Hidrojen Enerjisi, Yakıt Pilleri ve Savunma Sanayiindeki Uygulamaları

May 16, 2023 - 00:21
 0  324
Hidrojen Enerjisi, Yakıt Pilleri ve Savunma Sanayiindeki Uygulamaları

Küresel bir salgın olan Kovid-19 Pandemisi sonrasında belirginleşen enerji krizi tüm dünyayı etkisi altına alarak büyük bir ekonomik dar boğaz oluşturmaktadır. Hemen ardından ortaya çıkan Rusya-Ukrayna Savaşı’nın da etkisiyle tırmanan ve istikrarsızlaşan petrol ve emtia fiyatları dünyayı 1973 petrol krizinden beri görülen en büyük belirsizliğe doğru itmektedir. Son olarak da Uzakdoğu Asya’da patlak veren Çin-Tayvan gerilimi dünya ekonomisi adına ticaret ve lojistik açısından yeni bir belirsizliğin taşlarını döşemektedir.

Rusya halihazırda Avrupa Birliği ülkeleri için en önemli enerji tedarikçisi durumundadır. Birlik ülkeleri arasında neredeyse %100 olarak bile Rusya’ya enerji konusunda bağlı olan ülkeler yer almaktadır. Özellikle Avrupa’nın sanayi dinamosu olarak bilinen Almanya bile Rusya’ya enerji açısından göbekten bağlı durumdadır. Rusya Ukrayna Savaşı’nın başlarında Almanya’nın NATO ve diğer ülkelerden daha tutarsız bir tavır sergilemesindeki temel etmen de Rus gazına olan doğrudan bağımlılıktır. Son dönemde Almanya’nın Ukrayna’ya olan destekleri sonucu Rusya da Almanya’ya sağladığı doğalgaz arzında önemli ölçüde kesintiye gitmiştir. Elindeki doğalgazı diplomatik bir silah olarak kullanan Rusya, kıta Avrupası’nı ve diğer ülkeleri adeta bir kaosa itmektedir. Tüm bu yaşanan siyasi, askeri ve diplomatik koşulların ortasında Avrupa kendisine yeni enerji koridorları ve alternatif çözüm önerileri aramaktadır. Bu noktada hidrojen enerjisi ve yakıt hücresi tahrikli motorlar AB tarafından geleceğin enerji üretim metodu olarak değerlendirilmektedir.

Türkiye zor bir coğrafyada yer almaktadır. Enerji arzını sağladığı tüm bölgelerde bir şekilde savaş/kaos çıkmıştır, çıkmaktadır. Ortadoğu’dan, Hazar’a, Kafkaslardan, Güney Koridora enerji temin edilen tüm alanlar siyasi, ekonomik ve diplomatik açıdan zorluklar oluşturmaktadır. Askeri açıdan da pek çok operasyon ve çatışmayı beraberinde getiren bu jeopolitik savunma sanayiine ve harcamalarına olan yükü ve baskıyı da artırmaktadır. Bununla birlikte Türkiye’nin cari açığının en önemli iki kalemi ise enerji ve savunma sanayiinde yapmış olduğu dış harcamalardır. Sadece cari açık olarak değil, diplomatik olarak da Türkiye’nin aleyhinde bulunan iki sektör için alternatif ve yüksek teknoloji içeren üretimlere yatırım yapmak, bunları hayatı geçirmek ve bir ihraç aracı olarak kullanabilmek Türkiye’nin istikbali adına son derece önemlidir. Türkiye’nin gelecek vizyonu, jeopolitik konumu ve küresel hedefleri dikkate alındığında sürdürülebilir enerji kaynakları arzı ve katma değeri yüksek savunma sanayii üretip ihraç etmesi elzemdir. Bu kapsamda hidrojen enerjisi yeni ve geniş bir kullanım alanı olan bir kaynak olarak karşımıza çıkmaktadır. Hidrojen enerjisinin temelini teşkil eden yakıt pilleri de sürekli ve temiz bir enerji kaynağı olarak değerlendirilmektedir. Gelişen teknoloji ve yapılan yatırımlarla birlikte bu araçların bir enerji kaynağı olarak değerlendirilmesi ile birlikte uygun altyapı desteği ve yatırımlarla da savunma sanayiinde kullanımı farkındalık oluşturmaktadır.

