1

1.GİRİŞ

Günümüzde, dünya enerji talebinin yaklaşık %80’i birincil enerji kaynağı olarak

bilinen hidrokarbon temelli fosil yakıtlardan karşılanmaktadır.Yanmaları sera gazları, ozon

delikleri ve asit yağmurları ile sonuçlanan büyük çaplı küresel sorunlara neden

olmaktadır.Hidrojen, bugün kullanılan sistemler ile maliyet, çevresel etkiler ve kullanım

verimliliği açısından karşılaştırıldığında 21. yüzyılın sonunda fosil yakıt sistemlerinin yerini

alacak en önemli alternatif enerji taşıyıcısı olarak dikkat çekmektedir. Hidrojen evrenin en

basit ve en çok bulunan elementi olup, renksiz, kokusuz, havadan 14.4 kez daha hafif ve

tamamen zehirsiz bir gazdır.

Güneş ve diğer yıldızların termonükleer tepkimeye vermiş olduğu ısının yakıtı

hidrojen olup, evrenin temel enerji kaynağıdır. Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim

kütle başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir. 1 kg hidrojen 2.1 kg doğal gaz veya 2.8 kg

petrolün sahip olduğu enerjiye sahiptir. Ancak birim enerji başına hacmi yüksektir. Hidrojen

doğada serbest halde bulunmaz, bileşikler halinde bulunur. En çok bilinen bileşiği ise sudur.

Hidrojenden enerji elde edilmesi esnasında su buharı dışında çevreyi kirletici ve sera etkisini

artırıcı hiçbir gaz ve zararlı kimyasal madde üretimi söz konusu değildir. Isı ve patlama

enerjisi gerektiren her alanda kullanımı temiz ve kolay olan hidrojenin yakıt olarak

kullanıldığı enerji sistemlerinde, atmosfere atılan ürün sadece su ve/veya su buharı

olmaktadır. Hidrojen petrol yakıtlarına göre ortalama 1.33 kat daha verimli bir yakıttır.

Hidrojen gazı farklı yöntemlerle elde edildiği gibi su, güneş enerjisi veya onun

türevleri olarak kabul edilen rüzgar, dalga, ve biyokütle ile de üretilebilmektedir. Güneş

enerjisinden elektrik enerjisi üretilmesi işlemi , çeşitli alanlarda uygulanmıştır . Fakat güneş

enerjisinin depolanması işlemi bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır . Güneş enerjisinin ,

temiz ve tehlikesiz bir biçimde elektrik enerjisine dönüştürülmesi , silisyum yarı iletkeninden

yapılmış güneş panelleriyle gerçekleştirilmiştir. Bu elektirik enerjisinin H2 ile depolanması

işlemi elektroliz ile gerçekleştirilir . Üretilen H2 ' den depoladığı enerjinin tamamı

alınabilmektedir . H2 ' nin saflığı % 99 .0 civarında olduğundan çeşitli kimya sanayinde

hammadde olarak kullanılabilir . Bu nedenle H2 ' nin üretimi konusunda fotoelektrolizin

gelecekte önem kazanması beklenmektedir .

Fotoelektroliz henüz araştırma safhasını tamamlamamış olmasına rağmen güneş

enerjisinden hidrojen üretimi için gelecek vaat eden önemli bir yöntem olarak karsımıza

çıkmaktadır. Burada güneş enerjisini absorbe eden ve yarıiletken bir diyot olan fotoelektrot,

su molekülünün elektrolizi için gerekli voltajı üretmektedir. Fotoelektrot, katalitik, koruyucu

2

ve fotovoltaik tabakalara sahiptir. Fotoelektroliz, hidrojenin güneş enerjisinden üretimi için en

verimli yöntem olarak kabul edilmekte olup, yenilenebilir kaynaklardan hidrojen üretimi ve

hidrojen ekonomisine geçiş için büyük önem taşımaktadır. Fotoelektrotların, düşük maliyetli

ve yüksek verime sahip olması gerekmektedir. Günümüzde geliştirilen fotoelektrotlar % 10

civarında verime sahiptir.

3

2. ENERJİ

Enerji; bir cismin ya da sistemin iş yapabilme yeteneği olarak tanımlanabilir.Başlıca enerji

çeşitleri; kimyasal enerji, ısı enerjisi, elektrik enerjisi ve mekanik enerji olarak sıralanabilir.

Bu enerjiler, enerji dönüşüm sistemleri ile birbirlerine dönüşebilirler. Dünyadaki enerjilerin

orijini güneş enerjisi olup, özellikle yenilenebilir enerji kaynaklarının çoğu güneşten doğrudan

ya da dolaylı olarak almaktadır. Kömür, gaz, petrol gibi fosil yakıtlar ve nükleer enerji gibi

kaynaklar yenilenemez enerji kaynağı olarak tanımlanır.

Çizelge-1’de enerji kaynaklarının sınıflandırılması verilmiştir. [1]

Çizelge-1. enerji kaynaklarının sınıflandırılması

Yenilenebilir enerji kaynakları Yenilenemez enerji kaynakları

1-Direkt güneş enerjisi (ısı, ışık) 1-Fosil Yakıtlar

a) Gaz (doğal gaz)

b) Sıvı (petrol, katran)

c) Katı (kömür)

2-Biyolojik (Fotokimyasal)

a) Odun

b) Tahıl ve hayvanlar

c) Organik artıklar

d) Biyolojik gaz

e) Hayvan ve İnsan gücü

2-Nükleer

a)Fizyon (U235, U238)

(Th232)

b)Füzyon (deteryum,lityum)

3-Dolaylı güneş enerjisi

a) Su veya hidrolik

b) Rüzgar

c) Dalga

d) Termik ısı farkı

e) Gelgit

3-Jeotermal ( ısı kapanı)

4-Jeotermal (Isı akışı)

4

2.1. Dünyadaki Enerji Durumu

2009 yılı verilerine göre dünya toplam enerji tüketimi 11.164 milyon ton petrol eş

değeri (Mtep) olarak gerçekleşti. Bugünkü verilerle bu talebin % 85 den fazlası fosil yakıtlara

dayalı kaynaklardan karşılanıyor. Uzun süreli eğilimler dikkate alındığında dünya enerji

talebindeki yıllık artış ortalama % 1.8 civarında seyrediyor. Enerji sektörü, iklim değişikliğine

neden olan sektörlerin başında yer alıyor. Uluslar arası Enerji Ajansı’nın 2010 tarihli

öngörülerine göre 2030 yılında enerji talebinin karşılanabilmesi için 20 trilyon ABD doları

yatırım yapılması gerekiyor. Gelecek için yatırımların, fosil yakıtlara dayalı enerji üretimine

yapılması halinde, bugünkü sera gazları düzeyinin % 50 oranında artacağı hesaplanmış. Oysa

sürdürülebilir bir gelecek için küresel ölçekte sera gazlarının 2050 yılına kadar % 50 oranında

azaltılması, vazgeçilmez bir ön koşul. Bu ön koşulun sağlanabilmesi için bütün ülkeler

stratejik plan yapıyor. Bu planlarda enerji verimliliği ve yenilenebilir (sürdürülebilir) enerji

kaynaklarının kullanımı öne çıkıyor. Yapılan projeksiyonlarda, CO2 salınım düzeyinin

bugünkü değerinde kararlı hale getirilebilmesi için dahi, 2050 yılına dek yenilenebilir enerji

kaynaklarına dayalı 10 milyon megawatt gücünde enerji santrali kurulmasına ihtiyaç

duyulacağı ön görülüyor.

