Hidrojen ve Alternatif Enerji Kaynakları İlk elden mühendislik uzmanlığı

Genel anlamıyla elektrolizör, elektrik enerjisi yardımıyla bir maddeyi veya molekülü ayırmaya, parçalamaya ve dönüştürmeye (redoks reaksiyonu) yarayan bir cihazdır. Su elektrolizöründe, su molekülleri (H₂O) hidrojen moleküllerine (H₂ve oksijen moleküllerine (O₂) dönüştürülür.

Asıl reaksiyon elektrokimyasal hücrelerde yaklaşık 1,4 V'luk gerilimlerde gerçekleşir. Pratik nedenlerden dolayı, bu hücrelerin bir kısmı (elektriksel seri bağlantı) yığınlar halinde istiflenir. Elektromekanik hücrelerin etrafındaki tüm çevresel ekipmanlar "Tesis Dengesi" terimi altında toplanır.

Tesisin Dengesi (BOP) genellikle enerji teknolojisi ile bağlantılı olarak kullanılan bir terimdir. Üretim ünitesi veya dönüşüm ünitesinin kendisi hariç olmak üzere, enerji dönüşümü için gerekli olan tüm destekleyici bileşenleri ve yardımcı sistemleri ifade eder.

Elektrolizörler için bu, enerji yönetimini (transformatörler, invertörler, güç kontrolörleri vb.), sıvı ve gaz yönetimini (su şartlandırma, sıvı ve gaz fazlarının ayrıştırılması, gaz kurutma, gaz sıkıştırma) ve termal yönetimi (güç elektroniği için soğutma sistemleri, baca ve yoğuşma kurutma) içerir.

Yakıt hücresi iki elektrottan oluşur: anot (hidrojen tarafı) ve katot (hava tarafı). Her iki elektrot da bir elektrolit ile ayrılmıştır. PEM yakıt hücresinde bu, yalnızca protonlara karşı geçirgen olan yarı geçirgen bir zardır.

Hidrojen anoda beslenir. Daha sonra bir katalizör (genellikle platin) yardımıyla protonlara ve elektronlara ayrıştırılır. Protonlar daha sonra membrandan katoda geçer. Elektronlar bir elektrik tüketicisi vasıtasıyla katoda geçer ve elektrik enerjisi sağlanır. Katotta protonlar ve elektrotlar çevredeki havadan gelen oksijenle birleşerek su oluşturur.

"Elektrokimyasal hücre" terimi, elektroliz hücreleri, akümülatör hücreleri, pil hücreleri veya galvanik hücreler gibi farklı hücre türleri için kullanılan genel bir terimdir. Bu tür hücreler bazen akümülatör hücreleri gibi ters çevrilebilir olabilir. Bunlar doldurulabilir ve boşaltılabilir, yani elektrik enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürebilir ve tekrar elektrik enerjisi olarak serbest bırakabilirler. Ayrıca, bazı elektroliz hücreleri yakıt hücresi olarak da kullanılabilir. Bu, hidrojen ve oksijenin suya dönüştürülmesinin elektrik enerjisi ve ısı açığa çıkardığı anlamına gelir.

Elektroliz hücreleri ve yakıt hücreleri bipolar plakalar, elektrotlar ve teknolojiye bağlı olarak gaz difüzyon katmanları (GDL) ve membranlardan oluşur. "Proton / anyon değişim membranları" (PEM / AEM) kullanıldığında, bunlar genellikle doğrudan elektrotlara bağlanır ve "membran değişim düzeneği" (MEA) adını alır.

Membran elektrot düzeneği (MEA) birden fazla şekilde yorumlanabilir. Bazı durumlarda, bu sadece üzerine katalizör katmanları kaplanmış membran anlamına gelir (katot reaksiyonu için bir tarafta; anot reaksiyonu için diğer tarafta). Ancak genellikle gaz difüzyon katmanı/katmanları da elektriksel olarak iletken olması gerektiğinden buna dahildir.

Teknolojiye bağlı olarak membran, her biri protonları, anyonları (örneğin hidroksit anyonları = OH) veya oksijeni seçici olarak taşıyabilen farklı polimerlerden veya seramiklerden oluşur. Gaz difüzyon katmanları, üretilen gazların (elektroliz) ve özellikle kullanılan gazların (yakıt hücreleri) mümkün olduğunca homojen bir şekilde reaksiyon bölgelerinden (katalizör katmanları) uzağa veya bu bölgelere doğru taşınmasını sağlar. Bu gazlar bipolar plakalardaki kanallar aracılığıyla elektrokimyasal hücrelerin içine veya dışına yönlendirilir.

