroketlerin yak›t› olarak tercih edilmesi bu yüzden.Yanma ürünü olarak su buhar› ç›kartt›¤›ndan, at-mosfere kirletici veya sera gazlar› salm›yor.

Öte yandan, do¤ada en bol bulunan element.Evrendeki görünür maddenin %90’dan fazlas›n›oluflturuyor. Tüm di¤er elementler de zaten, hid-

rojen çekirdeklerinin füzyo-nuyla oluflmufl. Yeryüzün-deyse, üçüncü en bol bulu-nan element. Suda ve or-ganik maddenin tümündevar. Renksiz, kokusuz, tat-s›z ve zehirli olmayan birmadde. Saf haliyle, ola¤ankoflullar alt›nda iki atomlubir gaz oluflturuyor. Bugaz, havan›n 14’te biri yo-¤unlu¤a sahip oldu¤undan,havada h›zla yükselip da¤›-l›yor. Yani gaz›n kendisi

kolayca yan›c› ve hatta yüksek enerji yo¤unlu¤unedeniyle patlay›c› olmakla beraber, s›z›nt› sonu-cu bir yerde birikip kaza riskine yol açmas› müm-kün de¤il. Buraya kadar iyi güzel: Hidrojen idealbir yak›t gibi duruyor.

Ancak kullan›m›n›n her aflamas›; eldesi, depo-lanmas›, tafl›nmas› ve yak›lmas› ile ilgili afl›lmas›gereken sorunlar› var...

Yak›lmas›:Hidrojenin nas›l yak›laca¤› konusunda da kri-

tik tercihler söz konusu. ‹çten patlarl› motorlar-da yak›lmas› ve oksijenin h›zl› verilmesi halinde,

at›k ürün olarak su buhar›n›n yan›nda, nitrik ok-sitler gibi karsinojen sera gazlar› da ç›k›yor. Sa-dece su buhar› ç›kmas› isteniyorsa e¤er, yanmaodas›na oksijenin yavafl verilmesi, yani havan›ndikkatli pompalanmas› gerekiyor. Ama bu du-rumda da, olaydan enerji çekme h›z›, yani güçazal›yor. Dolay›s›yla, hem de %50-60’lara varanyüksek verim avantaj›ndan yararlanabilmek için,hidrojeni yak›t hücrelerinde yakmak en mant›kl›-s›. Ama bu, ilgili teknolojinin ekonomik hale gel-mesini beklemeyi gerektiriyor.

Halbuki flimdiden, içten patlarl› motorlar› ufakbir bedel karfl›l›¤›nda hidrojen yakar hale getirip,bu yak›t›n kullan›m›n› bafllatmak mümkün. Fakathalen, otomobil üreticileri yak›t› henüz ortada ol-mayan bir arabay› üretmek, enerji firmalar› dakullan›c›s› olmayan bir yak›ta yat›r›m yapmak is-temiyor. Bu kilitlenmiflli¤i k›rmak için de hidroje-nin, hiç de¤ilse fotovoltaikler ekonomik hale ge-linceye kadar fosil yak›tlardan üretilip, hiç de¤ilseyak›t hücreleri ekonomik hale gelinceye kadar iç-ten patlarl› motorlarda kullan›lmak üzere, otomo-bil yak›t› olarak flimdiden piyasaya sürülmeye bafl-lanmas›n› savunanlar var.

P r o f . D r . V u r a l A l t › n


Geliflen teknojinin getirdi¤i enerjigereksinimleri ve bu enerji kaynaklar›-n›n kullan›m›yla ortaya ç›kan sorunlar,yeni yak›t ve tekniklere olan ihtiyac›daha da art›rd›. Genifl bir kullan›m ala-n›na sahip olmas› beklenen yak›t hüc-relerinin, vaadettikleriyle enerji prob-leminin çözümünde önemli bir rol oy-namas› umulmakta.

Yak›t Hücresi Nedir?Basitçe tan›mlamak gerekirse yak›t

hücreleri (Resim 1) kimyasal reaksiyonyoluyla elektrik üreten (elektrokimya-sal) cihazlard›r. Her yak›t pili biri pozi-tif (katot) biri de negatif (anot) olmaküzere iki elektrottan oluflur ve elek-trik üretme reaksiyonlar› buralardagerçekleflir. Her yak›t pilinde ayr›cayüklü parçac›klar› bir elektrottan di¤e-rine tafl›yan elektrolit ve reaksiyonlar›h›zland›rmaya yarayan katalizörler bu-lunur. Kimyasallar olarak da hidrojen(temel yak›t) ve oksijen kullan›l›r. Hid-rojen sisteme saf olarak ya da bileflikhalinde girebilir. Yak›t hücrelerindesaf hidrojen kullan›lmas› durumundaelektrik ya da di¤er bir deyiflle enerjiüretilmesi s›ras›nda, at›k olarak ortayasadece su (H2O) ç›kacakt›r.

Nas›l Çal›fl›r?Yak›t pillerinin amac› de¤iflik ifller-

de kullan›lmak üzere elektrik ak›m›üretmektir. Bu kullan›m alanlar› oto-mobil, otobüs gibi araçlarda elektrikmotoruna güç vermek, dizüstü bilgisa-yarlara enerji sa¤lamak ya da bir evihatta flehri ayd›nlatmak olabilir.

Yak›t pilleri kulland›klar› elektroliteve hidrojen kayna¤›na göre çeflitlilikgösterir ve hepsinin çal›flma prensibibirbirinden biraz farkl›d›r (Resim 2).Temel olarak anot kanad›ndan sistemegiren hidrojen burada katalizörler yar-d›m›yla proton (iyonize hidrojen, H+)ve elektron (e-) olarak ayr›fl›r. Proton-lar elektrolit yard›m›yla katoda do¤ruyönlendirilir. Negatif yüklü elektron-larsa d›fl devrede harekete zorlan›r veteller üzerinden negatif yüklü anottanpozitif yüklü katota çekilen elektron-