Güneş, rüzgar, biyokütle, jeotermal, hidrodinamik, okyanus ve dalga enerjisi

sürdürülebilir enerji kaynakları arasında öne çıkanlar. Bu kaynakların ısıl, mekanik,

elektromanyetik, kimyasal ve fotovoltaik dönüşümlerle kullanılmasını sağlayacak teknolojiler

ile bu teknolojilere dayalı güç sistemleri, bu sektörün değer zincirini oluşturuyor.

Yenilenebilir enerji kaynakları içinde güneş enerjisi en yüksek potansiyele sahip enerji

türüdür. Yapılan hesaplamalara göre dünyanın ihtiyaç duyduğu enerjinin büyük kısmı güneş

tarafından sağlanıyor. Burada temel sorun güneş enerjisini ulaşılabilir bir maliyetle diğer

enerji türlerine dönüştürmek. Dönüşüm maliyetinin uygun değerlere indirilmesi halinde diğer

enerji türlerine ihtiyaç kalmayacak[2]. Şekil-1’de dünyadaki birincil enerji kaynaklarının

kullanım durumu gösterilmiştir [3].

5

Şekil-1. Dünya’daki birincil enerji kaynaklarının tüketimi,2010

2.2. Türkiye’de Enerji Durumu

2000–2010 arasında Türkiye’nin birincil enerji üretimi % 34.6 artışla 81.2 milyon

TEP’den 109.3 milyon TEP’e ulaşmıştır. 2000–2011 arasında elektrik kurulu gücü % 94.6

artışla, 27 264 MW’den 53 051 MW’ye yükselmiştir. Aynı dönemde elektrik tüketimi 128.3

milyar kWh’den, % 78.8 artışla 229.3 milyar kWh’ye varmıştır. Şekil-2’de Türkiye’de birincil

enerji kaynaklarının tüketimi görülmektedir[3]. Mavi bölge %4.1 oranında hidrolik

kaynakları, turuncu bölge %2.4 oranında diğer yenilenebilir kaynakları, mor bölge ise % 4.2

oranında odun-çöp kaynakları temsil etmektedir.

Şekil-2. Türkiye’de birincil kaynakların tüketimi, 2010

2010 yılı Türkiye toplam birincil enerji tüketimi 109.3 MTEP olarak gerçekleşmiştir.

Tüketimin % 89.3’lük kısmını fosil yakıtlar oluşturmaktadır. Yerli enerji üretimi 2009’da 30

6

328 MTEP olarak gerçekleşmiş, 2010’da ise 32,493 MTEP’e yükselmiştir. Bu değerin %

49,3’ünü linyit ve daha az miktarda asfaltit oluşturmaktadır. Taş kömürü üretiminin toplam

üretim içindeki payı % 4,6’dır. Hidrolik ve diğer yenilenebilir kaynaklarından yapılan üretim,

yerli üretimin % 21,9’unu oluşturmakta ve toplam enerji talebinin % 6,5’ini teşkil etmektedir.

Katı olmayan fosil yakıtlar (petrol ve doğal gaz) yerli üretim içinde % 10,1 gibi çok düşük bir

paya sahiptirler. Hatta ticari olmayan odun ve bitkinin yerli üretimdeki payı % 14’le petrol ve

doğal gaz toplamını geçmektedir [3]. Çizelge-2’de Türkiye’nin Birincil Enerji Üretimi ve

Talebi verilmiştir [3].

Çizelge-2. Türkiye’nin Birincil Enerji Üretimi ve Talebi (MTEP) (2010)

Yüksek Planlama Kurulunun 18.05.2009 tarih ve 2009/11 sayılı kararıyla yürürlüğe giren

“Elektrik Enerjisi Piyasası ve Arz Güvenliği Stratejisi Belgesi”nde yerli ve yenilenebilir

enerji kaynaklarının değerlendirilmesiyle ilgili olarak;

”Bütün linyit ve taşkömürü kaynaklarının 2023 yılına kadar elektrik enerjisi üretimi

amacıyla değerlendirilmesi”

”2023 yılına kadar teknik ve ekonomik olarak değerlendirilebilinecek hidroelektrik

potansiyelin tamamının elektrik enerjisi üretiminde kullanımının sağlanması”

”Rüzgar enerjisi kurulu gücünün 2023 yılına kadar 20.000 MW’ye çıkarılması,”

”Güneş enerjisinin elektrik üretimi için de kullanılmasının yaygınlaştırılması,”

hedefleri yer almaktadır [3].

7

Gerçekleşmesi beklenen emisyon azaltımının OECD ülkelerinde %42’si ve OECD dışı

ülkelerde %54’ü enerji verimliliğinden gelecektir. OECD ülkelerinin yüzdesinin düşük

olmasının en büyük sebebi gelişmekte olan ülkelerde enerjiye uygulanan sübvansiyonların

enerji verimliliği tedbirlerinin alınmasını engellemesidir. (WEO, 2011)

Şekil-3’te emisyon azaltımı için uygulanan politikalar gösterilmiştir [1].

Şekil-3. Uygulanan Emisyon Azaltım Politikaları.

Görüldüğü üzere ülkemizde ve dünyadaki enerji eğiliminin belirlenmesinde çevreye verilen

zararın minimum düzeye indirilmesi amaçlanmaktadır. Bu durum Türkiye tarafından 2009

yılında imzalanan Kyoto Protokolü’nün de bir sonucudur. 2012 yılına kadar protokol ülkeleri

tarafından herhangi bir yükümlülüğe sahip olamayan ülkemiz için 2012 sonrasında

uygulanması planlanan yenilenebilir enerji teknolojileri araştırılmaktadır. Bahsedildiği üzere,

bu kaynakların başında gelen güneşin en verimli şekilde değerlendirilerek Türkiye’nin enerji

talebinin en düşük maliyetle karşılanması için çalışmalar yapılmaktadır.

Kyoto Protokolü Kapsamında Yenilebilir Enerji Politikaları

Türkiye’nin, iklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi için referans (önlemlerin alınmadığı)

senaryo kullanılarak hesaplanan toplam karbondioksit eşdeğer salınımları, 2004 yılında

yaklaşık 300 milyon ton iken, yıllık ortalama yüzde 6’lık bir artış göstererek 2020 yılında

yaklaşık 605 milyon tona ulaşacaktır. Bu nedenle farklı sektörlerde uygulamalara ihtiyaç

vardır. Örneğin;

8

Enerji temini ve CO2’nin fiziksel uzaklaştırılması

Fosil yakıtlı elektrik üretiminde daha verimli, ekonomik ve temiz yakma

teknolojilerinin kullanımının arttırılması: süperkritik santraller, akışkan yatak yakma

teknolojileri, birleşik çevrim gaz türbini (CCGT) teknolojisi, bütüncül gazlaştırma

birleşik çevrim (IGCC) teknolojisi, kojenerasyon sistemleri ve yakıt hücreleri

Yenilenebilir enerji çevrim teknolojilerinden yararlanarak, yenilenebilir enerji

kaynaklarının birincil enerji kaynakları içindeki payının arttırılması: Hidrolik,

biyokütle, biyogaz, rüzgar, güne, hidrojen ve jeotermal enerji.

Fosil yakıt kalitesinin iyileştirilmesi ve karbon içeriği daha düşük fosil yakıtlara geçiş,

fiziksel ve biyolojik CO2 uzaklaştırmava tutma teknolojileri (örneğin, elektrik

santrallarında, rafinerilerde ve büyük fabrikalarda CO2 tutma; CO2’nin taşınması ve

yeraltında depolanması; karbon tutucu biyolojik ortamların geliştirilmesi ve

artırılması).

