Dünya için sonsuz bir enerji kaynağı kabul edilen güneş' ten, bir yılda dünya' ya aktarılan enerji, dünya' daki mevcut kömür rezervlerinin enerjisinin 150 katından fazladır Bu temiz ve tükenmez enerji kaynağından olabildiğince yararlanma fikri, son yıllarda ülkemizin de bulunduğu 45° kuzey ve güney enlemleri arasında yer alan ve Güneş Kuşağı denilen ülkeler başta olmak üzere, bütün dünyada ilgi çekmiştir
Güneş Kollektörleri - Sıcak Su Üretim Sistemleri :
Evlerde, işyerlerinde-endüstride sıcak su üretiminde kullanılan bu sistemler, güneş enerjisini toplayan düzlem kollektörler, sıcak suların toplandığı depo ve ara bağlantılardan oluşur Su dolaşımı tabii veya pompalı olabildiği gibi, sistem açık veya kapalı da olabilir Üretimi, montajı, işletilmesi basit ve ucuz olan bu sistemler bütün dünyada yaygınca kullanılmağa başlanmıştır Türkiye'de de Akdeniz sahillerinde kullanılmaktadır
Termal Güneş Santralları :
Güneş enerjisinden elektrik üreten sistemlerdir Özellikle İsrail'de bu alanda önemli uygulama ve araştırmalar yapılmaktadır Dünyanın en büyük güneş enerjisi güç istasyonu ile ileri teknolojik araştırmaları İsrail'de yapılmakta olup, bu ülkede tüketilen toplam enerjinin % 3' ü güneş enerjisinden sağlanmaktadır (1, 2) ABD, Fransa, İtalya, İspanya, Rusya ve Çin'de de pratik olarak enerji üretimine pek katkısı olmayan santrallar mevcuttur (3, 4) Termal güneş santrallarının kurulmasında yer ve meteorolojik parametreler en önemli faktördür Yıllık yağış, güneşli gün ve saat, hava kirliliği ve diğer bazı meteorolojik parametreler uygun olmalıdır Örneğin, bu tür santralların bir yere kurulabilmesi için o yerin, yılda ortalama en az 2000 saat güneşlenebilmesi gerekmektedir Güneydoğu Anadolu Bölgesinde bu değer 3000 saatin üzerindedir(4) Ayrıca, yılda en az 4 saat kesiksiz güneşlenme süresi için minimum 150 gün gereği, Diyarbakır için 8 saat seviyesindedir
Fotovoltaik Cihazlar-Güneş Pilleri :
Daha çok küçük çaplı enerji gereksinimleri karşılamak üzere hazırlanan bu sistemler ile ilgili çok önemli araştırmalar sürdürülmektedir Başta radyolink sistemleri olmak üzere, kent enerji şebekesinden uzaktaki kırsal alanlarda; su pompaları, değişik kontrol ve gözetleme istasyonları, dağ evleri gibi yerlerde kullanılabilmektedirler(4) Özellikle, güneş pilleri ile çalışan taşıtlar-araçlar ile ilgili araştırmalar oldukça yoğunluk kazanmıştır
· Temiz ve Tükenmez Enerji Kaynağı Olarak Güneş Enerjisinden Yararlanma
Genel olarak dünyada tüketilen toplam enerjinin % 90 kadarı fosil yakıt olarak bilinen kömür, petrol ve doğal gazdan sağlanmaktadır Bunların mevcudiyetleri-rezervleri sınırlı olup, gelecek kuşaklara da bırakılma gereği ile birlikte, tükenmelerine fırsat verilmeden yeni kaynakların başlarında yer alan güneş enerjisine yönelme sağlanmalıdır 1994 yılı itibariyle ABD' de tüketilen toplam enerji ; % 28 kömür, % 39 petrol, % 24 doğal gaz ve % 9 nükleer enerji kaynaklıdır Avrupa'da ise ; % 22 kömür, % 44 petrol, % 18 doğal gaz ve % 14 nükleer enerji kaynaklıdır ABD ve Avrupa' da üretilen elektrik sıra ile % 53 ve % 38 oranlarında kömürden sağlanmaktadır(1) Bunların doğadaki sınırlı mevcudiyetleri göz önüne alındığında, temiz ve sonsuz kaynak durumundaki güneşe yönelme bir zorunluluktur
· Güneş Enerjisi ve Çevre Sorunları