lar elektrik ak›m›n› oluflturur. Oksijenise sisteme katot kanad›ndan girer veburada devrini tamamlayan elektron-lar ve anottan ç›k›p eloktrolit üzerin-den geçerek gelen ionize hidrojenatomlar›yla birleflir. Dolay›s›yla oluflanson ürün, di¤er bir deyiflle at›k, H2Oyani sudur. Saf hidrojen yerine dizel,metanol ve kimyasal hidritler kullananyak›t hücreleri de vard›r, fakat bunlarat›k olarak suyun yan›s›ra karbondiok-sit gibi baflka at›klar da olufltururlar.Bu iflleyiflte özellikle elektrolit kilit birrol oynar. Elektrolit sadece protonla-r›n geçifline izin vermeli ve serbestelektron ya da di¤er maddelerin geçi-fline engel olmal›d›r. Aksi halde kimya-sal iflleyifl bozulabilir. En ümit vaade-den ve en çok kullan›lan elekrolit pro-ton de¤iflim zar› (PDZ) ad› verilen tip-tir. ‹lk bak›flta s›radan bir plasti¤i and›-ran bu özel malzeme pozitif yüklüiyonlar› iletirken, yal›tkan oldu¤u içinelektronlar› d›fl devrede harekete zor-lar. Reaksiyonlar› kolaylaflt›ran ve h›z-land›ran katalizörse genellikle plantin-yum tozudur (demir ya da paladyumda kullan›labilir). Yak›t pilleri do¤ru

ak›m (DC) üretir amae¤er gerekliyse bir dö-nüfltürücü yard›m›ylabu ak›m kolayl›kla al-ternatife (AC) dönüfltü-rülebilir. Bu flekilde ta-sarlanm›fl tek bir yak›tpili yaklafl›k 0,7-0,8 Vüretetir. Pratik uygula-malarda yeterli voltaj›üretebilmek için yak›t

hücreleri seri ve paralel ba¤lanarak“y›¤›n” (stack) ad› verilen sistemleriolufltururlar. Bu sistemler çok say›dahücreden oluflur ve kullan›m amac›nagöre farkl› flekillerde tasarlan›rlar.

Yak›t hücresinin verimlili¤i devre-den geçen ak›ma ba¤l›d›r. Genel birkuraldan bahsetmek gerekirse ak›martt›kça verimlilik düfler. Elektri¤e dö-nüfltürülemeyen enerji ›s› olarak kay-bedilir. Verimlili¤i hesaplarken üretim-de, tafl›mada ve depolamadaki kay›plarda göz önünde bulundurulmal›d›r. Ör-nek olarak yüksek bas›nçta depolan-m›fl hidrojen kullanan hücrelerde ve-rimlilik %22’lere, s›v› hidrojen kulla-nan hücrelerde %17’lere düflebilmekte-dir.

ÇeflitleriKulland›¤› elektrolit ya da yak›ta

göre yak›t pilleri farkl›l›k gösterir. Bel-li bafll› çeflitleri alkali, metal hidrit,elektrogalvanik, fosforik asit, protonde¤iflim zar›, kat› oksit, metanol ve eri-tilmifl karbonat yak›t hücreleri olaraks›ralanabilir. 500 kW’ye kadar güç üre-


YAKIT HÜCRELER‹

Resim 1: Yak›t hücresi ve elektrik mo-torunu çal›flt›rabilecek güçteki yak›t

hücresi y›¤›n›

Resim 2: Genel ve protein de¤iflim yak›t hücresinin çal›flma prensibi


tebilen 70-200 °C aral›¤›nda çal›flan veverimlili¤i % 50-70’lere varan protonde¤iflim hücresi en çok kullan›lan hüc-relerden biridir. Ayr›ca 600-650 °C gi-bi yüksek s›cakl›klarda çal›flabilen ve1000MW’ye kadar güç üretebilen eri-tilmifl karbonat yak›t hücresi de önemarz etmektedir.

AvantajlarHer ne kadar çal›flma prensipleri ilk

bak›flta benzer olsa da yak›t hücrelerinormal pillere göre daha üstün güçkaynaklar›d›r. Normal pillerin depola-d›klar› enerji k›s›tl›d›r ve kimyasal re-aksiyon tamamland›ktan sonra pillerya at›l›r ya da yeniden flarj edilmelerigerekir. Yak›t hücreleriyse sürekli ye-nilenme için tasarlanm›fllard›r ve d›fla-r›dan yak›t ve oksijen sa¤land›¤› süre-ce çal›flmaya devam eder. Ayr›ca pille-re göre daha uzun ömürlüdür. Fazlahareketli parça içermemeleri (hareket-li parçalar sürtünme dolay›s›yla hemafl›nmaya hem de verimlilik kayb›nayol açmaktad›r) ve ayr›ca içlerinde yan-ma olay›n›n gerçekleflmemesi ömürle-rini ve verimliliklerini art›rmakta ve iç-ten yanmal› motorlara da üstünlüksa¤lamaktad›r..

Yak›t pillerinin en önemli faydas›y-sa saf hidrojen kayna¤› kullan›ld›¤›takdirde enerji üretirken hiçbir zehirliat›¤› ortaya ç›karmamalar›d›r. Hava veçevre kirlili¤inin tehlikeli boyutlardaolmas› ve üretilen karbon dioksit gaz›-n›n kontrol alt›na al›nmas›n›n gerekli-li¤i, bu tarz güç kaynaklar›n›n gerekli-li¤ini ortaya koymaktad›r. Yenilenebi-lir ve temiz bir enerji kayna¤› olan hid-rojenin yak›t pillerinde verimli bir fle-kilde kullan›labilecek olmas› yak›t pil-lerine olan ilgiyi art›rmaktad›r.

Yak›t hücrelerinin kullan›m› havakirlili¤inde ve petrol tüketimindeönemli azalma meydana getirecektir.Rakamlarla konuflmak gerekirse ABDEnerji Bakanl›¤›’n›n yapt›¤› bir çal›fl-maya göre ABD’deki otomobillerin sa-dece %10’unun yak›t hücreleriyle çal›fl-mas› bir günde 800 bin varil petrol tü-ketilmemesi ve bunun sonucunda biry›l içinde bir milyon ton zehirli madde-nin ve 60 milyon ton karbon dioksitinaç›¤a ç›kmamas› anlam›na gelecektir.Dünya çap›nda sadece 10 bin araç pet-rolsüz çal›flabilse y›lda 25-30 milyon lit-re daha az benzin harcanacakt›r.