Üretimden, ulaştırmadan, çevrimden ve dağıtımdan kaynaklanan sera gazı

salınımlarının azaltılması[4].

Bu tez çalışmasında güneş enerjisi kullanarak hidrojenin elde edildiği fotoelektroliz yöntemi

araştırılmıştır. Öncelikle neden hidrojenin tercih edildiği araştırılarak hidrojenin elde edildiği

yöntemler ve bu yöntemlerin avantaj/dezavantajları araştırılarak fotoelektroliz yöntemi ele

alınmıştır.

2.3. Hidrojen

Hidrojen “su yaratıcı” anlamında bir sözcüktür. Saf hidrojen (H2) yapay bir maddedir; doğal

olarak yeryüzü atmosferinde sadece 1 ppm gibi eser miktarlarda bulunur, oysa Jüpiter’in

%75’i, Evrendeki atomların %90’ı hidrojendir. Yeryüzündeki hidrojen su molekülünde,

canlılarda ve fosil maddelerde bulunur.

Hidrojeni 1520’de ilk defa Paracelsus kullandı, element olarak keşfi ise 1766 yılında İngiliz

fizikçi Henry Cavendish tarafından gerçekleştirildi. Antoine-Laurent de Lavoisier, bu

elemente 1781 de, havada yandığı zaman su meydana geldiğinden Yunanca su anlamına gelen

‘hidro’ ile oluşum anlamındaki ‘genes’ terimlerinin birleştirilmesiyle ‘hidrojen’ adını verdi ve

ilk hidrojen gazı 1782 de Jacques Charles tarafından üretildi.

Hidrojen, geçmişten yakın zamana kadar endüstriyel bir kimyasal madde olarak

kullanılmıştır; en yaygın kullanım alanı rafinerilerde hampetrolün işlenmesi prosesleridir.

9

Hidrojenin bir kimyasal madde olmasının dışında, bir enerji kaynağı olarak kullanılabildiği

teknolojilerin geliştirilmesi çağımızın önemli buluşlarındandır; 19. Yüzyılda Jules Verne de,

bilim adamlarımız günümüzde gerçekleştirdiği bu gelişimi öngörerek, gelecekte hidrojenden

bir enerji kaynağı olarak yararlanılabileceğini söylemiştir [5].

2.3.1. Hidrojenin Özellikleri

Hidrojen periyodik sistemin ilk elementidir; H sembolüyle gösterilen hidrojen atomu +1

değerli bir çekirdek ve 1 elektrondan oluşur, atom ağırlığı 1.008’dir; buna protyum denir. İki

hidrojen izotopu daha vardır; bunlar az miktarda bulunan deuteryum (bir proton ve bir nötron)

ve doğal olarak bulunmayan yapay olarak üretilen radyoaktif trityumdur (bir proton ve iki

nötron).

Hidrojen molekülü, bir elektronu olan pozitif yüklü iki hidrojen atomundan oluşur; normal

şartlar altında renksiz, kokusuz, toksik olmayan, havadan ve helyumdan daha hafif ve gaz

halindedir, –253 ⋄C’nin altında (20.3 K) sıvı (deuteryum) ve 11 K derecede katı (trityum)

haldedir

Boron (NaBH4) bileşikleri metal hidratlar arasında en güvenli hidrojen kaynakları ve

depolarıdır; suda %50’den fazla konsantrasyonlardaki çözeltisine “sodyum borohidrür” denir,

yakıt olarak kullanılır ve bu konsantrasyonlarda alevlenmez. Borohidrür toksik değildir,

yandığı zaman çevreye zarar vermeyen normal boraksa dönüşür. Türkiye Dünyadaki en

büyük boron üreticisidir ve en önemli boron mineralleri tinkal, kolemanit ve uleksittir.

Çizelge-3’te hidrojenin fiziksel özellikleri verilmişir[5].

Çizelge-3. Hidrojenin Fiziksel Özellikleri

ρ, g/cm3

AA KN, K TC, K DN, K M, kg/mol ID, MJ/Nm

3

Hidrojen, NŞA

gaz 0.0899 1.008 20.28 33.30 14.01 0.002 10.76-12.71

Deuteryum, 20.3 K sıvı 70.8 2.016

Trityum, 11 K katı 76.0 3.024

ρ: yoğunluk, AA: atom ağırlığı, KN: kaynama noktası, TC: kritik nokta, DN: donma noktası, M:

kütle, ID: ısı değeri

10

2.3.2. Hidrojenin Üretimi

Doğal halde gaz hidrojen oldukça az miktarlardadır; atmosferde, yükseklikle değişen

oranlarda, 150000-20000 kısımda sadece 1 kısım bulunur. Doğal hidrojen volkanlardan,

kömür yataklarından, petrol kuyularından meydana gelir. Hidrojen evrenin en temel

maddesidir, güneş ve yıldızlarda bulunan ana bileşiktir. Yeryüzündeki hidrojenin genellikle

tamamı diğer elementlerle bileşik halindedir. Su molekülü iki atom hidrojenin bir atom

oksijenle olan bileşiğidir; dolayısıyla tüm okyanuslar çok büyük hidrojen depolarıdır. Ayrıca,

bitkiler, hayvanlar ve fosil maddelerini de kapsayan tüm organik maddelerin önemli bir

parçası hidrojendir. Volkanik gazların bulunduğu yerlerde hidrojen serbest halde, yani H2

halindedir; fakat çok hafif olduğundan hemen dağılır, kazanılamaz. Hidrojen, ayrıca alkali

metallerle kimyasal olarak birleşmiş halde bulunur (NaBH4

gibi).

Şekil-4’te hidrojenin üretim kaynakları ve prosesleri verilmiştir [5].

Şekil-4. Hidrojenin Üretim Kaynakları ve Prosesleri

Hidrojen üretiminde kullanılan çeşitli kaynaklar ve teknolojiler vardır; doğal gaz, kömür,

benzin, metanol veya biyokütleden ısıyla; bakteriler ve alglerden fotosentezle; elektrik veya

güneş ışığıyla suyu parçalayarak hidrojen üretilebilir.

Bugün hidrojen üretiminin çoğu fosil hammaddelerden yapılır. Dünya hidrojen üretiminin

%48 i doğal gazdan ( %90 dan fazlası metandır), %30 u rafineri ürünlerinden, %18 i

11

kömürden ve kalan %4 ü de suyun elektroliziyle elde edilmektedir (Şekil-8). Bunların dışında

geliştirilmiş ve geliştirilmekte olan yeni hidrojen üretim prosesleri vardır.

Hidrojen üretim metotları hammaddeye, elde edilmek istenen hidrojen miktarına ve saflık

derecesine göre değişir. Yeni geliştirilmekte olan yöntemler de dikkate alındığında hidrojen

üretim teknolojileri üç grup altında toplanabilir,

• Fosil Hammaddelerden: Kömürün Gazlaştırılması, Buhar Reformingi, Ototermal

Reforming, Termal Disosiyasyon.

• Yenilenebilir Enerji Kaynaklarından: Suyun Elektrolizi, Fotoelektroliz, Suyun Termal

Parçalanması, Biyokütle Gazlaşması

• Atık Gaz Akımlarından Hidrojen Kazanma: Rafineriler (buhar veya metanol reforming

fabrikaları proses gazı gibi) ve kimyasal madde fabrikaları (amonyak veya metanol

sentezi gibi) gibi işletmelerde hidrojence zengin atık gazlardaki hidrojeni arıtma [5].

2.3.3. Hidrojenin Kullanım Alanları

Şekil-5’te hidrojenin kullanım alanları verilmiştir.

