Hidrojen (H) evrende oldukça fazla bulunan ve tüm elementler içerisinde en hafifi olan, renksiz, kokusuz, metalik olmayan, oldukça yanıcı bir gazdır. Tabiatta bileşikler halinde bulunan hidrojen ikincil enerji kaynağı grubundadır. Dünyada en çok su ile bileşik halinde olan hidrojen, güneş ve yıldızların termonükleer tepkimeye göstermiş olduğu ısının da yakıtıdır. Hidrojen, suyun yanı sıra, bütün hayvansal ve bitkisel maddelerde, petrolde ve kömürde bulunur. En önemli özelliklerinden biri sıvı haldeki hacminin gaz halindekinin yaklaşık 1/800’ü kadar olmasıdır. Atmosfer basıncında -253°C’ye soğutulduğunda sıvı hale gelen hidrojenin sıvılaşması helyum elementinden sonra en güç gazdır. Hidrojenin yakıt olarak kullanılabilmesi için doğadaki bileşiklerden ayrıştırılması gerekir. Günümüzde hidrojen diğer yöntemlere göre ucuz olduğu için en çok doğal gazdan üretilmektedir. Üretilmesi göz önünde bulundurulduğunda günümüz şartlarında petrol gibi hazır yakıtlar kadar kârlı değildir. Yapılan bilimsel araştırmalar hidrojen yakıtının ve hidrojenden üretilen sentetik yakıtların üretim maliyetlerinin 2030’dan sonra petrol ile eşdeğer olacağını göstermektedir.
Günümüzde üretimi petrole göre pahalı olsa da fazla enerjinin depolanmasında en iyi yöntem olarak gösterilmektedir. Örneğin enerjinin çok yoğun kullanıldığı gündüz saatlerinde tüm enerji üreteçleri (rüzgâr, güneş, hidroelektrik santral, nükleer, termik vb.) enerji dağıtım hatlarını beslemektedir. Enerjinin az kullanıldığı zaman dilimlerinde ise kapatılması en kolay olanlar kullanım dışı bırakılmaktadır. Bunlardan hidroelektrik, güneş ve rüzgâr gibi tamamen kapatılmayan ve enerji üretmeye devam eden sistemlerin dağıtım hattının arzına göre devreye alınıp alınmaması durumları söz konusu olmaktadır. Bu santrallerin ürettikleri enerjinin bataryalara depolanması maliyet açısından mümkün olmadığı için bu zaman diliminde kullanım dışı olan fazla enerji, suyun elektrolizi ile hidrojen üretiminde kullanılması son yıllarda uygulanan yöntemlerden bir tanesidir. Hidrojenin çevreci olarak su döngüsü içerisinde olması için yenilebilir enerji ile hidroelektrik, güneş ve rüzgâr enerjisi ile sudan üretilmesi gerekmektedir. Üretilen hidrojen gazı büyük dolum santrallerinde sıvı olarak depolanır, son kullanıcıda ise çelik tüplerde veya çok hafif karbon kompozit tanklarda kullanılması mümkündür. Hidrojenin sıvılaştırılması ve gaz halinde depolanması için birçok teknolojik çalışmalar yapılmaktadır. Yapılan çalışmalarda önemli başarılar elde edilmiş ve eskiden bilinen depolama sorunlarının ticari kısmı aşılmıştır. Fakat bu sahada araştırma ve geliştirmeler halen devam etmektedir.
Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına en yüksek enerji değerine (142 MJ/kg) sahiptir. Buna göre hidrojenin benzinden kütlece 3 kat daha fazla enerji yoğunluğu bulunmaktadır. Fakat hidrojen elementi yapısı ile sıvı halde hacimce benzinden 3 kat daha az enerjiye (10 MJ/L) sahiptir. Bu dezavantajını yüksek enerji dönüşüm verimine sahip olması ile kapatmaktadır. Hidrojen elementi yakıt olarak içten yanmalı bir sistemde kullanılarak yararlı enerjiye dönüştürülebileceği gibi elektrokimyasal olarak da doğrudan elektrik enerjisi dönüşümü sağlayabilmektedir. Bu özelliği hidrojeni diğer yakıtlardan ayıran en önemli avantajlarındandır. Hidrojeni elektrokimyasal olarak elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlara yakıt pili denilmektedir. Çalışma sıcaklıklarına ve kullandıkları elektrot/elektrolit yapılarına göre çeşitli yakıt pilleri bulunmaktadır. Bunlardan PEM yakıt pilleri (Proton Exchange Membrane) piyasada ticari olarak satılan ve birçok üreticisinin olduğu düşük sıcaklıklarda çalışan (80°C) yakıt pili türüdür. Diğer popüler yakıt pili türü olan katı oksit yakıt pillerinde (KOYP) PEM yakıt pilinin kullandığı pahalı ve saf hidrojen gerektiren platinyum katalizörünün aksine nispeten ucuz ve doğada çok bulunan metaller kullanılmaktadır. Fakat yüksek sıcaklıklarda (500 – 800°C) çalışması geliştirilmesi gereken mühendislik problemlerini de beraberinde getirmektedir. Buna rağmen KOYP evsel uygulamalar için Japonya’da ve Avrupa’da pilot bölgelerde kullanılan ve gelecek vaat eden önemli bir yakıt pili türüdür.
