Hidrojen yakıtı nasıl elde edilir?
Hidrojen Evrende en bol bulunan elementtir ve Dünya’da da oldukça yaygındır. Hidrojen, bir proton ve bir elektrondan oluşan atomların en basitidir. Ancak saf diatomik hidrojen (H2), pillerin kullandığı yakıttır ve doğal olarak mevcut değildir. Hidrojen diğer elementlerle kolayca birleştiğinden, onu suda, biyokütlede veya fosil yakıtlarda kimyasal olarak bağlı bulmamız çok muhtemeldir.
Hidrojeni yararlı bir formda elde etmek için onu bu maddelerden birinden (elektroliz, doğal gaz, biyokütle kaynakları, fotoelektroliz yoluyla) çıkarmamız gerekir. Ancak hepsinin enerjiye ihtiyacı var.
Elektroliz, H2O’dan elektrik akımı geçirilerek onu hidrojen (H2) ve oksijene (O2) ayırma işlemidir. Hidrojen gazı negatif katottan yükselir ve oksijen gazı pozitif anotta toplanır. Elektroliz, bazı yakıt hücresi türleri için gerekli olan son derece saf hidrojen üretir. Ancak elektrolizden kullanılabilir miktarda hidrojen üretmek için önemli miktarda elektriğe ihtiyaç vardır.
Hidrojen aynı zamanda doğal gazdan da elde edilebilmektedir. Bir katalizör varlığında, 1100 °C’ye ulaşan sıcaklıklarda iki aşamalı bir işlem, bir kısım metandan ve iki kısım sudan (CH4 + 2 H2O >>> 4 H2 + CO2) dört kısım hidrojen üretir.
Hidrojen, odun talaşı ve tarım artıkları gibi hidrojen açısından zengin biyokütle kaynaklarından elde edilebilir. Kontrollü bir atmosferde ısıtıldığında biyokütle, esas olarak karbon monoksit (CO), karbon dioksit (CO2) ve hidrojenden (H2) oluşan sentez gazına dönüşür.
Fotoelektroliz, suyu bir yarı iletken malzeme sandviçi aracılığıyla bileşenlerine ayırmak için güneş ışığını kullanır. Bu, aşağı yukarı bir fotovoltaik hücrenin suya batırılmasına benzer; burada gelen ışık, yarı iletkeni H2O’yu doğrudan kendisini oluşturan gazlara bölmeye teşvik eder.
Hidrojen nasıl üretilir?
Kimyasal olarak bağlı hidrojen dünyanın her yerinde bulunur: suda, fosil yakıtlarda ve tüm canlılarda. Ancak doğada nadiren serbestçe hareket eder halde bulunur. Bunun yerine sudan veya hidrokarbonlardan çıkarılması gerekir.
Hidrojen, buharla reformasyon işlemi yoluyla doğal gazdan elde edilir. Doğal gaz katalitik konvertörde buharla reaksiyona girer. Süreç hidrojen atomlarını uzaklaştırıyor, yan ürün olarak karbondioksit bırakıyor ve ne yazık ki onu küresel ısınmaya neden olan bir gaz olarak atmosfere salıyor.
Kömür, hidrojen üretmek için gazlaştırma yoluyla da dönüştürülebilir, ancak bu, doğal gaz kullanmaktan daha pahalıdır ve aynı zamanda bilim adamlarının “karbon tutumu” adı verilen bir süreç yoluyla toprakta tutmayı umdukları CO2’yi de serbest bırakır. Hidrojen ayrıca benzin veya metanolden de işlenebilmektedir.
Hidrojen Yakıtı Üretmenin Diğer Yolları
Ancak süreçte fosil yakıtlar kullanılmadan hidrojen üretmenin başka bir yolu daha var. Elektrik üretmek için yenilenebilir enerji kaynaklarından (fotovoltaik, rüzgar, hidroelektrik, jeotermal ve biyokütle) yararlanılabilir. Elektrik ise elektroliz adı verilen bir süreçte suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için kullanılabilir.
Hidrojen, fosil yakıtlar da dahil olmak üzere çeşitli kaynaklardan üretilebilir; rüzgar, güneş veya biyokütle gibi yenilenebilir kaynaklar; nükleer veya güneş ısısıyla desteklenen termokimyasal reaksiyonlar; ve güneş fotolizi veya biyolojik yöntemler.
Hidrojen evrende bol miktarda bulunan bir element olmasına rağmen, Dünya’da doğal olarak büyük miktarlarda veya yüksek konsantrasyonlarda mevcut değildir; su, biyokütle veya fosil yakıtlar gibi diğer bileşiklerden üretilmelidir. Çeşitli üretim yöntemlerinin enerji kaynakları (örn. ısı, ışık, elektrik) açısından benzersiz ihtiyaçları vardır ve benzersiz yan ürünler veya emisyonlar üretirler.
Metanlı hidrojen yakıtı
Buhar üreten metan, Amerika Birleşik Devletleri gibi ülkelerde üretilen hidrojenin yüzde 95’ini oluşturuyor. Bu, hidrojen ve karbondioksit karışımı üretmek için doğal gazın veya diğer hafif hidrokarbonların buharla reaksiyona sokulmasını içeren katalitik bir işlemdir. Karışım daha sonra yüksek saflıkta hidrojen üretmek için ayrılır.
Hidrojen Yakıtı Olarak Oksidasyon
Büyük gazlaştırıcılarda fosil yakıtların kısmi oksidasyonu, termal hidrojen üretiminin başka bir yöntemidir. Daha sonra saflaştırılan bir hidrojen karışımı üretmek için bir yakıtın sınırlı bir oksijen kaynağıyla reaksiyonunu içerir. Kısmi oksidasyon, doğal gaz, ağır yağlar, katı biyokütle ve kömür dahil olmak üzere çok çeşitli hidrokarbon hammaddelerine uygulanabilir.
Hidrojen, sudan hidrojen çıkarmak için elektrolizörlerde elektrik kullanılarak da üretilebilir.