Çoklu hücre veya yığın konfigürasyonuna yerleştirilmiş olan bipolar plakalar, öncelikle bir hücrenin anodunu komşu hücrenin katoduna fiziksel ve elektriksel olarak bağlamaktan sorumludur. Yakıt hücrelerindeki bipolar plakalar ayrıca reaksiyon gazlarının reaksiyon bölgesine yönlendirilmesinden de sorumludur. Bu amaçla, akış profilleri (akış alanları) her iki taraftaki plakalara frezelenir veya preslenir, bu sayede bir taraftan hidrojen akarken diğer taraftan hava beslenir.

İki kutuplu bir plaka, tek bir yakıt hücresinin iki kutbundan oluşur: hidrojen taşıyan anot plakası (negatif (-) kutup) ve reaksiyon havasını beslemek için katot plakası (pozitif (+) kutup). Plakalar aynı zamanda su buharının uzaklaştırılmasını ve termal ve elektrik enerjisi çıkışını da düzenler. Elektroliz hücrelerinde, esas olarak elektrolizörü soğutmak, anot tarafına reaksiyon gazları sağlamak ve reaksiyonda üretilen hidrojen ve gazları uzaklaştırmak için kullanılırlar.

Elektroliz ve yakıt hücresi teknolojisinde yığın, gövde/çerçeve/sıkıştırma elemanları da dahil olmak üzere seri olarak bağlanmış elektrokimyasal hücre yığınıdır. Seri bağlantı, P=U*I'ye göre aynı güç tüketimiyle besleme gerilimini artırmayı ve akımı azaltmayı mümkün kılar. Bundan bağımsız olarak, bir yığındaki seri bağlantı, sistemin genel tasarımını da basitleştirir.

Gaz halindeki hidrojen, yüksek basınçta sıkıştırıldıktan sonra bir depoda tutulabilir. Örneğin taşımacılıkta, ticari araçlar için 350 bar ve otomobiller için 700 bar basınç seviyesi belirlenmiştir. 700 barda yoğunluk yaklaşık 40 kg/m³'tür (350 barda 24 kg/m³). Yüksek basınçlı akümülatörler küçük depolama miktarları için düşük maliyetli bir çözüm sunmaktadır ve bu nedenle çoğunlukla otomobiller ve ticari araçlar gibi mobil uygulamalarda kullanılmaktadır.
Şu anda piyasada dört farklı tipte basınçlı kap bulunmaktadır:

• Tip 1:Basınçlı kap sadece metalik (genellikle çelik) bir cidara sahiptir. Nominal basınçlar 200 bar aralığındadır.
• Tip 2:Metalik duvara ek olarak, basınçlı kaplar 1000 bar'a kadar nominal basınca sahip reçine emdirilmiş cam veya karbon fiberden yapılmış bir kılıfa sahiptir.
• Tip 3:Depolarda metalden (genellikle alüminyum) yapılmış bir astar ve tüm tankı çevreleyen karbon fiberden yapılmış bir kılıf bulunur. Nominal basınçlar tipik olarak 350 veya 700 bar'dır.
• Tip 4:Akümülatörlerin plastikten (tipik olarak poliamid veya polietilen) yapılmış bir astarı vardır ve kılıf genellikle tip 3 kaplarda olduğu gibi karbon fiberdir. Nominal basınçlar genellikle 350, 500 veya 700 bar'dır.

Gaz halindeki hidrojen depolaması ile karşılaştırıldığında, yakıt olarak sıvı hidrojen enerji yoğunluğu (71 kg/m³) açısından avantajlar sunar. Depodaki basınç da düşük tutulabilir. Bu, depo ağırlığı ve alan gereksinimleri, maliyetler (özellikle büyük depolama hacimleri için) ve güvenlik açısından depo sistemi üzerinde olumlu bir etkiye sahiptir.

Ancak kriyojenik hidrojenin (-253 °C) üretim maliyetleri de düşük değildir. Hidrojen ayrıca sürekli soğutulmadığı takdirde ısınır. Bu da depo içindeki basıncın artmasına neden olur. Bu durum, "kaynayarak buharlaşma" kayıplarına yol açabilir. Başka bir deyişle, gaz halindeki hidrojen çevreye yayılır.

Hidrojen motoru, sıvı yakıt (dizel ve benzin gibi) yerine gaz halindeki hidrojenle çalışan bir gaz motorudur. Saf hidrojenle çalışan saf hidrojen motorları vardır. Ayrıca hidrojen ve diğer gazların (metan ve doğal gaz gibi) yakıt karışımıyla çalışan iki yakıtlı hidrojen motorları da vardır.