Ulaşım, ısınma ve endüstriyel işlemler başta olmak üzere değişik faaliyetlerden kaynaklanan ve hava kirletici olarak bilinen ; azot oksitler (NOx), kükürt oksitler(SOx), hidrokarbonlar(HC), karbondioksit(CO2), karbonmonoksit (CO) ve partiküller başlıca fosil yakıtlardan atmosfere karışmakta ve doğal dengeyi bozmaktadır Hava kirliliği yaratan azot oksit ve hidrokarbonların % 50'si, kükürt oksitlerin ise %90'dan fazlası fosil yakıtlardan kaynaklanmaktadır(5) Bunların uygun tekniklerle yakılmaları-kullanılmaları, özellikle NOx ve SOx oranları bakımından önemli bir sonuç yaratmamaktadır, mümkün olduğunca az kullanılmaları ise, günümüzde çok önem arzetmeğe başlayan hava kirliliğini azaltan-sorunu çözen bir adım olarak değerlendirilmektedir Karbondioksit, kimyasal olarak sağlığa zararlı olmamakla beraber kısaca, sera etkisi olarak bilinen özeliğinden dolayı dünyadaki sıcaklığın artışına neden olacağı ve çok büyük sorunlar yaratabileceği kabul edilmektedir(5) Güneş enerjisinden yararlanma oranı arttıkça, bu fosil yakıtlardan kaynaklanan çevre sorunları azaltılmış-giderilmiş olacaktır
Doğal klimatik koşullara uygun yapı ve kent planlamaları çok önemli enerji tasarrufu sağlayabilir Mevsimlere göre az veya çok güneş alacak şekilde evlerin projelendirilmesi, konuşlandırılması, diğer meteorolojik parametrelerin de göz önüne alınması gereği, çok iyi anlaşılamamıştır veya bu durumun gereği yapılmamaktadır
· Türkiye'nin Dünya' daki Yerinin Güneş Enerjisinden Yararlanmaya Elverişliliği
Türkiye'nin 36-42° kuzey enlemleri arasında bulunması ve güneş enerjisinden yararlanma açısından en elverişsiz konumda bulunan Karadeniz Bölgesinde dahi yıllık güneşlenme süresinin 1966 saat olması ve bu değerin Güneydoğu Anadolu Bölgesinde 3000 saatin üstünde olması, Türkiye ve Güneydoğu Anadolu Bölgesinin güneş enerjisinden yararlanmasının ne kadar uygun olduğunu açıkça ortaya koymaktadır
·Güneydoğu Anadolu Bölgesinin Güneş Enerjisinden Yararlanmaya Elverişliliği
· Son 60 yılda yıllık ortalama sıcaklık Diyarbakır'da 16° C , Şanlıurfa'da 18° C cıvarlarındadır(6)
· Son 60 yılda tespit edilen en yüksek sıcaklık 46° C cıvarı ile Diyarbakır ve Şanlıurfa en başta yer almaktadır
· Yaklaşık son 50 yılda, yıllık günde ortalama güneşlenme süresi 8 saat üstü ile Antalya, İzmir, Diyarbakır ve Şanlıurfa illeri yer almaktadır
· Son 50 yılda yıllık ortalama oransal yüzde nem değeri bakımından Diyarbakır 54, Şanlıurfa 49 ile Türkiye'nin en düşük nem oranlı illeridir
· Son 50 yılda yıllık ortalama yağış miktarı bakımından Diyarbakır ve Şanlıurfa alt sıralarda yer almaktadır
· Son 60 yıldaki yıllık ortalama yağışlı gün sayısı Diyarbakır'da 88, Şanlıurfa'da 75 gün ile güneş enerjisinden yararlanma açısından oldukça uygun konum ve koşul mevcuttur
· Son 60 yılda yıllık ortalama karla örtülü gün sayısı Diyarbakır'da 12, Şanlıurfa'da 3 gün kadardır
· Son 60 yılda yıllık ortalama don olayı olabilen gün sayısı Diyarbakır'da 62, Şanlıurfa'da 22 cıvarlarındadır Erzurum'da bu değer 155, Konya'da 100 cıvarındadır(6)
Sonuç
Enerji üretimi ve kullanımı gelişmişliğin en önemli ölçülerinden biridir Günümüze kadar ve halen, fosil yakıtlar en temel enerji üretim kaynaklarıdır Gerek bunların rezervlerinin tükenmekte oluşu ve gerekse de bunların kullanımından kaynaklanan çevre sorunları, yeni ve temiz enerji kaynakları arayışını hızlandırmıştır
Çevre değerlerini koruma, mevcut çevre sorunlarını giderme ve yeni sorunların oluşmasını engelleme doğrultusundaki faaliyetler oldukça güncelleşmiştir Çevre sorunları denildiğinde öncelikle hava, su ve toprak kirlilikleri gündeme gelmekle beraber, ozon tabakasındaki incelme, toprak erozyonu, nüfus artışı, iklim değişiklikleri, sanayi atıkları, katı atıklar(çöp), ekolojik değişiklikler, Zirai ilaç ve aşırı gübre kullanımının yarattığı sorunlar, radyasyon ve gürültü kirliliği ve daha birçok etken söz konusu olabilmektedir