Tarihçesi ve Günümüzdeki Durumu

Yak›t hücrelerinin çal›flma prensibi1839 y›l›nda Christian FriedrichSchönbein taraf›ndan ortaya at›lm›fl vebu fikirden yola ç›karak 1843 y›l›ndaSir William Robert Grove ilk yak›t hüc-resini tasarlam›flt›r. Daha sonra yak›thücresi olarak isimlendirilecek bu icather ne kadar hidrojen ve oksijen kulla-narak elektrik üretebilse de, ortaya ç›-kan enerji pratik uygulamalar için he-nüz yeterli de¤ildi.

Bu tür sistemler için yak›t hücresiterimi ilk defa 1890’l› y›llarda kullan›l-maya bafllanm›fl ve hücrelerin verimlili-¤ini art›rmak için de¤iflik çal›flmalaryap›lm›flt›r.

Francis T. Bacon’›n (ünlü FrancisBacon’un soyundan gelmektedir) 1932y›l›nda bafllad›¤› çal›flmalar 1959 y›l›n-da meyvesini vermifl ve bir motoru ça-l›flt›rabilecek güçte olan 5 kW’lik yak›thücresi üretilmifltir. Ayn› y›l›n ekimay›nda Harry Karl Ihrig, Allis-Chalmersfiirketi için 20 beygir gücünde birtraktör üretmifltir ve bu traktör ayn›

zamanda yak›t hücresikullanarak çal›flan ilkaraçt›r.

1960 y›l›nda Bacon’›ntasarlad›¤› ve “Bacon hüc-resi” ad› verilen sistem patent-lenmifl ve ABD’nin uzay araflt›rmala-r›nda elektrik ve su üretmek için li-sanslanm›flt›r. Yine 60’l› y›llarda Gene-ral Electric, Bacon hücresini temel ala-rak, NASA’n›n Gemini ve Apollo uzaykapsülleri için yak›t-hücresi tabanl›elektrik güç sistemlerini üretmifltir.Günümüzde uzay mekiklerinin elektri-¤i ve mürettabat›n su ihtiyac› yak›thücreleri taraf›ndan karfl›lanmaktad›r.

(NASA nükleer reaktörler, büyük pil-ler ya da günefl enerjisi sistemlerininyerine uzay araçlar› için yak›t hücresiteknojilerinin geliflmesi için büyük fon-lar ay›rmaktad›r).

1993 y›l›nda yak›t hücresi ile çal›-flan ilk otobüs üretilmifltir. DaimlerBenz ve Toyota 1997 y›l›nda yak›t pil-li prototip arabalar› üretmifltir. Di¤erbüyük otomobil flirketlerinin de bu ko-nuda yo¤un çal›flmalar› devam etmek-tedir.

1998 y›l›nda Estonya hükümeti, Da-imler Chrysler, Shell ve Ballard GüçSistemleri (Kanada flirketi) büyük birhidrojen ekonomi iflbirli¤ine girmifller-dir. Bu iflbirli¤inin amac›10 y›l içindeE s t o n -

y a ’ n › ntüm tafl›-

ma araçlar›n› yak›thücresiyle çal›fl›r hale

dönüfltürmektir. 2003 y›l›ndailk hidrojen istasyonu Reykjavik’da(Estonya) aç›lm›flt›r (Resim 3). Bu is-tasyon geotermal enerji kullanarakkendi hidrojenini üretebilmektedir vedoldurulmaya ihtiyac› yoktur.

2000’li y›llardan itibaren tafl›nabilircihazlar için (dizüstü bilgisayar, cep te-lefonu) tasarlanm›fl prototip yak›t hüc-resi üretimine bafllanm›flt›r.

Günümüzde halen k›sa vadeli he-


Resim 3: Reykjavik’teki (Estonya) hidrojen istasyo-nu. Geotermal enerji kullanarak sudan hidrojen üre-ten bu istasyonun doldurulmas› gerekmiyor. fiimdi-

lik yaln›z birkaç otobüse yak›t sa¤l›yabiliyor.

Resim 4: Hidrojen araçlar›n›n motor ve genel flemas›


defleri olan yüksek bütçeli projelerdebinlerce uzman, yak›t hücrelerini gün-lük hayatta kullan›l›r düzeye getirmekiçin çal›flmalar yapmaktad›r.

Yak›t Hücrelerinin Uygulama Alanlar› veSorunlar›

Yak›t hücrelerinin uygulama alanla-r› genel olarak ulafl›m (otomobil, oto-büs, hatta uçaklar...), kiflisel kullan›m(dizüstü bilgisayarlar, cep telefonlar›,cd/dvd oynat›c›lar...) ve sanayi olaraks›n›fland›r›labilir.

Ulafl›mda kullan›lacak hidrojenaraçlar› (Resim 4) basitçe temel yak›tolarak hidrojen kullanan otomobiller-dir. Hidrojen ya günümüz araçlar›ndaoldu¤u flekilde benzin veya motorin gi-bi yak›larak, ya da yak›t hücrelerindeelektrik üretmek (elektrik motorlar›)için kullan›l›r.

Günümüz hidrojen üretme teknolo-jisi petrol, günefl, su, rüzgar ya da nük-leer güç kaynaklar› kullan›larak hidro-karbonlardan hidrojen üretmeye da-yanmaktad›r. Hidrokarbonlar bile mo-torin ya da benzine göre daha az kirliat›k üretmektedir. As›l büyük baflar›ise saf hidrojenin yak›t olarak kullan›l-d›¤› ve egzoslardan zehirli gazlar yeri-ne su buhar›n›n ç›kt›¤› araçlarla sa¤la-nacakt›r.

fiu anda az say›da da olsa hidrojenarabalar› mevcuttur ve bunlar›n tekno-lojilerini gelifltirmek için yo¤un araflt›r-malar devam etmektedir. Bu araflt›rma-lar içten yanmal› motorlarda hidrojenkullan›m›ndan çok, hidrojenin yak›tpillerinde, dolay›s›yla elektrik motorla-r›nda kullan›lmas›na yöneliktir. Hidro-jen bu flekilde hem daha verimli kulla-n›lacak hem de bu tür araçlar›n motor-lar› daha uzun ömürlü olacakt›r. Yak›thücreleri çok fazla hareketli parçaiçermedi¤inden bu bölgelerde sürtün-meden kaynaklanan enerji kay›plar› veafl›nma aza indirgenecektir.