Şekil-5. Hidrojenin Kullanım Alanları

12

Yakıt pilleri

Motorlu taşıtlarda kullanılan enerji üretim ve iletim sistemleri mekanik olup, sistemde

yakıt yakılarak enerji üretilmektedir. Bu üretilen enerjinin ancak taşıtın hareketine harcanan

kısmı %20 kadardır. Bu sistemlerde enerji üreteci olarak içten yanmalı motorlar kullanılmakta

ve kullanılan enerjinin %25-30‟ u mekanik enerjiye çevrilebilmekte, büyük bir kısmı olan

%70‟ i ise kullanılmadan atılmaktadır. Bunun yanında dışarı atılan gazlar gerek çevreye ve

gerekse ozon tabakasına zarar vermektedir. Bu zararlar ve enerjinin tamamına yakın kısmının

kullanılmadan atılması taşıt üreticilerini ve ilgili çevreleri oldukça rahatsız etmiştir. Daha

fazla enerjiden yararlanmak, temiz enerji elde etmek için alternatif enerji dönüşüm sistemleri

ve enerji kaynakları araştırılmaktadır. Bunlardan biri de yakıt pilleridir. Yakıt pilleri sabit

tesislerde kullanılmanın yanında mobil olarak taşınabilmesi özelliği dolayısıyla taşıtlarda

kullanılması için yoğun çalışmalar yapılmaktadır.

Yakıt pillerini çalışma özelliklerine göre birçok çeşitleri olmakla birlikte en çok

kullanılan tipi PEMFC ( proton değişim membran) tipidir. Sistem üç ana parçadan meydana

gelir. Anot, membran ve katot. Anot'a gelen hidrojen molekülleri önce proton ve tek hücreli

yakıt pilinin seması elektronlarına ayrılır. Proton ortada bulunan membran tarafından çekilir

ve membrandan geçerek katotta bulunan havanın içindeki oksijen ile birleşir. Anotta biriken

elektronlar, anot ile katot arasında dışarıdan kurulan bir kapalı devre teşkil edildiğinde, bu

devre üzerinden akarak, katotta birleşip saf su meydana getirerek bu çevrimde, ısı, saf su ve

elektrik enerjisi elde edilerek çevrim tamamlanır.

1839 yılında ilk yakıt pilinin yapıldığı bilinmektedir. İngiltere Swansea‟da yaşayan

Avukat William Grove yakıt pillerinin gerçek mucididir. Seyreltik sülfürik asit ile yaptığı ilk

hidrojen-oksijen yakıt pili 1839 yılında Philosophical Magazine dergisinde yayınlanmıştır. Ne

var ki kullanılabilir bir elektrik üreteci olarak görülmediğinden 1950‟lere değin unutulmuş.

Bu tarihte, yakıt hücreleri uzay uygulamalarında kullanılabileceği düşüncesiyle NASA‟nın

ilgisini çekmiştir. Bunun nedeni uzay araçlarındaki aygıtların çalışması için elektrik enerjisi

gerekiyor olmasıdır. Yeterli teknolojik üretim tesislerinin olmaması veya üretim oldukça zor

olması dolayısı ile yakıt pili yapımı yıllarca çok yavaş ilerlemiş, fakat 60‟lı yıllarda General

Electric firması Gemini ve Apollo uzay kapsüllerinde uzay gemisinin elektrik gücünü ve

astronotların su ihtiyaçlarını karşılamak için yakıt pillerinin ilk pratik uygulamasını yapmıştır.

Sir William Grove 20 tarafından bulunan Yakıt pili, 1839 yılından itibaren çeşitli tipleri

geliştirilmiştir.

13

Yakıt pillerinin kullanım amaçları aşağıda verilmiştir:

• Yakıt pilleri doğrudan hidrojendeki kimyasal enerjiyi elektrik enerjisinde çevirerek

oluşan saf suyu sadece üretimde kullanılabilecek potansiyel ısıya çevirebilecek bir

yapıya sahiptir.

• Hidrojen destekli yakıt pilleri sadece temiz bir teknoloji değil aynı zamanda

geleneksel yakıt teknolojilerinden 2-3 kat daha verimlidir.

• Geleneksel yanma tabanlı bir güç istasyonu elektrik üretmeyi genel olarak %33-35

verimlilikte sağlarken, yakıt pili sistemleri elektrik üretim etkinliğini %60 „ı aşan bir

orana çıkarabilir.

• Geleneksel arabalardaki benzi deposu normal sürüş koşulları altında aracı hareket

ettiren gücü sağlayan kimyasal enerjiyi %20 den daha az etkin olarak çevirmektedir.

Elektrik motoru kullanan hidrojen yakıt pilli araçların enerji verimliliği çok daha

fazladır ve içten yanmalı benzin deposuna sahip araçlara kıyasla yakıt tüketimi %50

daha düşüktür.

• Ek olarak yakıt pilleri daha az hareket eden parçaya sahip olup sessiz çalışan ve pek

çok uygulamaya uygun yapıdadır(Kükrer, 2007) [6].

Yakıt Olarak

Hidrojen, hava veya oksijenli ortamlarda kolaylıkla yanar ve açığa çıkan ısı ısıtmada, yemek

pişirmede, türbinlerde, buhar kazanlarında veya motorların çalıştırılmasında kullanılabilir.

Isıtma Kazanları

Hidrojen standart yakma metotlarıyla yakıldığında çok yüksek sıcaklıklar meydana gelir ve

fazla miktarda NOx açığa çıkar. NOx miktarının düşük olması için hidrojenin daha düşük

sıcaklıklarda yanması gerekir. Bunun için yakma işlemi uygun bir katalizörün bulunduğu

katalitik burnerlarda yapılır. Böylece yanma sıcaklığı çok fazla yüksek olmadığından oluşan

Doğal gaz kullanılan konvensiyonal burnerlerde, herhangi bir değişiklik yapılmasına gerek

olmadan %15 hidrojen+%85 doğal gaz karışımı kullanılabilir.

Hidrojen Motorları

Rudolf Erren ve arkadaşları iç yanmalı motorları hidrojenle çalışır hale dönüştüren bir yöntem

geliştirdiler (1920) ve çok sayıda otomobil, otobüs ve tanker motorunu hidrojenle

çalışabilecek şekle dönüştürdüler. USA’da 1970’li yıllarda Roger Billings adında bir genç,

Erren’in yönteminden yaralanarak bir Model A Ford motorunu hidrojen yakıt kullanabilecek

14

şekle dönüştürdü. Daha sonra Roger Billings ve arkadaşları Hydrogen Components, Inc.

(HCI) olarak bilinen şirketi kurarak çeşitli şirketlere danışmanlık yapmaya başladılar.

Günümüzde bazı otomotiv üreticileri (Mazda, BMW, gibi) hidrojenle çalışan araçlar üzerinde

ileri derecelerde üretim ve deneme çalışmaları içindedirler.

Doğal gaz kullanılan sabit elektrik üretim motorları ve ısıtma cihazları motorları kolaylıkla

hidrojen yakıtla çalışır şekle dönüştürülebilmektedir.

Türbinler

Günümüzde bazı gaz fabrikalarında kömürün gazlaştırılmasıyla çalıştırılan elde edilen sentez

gazı (karbon monoksit + hidrojen) kullanılmaktadır; geliştirilen yakma hücrelerinde yüksek

oranlarda hidrojen içeren sentez gazı kullanılabilmektedir. Bazı türbin üreticileri, yakıt

pillerinden daha ucuz olduğundan hidrojen yakıtıyla çalışan tübünler üretmeyi tercih

etmektedirler.