Hava kirliliğinin, temelde enerji ihtiyacının karşılanması sürecinden oluştuğu açıktır Hava kirlenmesi, havadaki maddelerin insan sağlığına, canlı hayatına ve ekolojik dengeye zararlı olabilecek miktar ve sürede bulunmasıdır Hava kirletici olarak başlıca beş çeşit madde mevcut olup,bunların partiküller dışında kalan dördü, karbonmonoksit (CO), azot oksitler (NOx), hidrokarbonlar (HC) ve kükürt oksitler (SOx) gaz halindedir Dünyamızda her yıl milyonlarca ton hava kirletici atmosfere atılmaktadır Yakma sistemlerinin baca ve egzoslarından çevreye yayılan bu kirleticiler insan sağlığını, tarımsal üretimi, ormanları ve yapıları olumsuz yönde etkilemektedir Yakma sistemlerinin çevrede oluşturduğu hava kirliliği, yakılan yakıtın türüne-miktarına, yakıt ve yakma sistemi özelliklerine, sistemlerin işletme biçimleri ile topografik ve meteorolojik koşullara bağlıdır
Elektrik enerjisi üretim amaçlı nükleer santral kazalarının yarattığı; giderilmesi, önlem alınması çok güç ve bütün dünyayı sarsan-korkutan, ekolojik, biyolojik ve atmosferik yaşam koşullarını tahrip eden radyoaktif madde kirliliği, gene enerji ihtiyacının karşılanması sürecinden kaynaklanır 26 Nisan 1986 tarihindeki Çernobil Santralı kazasında 8000 'den fazla insan ölmüş, bir çok insan sakatlanmış, yüzbinlerce insan yaralanmış ve daha ne tür etki ve zararları olduğu veya olacağı da bilinmemektedir
Güneş enerjisi , hiçbir çevre sorunu yaratmayan çok özel bir kaynak olarak yeterli potansiyel ile mevcut ve yaralanılmayı bekler durumdadır Bunun yeterince kullanılabilmesi, uygun teknolojilerin geliştirilmesi ile mümkün olacaktır Ancak Türkiye'de ve özelde Güneydoğu Anadolu Bölgesinde, birçok Akdeniz Ülkesinde yaygınca kullanılmakta olan sıcak su üretim sistemleri dahi kullanılmamaktadır Çevreyi kirletmeyen güneş enerjisi ve benzeri teknolojilerin üretici ve kullanıcı yönünden teşvik edilerek, GAP Bölgesi başta olmak üzere, yaygınlaştırılması ve özellikle konut, toplu konut alanlarında ve şehir gelişme planlarının yapımında güneş mimarisinin de dikkate alınması, çok kısa bir sürede sıcak su üretim sistemlerinin yaygınca kullanımının sağlanması gerekmektedir
GAP ile ülkemizde büyük gelişmeler değişiklikler beklenmektedir Bu projeye, güneş enerjisinden olabildiğince yararlanmak için gerekli hazırlık ve çalışmaların katılması hem enerji hem de temiz çevre bakımından önemli katkılar sağlayabilecektir
DUGEM, başta GAP olmak üzere ülkemizin her tarafında bu sonsuz enerji kaynağından bir an evvel ve en iyi şekilde yararlanması için, gerekli etkinlikleri gerçekleştirmeğe çalışacaktır
**************************
Güneş Kollektörleri
Bugün Türkiye’de su ısıtma amaçlı 25-3 milyon m2 kurulu kollektör alanı olup, yıllık kollektör üretimi 400-500 bin m2 düzeyindedir Kurulu kollektör alanıyla güneşten kazanılan enerji yılda 120 bin TEP kadardır Son yıllarda üretilen kollektörlerin üçte biri aşkın bölümünün ihraç edildiği gözlenmektedir Kollektör sanayinde kaliteli üretimin kontrolu ve desteklenmesi gereklidir Türkiye’de düz yüzeyli güneş kollektörleri ve güneşli su ısıtma sistemlerine ilişkin standartlar bulunmakla birlikte, teknolojinin hızla gelişmesi nedeniyle, bunların revize edilmesi gerekmektedir
Güneşli soğutma teknolojileri, tarımsal ürünlerin ve gıda sanayi ürünlerinin saklanması açısından, ülkemiz için üzerinde durulması gereken bir seçenektir
Güneş Mimarisi
Üzerinde önemle durulması gereken bir konu da, konutların güneş enerjisinden pasif olarak yararlanmaları için ileri malzemelerden yararlanarak yeni çözümler geliştirmek, bu bilgileri yaymak ve uygulanmalarını teşvik etmektir Konu güneş mimarisi ile bütünleşik bir mühendislik konusu olarak ele alınmalı ve yerleşim alanları ölçeğinde geliştirilmelidir Güneş mimarisinin başarılı olması için yasaları da kapsayan yeni bir mevzuat hazırlanmalıdır
Güneş Enerjisine Dayalı Termik Elektrik Santralları
