HDROJEN TEKNOLOJLER

YAKIT PLLER TEKNOLOJLER

smail YELTEPE 2007010605038Frat nc ENER 2006010605022 Kontrol : Yrd. Do. Dr. Adnan TOPUZ1. YAKIT PL NEREDEN GELMTR 2. YAKIT PLNN NEM 3. YAKIT PLNN ETLER 4. YAKIT PL NASIL ALIIR 5. YAKIT PLNDE NE TR YAKITLAR KULLANILABLR 6. YAKIT PLNN UYGULAMA ALANLARINI NEDR 7. YAKIT PLNN MALYET NEDR 1. YAKIT PLLER NEREDEN GELMTR lk yakt pili 1839 da Galli bir hakim ve bilim adam olan sir William Grove tarafndan retildi. 1960 larda ABD uzay programnda gelitirilmi olup atmosfere sadece saf su brakan ve patlamal olmayan bir kimyasal elektriksel enerji evirimi salayan ve hi bir hareketli paras olmayan solar enerjiden ucuz ve nkleer gten daha az riskli olan yakt pillerini seene kadar pratik bir batarya tr olarak yakt pilleri hi nemsenmedi. Yakt pilleri Gemini ve Apollo mekiklerinde kullanlm olup, u anda bile uzay istasyonlar iin elektrik ve su salamaktadr. 1889 da Mond ve Longer oksijen kayna olarak havay, hidrojen kayna olarak da endstriyel kmr gazn kullanarak 1.5 watt g reten ve %50 alma verimine sahip bir yakt hcresi gelitirmilerdir. 1952 de Bacon ve arkadalar 5 kW lk g reten bir yakt hcresi yapmlardr. Ayn yln sonlarnda Harry Karl Ihring 20 beygir gcnde bir yakt hcresiyle alan traktr dizayn etmitir. Bu bulu gnmzdeki modern yakt hcresiyle alan makinelerin balangc olmutur

1952 Harry Karl Ihring tarafndan retilen ve yakt hcresiyle alan traktr

2. YAKIT PLNN NEM Yeni bir bin yla girerken yakt pilinin dnya apnda aralarn kullanmnda inanlmaz ekilde artaca ve enerji iin dnya apnda rabet grecei tahmin edilmidir. Enerji stoklarmz korumak, evremizi korumak ve yaam kalitesini dzeltmek iin dnyann enerji ihtiyalar iin teknolojiden yeterince yararlanmak gereklidir. Arabalar, evler ve enerji santralleri iin yeterli ok ynl bir teknolojiye ihtiya vardr. evremize verilen zararlar tersine dndrmeye yardm edebilecek yeterince temiz bir teknoloji gereklidir. O teknoloji yakt pilleridir.

Yakt pilleri konvansiyonel sistemlere gre aadaki stnlklere sahiptir; Enerji retim verimi olduka yksektir, evresel etkileri dktr (Sera emisyonu dk, sessiz, kat atk iermez), Farkl tipte yaktlarla alabilir (doal gaz, LPG, metanol, neft), Atk snn yeniden kullanm imkan vardr, Modler yapdadr, Montaj sresi ksadr, ok yksek miktarda soutma suyu (deniz suyu gibi) gerektirmez, Gvenilir bir sistemdir, letim karakteristii uygulamada kolaylk salar, Gelecee ynelik olarak gelime potansiyeli olduka yksektir.3. YAKIT PLLERNN ETLER Elektroliti dnda tm yakt pillerinin dizayn neredeyse ayndr. Kullanlan elektrolit malzeme eidine gre 5 eit yakt pili tanmlayabiliriz.

1- Deiken proton mebranl yakt pilleri 2- Fosforik asitli yakt pilleri 3- Alkalin yakt pilleri 4- Eriyik karbonatl yakt pilleri 5- Younlatrlm oksitli yakt pilleri zel uygulama alanlarnda her yakt pili teknolojisi kendini ekici klan uygulama zelliklerine sahiptir. Pil pazar byk g nitelerinden dk watt uygulamalarna tamada byk deiiklikler gsterir. Her pazar pay farkl bir enerji teknolojisi yaklamna uyum gsterir. Halen ticari teknolojide geerli tek pil eidi fosforik asit pilleridir. Bunlar savunma blm yakt pili gelitirme programnda kullanlmaktadr. Fosforik asit teknolojisi yksek uygulama derecelerinde sv asiti kontrol edebilmek iin dk dereceli destek sistemlerinde, ok pahal materyallerin kullanmnda ve daha iyi durumda muhafazasnda baaryla uygulanr.