Hibridler

Katı oksit yakıt pili teknolojisinin türbinlere adaptasyonuyla bir gaz güç fabrikasının elektrik

verimi optimum koşullarda %80 dolayına kadar yükselmektedir. Yakıt pilleri tek başlarına ele

alındığında kullanılan yakıtın enerjisinin en fazla %60’ından yararlanılmaktadır; kalan kısım

düşük kaliteli ısı oluşumuna harcanır.

Ayrıca yakıtın tamamı kullanılamadığından bir kısım yakıt eksoz gazlarıyla dışarı atılır;

buradaki yakıt hibrid sistem türbinlerde kullanılabilir hala getirilir.

Rafineri ve Petrokimya Komplekslerinde

Rafinerilerde işlenen hammaddeler ağırlaştıkça, hafif ürünlerin elde edilmesi için hidrojene

olan gereksinim artar. Özellikle çevre yönetmelikleri gereğince bazı petrol ürünlerinde

aromatiklerin ve sülfür bileşiklerin sınırlandırılması da hidrojen tüketimini artmasına neden

olan faktörlerdir. Rafinerilerde hidrojen kullanılan temel prosesler arasında,

• Sülfürlü ne nitrojenli bileşiklerin uzaklaştırılması için uygulanan işlemleme (treating)

prosesleri,

• Olefinler ve aromatikler gibi çift bağlı veya üçlü bağlı bazı bileşiklerin doygun

hidrokarbonlara dönüştürülmesi gerektiği hallerde uygulanan saturasyon prosesleri,

15

• Kraking reaksiyonlarında oluşan bileşiklerin doyurulması ve katalizörün koklaşmaya

karşı korunması, sayılabilir [5].

2.3.4 Hidrojenin Depolanması ve Taşınması

Fosil, nükleer, yenilenebilir ve elektrik enerjilerinden üretilen hidrojen çeşitli şekillerde

depolanarak tüketiciye ulaştırılır. Şekil-6’da hidrojenin üretimi, depolanması ve taşınması

şematik olarak gösterilmiştir[7].

Şekil-6. Hidrojenin Üretimi, Depolanması ve Taşınması

2.3.4.1 Hidrojenin Depolanması

Hidrojen kullanımının fazla olduğu yerlerde depolama önemlidir; örneğin, araç yakıtı olarak

kullanıldığında araç deposunun en az bir benzin deposu kadar güvenli ve bir depo benzinin

kat edebildiği kadar yol alabilecek kapasitede olması önemlidir.

• Hidrojen depolama genel olarak üç şekilde yapılabilir;

• Basınçlı tankta sıkıştırılmış gaz halinde depolama,

• Sıvılaştırılmış halde özel izolasyonlu tanklarda depolama,

• Özel katı maddeler içinde absorblatılarak depolama

16

a. Sıkıştırılmış Hidrojen

Hidrojenin sıkıştırılmış halde taşınması yıllardır uygulanan bir taşıma yöntemidir.

Hidrojen 800 bar basınca kadar sıkıştırılarak depolanabilir. Ayrıca, doğal gazın

depolanmasında uygulanan teknolojiler hidrojen için de kullanılabilir.

Sıkıştırılmış hidrojen depolama tankları çelik, kompozitle (özel alaşımlar)) kaplanmış

aluminyum veya kompozitle kaplanmış plastik malzemelerden yapılır. Bunlardan en

ekonomik olanı çelik malzemedir, fakat fazla ağır olduğundan sabit depolamalar için

uygundur. Ancak taşıtlarda kullanılacak depo tanklarının hafif kompozit malzemelerden

yapılması gerekir; bunlar 350 bar basınca kadar (ağırlıkça %10-12 hidrojen) güvenle

kullanılabilmektedir. Halen 700 bar basınca dayanıklı hafif kompozit malzemeler üretimine

yönelik çalışmalar devam etmektedir.

b. Sıvılaştırılmış Hidrojen

Hidrojen, süper izolasyonlu vakumlu tanklarda –253 ⋄C’de sıvı halde (LH

2) depolanabilir.

Sıvı hidrojen uzun mesafe yolcu araçlarında, uçaklarda ve uzay araçlarında çok avantajlı bir

yakıttır. Bu konuda uzun yıllardır yapılan araştırmalarla uygulama için önemli veriler elde

edilmiştir. Günümüzde sıvı hidrojen uzay araçlarında kullanılmaktadır, ancak kara araçlarında

kullanıma geçilmesi daha sonraki yıllarda olabilecektir.

c. Metal Hidrürler

Bazı metaller ve alaşımlar, normal basınç ve sıcaklıkta hidrojen absorblayarak hidrür

bileşiklerini meydana getirirler; hidrürler, hidrojen ile bir veya daha fazla başka elementler

içeren kimyasal maddelerdir.

Bir metal hidrür tankta bir ısı alışveriş sistemi ile metal granülleri bulunur. Metal

granüller, tıpkı bir süngerin suyu emmesi gibi hidrojeni absorblar. Isı alışveriş sistemiyle

tanka hidrojen doldurulurken ısı çekilir, tank boşaltılırken de ısı verilir; metal hidrür

ısıtıldığında absorbladığı hidrojeni serbest bırakır , hidrojen gazı metal ara yüzeylere doğru

gider, buralarda herbir hidrojen molekülü iki hidrojen atomuna ayrılır ve metal granüller

tarafından absorblanır; böylece metalik matriks içinde depolanır. Metal hidrür sistemi

pahalıdır ve hidrojenin doldurulması uzun zaman alır. Fakat depolama ve taşımada çok

güvenlidir; örneğin

17

tankın delinmesi halinde ısı sistemi hemen soğutmaya geçerek hidrojen kaçağını engeller.

Güvenlik yönünden benzin depo tanklarından daha üstündür. Şekil-7’de hidrojenin metal

hidrür olarak depolanması gösterilmiştir[5].

Şekil-7. Hidrojenin Metal hidrür Olarak Depolanması.

d. Karbonda depolama

Çok yeni ve gelecek vadeden bir teknoloji de özellikle nanofiberler, nanotüpler ve

fullerenler gibi nano yapılı farklı karbonların ve bazı karbon siyahlarının hidrojen depolayan

absorblayıcılar olarak kullanılmasıdır; karbon siyahı daha ucuz ve çok miktarlarda

üretilebildiğinden daha avantajlıdır.

Karbon nanotüpler tüp şeklinde dizilmiş grafit tabakalardır; çapları birkaç nanometre

ile 20 nanometre, boyları mikron seviyelerindedir. Çeşitli ilavelerle oluşturulan, örneğin

alkali-ilaveli (Li-K), nanotüpler de mevcuttur

Hidrojen, nanotüplerde iki şekilde depolanabilmektedir; fiziksel ve kimyasal olarak.

• Fiziksel depolama zayıf van der Waals kuvvetlerinin etkin olduğu bir depolamadır;

depolanan hidrojen etkin kuvvetlerin kaldırılmasıyla tekrar geri kazanılır. Depolama

ve geri kazanma işlemleri sürekli olarak tekrarlanabilir.

• Kimyasal depolamada atomlar arasında kovalent bağlar oluşur, yüklenen hidrojenin geri

kazanılması için bu bağların kırılması, yanı yüksek sıcaklıklara gereksinim olur.

Bu konuda yapılan çalışmalar karbon nanotüplerde ağırlıkça % 4-14 arasında hidrojen

depolanabildiğini göstermişti. Bunun ne kadarının fiziksel ne kadarının kimyasal bazlı olduğu

henüz kesin olarak bilinememektedir. Şekil-8’de bazı karbon nanotüpler verilmiştir [5].