Güneş enerjisine dayalı termik elektrik santrallarının büyük güçlerde olanları fosil yakıtlarla (özellikle doğal gazla) entegre çevrimler kapsamında hibrid santral olarak geliştirilmektedir Teknik ve ekonomik açıdan başarılı ilk uygulaması Amerika Birleşik Devletleri’nde (Luz Santralı, 354 MW) yapılmıştır Türkiye’nin bu teknolojiyi yakından izlemesi gerekmektedir Ülkemizde de Güneş-Doğal Gaz Hibrid Termik Santralı kurulması konusunun gündeme alınması ve incelenmesinde yarar görülmektedir
Fotovoltaik Sistemler
Güneş fotovoltaik sistemleri iletişim, trafik sinyalizasyonu, otoyollarda aydınlatma, orman kuleleri, deniz fenerleri, park ve bahçe aydınlatması, şebekeden uzak kırsal unitelerdeki elektrik gereksiniminin karşılanması gibi öncelikli uygulama alanları bulabilirler Bu sistemler, uzun dönemde birkaç yüz kW’ın üzerindeki üretim birimleri ile ulusal elektrik ağına bağlantılı biçimde de çalışabilirler Dünyada örnekleri olan bu tür kullanımlar pilot uygulamalarla Türkiye’de de başlatılmalı ve fotovoltaik panellerin ekonomikliğine bağlı biçimde geliştirilmelidir Fotovoltaik çevrimle güneşten elektrik enerjisi üretiminde kullanılan fotovoltaik panellerin yerli üretimine imkan sağlayacak araştırmalar desteklenmelidir.
Referanslar Ve Kaynakça
1) D Shilo, JEr-El, Energy 95, Energy in Israel, Ministry of Energy & Infrastructure, Jerusalem, 1995
2) N Kahana, Ministry of Energy & Infrastructure Office of The Chief Scientist, Summary Reports of Research and Demonstration and Energy Conservation Projects, Jerusalem, 1995
3) MÖ Ültanır, 21 Yüzyılın Eşiğinde Güneş Enerjisi, Bilim ve Teknik(TÜBİTAK), Ankara, Mart 1996
4) Elektrik İşleri Etüt İdaresi (E İ E) Genel Müdürlüğü, a) Güneş Kollektörlerinin Optimum Özelikleri, b) Termal Güneş Santralleri, C) Güneş Pilleri, Ankara, 1992
5) HS Stoker, SL Seager, Environmental Chemistry ; Air and Water Pollution, Foresman Company, Illinois, 1976
6) TC Başbakanlık D İ E, Türkiye İstatistik Yıllığı 1990, Ankara, 1990
GÜNEŞ-HİDROJEN SİSTEMİ Güneş-hidrojen sistemi geleceğin yakıt üretim sistemi olarak kabul edilmekte olup, konu üzerinde yoğun çalışmalar dünyanın her tarafında devam etmektedir. Bu yöntemle elde edilen hidrojenin tekrar oksijenle birleşmesi sonucu büyük bir enerji elde edilmekte ve atık ürün yine su olmaktadır. Kolaylıkla anlaşılacağı üzere, güneş enerjisi devam ettiği sürece, dünyanın enerji problemini çözmek için kullanılacak bu enerji ile okyanuslardan elde edilecek hidrojen miktarı, milyarlarca yıl yetecek enerjiyi devamlı olarak üretebilecektir.
Güneş enerjisinin faydalı enerji şekline dönüşümünü, termal ve fotonik olarak iki kısma ayırmak mümkündür. Termal işlemde, güneş enerjisi önce ısıya çevrilerek ya bu ısı enerjisinden faydalanılır veya enerji değişik çevrim sistemleri ile mekanik ya da elektrik enerjisine dönüştürülür. Başka bir seçenek de bu enerjiyi çeşitli şekillerde depolamaktır. Fotonik işlemde ise, fotonlar bir yutucu madde tarafından direkt olarak absorplanır. Bu absorplayıcı maddeler foton enerjisinin bir kısmını ya direkt olarak (fotovoltaik pillerde olduğu gibi) elektrik enerjisine çevirir veya suyu hidrojen ve oksijene ayrıştırır.
Güneş enerjisi fotonlarının başka bir çevrimi de fotosentez olayı ile biyokütle oluşumudur. Burada önce foton enerjisinden hidrojen eldesi ve bunun enerji kaynağı olarak kullanımındaki teorik ve deneysel verimleri incelemek gerekir. Bütün çevrim işlemlerinde olduğu gibi güneş enerjisinden hidrojen üretimi için de yüksek verim sağlayabilmek maliyeti düşüreceğinden bu konuda sınırlamalar ve kayıpların neler olduğunu iyi bilmek önem taşımaktadır.
İlk olarak güneş ışığı fotonlarının sınırlayıcı verimi
Işık kaynağının en düşük dalga boyu, (güneş radyasyonu için lmin=300nm), Dmex, uyarılmış durumun taban seviyesine göre molekül başına Gibbs enerjisi (veya kimyasal potansiyel), ve fconv ise çevrim işleminin kuantum verimini göstermektedir.