Günümüzde h›z için tasarlanm›flarabalarda, denizalt›larda ve uzay me-kiklerinde k›saca yüksek maliyettenkaç›n›lmayan uygulamalarda hidrojenzaten yak›t olarak kullan›lmaktad›rama günlük kullan›ma geçmesi için bi-raz daha zamana ihtiyaç oldu¤u gö-zükmektedir.

Hidrojen yak›t hücrelerinin en bü-yük problemi hidrojenin efektif ve gü-venilir bir flekilde depolamamas›ndankaynaklanmaktad›r. Çok hafif bir gazolan hidrojen yüksek bas›nçta ya da s›-v› olarak depolansa bile, ayn› hacimde-ki benzine göre üretebilece¤i enerjiçok düflük kalmaktad›r. Hidrojeni do¤-rudan depolamak yerine de¤iflik yön-temler ve teknikler üzerinde çal›fl›l-maktad›r. (Bkz. hidrojen depolama).

‹kinci sorun hidrojenin üretimiyleilgilidir. E¤er hidrojen üretmek için yi-ne fosil yak›tlar› kullanmak gerekecek-se temiz yak›t kavram›ndan uzaklafl›l-m›fl olacakt›r. Elektroliz yoluyla suyuayr›flt›rmak da çözüm de¤ildir çünküelektrik enerjisi üretmek için de büyükölçüde kömür ya da nükleer enerji kul-lan›lmaktad›r. Ucuz ve temiz hidrojenüretimi de pratik uygulamalar için afl›l-mas› gereken önemli bir sorun olarakbeklemektedir. Bu konuda yo¤un ça-l›flmalar devam etmektedir.

Di¤er önemli bir problem yak›t hüc-relerinin üretiminin çok pahal› olmas›-d›r. 2002 y›l›nda tipik bir yak›t hücre-sinin maliyeti her kilovat güç için 1000

dolar ($/kW) olarak hesaplanm›flt›r.Maliyeti düflürme çal›flmalar› devam et-mekte ve bu maliyetin 2007’den son-ra 30 $/kW kadar düflmesi umulmak-tad›r.

Günümüzde birçok büyük otomobilflirketi hidrojen arabalar› üzerine çal›fl-malar›n› milyar dolarl›k bütçelerle sür-dürmektedir. General Motors’un bafl-kan yard›mc›s› Harry J. Pierce hidro-jen yak›t pillerinin gelece¤in güç kay-naklar› oldu¤unu söylemifltir. Hon-da’n›n baflkan yard›mc›s› ise yak›t hüc-reli araçlar›n yak›n gelecekte piyasadaolacaklar›n› tahmin ettigini aç›klam›fl-t›r. Di¤er taraftan Tony Blair ve Geor-ge Bush bu konuyla ilgili olarak kat›l-d›klar› toplant›larda yap›lan çal›flma-lardan çok ümitli olduklar›n› ve des-teklerini devam ettirecekrini aç›klam›fl-lard›r.

Üretim aflamas›ndaki yak›t hücreliarabalara örnek olarak (Resim 5):

BMW 750hL ve BMW H2R (Bu mo-deller s›v› hidrojen kullarak çal›flmaktave H2R modeli h›z rekorunu elinde bu-lundurmaktad›r) BMW üretti¤i otomo-billere “Temiz Enerji” etiketi yap›flt›ra-


Resim 5: Honda, Mercedes ve BMW yak›t hücreli araçlar üretmek için yo¤un

çal›flmalar yapmakta.

Resim 6 : Hidrojen ile çal›flan otobüsler

Bilim ve Teknik Ek.pro 9/22/�6 11:�1 PM Page 1�

bilmek için yo¤un çal›flma içinde oldu-¤unu bildirmifltir.

Mercedes F600 Hygenius (S›f›r at›küreten yak›t pilli model. Bu araç 115beygir gücünde 100 km’de sadece 2,9litre yak›t tüketmekte ve bir depo ileyaklafl›k 400 km yol yapabilmektedir).

Her ne kadar bu araçlar›n maliyetle-ri flu an için çok pahal› olsada yak›ngelecekte piyasaya sürülmeleri hedef-lenmektedir. Mazda çift yak›tl› RX-8’i2006’da Japonya’da sat›fla sunarak bukonuda bir ilk olmufltur. BMW’demedyaya, 2008 y›l›nda hidrojen arac›n›piyasaya sürmeyi planlad›¤›n› duyur-mufltur. 2004 y›l›ndan itibaren ‹ngilte-re’nin pilot bölgelerinde hidrojenle ça-l›flan otobüs seferlerine bafllanm›flt›r(Resim 6). Maliyetleri 750 bin sterlinibulan ve tamamen çevredostu olan bu otobüslerbir depo ile yaklafl›k 125mil yol yapabilmektedir.Kullan›lan sistemdekidepo büyüklü¤ü binekotobilleri için henüz ye-terli de¤ildir. Ayr›caABD Enerji Bakanl›¤› veOtomotiv Araflt›rmaKonseyinin büyük oto-motiv flirketleriyle beraber yürüttü¤üFreedomCAR ad› verilen ve ucuz, çev-re dostu ve benzin kullamayan otomo-bil üretimiyle ilgili proje de devam et-mektedir. 2002 y›l›nda bafllanan buprojenin, ilk ürünlerini 2010 y›l›ndavermesi planlanmaktad›r.