18

Şekil-8. Karbon nanotüpler (A: diodlar, B: hidrojen ve diğer bazı gazların depolanması (yeşil

yuvarlaklar hidrojen veya gaz molekülleridir)), C: transistörler ve bilgisayar devreler, amaçlı

kullanılan nanotüpler)

Nanotüp (veya, Karbon Nanotüp): Uzun ve ince karbon silindirlerdir; nanotüpler çapı,

uzunluğu ve bükülme şekline göre çeşitli elektronik, termal ve yapısal özellikler gösterirler.

Örneğin elektronik bir parça olan diod farklı elektronik özeliklerdeki iki nanobuyotlu karbon

tüpün birbirinr bağlanmasıyla yapılır.

e. Metanol

Metanol, hidrojen ve karbon monoksitten elde edilir, normal şartlar altında sıvıdır ve

hidrojen içeriği yüksektir; bu özellikleri nedeniyle metanol uygun bir taşıt yakıtı olarak

değerlendirilebilir. Kullanım prensibi metanolün parçalanarak hidrojen açığa çıkması ve

oluşan hidrojenin yakıt olarak harcanmasıdır. Parçalanma prosesinde enerji kaybı oldukça

yüksektir, dolayısıyla sistemin verimi düşük olur. Bu olumsuzluğu yenmek için doğrudan

metanolle çalışan yüksek verimli yakıt pilleri geliştirilmiştir. Yapılan çalışmalara göre

metanol reformerli yakıt piliyle çalışan bir araç, benzeri benzinli bir araca kıyasla %40-70

daha fazla CO2

emitler; ayrıca CO ve hidrokarbon emisyonları da vardır. Metanol zehirli,

suyla karışabilen ve çok korozif bir maddedir. Bu özellikleri dolayısıyla taşıma ve kullanım

sırasında benzinle kıyaslandığında, daha özel güvenlik önlemlerine ihtiyaç vardır. Olumsuz

özellikleri ve yüksek emisyonları metanolün fazla tercih edilen bir yakıt olmasını

engellemektedir.

19

2.3.4.2. Hidrojenin Taşınması

Boru Harlarıyla Taşıma: Boru Hatlarıyla Taşıma: Hidrojenin uzun mesafelere boru

hattıyla taşınması ekonomik ve güvenli bir taşıma şeklidir. 2004 yılı itibariyle Avrupa’da

1500 km, Amerika’da 720 km hidrojen boru hattı ağı vardır.

Hidrojen transferinde kullanılan boru hatları 25-30 cm çaplı çelikten borulardan yapılır, 10-20

bar basınç altında kullanılır. Doğal gaz veya LPG naklinde kullanılan bazı boru hatları olduğu

gibi veya çok az değişikliklerle hidrojen taşımada da kullanılabilir. Burada önemli kriter boru

metalinin içerdiği karbon miktarıdır (hidrojen için düşük karbonlu çelik tercih edilir).

Boru hatları gazların transferinde kullanıldığı gibi bir miktar basınçlandırılarak depolama

görevi de yaparlar.

Sıvılaştırılmış Halde Taşıma: Sıvılaştırılmış hidrojen -253⋄C’ye soğutulmuştur.

Soğutma prosesinde büyük miktarlarda enerji gerekir; fakat uzun mesafelere taşımada ve

ayrıca yakıt olarak havacılık ve uzay seyahatlerinde diğer yakıtlara göre hala daha

avantajlıdır.

Karayoluyla Taşıma: Karayolu Taşımacılığı: Hidrojen hem sıvı ve hem de

sıkıştırılmış gaz halinde özel tankerlerle taşınabilir.

Denizyoluyla Taşıma: Denizyolu Taşımacılığı: LH2, deniz tankerleriyle de taşınır;

bunlar LNG tankerlerine benzer, ancak, uzun mesafelere taşındığında daha iyi izolasyonlar

gerekir.

Havayoluyla Taşıma: Sıvı hidrojenin hava yolu ile taşınmasının gemiyle taşımaya

kıyasla bazı avantajları vardır. LH2 hafiftir, hava yoluyla teslim yerine çok çabuk

ulaştırılacağından buharlaşma kaybı sorunu olmaz.

Ek-1’de hidrojenin taşınım maliyeti çizelgeleri verilmiştir[6].

2.3.5. Hidrojen Ekonomisi

Hidrojen ekonomisi terimi, 1970 yılında tüm ulaşım türleri için hidrojeni yakıt olarak

öngören, General Motor’un mühendisleri tarafından kullanılmıştır. Hızla gelişen yakıt

hücreleri teknolojisi doğal gaz, metanol, etanol ve hidrojen gibi diğer alternatif enerji

kaynaklarına kapı aralamaktadır. Buna karşın, hidrojenin atık ürün olarak su üretmesi

hidrojeni avantajlı duruma getirmektedir (Ramirez- Salgado ve Estrada-Martinez, 2004:255).

20

Hidrojen enerjisi ve hidrojen ekonomisine ilişkin ilk uluslararası konferans 1974

yılında gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, aynı yıl Uluslararası Hidrojen Enerjisi Derneği (IAHE)

faaliyete geçmiştir (Bockris vd, 2001:18-19). IAHE’nın ilk faaliyetlerinden biri Hidrojen

enerjisi topluluğu için bir platform sunacak olan Dünya Hidrojen Enerjisi Konferansları’nı

(WHEC) düzenlemek olmuştur (Momirlan ve Veziroğlu, 2002:162-163). 16. WHEC Fransa

Lyon’da 2006 yılında yapılmıştır. 1970 yılından önce neredeyse bilinmeyen “hidrojen

enerjisi” “hidrojen ekonomisi” ve “hidrojen enerji sistemi” kelimeleri yapılan çalışmaların

sonucu olarak günümüzde iyi bilinmekte ve geniş bir kitle tarafından kabul edilmektedir

(Momirlan ve Veziroğlu, 2002:163). Hidrojen ekonomisi terimi, enerjimizin büyük

bölümünün sera gazları salınımına yol açmayan kaynaklardan (yeşil kaynaklardan) üretilen

hidrojen tarafından sağlandığı bir zamanı betimlemektedir (Romm, 2004:19). Hidrojen

ekonomisi, yalnızca yakıt karışımında bir değişiklik önerisi değildir. Geleneksel veya

alternatif enerji kaynaklarından, farklı son kullanımlara enerji taşımak için hidrojeni kullanan

bir takım teknolojinin geliştirilmesini ve yayılmasını gerektirmektedir. Hidrojen bir enerji

taşıyıcısıdır, bir enerji kaynağı değildir ve diğer kaynaklardan gelen enerjinin depolanmasına

ve iletilmesine yarayan bir araç görevi görmektedir (Waegel vd, 2006:288).

Hidrojen ekonomisinin beklenen ekonomik, sosyal ve çevresel avantajları, bazı

faydalar tartışılmasına karşın, iyi tanımlanmıştır. Hidrojenin genel olarak, minimum sızıntı ve

atık ile tüketildiğinde, temiz ve bol bir enerji taşıyıcısı olduğu düşülebilir (Waegel vd,

2006:289). 21. yy, enerji-ekonomi-ekoloji uyumu açısından hidrojen çağı olacaktır.

Hidrojen enerji sistemi;

Sera etkisi, kirlilik ve asit yağmurları problemlerini çözecek,

Temiz ve devamlı bir enerji sistemini yerleştirecek,

İstihdam sağlayacak,

Petrol ithalatını azaltacak,

Yeni bir enerji teknolojisi için ihracat potansiyeli oluşturacak,

Ticaret açığını azaltacak

Çevreyi koruyarak ekonomiye destek olacaktır (Şahin, 2006:123) [8].