Suyun güneş enerjisi ile ayrıştırılmasında beş ayrı olası reaksiyon önerilmektedir . Buna göre fotosistemde tekli (S) veya çiftli (D) tertip bulunmaktadır. Örneğin S1 tertibi tek foton içerdiğinden, burada reaksiyon olabilmesi için foton enerjisinin yüksek olması, dolaysıyla verimin düşük olması beklenir. Bu reaksiyonları aşağıdaki tabloda özetlemek mümkündür.
Tablo 1. Güneşle Suyun Fotolizi İçin Sınıflama Sistemi.
Hidrojenin güneş enerjisi kullanımı ile üretilmesi, hem çevre hem de ekonomik yönden büyük bir avantaj sağlamaktadır. Fosil yakıtların zaten yakın bir gelecekte tükeneceği gerçeği de göz önüne alındığında, son yıllarda çalışmalar güneş-hidrojen sistemi üzerinde yoğunlaşmıştır. Güneş-hidrojen sistemi son derece temiz ve güvenli bir enerji üretim yoludur. Güneş enerjisinden yararlanarak hidrojen elde etmek için bugüne kadar çeşitli yöntemler ortaya atılmış ve bu alandaki çalışmalar halen devam etmektedir.
Bu yöntemleri özetle; a) elektroliz b) termokimyasal c) fotokimyasal ve d) foto-biyolojik sistemler olarak tanımlamak mümkündür.
2.1. Elektroliz
Suyun doğru akım kullanılarak hidrojen ve oksijene ayrılması işlemine elektroliz denilmekte olup, hidrojen üretimi için en basit yöntem olarak bilinmektedir. Prensip olarak, bir elektroliz hücresi içinde, genelde düzlem bir metal veya karbon plakalar olan, iki elektrot ve bunların içine daldırıldığı, elektrolit olarak adlandırılan iletken bir sıvı bulunmaktadır. Doğru akım kaynağı bu elektrotlara bağlandığında akım, iletken sıvı içinde, pozitif elektrottan (anot), negatif elektroda (katot) doğru akacaktır. Bunun sonucu olarak da, elektrolit içindeki su, katottan çıkan hidrojen ve anottan çıkan oksijene ayrışacaktır. Burada yalnız suyun ayrışmasına karşılık, su iyi bir iletken olmadığı için elektrolitin içine iletkenliği arttırıcı olarak genelde potasyum hidroksit gibi bir madde ilave edilir.
Elektrolizin verimi, verilen bir akım değeri için ayrışma voltajını düşürmekle arttırılabilir. Bunu sağlayabilmek için ise, elektrot yüzeyi elektroliz işlemini hızlandıracak şekilde yapılmalıdır. En iyi yöntemlerden birisi, ince toz haline getirilmiş platin parçalarının herhangi bir metal taban üzerine kaplanmasıdır. Bunla beraber, platinin çok pahalı bir metal olması nedeniyle, diğer elektrot yüzeyleri de kullanılabilir. Pratikte kullanılan elektroliz hücrelerinde, nikel kaplı çelik elektrotlar kullanılmaktadır . Elektrotların etkin alanları ve dolaysıyla elektroliz işlem hızı, gözenekli nikel şeritleri bir tel örgü üzerine yerleştirmekle arttırılır. Araştırmalar, elektroliz işleminden daha yüksek verim elde etmek için elektrot yapılarını ve yerleştirme düzenekleri üzerinde devam etmektedir. Endüstriyel elektroliz hücrelerinde genellikle, tank tipi ve süzgeçli pres olmak üzere iki tür elektrot düzenlemesi yapılmaktadır.
Bu sistemlerde güneş enerjisi ile hidrojen üretimi iki basamaklı olarak gerçekleştirilir. Burada ilk basamakta, genelde silisyumdan yapılan güneş pili vasıtasıyla DC elektrik akımı elde edilir daha sonra bu akım, bir elektroliz hücresinin elektrotlarına verilerek suyun oksijen ve hidrojene ayrıştırılması gerçekleşir. Güneş pilleri (panelleri) güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı-iletken sistemlerdir. Paneller bir çok fotovoltaik (PV) hücreden meydana gelir ve bu sistemler bazen tek başlarına bazen de diğer konvansiyonel kaynaklarla beraber kullanılabilirler.
Güneş pillerinin verimi, ortalama % 15, elektroliz hücresi verimleri ise % 75'den büyük alınabilir. Örneğin, Güneş pilleri konusunda son 15 yıl içinde % 4 civarında olan verim 7 kat artarak % 28-30'lara çıkmış, watt başına 18 dolar olan üretim maliyeti ise 3-4 dolar civarına düşmüştür. Maliyetin 1 dolar civarına inmesi durumunda, bu ürünün çok büyük bir pazara sahip olacağına kesin gözü ile bakılmaktadır.