Dizüstü bilgisayar ve cep telefonlar›gibi tafl›nabilir cihazlar için enerji üret-mede de yak›t hücrelerinden yararlan›-labilir. Büyük elektronik flirketleri, da-ha uzun çal›flma süresi sa¤layan, ayn›zamanda daha ucuz ve daha hafif yak›t

hücreli piller (Resim 7) üzerinde yo-¤un olarak çal›flmaktad›r. Günümüzdeyak›t olarak s›v› metanol kullanan ya-k›t hücreli prototip dizüstü bilgisayar-lar üretilmifltir. Yaklafl›k olarak 10 sa-at çal›flma süresi sa¤layan yak›t hücre-

leri normal pillerden da-ha uzun ömürlüdür. S›-v› yak›t kulland›klar›için yeniden doldurabi-lir kartufllar› bulunanbu yak›t hücreleri, meta-nol eklenerek çal›flmayadevam etmekte ve elek-tri¤e ba¤lan›p flarj edil-mesi gerekmemektedir.2005’de Fujitsu ve Tos-

hiba her tür tafl›nabilir cihaz için yak›thücreli piller üzerinde çal›flt›klar›n› du-yurmufllard›r. Panosonic 2006’da kat›l-d›¤› bir fuarda yak›t hücresi ile çal›flanprototip dizüstü bilgisayar›n› (Resim8) tan›tm›flt›r. Hidrojen üretmek için s›-v› metanol kullanan bu sistemin 20 sa-at çal›flma süresi vard›r. Bir kartufllabilgisayarlar›n 40 saat çal›flmas›, yak›nhedefler aras›ndad›r. Yak›t hücreli di-züstü bilgisayarlar›n en büyük proble-mi a¤›rl›k, büyüklük ve maliyet yük-sekli¤i olarak s›ralanabilir. 2004’tekimodellere göre al›nan yol, büyük fir-malar›n 2010 y›l›nda tüm bu sorunla-r› aflacaklar›n› duyurmalar›na yol aç-m›flt›r. Dizüstü bilgisayarlar›n yan› s›-ra cep telefonlar› için de araflt›rmalardevam etmektedir. Toshiba 2005 y›l›n-da yine metanol kullanan yak›t hücre-li cep telefonlar›n› tan›tm›flt›r (Resim9). Ayr›ca Toshiba, KDDI ve Hitachifirmalar› güçlerini daha iyi yak›t hüc-releri üretmek için birlefltirmifllerdir.fiu anda ürettikleri yak›t hücrelerinormal nikel-kadmiyum pillere göre2,5 kat uzun konuflma süresi sa¤la-maktad›r. Nippon firmas› ise polimerelektrolit yak›t hücresi kullanarak hid-

rojen gaz› ile çal›flan ilk prototip ceptelefonunu üretmifltir (Resim 9). Noki-a, Motorola ve Samsung gibi flirketlerde bu alanda yüksek bütçeli fonlarlaaraflt›rmalar›na devam etmektedirler.

SonuçBasit çal›flma prensibine dayanan

ve yak›t olarak yenilenebilir hidrojenkullanan yak›t pillerinin, hem azalanfosil yak›t rezervlerine hem de çevrekirlili¤ine bir çözüm olacaklar› ümitedilmektedir. Ancak özellikle hidroje-nin ucuz ve temiz üretilmesi, ard›ndanda etkili ve güvenli bir flekilde depo-lanmas› sorunlar›n›n çözülmesi gerek-mektedir. Nanobilim ve nanoteknoji-nin bu alana da yönelik katk›lar›yla ya-k›n gelecekte insanl›¤›n rüyas› olansuyla çal›flan araçlar ve piller, belki degerçek olacakt›r.

KDDI toshiba hitachi

E n g i n D u r g u nBilkent Üniversitesi, Fizik Bölümü


Resim 7: Tafl›nabilir cihazlar içintasarlanm›fl yak›t hücresi

Resim 8: S›v› metanolyak›t hücresi ile çal›flan prototip dizüstü bilgisayar

Resim 9: Toshiba’n›n yak›t hücresi kullanan cep telefonu ve Nippon firmas›n›n polimer elektrolit yak›t hücresi kullanarak hidrojen gaz› ile çal›flan ilk prototip cep telefonu.


Bilindi¤i gibi boyutlar› her geçen y›lkatlanarak artan küresel enerji sorunuiçin, uzmanlar›n üzerinde anlaflt›¤› enumut verici çözüm seçene¤i hidrojenenerjisidir. Fosil yak›tl› araçlara ba¤›m-l› günümüz ekonomisinin, önümüzde-ki ilk 10 y›l içinde, önce elektrik-ben-zin kar›fl›m› sistemler kullanan “hib-rid” araçlara yönelmesi beklenmekte;bundan sonraki aflamada ise, fosil ya-k›t kullan›m›ndan tamamen ar›t›lm›fl,hidrojen teknolojisi kullanan araçlarageçilece¤i öngörülmektedir.

Bu süre zarf›nda, hidrojen teknolo-jisinin ticari bir gerçek olarak ortayaç›kabilmesi ve fosil yak›tlar yerine“hidrojen ekonomisi”ne dayanan küre-sel bir makro ekonomik düzenin olufl-mas› için çok önemli baz› teknolojiksorunlar›n acilen çözülmesi gerekmek-tedir. Bu sorunlar›n çözümü için, na-noteknoloji ve yüzey bilimi araflt›rma-lar›n›n ciddi bir flekilde odakland›¤› üçönemli temel problem flunlard›r:

• ÜÜrreettiimm:: Yüksek kaliteli hidrojenyak›t› üretimi için yeni, verimli ve sür-dürülebilir katalitik üretim yöntemleri-nin gelifltirilmesi.

• TTaaflfl››mmaa:: Hidrojen depolanmas› veyak›t hücresine kontrollü sal›n›m› içinyeni nano-malzemelerin gelifltirilmesi.

• TTüükkeettiimm:: Hidrojen yak›t hücrele-

rinin verimliliklerinin artt›r›lmas› vemevcut yak›t pili tasar›mlar›ndan yak-lafl›k 100 kat daha ucuz hücrelerinüretimi için yeni malzeme ve ifllem ta-sar›mlar›n›n gerçeklefltirilmesi.

Yukar›da say›lan problemlerin nere-deyse tamam› kat›-gaz ve/veya kat›-s›v›arayüzleri ve bu yüzeylerin atomik dü-zeyde kontrollü olarak tasarlanmas› veçal›flt›r›lmas›yla yak›ndan iliflkili oldu-¤undan, do¤rudan nanoteknoloji veyüzey biliminin çal›flma alanlar›na gi-rer.

Bu nedenle Bilkent Üniversitesibünyesinde yeni kurulan Ulusal Nano-teknoloji Araflt›rma Merkezi (UNAM)içinde hidrojen üretimi ve depolanma-s›na yönelik nanoteknoloji çal›flmalar›projesi bir süre önce bafllat›ld›.