Hidrojen Enerjisi

Hidrojen yerkürenin yapıtaşını oluşturan en temel elementlerden biridir. Hidrojen suda oksijenle ve birçok kimyasal bileşikte karbonla bağ oluşturması nedeniyle yer yüzeyinde en sık rastlanan elementlerden birisi olmasına karşın, doğada saf olarak bulunmamaktadır. Hidrojen, negatif yüklü bir elektron ve pozitif yüklü bir protondan meydana gelmektedir.  Sudan hidrojen elde edilebilir olması bu elementin kullanımını kolay ve ulaşılabilir hale getirmektedir. Aynı zamanda hidrojen, fosil yakıtlarda bulunurken hidrokarbonla ve birçok elementle bileşik halinde bulunmaktadır. Suyun elektrolizi veya ısıl işlemle parçalanması yahut kömür ve petrol gibi fosil ürünlerin parçalanması gibi yöntemlerle hidrojen üretilebilmektedir. Havadan 14.4 kez daha hafif, renksiz ve zehirsiz bir gaz olan hidrojen dünyada en çok bulunan elementlerden birisidir (1).  

Yakıt Pilleri

Yakıt pilleri yanma olmaksızın ve herhangi bir ara eleman kullanmaksızın giren yakıtın kimyasal enerjisini, elektrik ve ısı formunda kullanılabilir enerjiye çeviren güç elemanlarıdır. Yakıt pilleri, bir yakıtın (hidrojen zengini gaz karışımından gelen hidrojen) ve bir oksitleyicinin (havanın oksijeni) kimyasal enerjisini sürekli olarak elektriğe ve ısıya çeviren cihazlardır. Bir başka deyişle yakıt hücreleri, elektro kimyasal süreç sonunda yakıtta depolanmış enerjiyi doğrudan doğru akıma (DC) dönüştüren bir teknolojidir.

 Bütün yakıt pilleri temelde aynı ilkelerle çalışır. Yakıt pillerindeki iki ince elektrot ve bunların arasına sıkıştırılmış bir elektrot bulunur. Anoda gelen yakıt, orada iyonlara ve elektronlarına ayrışır. İyonlar elektrolitten geçip katoda ulaşırken elektronlar da bir elektrik devresi üzerinden DC/AC dönüştürücüsüne veya DC motoruna gönderilir.

 

Şekil 1: Yakıt Pilinin Temel Elektrik Üretim Şeması

Yakıt pili elektrotlar, elektrolit ve katalizörden oluşur. Elektrolit, elektrikle yüklü tanecikleri elektrotlar arasında taşır, katalizör elektrotlardaki reaksiyonu hızını artırır ve elektrotlar arasına sadece gerekli iyonların geçmesine izin verir. Temel yakıt hidrojendir, havadaki oksijen (veya özel olarak hazırlanan) kullanılarak oksitlenir, elektrik ve yan ürün olarak da su üretir. Yakıt pilleri kullanılan elektrolitlere göre adlandırılır. En çok uygulaması olan beş farklı elektrolit vardır; bunlar, proton değiştirici membran, fosforik asit, alkali, ergimiş karbonat ve katı oksit elektrolitlerdir  (PEMFC, PAFC, AFC, MCFC, SOFC )(3).

Tablo 1: Çeşitli Yakıt Pillerindeki Kimyasal Reaksiyonlar

 

 

Savunma Sanayiinde Hidrojen ve Yakıt Pili Uygulamaları

Hidrojen ve yakıt pili teknolojileri temiz enerji kaynağı olarak kullanılmakta olup günümüzde savunma sanayii ve havacılıkta kullanımı için Ar-Ge çalışmaları yürütülmektedir. Su üstü ve su altı platformlarda, insansız hava araçlarında hidrojen ve yakıt pilleri kullanılarak bunların menzilinin artırılması için çalışmalar yürütüldüğü bilinmektedir. Bununla birlikte pek çok diğer savunma sanayii alanında da çalışmalar yapılmaktadır.