Güneş pilleri ile elektroliz konusunda yapılan bir çok pilot çalışma arasında 10 kWe gücündeki sistem için verim yaklaşık % 6 civarında bulunmuştur . Laboratuar bazında ise, yarı-iletken sistemler için ortalama verim günümüzde % 10-12 arasında kabul edilmektedir. Bu sistemler, düşük verimlerine karşın, hiçbir çevre etkisi olmadan ve bedava olan güneş enerjisi kullandığı için son derece önem taşımaktadırlar.
Dünyamızın 2/3 'ünün sularla kaplı olduğu ve her gün dünya üzerine düşen güneş enerjisinin, bir yılda kullanılan toplam enerjiden çok daha büyük olduğu düşünüldüğünde, ortaya çıkan potansiyelin boyutu, gelecek için umut verici olmaktadır.
Hidrojen üretim hızı, geçen akım şiddeti ile orantılı olduğundan, ekonomik nedenlerle yüksek akım yoğunlukları tercih edilmektedir. Teorik olarak, her metreküp oksijen için 2.8 kW-saat elektrik enerjisi yeterli olmakla birlikte, yukarıda özetlenen nedenlerle pratikte kullanılan elektrik enerjisi miktarı bir metreküp hidrojen üretimi için 3.9 ile 4.6 kW-saat arasında değişmektedir. Buna göre elektroliz işleminin verimi % 70 civarında olmaktadır. Ancak, son yıllarda bu alanda yapılan çalışmalar ve gelişen teknoloji sayesinde % 90 verim elde edilmiştir. Geliştirilen bu yeni sistemler çeşitli yerlerde araçlarda kullanılmaya başlanmıştır. Başta Almanya ve ABD olmak üzere bazı ülkelerde prototip taşıt araçları yapılmıştır
Elektroliz hücresi için gerekli elektrik fotovoltaik panellerden sağlanabildiği gibi, yoğunlaştırılmış güneş enerjisi ile önce buhar elde etmek ve buhar türbinleri ile üretilen elektriğin yine elektroliz hücrelerinde kullanılması mümkündür. Burada önemli olan yüksek çevrim verimi ve düşük maliyettir.
2.2. Termokimyasal Yöntemler
Termokimyasal yöntemler içinde fosil veya nükleer yakıtlardan hidrojen elde edilebilmesi de söz konusu olmasına karşın burada yalnız güneş-hidrojen sistemleri ele alınacaktır. Bilindiği üzere, suyun ısı enerjisi ile ayrıştırılması için en az 2500 °C 'lik bir sıcaklık gerekmektedir. Böyle bir sıcaklığı, güneş fırınlarından kolaylıkla elde etmek mümkündür. Bu konuda yapılan son araştırmalar tek basamakta termo-kimyasal işlem yerine, birkaç basamaklı işlemler öngörmektedir. Bu alanda son yapılan çalışmalar sonucu, çok basamaklı termo-kimyasal işlemlerde gerekli sıcaklık 750 °C 'ye kadar indirilmiş, toplam verim ise % 50 olarak bulunmuştur . Ancak, ekonomik yönden bu sistemlerin ileride ayrıntılı olarak verilecek olan yarı-iletken sistemlerle şimdilik rekabet edebilmesi pek mümkün görülmemektedir.
2.3. Fotoelektrokimyasal Yöntemler
Bu tip yapılarda ışık absorplayıcı yarıiletkenin anot veya katodu ya da her ikisi birden elektrokimyasal hücrenin içinde yer alabilir. Fujishima ve Honda'nın 1972 yılında ilk olarak geliştirdiği ve titanyum-dioksit elektrot (TiO2) kullanılan hücrede, hidrojen ve oksijen elde edilmesinden sonra, bu alanda büyük bir gelişme yaşanmıştır . Günümüzde, p-InP üzerine küçük Pt alanlar kaplanmış fotokatotlu hücreler % 13 gibi yüksek verim vermektedirler. n-CdS, n-TiO2 veya SrTiO3'un foto-anot olarak kullanıldığı hücrelerden yaklaşık % 10 verim sağlanmaktadır. Fotoelektrokimyasal piller, elektrotların cinsine göre üç şekilde hazırlanır;a) n-tipi yarıiletken anot, inert metal katot, b) inert metal anot, p tipi yarıiletken katot, c) n tipi yarıiletken anot, p tipi yarıiletken katot.
NREL’de geliştirilen yeni bir hücre, GaAs baz madde üzerine kaplanan GaInP2 tabakasının su içinde platin bir elektrota bağlanması ile yapılmıştır. Böyle bir hücre için teorik verim % 24 olarak hesaplanmış ancak halen % 12 civarında çevrim verimi elde edilmiştir. P-tipi GaInP2 1.8-1.9 eV gibi suyun ayrıştırılabilmesi için gerekli ideal bir bant aralığına sahiptir.