Alkalin pil teknolojisi uzay mekii uygulamalarnda ve NASA nn dier uygulamalarnda geni kullanm alan bulur. Alkalin yakt pilleri genelde iletim iin kullanlrlar. Fakat havada bulunan karbon oksitlere kar ok duyarl olduu iin yer uygulamalarnda kullanmak zordur. Eriyik karbonat teknolojisi daha yksek derecelerde alrlar ve en ok 1-20 MV kapasite aralna uygundur. Byk g santralleri ile yeniden retme tesislerinde kullanlrlar. Dnyada snrl sayda uygulama alanlar vardr

Younlatrlm oksijen teknolojisi de yksek derecelerde kullanlr. Bu yksek ilem dereceleri sayesinde tasar ve uygulama dallar ok zendiricidir. Plakalar soutmak iin basnl katot havasn kullanlr.

Yakt pili dizileri scaklk, su ve basnc kontrol eden ve sistemin kendi bana almasn salayan pek ok alt sisteme sahiptir. Bu alt sistemler; su pompalar, su artma istasyonlar, hava kompresrleri, soutma pompalar ve radyatrler olabilir. Bir yakt pilinin gc ve verimi ok farkl deerlerde olabilir. Yakt pillerinin bir ounun ebatlar kk olup 0,5 ve 0,9 volt arasnda DC elektrik retirler. Baz piller dk ve orta voltajl sistemlere daha yksek voltaj retmek iin bir grup halinde yn ad ile altrlabilirler. Yakt pili retim tesisinde g blmnn en nemli ksm yn ksmdr. Dierleri ise yakt alcs ( ileyicisi ) ve g dzenleyicisidir.

Aadaki ekilde Yakt pillerinin karlatrl mas gsterilmitir.

Elektrolit: Elektrolit hem znm reaksiyon gazlarn hem de iyonik ykleri elektrotlar arasnda tamaktadr. ekilde grld gibi hcre elektrik devresini de tamamlamaktadr. Yakt pillerinde sv, nemli kat polimerler ve eriyikler elektrolit olarak kullanlmaktadr.Elektrot: Yakt hcrelerinde gzenekli gaz elektrotlar kullanlmaktadr. nk reaksiyon hzn snrlayan kullanlabilecek reaksiyon alandr. Gzenekli elektrotlar yksek yzey alanna sahip olduklarndan daha yksek akm younluu elde edebilirler.Hcre Modl: Pillerde olduu gibi tek yakt pili hcreleri arzu edilen voltaj seviyelerine ulalacak sayda birletirilirler. buna hcre modl denir.BR YAKIT PL NASIL ALIIR Yakt pilleri, gnmzde,verimli, ekonomik, sessiz ve evreyle uyumlu bir enerji retim teknolojisi olarak giderek daha yaygn uygulama alanlar bulmaktadr. Yakt pilleri yanma olmakszn ve herhangi bir ara eleman kullanmakszn giren yaktn kimyasal enerjisini, elektrik ve s formunda kullanlabilir enerjiye eviren g elemanlardr. Elektrik retimini, srekli olarak yakt ile beslendiinde srdrebilen byle bir sistem, konvansiyonel bir g retim sistemi olarak dnlebilir, ancak yakt pilli g sistemleri dnen paralar olmamas nedeniyle konvansiyonel g sistemlerinden farkldr. Yakt pilleri, bir yaktn (hidrojen zengini gaz karmndan gelen hidrojen) ve bir oksitleyicinin (havann oksijeni) kimyasal enerjisini srekli olarak elektrie ve sya eviren cihazlardr. Bir baka deyile yakt hcreleri, elektro kimyasal sre sonunda yaktta depolanm enerjiyi dorudan doru akma (DC) dntren bir teknolojidir. Geleneksel g reten makinelerden farkl olarak yakt hcrelerinin hareketli paralar yoktur. Ayn ekilde motorlardaki gibi bir yanma da gereklemez. Bu nedenle temiz bir evre ve insan sal asndan esiz bir teknolojidir.