İnsansız Hava Araçlarında Hidrojen ve Yakıt Pili Kullanımı

Hidrojenin içten yanmalı motorlarda kullanımında genel olarak iki yöntem vardır. Birincisi, hidrojenin tek yakıt olarak kullanımı, ikincisi ise mevcut motorlarda ilave yakıt olarak kullanılmasıdır. Hidrojenin doğrudan tek başına kullanımında bazı sorunlar yaşanmasına rağmen kullanılabilmektedir. Karşılaşılan problemler sıkıştırma oranına ve sıcak noktalara bağlı olarak erken tutuşma, geri yanma, vuruntu ve mevcut depolama yöntemlerinin ağırlıklarının fazla, depolanan hidrojen miktarının düşük olmasıdır. Ayrıca mevcut içten yanmalı motorlar üzerinde yapılması gereken modifikasyonlar ve ilavelerin maliyetinin yüksek olması da diğer bir etken olarak gözükmektedir. İkinci durumda benzin, metan, etanol ve biogaz ile çalışan motorla yapılan testlerde ilave yakıt olarak hidrojen kullanımının motor performansını artırdığı tespit edilmiştir. Genel olarak hidrojenin çift yakıt modunda kullanılması ile motor performansında artış ve kirletici emisyonlarda önemli miktarda azalma sağlanabilmektedir.

İnsansız Hava Araçları (İHA) motorlarında hidrojen henüz %100 benzin tüketen motor kadar performans göstermese de maliyet ve enerji tüketim/saat açısından karşılaştırıldığında İHA’nın havada daha uzun süre daha az maliyetli bir şekilde kalmasına katkı sunabileceği yapılan çalışmalarla ortaya konmaktadır. İHA’larda kullanılan yakıtlarla ilgili yapılan bir karşılaştırmada ise sıvı hidrojen tarafından üretilen spesifik enerjinin 120 MJ/kg iken sentetik yakıtın (biokütle, bioetanol vs.) 44.2 MJ/kg olduğu belirlenmiştir.

İnsansız Hava Araçları (İHA) uygulamalarında çeşitli yakıt pili enerji kaynakları üzerinde gerçekleştirilen çalışmalarda FC ve PV-Li-Po enerji kaynaklarını kullanan İHA’ların daha uzun süre uçuş gerçekleştirebildikleriyle gösterilmiştir. Bu konuda yapılan bir çalışmada 5 kW büyüklüğündeki katı yakıt pili (SOFC) yakıt işleme sisteminin çalışmaya başlaması süreci incelenmiş ve iyileştirilmiştir. İncelemeler sonucunda ototermal dönüştücü (OTD), yakıt pili, katalitik konvertör ve ısı eşanjöründen oluşan SOFC sisteminin dinamik matematik modeli üzerine çalışmalar yapılmıştır. Yapılan analiz ve simülasyonlar sonucunda sistemin en iyi şekilde devreye alınmasının yolunun %60 yükle çalışmaya başlamak olduğu tespit edilmiş. Bu strateji sayesinde hem zaman hem de enerji kazanımı sağlanmıştır (4). Ayrıca yakıt olarak H2 (Hidrojen) kullanılması sonucunda yan ürün olarak su ve ısı açığa çıkmaktadır. Dolayısıyla hava kirliliğine neden olan karbon ve türevlerinin olmaması nedeniyle çevre dostu bir enerji üretim şeklidir.

Dünyada insansız hava araçlarında hidrojen kullanımına yönelik çalışmalar devam etmektedir. Özellikle Çin’de çok rotorlu dronları araştırma geliştirme konusunda çalışan bir grup olan Shenzen MicroMulticopter Co. Hidrojen yakıtlı dronlar üzerinde çalışmaktadır. Bu grup İskoçya’da bulunan Hy-Hybrid Energy ile 2021 yılında bir ortaklık anlaşması imzalayarak hidrojen tahrikli dronların geliştirilmesi için küresel çapta bir iş birliğine imza atmıştır. Prototip olarak ise tepesinde hidrojen yakıt tankını taşıyan drone geliştirilerek piyasaya sunulmuştur (6). Bununla birlikte Hy-Hybrid Energy tarafından dünyanın ilk uluslararası hidrojen havacılık konferasın (IHAC) 2021 yılı Eylül ayında gerçekleştirilmiştir.

 

Şekil 2: Hidrojen Yakıtlı Drone

Türkiye’de halihazırda pek çok firmanın hidrojen ve yakıt pili teknolojileri üzerine çalışmalar gerçekleştirip İHA uygulamalarında maliyet etkin çözüm üretmeye çalıştığı bilinmektedir. Özellikle Proton Değişimli Membranlı Yakıt Pili (PEMYP) ve Katı Oksit Yakıt Pili (KOYP) membran hazırlama/üretimi konularında çalışmalar Üniversite-Sanayi İşbirliği gerçekleştirilerek sürdürülmeye çalışılmaktadır. Mini İHA’larda kullanılmaya başlayan zamanla taktik ve stratejik seviye İHA’larda da kullanılabilmesi arzu edilmektedir.