Mevcut yanmalı motorlar nispeten az bir teknik çaba ile dönüştürülebildiğinden, hidrojen motoru yakıt hücresine alternatif olarak düşünülmektedir. Ancak çalışmalar, yakıt hücrelerindeki artışla birlikte maliyet avantajının önemli ölçüde azalacağını göstermektedir. Ayrıca hidrojen motorları daha düşük verimlilik, daha yüksek bakım gereksinimleri ve %100 karbon nötr olmama etiketi gibi sorunlarla karşı karşıyadır.

"Yakıt hücreli elektrikli araçlar" (FCEV) tıpkı "akülü elektrikli araçlarda" (BEV) olduğu gibi yalnızca bir elektrik motoruyla çalıştırılır.

BEV'in aksine, gerekli elektrik enerjisi büyük bir tahrik aküsü (çekiş aküsü olarak bilinir) tarafından sağlanmaz. Bunun yerine, alternatif enerji kaynağından gelen kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesiyle elde edilir ki bu da yakıt hücresi ile mümkündür.

Şu anda, yakıt hücreleri henüz yanmalı motorlar gibi hızlı ve uzun süreli yük değişimlerine uygun olarak tasarlanmamıştır. Bu nedenle, yük düşük olduğunda beslenen ve yük yüksek olduğunda ek enerji sağlayan (küçük) bir tahrik aküsü de monte edilir. Bu, FCEV sürülürken yakıt hücresinin nispeten sabit bir yükte çalıştırılmasını sağlar.

Yakıt hücreli enerji santralleri (FCPP), kombine ısı ve enerji (CHP) ve yakıt hücreli kombine ısı ve enerji santralleri (FC-CHPPP) yüksek genel verimlilik seviyeleri ile etkilemektedir. Kullanılan yakıt hücresi teknolojisine bağlı olarak, elektrik verimliliği şu anda %30-60 civarındadır. Elektrik ve ısı, başka herhangi bir dönüştürme adımı olmaksızın doğrudan elektromekanik reaksiyondan üretildiğinden genel verimlilik %95'in üzerinde olabilir.

Yakıt hücreli enerji santralleri şimdiye kadar öncelikle 10 kw ila 3 MW güç aralığında geliştirilmiştir. Ancak son yıllarda, daha düşük güç aralığındaki gelişme, müstakil ve yarı müstakil evler için 0,3-1,5 kW elektrik çıkışı ve 0,6-2,0 kW termal çıkışa sahip mikro ve nano yakıt hücresi kombine ısı ve güç santralleri yönünde olmuştur. Üst enerji aralığında, yaklaşık 80 MW'lık enerji santrallerine şimdiden ulaşılmış olup, önümüzdeki yıllarda modüler tasarımlarla bu güç daha da artırılacaktır.

Power-to-X (PtX veya P2X olarak da adlandırılır), her türlü teknolojiye yardımcı olmak amacıyla değişken yenilenebilir enerjilerden elde edilen elektrik fazlasının kullanılması anlamına gelir. Örneğin, bu fazlalıklar doğrudan akülerde depolanabilir (enerjiden enerjiye), ısıya dönüştürülebilir (enerjiden ısıya) veya kimyasal enerji kaynakları üretmek için kullanılabilir (enerjiden gaza, enerjiden sıvıya).

Elektrik fazlasının kimyasal enerji kaynakları üretmek için kullanılması durumunda, genellikle daha fazla ayrıştırma yapılır (örneğin, hidrojenden enerjiye, sentez gazından enerjiye, amonyaktan enerjiye, yakıttan enerjiye).

Amonyak (NH3), normal koşullar altında gaz halinde bulunan azot ve hidrojenin kimyasal bir bileşimidir. Justus Liebig tarafından azot gübrelemesinin geliştirilmesinden bu yana (yaklaşık 1840), en önemli temel kimyasallardan biri olmuştur. Ancak Haber-Bosch süreci 1913 civarında Ludwigshafen'deki BASF'de endüstriyel ölçekte kullanılana kadar yıllık üretimde önemli bir artış mümkün olmamıştır. Günümüzde amonyak en çok üretilen kimyasallardan biri (2021'de 146,5 milyon ton, bunun %80'i gübre için) olup diğer tüm azot bileşimlerinin üretiminin temelini oluşturmaktadır.

Gelişen sürdürülebilir hidrojen ekonomisi göz önüne alındığında, yıllık amonyak üretiminde daha fazla artış beklenebilir. Bunun nedeni, saf hidrojene kıyasla taşıma ve depolama için daha uygun olmasıdır.

33°C'lik oldukça yüksek kaynama noktası nedeniyle, amonyağı sıvılaştırmak hidrojene (kaynama noktası -252°C) kıyasla çok daha kolay ve ucuzdur. Amonyağın hidrojene kıyasla daha yüksek hacimsel enerji değeri (2,8 kWh/l'ye kıyasla 3,2 kWh/l) de özellikle nakliye lojistiği açısından son derece önemlidir.