Btn yakt pilleri temelde ayn ilkelerle alr. Yakt pillerindeki iki ince elektrot ve bunlarn arasna sktrlm bir elektrot bulunur. Anoda gelen yakt, orada iyonlara ve elektronlarna ayrr. yonlar elektrolitten geip katoda ularken elektronlar da bir elektrik devesi zerinden DC/AC dntrcsne veya DC motoruna gnderilir. Katotta, iyonlar oksijenle birleip su buhar retir. Yakt pilinde kullanlan yakta ve elektrolite bal olarak farkl tepkimeler olur. Farkl tepkimelerde de deiik yan rnler ortaya kar. Sonu olarak yaplan ilem elektrolizin tam tersidir.

Tkenmez ve hi bir zaman arj olmaya ihtiyac olmayan yakt pilleri yaktn enerjisini direk olarak elektro kimyasal yolla elektrik enerjisine evirirler. Anot yaktlanmay ve katot oksitlenmeyi salad zaman yakt pilleri srekli bir batarya gibi alr. Bir batarya gibi sessiz ve hareketsizdir. Fakat bataryadan iki yolla farkldr. Tehlikeli maddeler iermez ve kirlemeksizin yenilenebilir. Bir yakt kayna olarak kullanlr. Hava, katot yzeyi zerinden geer. Elektronlar katoda doru bir d devre yoluyla tanrken hidrojen iyonlar da elektrolit yoluyla oksijen elektroda g ederler. Katotta oksijen ve hidrojen iyonlar ile elektronlarn reaksiyona girmesiyle su elde edilir. Elektronlarn d devre yoluyla ak ile elektrik retir..

Yakt hcresi alma hcresi suyun elektrolizinin tam tersidir. Yakt hcresi iin reaksiyon forml aadaki gibidir.

Hidrojen elektrotta,

H2 2H+ + 2e-

Oksijen elektrotta,

O2 + 2H+ + 2e- H2O

Toplam reaksiyon,

H2 + O2 H2O YAKIT PLNDE NE TR YAKITLAR KULLANILABLR

Yakt pilleri hidrojen veya hidrojen ieren yaktlar metanol, etanol, doal gaz ieren yaktlar ile benzin ve dizel yaktlar bile kullanabilir. Hidrojen ieren yaktlar genellikle hidrojeni ayrtran bir yakt ayrtrcsna ihtiya duyarlar. NEDEN HDROJEN TERCH EDLYOR Uzun aratrmalar ve deneyler sonucunda, yakt hcrele ri iin en nemli yaktn hidrojen olduu saptanmtr. Bunun sebeplerini maddeler halinde yazacak olursak; Reaksiyon kademeleri basittir ve yan rn yoktur. Gnmzde reaksiyon mekanizmalar tam olarak zlmtr. Dier yaktlara (alkoller, hidrokarbonlar ve kmre) gre ok daha yksek elektro kimyasal etkenlik gsterir. Dk scaklklarda dier yaktlara gre daha ok verimlidir.Reaksiyon sonucu oluan rnler zehirli deildir A.B.D. bakan G.W.Bush 28 Ocak 2003 tarihinde yapt bir konumasnda hidrojen enerjisini hrriyet enerjisi olarak nitelendirmi ve bu alandaki almalarn desteklenmesi amacyla 1.7 milyar dolarlk bir kaynak ayrldn sylemitir Prof. Dr. Nejat Vezirolu ; Trkiye dnyann hidrojen enerjisine gemesinde anahtar rol oynayacaktr. Dnyada 40-50 yl sonra fosil yakt enerjisi tkenecektir. Trkiye de hidrojen kaynaklar olduka zengin. Gneydou ve Dou Anadolu hidrojen enerjisi elde etmek iin gne enerjisi, Ege ve Orta Anadolu blgesinde rzgar ve jeotermal enerjisi bol. Ayrca Karadeniz in 60 metre altnda da hidrojen elde etmeye yarayan hidrojen slfr olduka youn..

