EnerjiKimya

Hidrojen Üretim Yöntemleri Nelerdir? Hidrojen Nasıl Üretilir?

Gelişmelerden haberdar olmak için bizi Google Haberler'den takip edin!

Mühendistan Google News

Doğada en çok bulunan element olan hidrojen, endüstriyel işlemlerde de ihtiyaç duyulan çok önemli bir maddedir. Doğada çok bulunmasına rağmen saf halde değildir. Yani çeşitli yöntemleri ile hidrojeni saf olarak elde etmek gereklidir. Hidrojen üretim yöntemleri de burada devreye giriyor. Hidrojen üretimi, fosil yakıtlar veya yenilenebilir kaynaklar ile çeşitli hidrojen üretim teknikleri ile yapılabiliyor. Bu içeriğimizde sizlere hidrojen üretim yöntemleri ve önemini derledik.

Hidrojen üretimi, hidrojen gazı üretimi için gerekli endüstriyel metotların bir parçasıdır. Günümüzde hidrojen üretimi %95 oranında fosil yakıtlardan sağlanmaktadır. Doğal gazın buhar reformasyonu, metanın kısmi oksidasyonu ve kömür gazlaştırma gibi teknikler fosil yakıtla hidrojen üretimi yöntemleri arasında öne çıkıyor. Diğer bilindik metotlar ise biyokütle gazlaştırması ve elektroliz yöntemleridir.

Hidrojenin birçok kimyasal proseste gerekli bir madde olmasından dolayı, hidrojen üretimi endüstri için çok önemli bir rol oynamaktadır. 2019 yılında dünya genelinde petrol damıtılması, amonyak ve metanol üretimi, ayrıca ulaşım gibi işlemler için yıllık yaklaşık 70 milyon ton hidrojen üretildi.

Hidrojen Üretim Yöntemleri Nelerdir?

Hidrojen üretimi, birçok farklı yöntemde gerçekleştirilebilir. Özellikle kömür, doğal gaz ve petrol gibi fosil yakıtlar üzerinde gerçekleştirilen bir takım işlemler ile hidrojen üretimi yapılır. Günümüzde en yaygın olarak kullanılan hidrojen üretim yöntemleri aşağıdaki gibidir.

Hidrojen Üretim Yöntemleri
Hidrojen Üretim Yöntemleri

Buhar Reformasyonu

Buhar reformasyonu, doğal gazdan hidrojen üretimi yöntemidir. Bu method en ucuz hidrojen üretim yöntemidir. Bu yöntemde doğal gaz ve 700-1000 oC arasında sahip buhar, bir nikel katalizör ile reaksiyona sokulur. Endotermik reaksiyon sonucu, metan moleküllerinin bağları kırılarak, CO ve H2 elde edilir. Bu reaksiyonun en temel yan ürünleri CO, CO2 ve diğer sera gazlarıdır. Doğal gaz, zengin gazlar ve neft yağı gibi ham maddelerin kalitesine bağlı olarak, bir ton hidrojen üretimi 9 ton ile 12 ton arasında CO2 oluşumuna sebep olur.

Bu proses için yüksek sıcaklıktaki su buharı ile metan bir endotermik reaksiyonda tepkimeye girerek hidrojen ve CO oluşturur.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Bu reformasyonun ikinci aşamasında ise ilk aşama sonucu açığa çıkan CO yine H2O ile 360 oC altında, egzotermik su-gaz değişim reaksiyonu ile tekrardan tepkimeye sokularak bir kez daha hidrojen üretimi gerçekleştirilir. Burada ise hidrojen dışında CO2 oluşan yan ürün olarak açığa çıkar.

CO + H2O → CO2 + H2

Oksijen (O) atomu sudan ayrılarak karbonmonoksidi (CO) oksitler bu olay reaksiyonun devamı için enerji sağlar. Reaksiyonun oluşturulması için ek ısı gereklidir bu ısı da bir miktar metanın yakılması ile elde edilir.