Bu çal›flmalar›n birinci bölümü yük-sek safl›kta hidrojen üretimine yönelikyeni nanoyap›lar›n katalitik süreçleriçinde kullan›lmas›n› amaçlamaktad›r.Günümüzde, kimya sanayiinde yüksektonajl› hidrojen üretimi için kullan›lanifllemlerin en büyük olumsuzluklar›n-dan biri, üretim ifllemi sonunda hidro-jen gaz›na ek olarak; az miktarda daolsa, karbon monoksit (CO) gaz›n›n daüretilmesidir. ‹stenmeyen bir yan ürünolarak ortaya çikan CO gaz›, eser mik-tarda (< 50 ppm) olmas›na ra¤men,

hidrojen yak›t hücresinde kullan›lanproton takas zar› (proton exchangemembrane, PEM) yap›s›n›n içinde yeralan platin metaline hidrojene oranlaçok daha kuvvetli ba¤lanmas›ndanötürü, katalitik zehirlenme dedi¤imiz,bir çeflit verimlilik azalmas›na nedenolmaktad›r.

Yüksek safl›kta hidrojen yak›t› eldeetmek için iki temel strateji takip edile-bilir. Bunlardan birincisi daha temizhidrojen üreten yeni kimyasal katalitiksüreçler gelifltirmek, bir di¤eriyse mev-cut üretim sistemleri kullan›larak eldeedilen hidrojeni temizlemek veya saf-laflt›rmakt›r. fiu anda endüstriyel ola-rak yüksek tonajda üretilen hidrojengaz›n›n neredeyse tamam›, katalitiktepkimeler sayesinde metan gaz›n›nkimyasal olarak CO ve H2’ye dönüfl-türülmesi yöntemiyle üretilmektedir(CH4 + H2O → 3H2 + CO). UNAM arafl-t›rma grubumuz bu tepkimelerde kul-lan›lan katalizörlerin gelifltirilmesi içinyeni yaklafl›mlar önermifl ve 5ppm’dendüflük CO içeren hidrojen üretimineyönelik yeni katalizörlerin bulunmas›için model katalizör çal›flmalar›na k›sabir süre içinde bafllanmas› için gerekliad›mlar› atmaya bafllam›flt›r.

Yukar›da bahsedildi¤i gibi hidrojenüretimi için flu an ticari olarak henüz

Hidrojen Teknolojisinin Yayg›nlaflmas›na Yönelik Önemli Anahtar So

Alt›n Nanoparçac›

Hidrojenin Sa


fiekil 1. Opel (sol) ve GM (sa¤) firmalar›n›n piyasaya sürmeyi planlad›klar› hidrojen yak›tl› otomobiller.


kullan›lmayan yeni teknikler de mev-cuttur. Bu teknolojilerin verimlilefltiri-lip yayg›nlaflt›r›lmas›, hidrojen ekono-mosinin gelece¤i için zorunludur. Buteknolojilerin bir ço¤unun temelindesuyu ayr›flt›rarak hidrojen ve oksijeneçevirmek ve elde edilen hidrojeni ya-k›t hücresinde kullanmak yatar. Bu ifliyapmak için: fotosentetik mikroplar›nkullan›ld›¤› biyolojik sistemler, güneflenerjisinden yararlanan fotovoltaikgünefl pilleri, fotokatalizörler ve do-¤al/yenilenebilir enerji kaynaklar›kullanan özel sistemler (örn. rüzgarenerjisi, jeotermal enerji veya hidro-elektrik enerji kullanan sistemler)önerilmifltir. Bu konular hakk›ndakiçal›flmalar h›zl› bir flekilde devam et-mektedir.

Mevcut kimyasal yöntemlerle yük-sek miktarlarda üretilen hidrojeninsaflaflt›r›lmas› için de nanoteknoloji ça-l›flmalar› önem kazanmaktad›r. Bununiçin alt›n nanoparçac›klar› önümüzebeklenmedik bir flekilde ilginç seçe-nekler koymaktad›r. Yüksek say›da al-t›n atomundan oluflan kat› haldeki al-t›n, bilindi¤i gibi soy bir metal olup,neredeyse hiçbir kimyasal tepkimeyegirmeden oda koflullar›nda yüzy›llarboyu bozulmadan kalabilmektedir. An-cak alt›n metali nanoparçac›k fleklinde,yani az say›da alt›n atomunun bir ara-

ya getirilmesiyle oluflan özel yüzeylerfleklinde kullan›ld›¤›nda, ans›z›n çokyüksek katalitik etkinlik göstermeyebafllamaktad›r. Böylece birçok önemlikimyasal tepkimeyi, daha önce hiçbir

katalizörün baflaramad›¤› flekilde h›z-land›r›p, verimli hale getirmeyi baflara-bilmektedir.

Bu amaçla alt›n nanoparçac›klar›hidrojen yak›t›ndaki CO kirli¤ininCO(g) + 1/2 O2(g)→ CO2(g) tepkimesiyoluyla zarars›z CO2 gaz›na dönüfltü-rülmesi için idealdir. Araflt›rmalar gös-termifltir ki, geleneksel katalizör mal-zemesi olan Pt, Pd, Rh gibi geçifl ele-mentleri kullan›ld›¤›nda bu tepkime-nin verimli bir flekilde ilerlemesi için200-300 °C gibi yüksek s›cakl›klar ge-rekmesine ra¤men; alt›n nanoparçac›k-lar› çok yüksek aktiviteleri sayesindebu tepkimeyi s›v› azot s›cakl›¤›nda bile(-196 °C) baflar›yla yürütebilmektedir.