TBTAK Marmara Enerji Enstits Mdr Do. Dr. Mustafa Trs; Hidrojen enerjisi alternatif bir kaynak olarak ne kacak ve Trkiye stratejik rn haline gelecek olan bor-hidrr en nemli salaycs olacaktr. Bor-hidrr bir snger gibi dnmek mmkn, nasl sktnzda iindeki suyu alyorsunuz, ayn biimde bora hidrojen depolarsanz, hidrojeni borla tamak ve almak mmkn. Bor kayna sadece Trkiye de var. Hidrojenin dnya pazarna gvenli bir ekilde tanmasna ihtiya var, dolaysyla Trkiye nin bu konuda tekel olmas sz konusudur

Burada zerinde duracamz yntem, zellikle lkemizdeki bor rezervlerini de gz nne alrsak hidrojenin Sodyum Borhidrr den elde edilii olacaktr. Yeni bir konu olmasna karn bu konu zerindeki aratrmalar ok hzl gelimektedir. Aada denklemleri verilen bu sistemde,Sodyum borhidrr katalitik olarak suyla birlemesinden hidrojen verir.

Genel denklemi; NaBH4 + 2 H2O katalizr 4 H2 + NaBO2 Anotta: BH4- + 8 OH - BO -2 + 6 H2 O + e- Katotta: 8e- + 4 H2 O + 2O2 8 OH Toplam: NaBH4 + 2O2 NaBO2 + 2 H2O

denklemleri ile reaksiyonlar aklayabiliriz. Sodyum bor hidrr ynteminin dier hidrojen retim yntemlerine gre avantajlar: Reaksiyonun kontrol kolaydr Reaksiyondaki katalizr ve sodyum perborat tekrar kullanlabilir Yanc ve patlayc deildir Arlnn yaklak % 10.5 kadar hidrojen depolayabilir retilen H2 nin yars sudan dier yars da hidrrden gelmektedir. Bu yntem zellikle lkemiz iin ok nemlidir, bu yntemin gelitirilmesi demek lkemizdeki bor rezervlerinin daha da deerlenmesi demektir.

YAKIT PLLERNN UYGULAMA ALANLARI Yakt pillerinin kullanld alanlar ksaca maddelersek; a) Yerst Uygulamalar: Elektrik Santrallerinde ( Fabrikalarda,yksek miktarda enerji retmek iin...)Konutlarda kullanmVastalarda ( Arabalar, Otobsler, Kamyonlar, Trenlerde.. ) Gnlk yardmc edevatlarda ( cep telefonu, el feneri, im bime makinesi...) Atk Alanlarnda ve Su Artma tesislerinde

b) Deniz Uygulamalar: Gemiler, Feribotlarda Denizaltlarda

c) Uzay ve Gkyz Uygulamalar: Uaklarda Uzay aralar ve Uzay Projelerinde

Yakt pillerinin ilk uygulamalarn meydana getiren uzay arac almalar devam etmektedir. Bu tr uygulamalar olduka ilgintir: uzay arac gne grebildii srece enerjisini gne pilleri ile salamakta ve artan enerjinin bir ksm ile arata bulunan su elektroliz yolu ile bileenleri olan hidrojen ve oksijene ayrmakta , ve gne grlmeyen vakitlerde ise retilen hidrojen ve oksijen yakt pillerinde bir araya getirilerek su, elektrik akm salamaktadr. Bu konuda NASA da youn almalar srmektedir.

Yakt Pillerinin Elektrik Santrallerinde Kullanm Halen Japonya da Tokyo Elecric Company tarafndan kurulan 11 MW lk elektrik santrali Rokko adasnn elektrik ve s ihtiyacn karlamaktadr. Bu tesis kapasiteleri 50 ile 500 KW arasnda deien yzlerce yakt hcresi tesisi bulunmaktadr. Sadece Tokyo da ehrin elektrik ihtiyacnn 40.000 KW lk blm hidrojen enerjisi sistemlerinden salanmaktadr.

Yakt pillerinin elektrik santrallerinde kullanm. (fuelcells.org 2006) Byk miktarlarda elektrik retecek yakt pillerinde kat oksit ya da ergimi karbonat teknolojisi yeleniyor. Bunlar gerek fosforik asitli gerekse PEM li yakt pillerinden ok daha yksek scaklklarda alyor ve enerji verimleri de %55 dzeyinde. Elektrik retimi esnasnda ortaya kan karbon dioksit ve scak su buhar da baka bir trbini dndrmede, yani ilave elektrik retiminde kullanlyor. Bylece bu yakt pilli elektrik santrallerinde enerji verimi %80 ler dzeyine ykseliyor. Grlmemi dzeydeki enerji veriminin yan sra, yakt pilli elektrik santralleri ok da az yer kaplyorlar. 2 MW lk g retebilen byle bir santral, 20 m^2 den az bir alana kurulabiliyor. Bu durumda elektriin, tketicilerin bulunduu kentlerden uzakta retilmesine gerek kalmyor. Gelecekte tketicilerin bulunduu yerlerin yaknna kurulacak yakt pilli santraller, gereksinimleri karlayacaktr. Bylece elektrik santrallerinden kullanclara kadar uzanan yzlerce hatta binlerce kilometrelik iletim hatlarna, aradaki transformatr merkezlerine de gerek kalmaz. Bu milyarlarca dolarlk bir tasarruf demektir. Ayrca retim srasnda ortaya kan elektrik kayplar da ortadan kalkar.Yakt pilli elektrik santral rnekleri.( Fuelcells.org 2006)