2.4. Fotobiyolojik Sistemler
Fotosentetik organizmalar, güneş enerjisini bütün dünyada çok büyük miktarlarda depolayan bir enerji depolama mekanizması oluşturmaktadır. Normal olarak, fotosentetik sistemler CO2'i karbohidratlara indirger fakat doğrudan hidrojen vermez. Bugüne kadar H2/O2 üretebilen en verimli fotobiyolojik sistemlerin, yeşil alg ve cyano-bakteria gibi algler olduğu anlaşılmıştır. Yeşil alglerin havasız ortamda inkübasyonu sonucu hidrojen ürettiği saptanmış ve verim yaklaşık % 10 bulunmuştur. Burada en önemli problem, alg sistemlerinin 0.03 güneşten daha yüksek ışınım altında doyuma ulaşmalarıdır. Bu alanda gen mühendisliği devreye girmiş ve problemin çözümünde epey yol alınmıştır . 1995 sonlarında Greenbaum tarafından yayınlanan bir çalışmada, " Chlamydomonas reinhardii" gibi bazı mutantlarda % 15-20'ye yaklaşan verimin mümkün olabileceği gösterilmiştir.
3. YENİ GELİŞMELER
Hidrojenin yakıt olarak önemi arttıkça bu konudaki çalışmalara ayrılan kaynaklar ve çalışan bilim adamı sayısı da buna paralel olarak giderek artmaktadır. Yukarıda tarif edilen klasik yöntemlerin yanı sıra ortaya atılan yeni yöntemler hem verimi arttırmaya hem de maliyetleri düşürme çabalarının sonucu olarak ortaya çıkmaktadır. Bunlara arasında nano-kristal üreticiler, çoklu eklem sistemiyle çalışan foto-çeviriciler, Proton Exchange Membrane (PEM) olarak bilinen yakıt pillerinin aynı zamanda hidrojen üretimi için kullanılması, biyofotoliz ve termal-katalitik çevrimle yoğunlaştırılmış güneş ışınımı ile doğrudan hidrojen elde etme yöntemleri bulunmaktadır. PEM konusu yakıt pillerinde ayrıntılı olarak verileceğinden diğer teknolojiler burada kısaca ele alınacaktır.
3.1. İnce Film Nano-Kristal Üreticiler
Yarıiletken güneş pilleri, güneş ışığı fotonlarını elektrik enerjisine çevirmekte ve elde edilen bu DC elektrik akımı bir elektroliz hücresinde kullanılarak hidrojen üretilebilmektedir. Yeni geliştirilen nano-teknolojik ince filmler ile ışığın absorpsiyonu, yarıiletken üzerine sürülmüş tek atomik tabakaya sahip bir boya ile sağlanmaktadır. Foton tarafından uyarılan boya molekülü S0 taban seviyesinden S* uyarılmış seviyeye çıkmakta ve bir elektronu yarıiletkenin (TiO2) iletkenlik bandına enjekte etmektedir. Yarıiletken içindeki elektrik alanı bu elektronun dışarı alınmasını sağlar. (TiO2) burada okside olarak S+ durumuna gelmektedir. Pozitif yük ise, boyadan çözeltideki aracıya "redox" dolaysıyla karşı elektroda transfer edilir. Bu son elektron transferi ile aracı indirgenmiş seviyesine geri döner ve devre tamamlanır. Böyle bir sistemde iletkenlik andındaki elektron ile okside olmuş boyadaki hole arasındaki
Şekil 2. Nanokristal Güneş Pili Enerji Diyagramı.
rekombinasyon işlemi çok yavaştır. Azami teorik voltajı ise, çözeltideki aracının redox potansiyeli ile yarıiletkenin Fermi seviyesi arasındaki farka eşittir. İsviçre'de Gratzel tarafından geliştirilen bu tip güneş pillerinde genellikle yarı iletken olarak TiO2 kullanılmaktadır. Bu madde 3.2 eV yasak bant aralığına sahip olup, güneş ışığı spektrumuna hassas değildir Bununla beraber çok çeşitli boyalarla ışığa hassas hale getirilebilir. Son yapılan çalışmalarda boyalar hakkında (patent nedeniyle) ayrıntılı bilgi verilmemekle beraber, rutenyum ve osmiyum kompleksleri tercih edilmektedir. Katot ise yine genelde iletken bir oksit kaplı cam olup, üzeri çok ince platin tozları ile kaplanmaktadır (5-10 μg/cm2). Bunun nedeni, örneğin, iyot-triiyot ( I- / I3- ) gibi çözeltideki aracıların indirgenme reaksiyonlarını hızlandırmak, dolaysıyla hücre verimini arttırmaktır.