Yrd. Doç. Dr. Emrah Özensoy UNAM ve Bilkent Üniversitesi Kimya Bölümü


ar Sorunlar›n Çözümü için Yüzey Bilimi ve Nanoteknoloji Çal›flmalar›

c›klar› Kullanarak

aflaflt›r›lmas›

fiekil 3. Hidrojen yak›t hücrelerinde hidrojen saflaflt›r›lmas› için kullan›lan alt›n nanoliflerinden oluflan katalizör.(a) Yak›t pili flemas› ve alt›n katalizörün konumu, (b) Alt›n üzeinde oluflan CO yükseltgenme tepkimesi, (c) Alt›n

katalizörünü oluflturan, alt›n nanoliflerinin SEM (‹kincil Elektron Mikroskopu) ile gösterilen nano-yap›s›.

fiekil 2. Hidrojen üretiminde kullan›lan katalitik tep-kimelerin gerçeklefltirildi¤i endüstriyel üretim birimi(sol) ve bu kimyasal süreçte kullan›lan mikro göze-

nekli, yüksek yüzey alanl› Ni katalizörü (sa¤)


H›zla artan dünya nüfusu ile birlik-te artan enerji talebi, fosil yak›t kay-naklar›n azalmas› ve buna ba¤l› olarakpetrol fiyatlar›n›n h›zla yükselmesi, fo-sil yak›t kaynaklar›n›n çevreye verdi¤izarar alternatif enerji kayna¤› aray›flla-r›n› beraberinde getirmifltir. Bu alter-natiflerden en önemlilerinden biri hid-rojendir. Yak›t pilleri, yak›t olarak hid-rojeni kullanan ve son y›llarda üzerin-de yo¤un olarak çal›fl›lan alternatif tek-nolojilerden birisidir. Türkiye, nüfusart›fl›na ve büyüme sürecine ba¤l› ola-rak artan birincil enerji ve elektrikenerjisi talebini çevre ve insan sa¤l›¤›üzerinde olumsuz etkileri bulunan fo-sil yak›tlar›n a¤›rl›kta oldu¤u ve ithaledildi¤i bir programla karfl›lamaktad›r.Türkiye’ye ileri enerji teknolojilerin-den biri olan yak›t pili teknolojisininkazand›r›lmas› ve bu kapsamda özgünürünlerin üretilmesi için TÜB‹TAKMarmara Araflt›rma Merkezi EnerjiEnstitüsü’nde bir grup ve laboratuarkurularak çeflitli projeler bafllat›lm›flt›r.Bu kapsamda düflük s›cakl›k ve yük-sek s›cakl›k yak›t pilleri ile ilgili çal›fl-malar yürütülmüfltür.

“Yak›t Pili Grubu” taraf›ndan yürü-tülmekte olan projelerin k›sa bilgileriafla¤›da verilmifltir.

Ergimifl Karbonatl› Yak›t Pili MCFCNaval Generator (Destekleyen Kuru-

lufl: Nato, 2002–2006) ‹talyan AnsaldoFuel Cells s.p.a flirketi ile birlikte yürü-tülmekte olan proje kapsam›nda TÜB‹-TAK MAM yerleflkesinde MCFC (Ergi-mifl Karbonatl› Yak›t Pili) teknolojisinedayanan ve 500 kW gücünde prototipbir elektrik üretim tesisi kurmak.

MOCAMI (AB 5. Çerçeve Projesi,2003–2006). MCFC teknolojisi ve birmikro türbin (MTG) ile birlefltirilmifl,küçük ölçekli hibrid sistemin gelifltiril-mesi ve demonstrasyonu.

IRMATECH (AB 5. Çerçeve Projesi,2003–2006). Malzemeler, temiz ve ve-rimli enerji teknolojileri ve MCFC’yisürdürülebilir bir geliflme içinde iyilefl-tiren prosesler üzerinde entegre arafl-t›rmalar gerçeklefltirmek.

Temiz Enerji Üretimine Yönelik Ya-k›t Pili Teknolojilerinin Gelifltirilmesi:(Destekleyen kurulufllar: Ford Otosan,


TÜB‹TAK MAM ENERJI ENSTITUSU YAKI

ÇALIfiMALAR VE YÜRÜ

TÜB‹TAK’ta

TÜB‹TAK MAM Enerji Enstitüsü taraf›ndan üretimigerçeklefltirilen prototip PEM tipi yak›t pili modülü

ve test sistemi

TÜB‹TAK MAM Enerji Enstitüsü Düflük S›cakl›k Yak›t Pili Çal›flma Grubu, Enstitü Müdürü Doç.Dr. Mustafa T›r›s (soldan 5.) ile birlikte

TÜB‹TAK MAM Yerleflkesi


Tofafl, Arçelik, 2003–2004). Bu projesonucunda, Sanayi ve Araflt›rma Mer-kezi birlikteli¤ini sa¤layacak ortak ça-l›flma grubu oluflumu, yak›t pili tekno-lojisinin uygulanabilir nitelikte ö¤re-nilmesi ve projede çal›flan uzmanlar›nyak›t pili teknolojileri konusunda yete-neklerinin artt›r›lmas› sa¤lanm›fl ve re-kabet öncesi iflbirli¤i disiplinin geliflti-rilmesine katk›da bulunulmufltur.

Polimer Elektrolit Membranl› Yak›tPili Modül Bileflenlerinin Gelifltirilmesive Üretilmesi: (Destekleyen kurulufllar:Ford Otosan, Tofafl, Arçelik, Demirdö-küm, Aygaz, 2004–2006.)

II. aflama projenin amac› özgün biryak›t pilinin yerli imkanlarla üretilme-sine yönelik olarak polimer elektrolitmembranl› yak›t pili bileflenlerinin ge-lifltirilmesi ve prototip üretimleriningerçeklefltirilmesidir. Yak›t pili bileflen-lerinden üretilmesi amaçlanan bipolarplaka, membran elektrot ünitesi veelektrokatalizör üretimi ve karakteri-zasyonu ile ilgili çal›flmalar büyük öl-çüde tamamlanm›flt›r.

PEM Yak›t Pilli Güç Üretim Kayna-¤›n›n Gelifltirilerek Evsel Uygulamalar-da Kullan›m›: (Destekleyen kurulufl:DPT, 2005–2008). Bu projede bir ko-nutun enerji ihtiyac›n›n karfl›lanmas›n-da kullan›lmak üzere yerli kaynaklar›nda yo¤un olarak kullan›ld›¤› 500 W’l›kpolimer elektrolit membranl› yak›t piliiçin elektrokatalizör, membran elek-trot ünitesi, bipolar ve son plaka gelifl-tirilecek ve sistem entegrasyonu yap›-lacakt›r.

Do¤rudan Sodyum Bor HidrürlüYak›t Pili Üretimi ve Entegrasyo-nu:(Destekleyen kurulufl: Bor Teknolo-jileri Araflt›rma Enstitüsü, BOREN,2004–2007). Projenin bafll›ca amac›do¤rudan sodyum borhidrürlü yak›tpilinin gelifltirilmesi ve son kullan›c›entegrasyonunun yap›lmas›d›r.

