Yerküremizde önce kömür, daha sonra petrol ve doğalgaz yüzyıllar boyu sanayi ve taşıma sektörünün gereksinimi olan enerjiyi sağlayıp, adeta uygarlığın itici gücü oldular. Günümüzde bütün dünyanın yıllık enerji gereksinimi yaklaşık 400-420 Q (1 Q = 2,5 x 10¹4 kilokalori) olarak tahmin edilmektedir. Hızla artan talep karşısında, yaklaşık 30 yıl sonra fosil yakıtları tüketiminin ikiye katlanacağı beklenmektedir. Önce petrol rezervlerinin, 40-50 yıl sonra da doğal gaz rezervlerinin tükeneceği, daha bol bulunan kömür rezervlerinin ise bir kaç yüzyıl daha dayanacağı bilinmektedir. Bu süreçte belli ülkelerin elinde veya kontrolünde bulunan petrol ve doğal gaz rezervlerine bir çok ülkenin bağımlı olması, petrolü stratejik bir madde konumuna getirmiştir. Diğer taraftan artan yakıt tüketimi sonucu çıkan atıklar, global ısınmaya ve iklimlerin olumsuz yönde etkilenmesine neden olmaktadır. Günün birinde petrol rezervelerinin sonuna yaklaşılıp sanayinin aniden güçsüz kalması, veya iklimlerin hızla değişip sağlığımızı tehdit eder hale gelmesi düşüncesi, şimdiden enerjide yeni seçenekleri gündeme getirmiştir. Son zamanlarda Çin ve Hindistan gibi ülkelerde petrol tüketiminin hızla artması, petrol fiyatlarını hızla yukarı çekmiş, gelişmiş ekonomileri olumsuz etkilemeye başlamıştır. Alarm durumuna geçen gelişmiş ülkeler yeni enerji türleri üzerine arayışlarını hızlandırıp, özellikle hidrojen ekonomisi başlığı altında yapılacak araştırmalara milyarlarca dolar kaynak ayırmaya başlamıştır.
Hidrojenin Üretilmesi
Hidrojenin ucuz ve büyük miktarlarda üretilmesi ve üretimin sürdürülebilir olması, hidrojen ekonomisinin başlıca koşuludur. ABD’de yılda 9 megaton (milyon ton) civarında hidrojen üretilmektedir. Buna karşın ABD’nin bütün taşıma filosu hidrojen yakıt hücreleri ile çalışsaydı; 150 megatonun üzerinde hidrojene gereksinim olacaktı. Çok sayıda araştırıcı bu kadar büyük miktarlarda hidrojenin uygun maliyetlerle nasıl üretileceği sorusuna yanıt aramaktadır. Hidrojenin üretiminde çeşitli yöntemler bilinmektedir. Aslında doğa, en önemli ve en verimli bir hidrojen üreticisidir. Bitkiler, fotosentez yoluyla CO2 ve suyu güneş ışığının yardımıyla önce hidrojen ve oksijene dönüştürmekte, hidrojenden karbonhidratları üretirken oksijeni de diğer canlıların soluması için atmosfere salmaktadır. Bu süreç milyonlarca yıldır kesintisiz olarak işlemektedir. Tek hücreli organizmalar ve bakteriler de normal sıcaklıklarda çeşitli moleküler süreçler yardımı ile hidrojen elde etmektedirler. Bitkilerde bulunan bazı geçiş elementlerinin ve oksitlerinin atom topakları, suyu hidrojen ve oksijene ayırabilmektedir. Benzer şekilde bakterilerde bulunan bazı enzimler de karmaşık elektronik yapılarıyla proton ve elektrondan hidrojen molekülünün oluşmasına aracılık etmektedirler. Nanometre (milimetrenin milyarda biri) boyutlarında metal-oksit topaklarının suyu ayrıştırabilme veya elektron ve protondan H2 molekülünü oluşturabilme yetenekleri, araştırmacıların ilgisini çekmektedir. Canlılardan esinlenerek etkin hidrojen üretimini geliştirmek amacı ile kataliz işlevini görebilecek yeni ve işlevsel nanoyapılar tasarlanmaktadır. Bu tasarımlarda kuantum mekaniğine dayalı reaksiyon hesaplar› yapılmakta, nanoyapıların atom kompozisyonu ve büyüklük ilişkilerine dayalı yeni özellikleri saptanarak çeşitli fosil ve biyolojik maddelerden hidrojeni ayrıştırabilecek katalizörler ortaya çıkarılmaktadır. Son zamanlarda MoS2 partiküllerinin hidrojen üretiminde platin yerine ucuz katalizör olarak kullanılabileceği gösterilmiştir. Katalizör tasarımı fizik ve kimyada güncel bir araştırma konusunu oluşturmaktadır ve bu alanda yapılacak araştırmalar hidrojen üretiminde çığır açıcı sonuçlara götürebilecektir.