Su Üstü ve Su Altı Platformlarında Hidrojen ve Yakıt Pili Kullanımı

Deniz taşıtları için gerekli elektriksel güç, dizel veya gaz yakıtlı jeneratörler vasıtasıyla gerçekleştirilmektedir. Geleneksel enerji üretimi, günümüze kadar büyük oranda bu dizel veya gaz yakıtlı jeneratörler ile yapılmaktaydı. Bunun dışında nükleer enerji ile hareket enerjisi üreten sistemlerde vardır. Ancak bunların dışında alternatif enerji kaynağı olarak hidrojen ve yakıt pili sistemleri güvenli, sessiz, maliyeti düşük ve çevreci bir enerji üretim yöntemi olarak karşımıza çıkmaktadır .

Savaş gemilerinde ve denizaltılarda düşük iz ve akustik,  daha az kızılötesi yayılım, yüksek direnç ve dayanma gücü gibi amaçlarla elektrik enerjisi üretiminde hidrojen enerjisi ve yakıt hücresi kullanımı alternatif ve etkili bir yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu da harp ortamında düşmana karşı üstünlük ve avantaj sağlayabilmektedir.

Denizaltı taşıtları savaş sırasında hem sessiz ve hem de uzun süreli su altında kalması gereken harp araçlarıdır. Hareket ve diğer enerjilerinin sağlanması için dizel yakıtlı jeneratörler hem gürültülü ve hem de yakıtın yakılması zorunludur. Bu taşıtlarda yakıt hücresi gelecekte büyük savaş üstünlükleri sağlama potansiyeli taşımaktadır. Denizaltılar için tasarlanıp kullanılacak yakıt pilleri; yüksek verim, sessiz enerji üretim süreci, düşük kızılötesi yayılım izi, düşük bakım gibi avantajlar içerirler. Taşıtlarda hareket enerjisini üreten güç kaynaklarının havadan bağımsız işletilebilmesi ile gelecekte klasik denizaltıların, nükleer denizaltılara karşı etkili bir alternatif konumda yer almalarını sağlayabilecektir.

Yakıt pillerinde transformatör ve jeneratöre ihtiyaç duyulmadığından elektrik ve mekanik kayıpları minimumdur. Sistemde kullanılan hidrojen gazı dayanıklı tanklarda taşınır. Yakıt pili sistemi bağımsız bir tahrik sistemi olarak, batarya sistemi ile birlikte veya bataryayı şarj etme amaçlı kullanılabilir. Yakıt pili sistemi pervaneye giden gücü üretirken aynı zamanda dizel jeneratörünün yaptığı görev gibi pilleri de besler. Bu sistem denizaltıya tamamen havadan bağımsız olarak şnorkel veya şarj etmeye gerek duyulmaksızın birkaç haftadan daha fazla sürekli dalışta görev yapma olanağı verir.

Su üstü platformlarda, gemilerde, hibrit tahrik sistemleri, birden fazla sistem içerirler. Genel itibariyle biri geleneksel sistem olup ikinci veya daha fazla tahrik sistemleri de yeni ve alternatif sistemlerden oluşur. Geleneksel sistemlerin başında dizel-elektrik tahrik sistemi gelir. Alternatif tahrik sistemleri ise akü ile beslenen elektrikli tahrik sistemi veya yakıt pili gibi geliştirilmekte olan tahrik sistemlerinden biri veya birkaçı olabilmektir. Halihazırda platformlarda çok geniş yer tutan bu sistemler, hibrit bir şekilde yakıt pilleriyle bir arada kullanılmasıyla daha az yer tutarak platforma daha fazla faydalı yük ya da personel taşıma veya depolama imkanı sağlamaktadır.

Şekil 3: Geleneksel Güç Sistemi ile Hibrit Güç Sistemi Kullanım Farkı 

Dizel jeneratörler ve gaz türbinlerine göre yüksek verimli ve hafif olması, aynı güç seviyesinde daha az hareketli parça daha az ses izi olasılığı, daha az kızılötesi ışınım, eksoz gazları ve titreşimi daha küçük gemi izi,  modüler birimler halinde küçük guruplar ve gemiye dengeli dağıtım ile isabet alma durumunda çalışma olasılığını maksimize etme, aynı güç seviyesi için daha az miktarda CO2, NOx, SOx yayılımı ile sera etkisine olumlu katkıları, yüksek verimde elektrik üretim, ( % 40 - %70),  aynı oranda güç için daha hafif olmaları hali hazırda hidrojen ve yakıt pilleri için yatırım yapmak için yeterli sebepleri oluşturmaktadır.