Kısmi Oksidasyon

Kısmi oksidasyon yöntemi ile de doğal gaz veya diğer hidrokarbonlar kullanılarak hidrojen üretimi yapılır. Bir yakıt-hava veya yakıt-hidrojen karışımı kısmi olarak yakılarak, hidrojen açısından zengin bir sentez gaz elde edilir. Hidrojen ve karbonmonoksit, su-gaz değişimi reaksiyonu ile elde edilir.

Kısmi oksidasyon yakıt-hava veya yakıt-oksijen karışımının bir kısmi oksidasyon reaktörü içerisinde kısmı olarak yakılması ile gerçekleşir. Termal kısmı oksidasyon (TPOX) ve katalitik kısmı oksidasyon (CPOX) arasında bir ayrım yapılır. Kısmi oksidasyonun kimyasal olarak gösterimi aşağıdaki gibidir.

CnHm + n/2 O2 → n CO + m/2 H2

Metan Pirolizi

Piroliz, organik maddelerin oksijensiz ortamda yüksek sıcaklıkta ayrıştırılmasıdır. Metanın yani doğal gazın pirolizi sonucunda da hidrojen üretimi gerçekleşir. Reaksiyon 1065 oC sıcaklık altında gerçekleşiyor. Bu üretim yönteminin genel denklemi aşağıdaki gibidir.

CH4(g) → C(s) + 2 H2(g) ΔH° = 74 kJ/mol

Kömür Gazlaştırılması

Kömür ile hidrojen üretim yöntemi de kömür gazlaştırma işlemidir. Kömür gazlaştırma işleminde, kömür içerisindeki moleküler bağları kırmak için kontrollü bir gaz karışımı ve buhar kullanılır ve hidrojen gaz karışımı ve karbon monoksit (CO) oluşur. Bu hidrojen kaynağı, temel ürünü yakıt için kullanılabilen kömür türevi gaz olduğu için değerlidir. Kömür gazlaştırmasından elde edilen gaz, kömürün geleneksel olarak yakılmasından daha verimli elektrik üretmek için kullanılabilir.

Elektroliz ile Hidrojen Üretimi

Su ayrıştırma yöntemi olarak da bilinen elektroliz yönteminde iki elektrot arasından elektrik akımının geçirilmesi ile su, hidrojen ve oksijene ayrıştırılır. Ticari düşük sıcaklıktaki elektroliz sistemleri %56 ile %73 arasında verimlilik değerlerine sahiplerdir. En yaygın kullanılan elektroliz yöntemi alkaline elektroliz hücreleri (AECs), fakat proton değişim membranlı (PEM) elektroliz ve katı oksit elektroliz hücreleri (SOEC) de geliştiriliyor.

En çok kullanılan hidrojen üretim yöntemi olan buhar reformasyonu 700 °C ile 1100 °C arasında bir sıcaklığa ihtiyaç duyarken, suyun elektrolizi 50 °C ve 80 °C arasında gerçekleştirilebilir. Bu iki yöntem arasındaki en temel fark birincil enerji kullanımıdır. Elektroliz için birincil enerji kaynağı elektrikken, buhar reformasyonu için doğalgazdır. Elektrolizin maliyetinin düşmesi ve yenilenebilir kaynaklardan üretilen elektrğin elektrolizde kullanılması hidrojen üretimi için önemli bir hedeftir.

Elektroliz yöntemi
Elektroliz yöntemi

Elektroliz yönteminde ihtiyaç duyulan elektrik, yenilenebilir enerji sistemleri tarafından karşılanırsa, temiz hidrojen üretimi sağlanmış olur. Bu da diğer yöntemlerle hidrojen üretiminde açığa çıkan sera gazlarının azaltılması için önemlidir. Fakat elektroliz yönteminin masraflı bir teknoloji olmasından dolayı, hidrojen üretim yöntemleri arasında, birincil olarak tercih edilen bir yöntem değildir.

