|
Prof. Dr. Sinsi
|
Güneş Enerjisi Ve Başlıca Yararlanma Yöntemleri
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
ışık 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
21 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 28 kW-saat elektrik enerjisi yeterli olmakla birlikte, yukarıda özetlenen nedenlerle pratikte kullanılan elektrik enerjisi miktarı bir metreküp hidrojen üretimi için 39 ile 46 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
22 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
23 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 18-19 eV gibi suyun ayrıştırılabilmesi için gerekli ideal bir bant aralığına sahiptir
24 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 003 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
31 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 32 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 124 V dan daha büyük olması gerekir Bilindiği üzere 25 derece sıcaklıkta suyun redox potansiyeli 123 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 13-14 eV değeri elde edilir Buna göre suyun ayrıştırılmasında kullanılacak yarıiletkenin enerji bant aralığının en az 15 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 18-19 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
|