21

3. GÜNEŞ ENERJİSİ

Dünyanın en önemli enerji kaynağı güneştir. Günesin ısınım enerjisi, yer ve atmosfer

sistemindeki fiziksel oluşumları etkileyen baslıca enerji kaynağıdır. Dünyadaki madde ve

enerji akışları güneş enerjisi sayesinde mümkün olabilmektedir. Rüzgâr, deniz dalgası,

okyanusta sıcaklık farkı ve biyokütle enerjileri, güneş enerjisini değişim geçirmiş biçimleridir.

Güneş enerjisi, doğadaki su döngüsünün gerçekleşmesinde de rol oynayarak, akarsu gücünü

yaratmaktadır. Fosil yakıtların da, biyokütle niteliğindeki materyallerde birikmiş güneş

enerjisi olduğu kabul edilmektedir. Doğal enerji kaynaklarının pek çoğunun kökeni olan

güneş enerjisinden, ısıtma ve elektrik elde etme gibi amaçlarla doğrudan yararlanılmaktadır.

Güneş enerjisi çevre açısından temiz bir kaynak özelliği taşıdığından da fosil yakıtlara

alternatif olmaktadır. Yeryüzüne her sene düsen güneş ısınım enerjisi, yeryüzünde şimdiye

kadar belirlenmiş olan fosil yakıt haznelerinin yaklaşık 160 katı kadardır. Ayrıca yeryüzünde

fosil, nükleer ve hidroelektrik tesislerinin bir yılda üreteceğinden 15.000 kat kadar daha

fazladır. Bu bakımdan güneş enerjisinin bulunması sorun değildir. Asıl sorun bunun insan

faaliyetlerine uygun kullanılabilir bir enerji türüne dönüştürülebilmesindedir.

Güneş enerjisi hem bol, hem sürekli ve yenilenebilir hem de bedava bir enerji

kaynağıdır. Bunların yanı sıra geleneksel yakıtların kullanımından kaynaklanan çevresel

sorunların çoğunun güneş enerjisi üretiminde bulunmayışı bu enerji türünü temiz ve çevre

dostu bir enerji yapmaktadır. Fosil yakıt kullanımının dayandığı yanma teknolojisinin

kaçınılmaz ürünü olan karbondioksit (CO2) yayılımı (emisyonu) sonucunda, atmosferdeki

CO2 miktarı, son yüzyıl içinde yaklaşık 1,3 kat artmıştır. Önümüzdeki 50 yıl içinde, bu

miktarın, bugüne oranla 1,4 kat daha artma olasılığı vardır. Atmosferdeki CO2 neden olduğu

sera etkisi, son yüzyıl içinde dünya ortalama sıcaklığını 0,7 °C yükseltmiştir. Bu sıcaklığın 1

°C yükselmesi, dünya iklim kuşaklarında görünür değişimlere, 3 °C düzeyine varacak artışlar

ise, kutuplardaki buzulların erimesine, denizlerin yükselmesine, göllerde kurumalara ve

tarımsal kuraklığa neden olabilecektir. O halde, bu durumda enerji kullanımından

vazgeçilemeyeceğine göre, güneş gibi doğal ve alternatif olabilecek kaynaklara yönelinmesi

gerekecektir. Yakıt sorununun olmaması, isletme kolaylığı, mekanik yıpranma olmaması,

modüler olması, çok kısa zamanda devreye alınabilmesi (azami bir yıl), uzun yıllar sorunsuz

olarak çalışması, temiz bir enerji kaynağı olması vb gibi nedenlerle dünya genelinde

fotovoltaik elektrik enerjisi kullanımı sürekli artmaktadır. Avrupa Birliği 2010 yılında

fotovoltaik elektriğin elektrik üretimi içindeki payının %0,1 olmasını hedeflemiştir[9].

22

3.1. Günes Enerjisi ve Teknolojileri

Günes 1,4 milyon km çapıyla dünyanın 110 katı büyüklügünde ve dünyadan 1,5x1011

m uzaklıkta yüksek basınçlı ve yüksek sıcaklıklı bir yıldızdır. Yüzey sıcaklıgı yaklasık 6000K

olup iç bölgelerindeki sıcaklıgın 8x106 °K ile 40x106 °K arasında degistigi tahmin

edilmektedir. Dogal ve sürekli bir füzyon reaktörü olan günesin enerji kaynagı 4 Hidrojen

atomunun 1 Helyum atomuna dönüsmesinde gizlidir. 4 hidrojen atomu 4,032 birim agırlıkta,

hâlbuki 1 Helyum atomu 4,003 birim agırlıktadır. Bu olay sonucu 0,029 birim agırlık

Einstein’ın madde-enerji bagıntısı sonucu enerjiye dönüsmektedir. Yani güneste her saniyede

564 milyon ton hidrojen, 560 milyon ton helyuma dönüsmekte ve kaybolan 4 milyon ton

kütle karsılıgı 3,86x1026 J enerji açıga çıkmakta ve buenerji ısınım seklinde uzaya

yayılmaktadır. Toplam enerji rezervi 1,785x1047 J olan bu yıldız daha milyonlarca yıl

ısımasını sürdüreceginden Dünya için sonsuz bir enerji kaynagıdır. Dünyanın çapına esit bir

dairesel alan üzerine çarpan günes gücü, 178 trilyon kW düzeyindedir. Günes enerjisi uzaya

ve gezegenlere elektromanyetik ısınım (radyasyon) biçiminde yayılır Dünya’ya günesten

gelen enerji, Dünya’da bir yılda kullanılan enerjinin 20 bin katıdır.

Günes enerjisinden yararlanma konusundaki çalısmalar özellikle 1970'lerden sonra hız

kazanmıs, günes enerjisi sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düsme

göstermis, günes enerjisi çevresel olarak temiz bir enerji kaynagı olarak kendini kabul

ettirmistir. Günes enerjisi günümüzde konut ve is yerlerinin iklimlendirilmesi (ısıtma-

sogutma), yemek pisirme, sıcak su temin edilmesi ve yüzme havuzu ısıtılmasında; tarımsal

teknolojide, sera ısıtması ve tarım ürünlerinin kurutulmasında; sanayide, günes ocakları,

günes fırınları, pisiricileri, deniz suyundan tuz ve tatlı su üretilmesi, günes pompaları, günes

pilleri, günes havuzları, ısı borusu uygulamalarında; ulasım-iletisim araçlarında, sinyalizasyon

ve otomasyonda, elektrik üretiminde kontrollü olarak kullanılmaktadır.

Günes enerjisi teknolojileri yöntem, malzeme ve teknolojik düzey açısından çok çesitlilik

göstermekle birlikte iki ana gruba ayrılabilir:

Isıl Günes Teknolojileri : Bu sistemlerde öncelikle günes enerjisinden ısı elde edilir. Bu ısı

dogrudankullanılabilecegi gibi elektrik üretiminde de kullanılabilir.

Günes Pilleri: Fotovoltaik piller de denen bu yarı-iletken malzemeler günes ısıgını dogrudan

elektrige çevirirler.