III-Nitrit Yarıiletkenler
Burada p-tipi yarıiletken katot ve katalitik metal anot beraberce bir elektrolitik sıvı içine yerleştirilir. P-tipi yarıiletken güneş ışığına maruz bırakıldığında, yarıiletken bant aralığından daha yüksek enerjiye sahip fotonlar elektron-hole çiftleri oluştururlar. Elektrolit/yarıiletken yüzeyindeki Shottky engeli elektron ve hole çiftlerini ayırmak için bir potansiyel oluşturur ve elektronlar yarıiletkene sürüklenirken, holler anot tarafından çekilirler. Yarıiletken /elektrolit ara yüzeyindeki elektron akımı suyun ayrışması için gerekli elektro-kimyasal tepkimenin yarı enerjisini sağlar.
Diğer taraftan holler de metal elektrolit sıvı ara yüzeyinde diğer yarı enerjiyi sağlayarak suyun ayrışmasını gerçekleştirir.
Mevcut enerji üretim metotlarının hemen hepsinin büyük limitleri vardır. Foto-elektro-kimyasal yöntemle suyun doğrudan oksijen ve hidrojene ayrıştırılması için sistemin bazı gerekli şartları sağlaması lazımdır. İlk olarak yarıiletkende Fermi seviyesi ile iletkenlik bandı arasındaki enerji farkının suyun redox potansiyeli olan 1.24 V dan daha büyük olması gerekir. Bilindiği üzere 25 derece sıcaklıkta suyun redox potansiyeli 1.23 eV. Buna ek olarak, örneğin 20 mA/cm2 fotoakım için 24 meV luk bir katodik potansiyel ve 96 meV fazlası ve anodik potansiyel göz önüne alındığında suyun redox potansiyeli olarak 1.3-14 eV değeri elde edilir. Buna göre suyun ayrıştırılmasında kullanılacak yarıiletkenin enerji bant aralığının en az 1.5 eV olması gerektiği ortaya çıkar. İkinci olarak yarıiletken yüzeyinden suya yük transferi yeterince hızlı olmalı ve elektronlar yarıiletken yüzeyinde birikim yaparak bantlarda kaymaya neden olmamalıdırlar. Ayrıca, yarıiletken yüzeyinde yük birikimi yüzeyin stabilitesini bozmaktadır. Son olarak da yarıiletken foto elektroliz sırasında kararlı olmalıdır. Buna uygun görünen TiO2, KTaO2, ZrO2 ve SiC gibi yarıiletkenler inert yarıiletken olmakla beraber çok geniş bant aralıklarına sahip olup, güneş spektrumundan yeterli enerjiyi toplayamazlar. Buna karşın uygun bant aralığına sahip yarıiletkenler de foto elektroliz sırasında stabilite problemi göstermektedir. Son yıllarda GaInP2 hem uygun bant aralığı hem de foto elektroliz sırasında nispeten stabil davranış göstermesiyle öne çıkmaktadır . P-tipi GaInP2 1.8-1.9 eV gibi suyun ayrıştırıl,ması için ideal bir bant aralığına sahiptir. Buna karşın Fermi seviyesi ile iletkenlik bandı arasındaki 300-450 meV luk aralık redox potansiyelini karşılamak için yeterli değildir. Ayrıca, GaInP2, yük transferi konusunda istenilen düzeyde değildir. Bu problemlerin çözümü için çeşitli alternatifler denenmektedir.
Biyofotoliz
Fotokimyasal reaksiyonlar genelde, radyasyon (kızılötesi, görünür veya morötesi) şeklinde absorbe edilen enerji ile başlatılır. Fotokimyasal reaksiyonlar bazen ışık enerjisinin kimyasal enerjiye çevriminde oldukça yüksek verim gösterirler. Yeşil bitkilerdeki fotosentez olayında, sudaki hidrojen ve oksijen molekülleri arasındaki kararlı yapının ışık enerjisi yardımıyla kırılması şeklinde başlar. Ancak, bu reaksiyon bitkilerde meydana gelir. Böyle bir ayrıştırma işlemi için, en az her Einstein için 114 kcal'lik bir enerjiye gerek vardır. (1 Einstein= 1 mol quanta, yani 6 x 10 23 quanta dır.) Bu da 260 nm dalga boyuna karşılık gelir. Foton ile ayrıştırma işlemlerinde en az bu kadar veya daha kısa dalga boyunda ışınım şarttır.
Foto sentetik olarak aktif bazı organizmalar, içerdikleri pigmentler nedeniyle, suyun ayrıştırılması için daha düşük enerjili, yani görünür bölgede ışınıma gerek duyarlar. Son yıllarda bu alanda yapılan çalışmalarda, çeşitli mikro-organizmalar, ile deniz yosunları hidrojen üretimi için oldukça ümit verici bulunmuştur. Hidrojen üretiminde üzerinde çalışılan bazı fotosentetik mikro-organizmalar ve bunların özellikleri aşağıda Tablo-2 de verilmiştir.