Günümüzde hidrojen üretimi en çok doğal gazın işlenmesiyle yapımaktadır. CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 kimyasal reaksiyonu uyarınca, sisteme sokulan enerji ve nikel bazlı katalizörler yardımı ile metan ve su parçalanarak dört molekül hidrojen ve karbondioksite dönüşmektedir. Ancak, bu yöntemde fosil yakıt kullanıldığından, üretimin sürdürülebilirliği tehlikeye girmekte, dışarı atılan CO2 nedeniyle çevre ve iklimlere verilen zarar devam etmektedir. Kaldı ki, bu en ucuz yöntemle üretilen hidrojenin maliyeti hala benzininkinden dört misli daha pahalıdır. Büyük rezervelere sahip kömürden hidrojen üretiminin de benzer sorunları mevcuttur.
Bu durumda ‘sonsuz’ güneş enerjisi yardımıyla, her yerde bulunan suyu ayrıştırarak hidrojen elde edilmesi en temiz ve sürdürülebilir yol olarak görülmektedir. İlk akla gelen ve üzerinde durulması gereken yöntem, güneş enerjisinin önce yarı iletken kristallere dayalı güneş hücrelerinden yaklaşık %30 verimle elektrik enerjisine çevrilmesidir. Aslında güneş enerjisi açısından bir sorun bulunmamakla birlikte, bu ilk adım oldukça pahalı güneş panellerin kullanılmasını gerektirmektedir. Hidrojen üretiminde ikinci adım ise elde edilen elektrik enerjisi kullanarak elektroliz yoluyla suyun oksijen ve hidrojene ayrıştırılmasıdır. Elektroliz işleminde erişilebilecek en yüksek verim, yaklaşık %80 olarak gerçekleşirken, bu işlemi daha yüksek sıcaklıkta gerçekleştirmek yoluyla elektrik sarfiyatı düşürülebilir. Ancak, bunun için jeotermal enerji gibi kullanıma hazır bir enerjiye gereksinim vardır. Yukarıda değinilen süreçlerde bütün verimler hesaba katıldığında 4-8 bin km2 güneş panelinden ülkemizin bütün enerji ihtiyacı karşılanabilecektir. Güneş enerjisinin verimli kullanılması açısından bu süreç, tarım yoluyla elde edilen biyolojik ürünlerin yakıta dönüştürülmesine kıyasla neredeyse on misli daha verimlidir. Ancak, güneş panellerinin oldukça yüksek maliyeti karşımıza en önemli sorun olarak çıkmaktadır. Bu durumda daha düşük maliyetli organik güneş pillerinin geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu bağlamda yeni organik yarı iletkenlerin geliştirilmesi güncel bir araştırma konusu olmuştur.
Yukarıda özetlenen iki ardışık sürecin nanoölçekli tek bir süreç içinde birleşerek basitleşmesi ve toplam verimin artması da olası bulunmaktadır. Güneşin fotonları soğurularak önce yerel elektron-deşik (kovuk) çiftleri yaratılmakta; daha sonra elektrokimyasal etkilerle su molekülü, hidrojen ve oksijene ayrıştırılmaktadır. Şimdi bu yöntemle laboratuvarlarda %10 civarında verim elde edilebilmektedir. Nanoyapılarda fotokimya etkileri daha iyi anlaşıldığında bu verim daha artırılacaktır. Ayrıca, sıvı ortamlara dayanıklı ve band aralığı güneş ışınlarını soğurmaya elverişli yarı iletkenlerin geliştirilmesi bu yöntemin başarısı için kritik bir önem taşımaktadır.
ABD’de sanayi için belirlenen tarifeden elektrik kullanarak doğrudan elektroliz yoluyla 1 kg hidrojen, 2-4 dolara üretilebilmektedir. Doğrudan elektroliz için gerekli elektrik enerjisi rüzgar veya hidrolik santrallerden de sağlanabilir. Sonuç olarak, şu anda hangi yöntemle üretilirse üretilsin gerek maliyet ve gerekse miktar açısından hidrojen, fosil yakıtlarla henüz rekabet edecek seviyeden uzaktır.
Kaynak : Bilim-Teknik Dergisi