Yakıt pilleri içten yanmalı motorlara göre enerji dönüşüm işlemini mekanik kayıp olmadan, sessiz ve yüksek verimde yapmaktadır. Hidrojenin elektrokimyasal olarak elektrik enerjisine dönüşüm verimi %60’ın üzerinde olup petrol yakıtlarına göre ortalama %33 daha verimlidir. Yakıt pilleri birleşik ısı ve güç sistemlerinde (kojerenasyon) kullanılmaya müsait olup bu durumda ısı ve güç verimi toplam olarak %85’in üzerine çıkmaktadır. Hidrojenden elektrokimyasal olarak elektrik enerjisi elde edilmesi esnasında su buharı dışında çevreyi kirletici ve sera etkisini artırıcı hiçbir gaz ve zararlı kimyasal madde üretimi söz konusu değildir. Hidrojenin yakılarak kullanılması durumunda yanma sonucu yine su buharı ve yanma sıcaklığına bağlı olarak az miktarda azot oksit gazı ortaya çıkmaktadır. Bu özellikleri ile hidrojen kullanımı birçok sektöre heyecan vermektedir. Özellikle otomotiv sektörü bu alanda önemli atılımlara imza atmıştır. Japon otomotiv devleri Toyota ve Honda son kullanıcıya satmak üzere yakıt pili ile çalışan otomobillerini ABD, Avrupa ve Japonya da 2016 yılından bu yana satmaktadırlar. Bu araçların menzilleri yaklaşık 500 km olup 700 bar basınçta sıkıştırılmış hidrojen gazı kullanmaktadırlar. İlgili firmalar yeni model araçlarının menzillerini iki kat artıracaklarını da belirtmişlerdir. Satış rakamları batarya ile çalışan elektrikli Tesla ile rekabet edebilecek fiyatlarda olup her iki Japon firmasının sadece ABD’de toplam satış rakamları 4 yılda 45 bin adeti geçmiştir. Kore markası Hyundai ise SUV kategorisi ile hidrojen yakıt pilli aracını son kullanıcı için ticari olarak satmaya başlamıştır. Mercedes yeni tip katalizörleri ile araçlarda kullandıkları yakıt pillerinin maliyetini rekabet edebilir seviyeye indirdiğini belirtmiş ve hidrojen dolum istasyonu noktalarını açmaya başlamıştır. Diğer otomotiv devleri de hidrojen yakıt pili ile çalışan araçlarının prototiplerini her yıl güncellemekte ve geleceğe ayak uydurmak ve rakiplerinden geride kalmamak için çalışmalarını sürdürmektedir. Başta otomotivin merkezi olan Almanya olmak üzere birçok Avrupa ülkesi 2025 yılından başlayarak dizel araçların yasaklanması, daha sonra içten yanmalı motorların yasaklanması şeklinde kararlarını almış durumdadır. Buna göre birçok otomotiv üreticisi günümüzde hibrit ve/veya elektrikli araçlarını son kullanıcı için piyasaya sürmüştür.
Ülkemizde de yerli otomobilin elektrikli SUV olarak çıkarılacak olmasının oldukça isabetli bir karar olduğunu düşünüyorum. Fakat yerli otomobil çalışmaları kapsamında hidrojen yakıt pili ile çalışan alternatif otomobiller henüz çalışılmamıştır. Bu doğrultuda çalışmalar yapmanın faydalı olacağı kanaatindeyim. İçten yanmalı devrinin elektrikliye dönüşümünün devamında hidrojen yakıt pili ile çalışan elektrikli araçların gelecekte daha yaygın olacağı öngörülmektedir. Bu öngörüyü dünyadaki toplam lityum rezervinin tüm araçlara yetmeyeceği tezi desteklemektedir.
Kaynak: Haber.aero / Prof. Dr. Fahrettin Öztürk