Sonuç ve Değerlendirme

Sanayileşmenin temelinde enerji vardır. Sanayi Devriminden beri fosil enerji kaynaklarına olan ihtiyaç artan bir şekilde devam etmektedir. Enerjinin güvenilir yollardan sürdürülebilir arzı ülkeler için olmazsa olmazdır. Ancak fosil kaynakların arz güvenliği ve iletim sorunları her daim alternatif arayışları da berberinde getirmektedir. Bu kapsamda hidrojen enerjisi ve yakıt pilleri bir alternatif enerji kaynağı olarak ortaya çıkmaktadır. Üstelik fosil yakıtlara göre daha temiz ve sürdürülebilir olan bu kaynakların kullanımının giderek artacağı yadsınamaz bir gerçektir.

Türk Savunma Sanayii ekosistemi artan bir ivmeyle ülkemiz için yeni projeler üretmekte ve her geçen gün dışa bağımlılığın azaltılması için gayret göstermektedir. Geliştirilen ürünler sahada kendini ispat etmekte ve güvenlik güçlerimizin harekat kabiliyetine önemli katkılar sunmaktadır. Bu başarının sürdürülebilir bir şekilde devam etmesinde katma değeri yüksek teknolojik gelişmelerin takip edilerek hayata geçirilmesi ve bunların ihraç edilerek ülke ekonomisine katkı sunulması önemlidir. Bu amaçla son dönemde meydana gelen enerji krizlerinin de dikkate alınarak alternatif enerji kaynaklarını kullanan güç ve tahrik sistemleri üzerine çalışmalar yapmak ve bunları mevcut platformlara uygulayabilmek önem arz etmektedir. Burada karşımıza hidrojen enerjisi ve yakıt pilleri uygulamaları çıkmaktadır.  Unutulmamalıdır ki Türkiye’nin ‘Yeni Sanayi Devrimi’ni de kaçıracak lüksü yoktur.

 

Kaynakça

  1. Dr. Ömer Faruk Tunçbilek, Ankara Üniversitesi, Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Çevresel Etkileri, Doktora Tezi, 2021.
  2. Abdullah Çavuşoğlu, Uludağ Üniversitesi, Yakıt Pilleri ve Kullanım Alanları,2006.
  3. Prof. Dr. Bilsen Beşergil, Yakıt Pilleri, http://bilsenbesergil.blogspot.com/p/6_70.html
  4. Duygu Altın, İnsansız Hava Araçlarında Alternatif Yakıt Sistem Tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, 2014.
  5. Dr. Mahmut Turhan, Kocaeli Üniversitesi, Yakıt Pili Güç Sisteminin Su Üstü Platformlara Uygulanması,2011.

https://fuelcellsworks.com/news/hy-hybrid-energy-goldi-mobility-and-mmcuav-sign-partnership-agreement-on-hydrogen-drone-business/

What's Your Reaction?

like

dislike

love

funny

angry

sad

wow

Dr. Ömer Faruk TUNÇBİLEK 1988 yılında Ankara’da doğan Ömer Faruk TUNÇBİLEK 2010 yılında Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği (İngilizce) bölümünden mezun olmuştur. Lisansüstü çalışmalarını Ankara Üniversitesi’nde Yenilenebilir Enerji alanında tamamlayarak 2021 yılında doktor unvanını almaya hak kazanmıştır. İş hayatına 2010 yılında Bosna-Hersek’te bir enerji firmasında proje mühendisi olarak başlamıştır. Bir süre Çin Halk Cumhuriyeti’nde bu firmanın üretim hattında gözlemci/denetçi olarak bulunmuştur. Askerlik vazifesinin ardından 2012 yılında AB Kırsal Kalkınma Ajansı’nda (IPARD) çalışmaya başlamış ve 2015 yılı itibariyle Yenilenebilir Enerji Projelerinden Sorumlu Uzman olmuştur. Avrupa Birliği hibelerinin Türkiye’de yenilenebilir enerji projeleri için kullanımında ve EPDK Lisanssız Elektrik Üretim Yönetmeliği Mevzuatlarının hazırlanmasında etkin rol almıştır. 2018 yılında Cumhurbaşkanlığı Savunma Sanayii Başkanlığı’nın ilan ettiği sınavı kazanmış olup halen bu kurumda muhtelif projelerde proje yöneticisi olarak görevine devam etmektedir.