Bu projeler kapsam›nda yak›t pille-

rinde yap›lan maliyet analizine göreyaklafl›k % 65, a¤›rl›k ve hacim analizi-ne göre yaklafl›k % 85’lik k›sma karfl›-l›k gelen yak›t pili modül bileflenlerin-den bipolar plaka, membran elektrotünitesi ve elektrokatalizör üretimi ileilgili çal›flmalar yap›lm›flt›r. Gelinennokta itibariyle ilgili ürünler için veri-len kriterleri sa¤layan, dünyada ticariolarak sat›lan ürünlerden daha iyi tek-nik özelliklere sahip ürünler üretilmifl-tir. Ayr›ca üretilen bileflenlerin geliflti-rilen üretim tekni¤ine göre maliyet

analizleri yap›lm›fl ve yöntemin olduk-ça ekonomik oldu¤u görülmüfltür. Buveriler do¤rultusunda ürünün ticariüretimi için üretim hatt› kurma çal›fl-malar› bafllat›lm›flt›r. Yak›t pili bileflen-lerinden biri olan bipolar plaka ilk ürü-nü ise Say›n Baflbakan Recep TayyipERDO⁄AN'›n TÜB‹TAK MAM Ziyare-ti’nde sunulmufltur (18 Kas›m 2005).

D r . T a n s e l fi e n e rTÜB‹TAK Marmara Araflt›rma Merkezi,

Enerji Enstitüsü


AKIT P‹L‹ ÇALIfiMA GRUBUNun YAPTI⁄I

ÜRÜTTÜ⁄Ü PROJELER

a hidrojen

Avrupa’n›n enerji ihtiyac› sürekli olarak artmak-ta ve bu ihtiyac›n mevcut halde %50 seviyesinden2030 y›l›nda %70 seviyesine gelece¤i öngörülmek-tedir. Avrupa ülkeleri enerji ihtiyac›n› büyük orandaithal edilen petrol, kömür ve do¤al gaz ile karfl›la-maktad›r. Enerji bak›m›ndan artan d›fla ba¤›ml›l›kve CO2 yay›l›mlar›ndaki art›fl AB’de oldu¤u gibi ül-kemizde de yenilenebilir enerji kaynaklar› konula-r›ndaki çal›flmalara ivme kazand›rm›flt›r.

Birçok at›¤› ve enerji ekinlerini içeren biyoküt-le, yenilenebilir enerji kaynaklar› içerisinde önemlibir paya sahiptir. Biyokütle ve kömürün birlikte ya-k›lmas›n› veya gazlaflt›r›lmas›n› içeren teknolojiler,di¤er yenilenebilir enerji teknolojilerine göre tekno-ekonomik olarak daha uygulanabilir bir alternatifsunmaktad›r. Biyokütlenin kömür ile yak›lmas›n›nsa¤lad›¤› en önemli avantajlar;

• Mevcut yakma sistemlerinde yüksek miktar-larda biyokütle kullan›lmas›na olanak sa¤lamas›,

• Mevcut yakma sistemlerinin kullan›labilmesi-ne olanak sa¤layarak düflük yat›r›m maliyetleri ge-rektirmesi,

• Yaln›zca biyokütle yakan sistemlere göre da-ha yüksek verimlerin elde edilmesidir.

Avrupa Birli¤i’nin giderek genifllemesi ile, kö-mür yakma teknolojilerine dayal› mevcut altyap›n›nsay›s› ve kapasitesi ile biyokütle üretim potansiyeliartm›flt›r. Bu art›fllar, Avrupa Birli¤i ülkelerinde fo-sil yak›tlara olan ba¤›ml›l›¤› belli oranda azaltabile-cektir. Dolay›s› ile biyokütle ve kömürün birlikte ya-k›lmas› ve gazlaflt›r›lmas›na yönelik teknolojiler üze-rindeki araflt›rma ve uygulama çal›flmalar› çok dahaçekici hale getirmifltir.

Bu amaçla;

• Avrupa Birli¤i ve aday ülkeler aras›nda biyo-kütle ve kömürün birlikte kullan›m›na yönelik tek-nolojiler konusunda bilgi a¤› oluflturmak,

• Bu teknolojilerin bugünkü durumunu ve arafl-t›rma alanlar›n› belirlemek,

• Gelifltirilmesi s›ras›nda karfl›lafl›lacak engelle-ri ortaya ç›karmak

üzere A¤ustos 2005’te iki y›l sürecek 25 ortak-l›, aç›k ad›yla “Integrated European Network forBiomass Co-firing” NETBIOCOF projesi bafllat›lm›fl-t›r.

Bu proje kapsam›nda TÜB‹TAK MAM EnerjiEnstitüsü;

• Türkiye’de biyokütle ve kömürün birlikte kul-lan›m›na yönelik teknolojilerin durumunu araflt›r-makta,

• Yasal mevzuatlardaki ilgili düzenlemeleri in-celemekte,

• Projenin önemli ç›kt›lar›ndan birini olufltura-cak olan teknolojinin araflt›rma alanlar›n› belirle-mektedir.

Bu projenin amac› olan bilgi paylafl›m›n›n sa¤la-nabilmesi için 2007 y›l› içerisinde biyokütle ve kö-mürün birlikte kullan›m›na yönelik teknolojiler ile il-gili olarak bir seminer düzenlenecektir. Proje ile il-gili ayr›nt›l› bilgilere www.netbiocof.net internet ad-resinden ulaflabilirsiniz.

D r . T a n s e l fi e n e rTÜB‹TAK Marmara Araflt›rma Merkezi,

Enerji EnstitüsüKaynaklar1-) www.netbiocof.net2-)http://www.energetik-leipzig.de/Referenzen/Bio-CHP-best-practi-

ce-guide.pdf#search=%22lieksa%20bio-mass%20chp%20plant%22

3) http://www.enprima.com/references/lieksa.htm

NETBIOCOF Avrupa Biyokütle- Kömür BirlikteYakma ve Gazlaflt›rma Bütünlefltirilmifl Bilgi A¤›.


Türkiye’nin Bi l im Çeflmesi :

Yeni lendi!w w w . b i l t e k . t u b i t a k . g o v . t r

webilantek 9/22/06 11:44 PM Page 1

hidrojenli gelecek

Documents