Diğer Hidrojen Üretim Yöntemleri

Hidrojen, daha birçok farklı yöntem ile üretilebilir. Başlıca yöntemleri önceki bölümde sizlere açıkladık. Diğer hidrojen üretim yöntemleri de aşağıdaki gibidir.

  • Biyogaz gazlaştırma
  • Plazma reformasyonu
  • Desülfürizasyonu (Kükürtsüzleştirme)
  • Amonyak reformasyonu
  • Ototermal reformasyon
  • Biyolojik hidrojen
  • Kimyasal destekli elektroliz
  • Radioliz
  • Termoliz
  • Ferrosilikon metot
  • Fotobiyolojik su ayrıştırma
  • Fotokatalitik su ayrıştırma
  • Enzimatik hidrojen üretimi
  • Fermantative hidrojen üretimi
  • Biyokatalitik elektroliz
  • Termokimyasal çevrim

Hidrojen Üretimi Neden Önemli?

Hidrojen endüstriyel prosesler için çok önemli bir yakıttır. Ama hidrojenin kullanımı sadece bu alan ile sınırlı değildir. Temiz enerji kaynaklarına geçişte hidrojenin önemi çok büyüktür. Hidrojen depolama, temiz hidrojen üretimi ve ulaşımda hidrojen ile çalışan araçların yaygınlaşması küresel enerji dönüşümünün hızlandırılması için önemlidir. Bu sebepten hidrojen üretim yöntemlerinin verimliliğinin arttırılması ve temiz enerji kaynakları kullanılarak hidrojen üretilmesi büyük önem arz etmektedir.

Güneş ve rüzgar santrallerinde üretilen talep fazlası elektrik ile hidrojen üretimi yapılması veya hidrojenin diğer formalara dönüştürülerek enerji depolanması da önemlidir. Hidrojen diğer formlara dönüştürülerek depolanabilir ve hidrojenin oksitlenmesi ile de tekrar elektriğe dönüştürülebilir.

Sonuç olarak hidrojene birçok alanda ihtiyacımız var ve şuan fosil yakıt bazlı hidrojen üretim yöntemleri, daha fazla kullanılmaktadır. Bu da hidrojen elde etmek için ciddi oranda sera gazı salınımına sebep olmaktadır. Bu şekilde hidrojene olan talep arttıkça sera gazı salınımı da artmaktadır. Hidrojen üretiminde ilk aşamada fosil yakıtla üretim sistemlerinin verimlerinin arttırılması ve yenilenebilir enerji kaynakları ile hidrojen üretim yöntemlerinin yaygınlaştırılması sağlanmalıdır.

İleri Okuma

Kaynaklar

Emre LEBLEBİCİOĞLU

Emre LEBLEBİCİOĞLU, 1993 yılının Ekim ayında Adana'nın Seyhan ilçesinde doğdu. İlk, orta ve lise öğrenimini burada tamamladı. 2011 yılında Karabük Üniversitesi Enerji Sistemleri Mühendisliği bölümünü kazandı. 2012 yılında ise yine aynı üniversite de Mekatronik Mühendisliğinde çift anadal programına başladı. 2014 yılının ilk döneminde Erasmus programı kapsamında Bükreş Politeknik Üniversitesi'nde eğitim aldı. 2015 yılında haziran ayında Enerji Sistemleri Mühendisliğinden, ağustos ayı sonunda ise Mekatronik Mühendisliğinden mezun oldu. Mezuniyetten sonra ise yaklaşık 2 yıl solar enerji sektöründe faaliyet gösterdi. Askerlik vazifesini de yedek subay olarak tamamladı. Şuan da ise Marmara Üniversitesi İngilizce Makine Mühendisliği bölümünde tezli yüksek lisans yapmaktadır. Ayrıca GENSED'de proje uzmanı olarak çalışmaktadır. İleri seviyede İngilizce ve başlangıç düzeyinde Almanca bilmektedir.

İlgili Makaleler

Bir Yorum

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Başa dön tuşu