Bu alanda etkinlik gsteren bir ok irket mevcuttur. International Fuel Cell bugne kadar 140 dan fazla santral kurmu.185 adette sipari almtr. ABDnin Connecticut eyaletindeki Research Corporation irketiyse 1500 evin elektrik gereksinimi karlayacak 2,85 MW lk bir santral zerinde alyor. Bunlar gibi pek ok rnek daha saylabilir.YAKIT PLLERNN AVANTAJLARI En iyi zellikleri yksek verimlilik. Yakt pillerini, Carnot Kuramna gre alan makinelerin hepsinden stndr, nk Carnot evriminin formlne gre; MAX verimlilik = (T1- T2 )/T1 dir ve buda bize s enerjisinin tamamnn hibir zaman mekanik enerjiye evrilemeyeceini gsteriyor. Oysa yakt pilleri kimyasal enerjiyi dorudan elektrik enerjisine kaypsz evirir. Aadaki tabloda da aka verimlilikler arasndaki fark grlmektedir.

Yakt (hcre) Pili ve Carnot evriminin verim karlatrmas( Fuel Cell Hand Book 2000)

Klasik evrim teknolojisinde, yakttan kimyasal biimde depolanan enerji yanma reaksiyonu ile sya ve s Rankin evrimi ile mekanik enerjiye dntrlr. Bu dnm srasnda hem Carnot evrimi snr alamamakta, hem de mekanik enerji jeneratrde elektrie dntrlrken yeni kayplar olumaktadr.

Dier avantajlarn sralarsak:Sessiz alrlarDorudan enerji dnm ( yakma yok )Dk scaklk birimlerinin mmkn olmasletimde iyi performansa sahip olmas Uzaktan iletim l/boyut esnekliiYakt esnekliiYan rn olarak oluan atk s geri kazanlabilir.Kat atk problemi yokturevreyi kirletmezlerModler sistemlerdir ve tanabilirlerDk emisyonUzun mr Hareketli paralar yoktur

Dezavantajlarna gelince:retimleri ve aratrmalar pahaldrG retim endstrisi iin tandk olmayan bir teknoloji Baz yakt trleri iin ( hidrojen, metanol. ) bir datm altyaps bulunmamas.Geliimleri iin yksek teknolojiye ihtiya vardrmrlerinin iindeki maddelere bal oluu ve tam belirlenememesiSeri retimlerinin tam olarak henz gerekletirilememesi eklinde verilebilirYAKIT PLNN MALYET NEDR Gnmzde mebrann aratrma amal m2 fiyat yaklak olarak 500 $/m2 dir. Seri retime geilmesi halinde bu mebranlarn maliyetinin, retim says ile stel olarak azalabilecei ve maliyetinin 50 $/m2 olmas bekleniyor.

Amerikadaki ECO (Economic Cooperation Organization) krsal alanlardaki elektrik birliinin 12.300 adetlik 10 KW lk Hidrojen yakt pilleri ihalesinde bir nite fiyat 10.000 dolardan verilmitir. Fakat bu fiyatlar retim rakamlarna bal olarak sratle dmektedir. Vestel in 2 ylda 20 milyon dolar harcad yakt pili teknolojilerini rnleri vitrine kyor. Evlerde enerji ihtiyacn karlayacak olan kat oksit yakt pillerinin 1 kilovatlk enerji retim gc bana sat fiyat 5 bin dolar civarnda. Trkiyede bir evin ortalama saatlik enerji ihtiyacnn 2.5 kilovat dzeyinde olduu tahmin ediliyor. Bylece evlerinde enerji harcamalarn yzde 90 azaltmak isteyenlerin yapaca yatrm yaklak 12.500 dolar olacak.

BZ DNLEDNZ N TEEKKRLER