23

3.2. Türkiye’de Günes Enerjisi Potansiyeli

Ülkemiz, cografi konumu nedeniyle sahip oldugu günes enerjisi potansiyeli açısından

birçok ülkeye göre sanslı durumdadır. Günesten dünyaya saniyede yaklasık olarak 170 milyon

MW enerji gelmektedir. Türkiye'nin yıllık enerji üretiminin 100 milyon MW oldugu

düsünülürse bir saniyede dünyaya gelen günes enerjisi, Türkiye'nin enerji üretiminin 1.700

katıdır.Devlet Meteoroloji isleri Genel Müdürlügünde (DM,) mevcut bulunan 1966-1982

yıllarında ölçülen güneslenme süresi ve ısınım siddeti verilerinden yararlanarak E,E

tarafından yapılan çalısmaya göre Türkiye'nin ortalama yıllık toplam güneslenme süresi 2640

saat (günlük toplam 7,2 saat), ortalama toplam ısınım siddeti 1.311 kWh/m²-yıl (günlük

toplam 3,6 kWh/m²) oldugu tespit edilmistir. Türkiye, 110 gün gibi yüksek bir günes enerjisi

potansiyeline sahiptir ve gerekli yatırımların yapılması halinde Türkiye yılda birim metre

karesinden ortalama olarak 1.100 kWh’lik günes enerjisi üretebilir. Çizelge-4'de Türkiye

günes enerji potansiyeli ve güneslenme süresi degerleri aylara göre dagılımı verilmistir[9].

Çizelge-4. Türkiye Güneş Enerji Potansiyeli ve Güneşlenme Süreleri

Türkiye'nin en fazla günes enerjisi alan bölgesi Güneydogu Anadolu Bölgesi olup, bunu

Akdeniz Bölgesi izlemektedir. Çizelge-5’de Türkiye günes enerjisi potansiyeli ve güneslenme

süresi degerlerinin bölgelere göre dagılımı verilmistir[9].

24

Çizelge-5. Türkiye Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Güneşlenme Süresi Değerlerinin Bölgelere

Göre Dağılımı

3.3. Türkiye’de Güneş Enerjisinin Kullanımı

3.3.1. Güneş Kolektörleri

Türkiye’de günes enerjisinin en yaygın kullanımı sıcak su ısıtma sistemleridir.Halen

ülkemizde kurulu olan günes kollektörü miktarı 2001 yılı için 7,5 milyon m2 civarındadır.

Çogu Akdeniz ve Ege Bölgelerinde kullanılmakta olan bu sistemlerden yılda yaklasık 290 bin

TEP ısı enerjisi üretilmektedir. Sektörde 100'den fazla üretici firmanın bulundugu ve 2000

kisinin istihdam edildigi tahmin edilmektedir. Yıllık üretim hacmi 750 bin m² olup bu

üretimin bir miktarı da ihraç edilmektedir. Bu haliyle ülkemiz dünyada kayda deger bir günes

kollektörü üreticisi ve kullanıcısı durumundadır. Günes kollektörlerinin ürettigi ısıl enerjinin

birincil enerji tüketimimize katkısı yıllara göre Çizelge-6’da verilmistir [9].

Çizelge-6. Türkiye’nin Yıllara Göre Enerji Üretimi

3.3.2. Günes Pilleri – Fotovoltaik Sistemler

Günes pilleri, halen ancak elektrik sebekesinin olmadıgı, yerlesim yerlerinden uzak

yerlerde ekonomik yönden uygun olarak kullanılabilmektedir. Bu nedenle ve istenen güçte

kurulabilmeleri nedeniyle genellikle sinyalizasyon, kırsal elektrik ihtiyacının karsılanması vb.

25

gibi uygulamalarda kullanılmaktadır. Ülkemizde halen telekom istasyonları, Orman Genel

Müdürlügü yangın gözetleme istasyonları, deniz fenerleri ve otoyol aydınlatmasında

kullanılan günes pili kurulu gücü 300 kW civarındadır. Ülkemizde günes enerjisi

kullanımında kaynak anlamında bir sorun olmamakla beraber elektrik üretiminde uygulanacak

yöntem açısından bazı bölgesel farklılıklar bulunmaktadır.

Fotovoltaik sistemler ile bulutlu veya açık her türlü hava sartlarında elektrik

üretilebilirken, yogunlastırıcı sistemlerde (termik ve mekanik dönüsüm) direk ısınım, yani

açık hava, gerekli olmaktadır. Bu nedenle, termik ve mekanik dönüsümlü üreteçler için

Güneydogu Anadolu ve Akdeniz bölgelerinin tercih edilmesi gerekirken, fotovoltaik üreteçler

için Dogu Karadeniz Bölgesi dısındaki tüm bölgeler uygun olmaktadır [9].

4. GÜNEŞ ENERJİSİNDEN HİDROJEN ELDE EDİLMESİ

Güneş enerjisinden hidrojen üretimi dört ana grupta toplanabilir;

1. Fotovoltik (PV)

2. Fotoelektrokimyasal

3. Fotobiyolojiksel

4. Güneş termal enerji.

Güneş enerjisinden sağlanan termal enerji iki farklı yolla kullanılabilir; düşük sıcaklık ve

yüksek sıcaklık (aynı zamanda yoğunlaştırılmış güneş enerjisi olarak da adlandırılabilir).

Fotovoltaik, fotoelektrokimyasal ve fotobiyolojik hidrojen üretim sistemleri düşük sıcaklık

uygulamaları olarak verilirken güneş termoliz, güneş termokimyasal çevrimler, güneş enerjili

gazlaştırma, güneş reformasyon ve güneşli kraklama yoğunlaştırılmış güneş enerjisinin

yüksek sıcaklık uygulamasıdır. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi buhar üretmekte kullanılabilir.

Daha sonra buharın gücü kullanılarak elektrik üretilebilir. Üretilen hibrit güneş termal-elektrik

sistemi ile üretilen elektrik elektroliz ile hidrojen üretiminde kullanılabilir. Güneş-hidrojen

enerjisi sistemi üretimden uygulamaya kadar işletim prosesleri Şekil 9’da verilmiştir [10].

26

Şekil-9. Güneş-Hidrojen Üretim Sistemleri.

Bu çalışmada fotovoltaik yöntem ile sudan hidrojen eldesi araştırılmıştır.

4.1. Fotovoltaik Prensibiyle Sudan Hidrojen Eldesi

Suyun elektrolizinde 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 yarıiletken sistemlerdir. Paneller bir çok fotovoltaik

(PV) hücreden meydana gelir ve bu sistemler bazen tek başlarına bazen de diğer

konvansiyonel kaynaklarla beraber kullanılabilirler. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde

biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 100 cm2 civarında, kalınlıkları ise 0,2- 0,4

mm arasındadır. Fotovoltaik panellerden elde olunacak elektrik enerjisi ile suyun

elektrolizinden hidrojen üreten bu yöntemde, 1 m3 sudan 108.7 kg hidrojen elde olunabilir

ki, bu 422 litre benzine eşdeğerdir. 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[11].

27

4.1.1. Fotovoltaik güç sistemleri

Güneş enerjisini elektrik enerjisine doğrudan dönüştürmekte kullanılan en yaygın

yöntem fotovoltaik güneş gözesi teknolojisidir. Fotovoltaik güneş gözeleri yarı iletken

malzemelerden üretilen ve üzerine güneş ışını geldiğinde elektrik üreten elektronik

aygıtlardır. En eski ve günümüzde en yaygın kullanılan göze türü, silisyum (Si) dilim üzerine

üretilen göze türüdür. Bu tür gözeler mevcut fotovoltaik pazarının % 85 ini oluşturuyor. Si

dilim teknolojisine alternatif olan ince film gözeleri, cam ya da çelik alttaş üzerine kaplanan

ince yarı iletken tabakalardan oluşur. İnce film sistemlerin en önemli avantajı daha az

malzeme kullanıldığı için maliyetin düşük olmasıdır. Amorf-Silisyum (A-Si), Kadmiyum

Tellür/Kadmiyum Sülfür (CdTe/CdS) ve Bakır İndiyum Galyum Selen (CIGS)

malzemelerinden oluşturulan gözeler, bu tür güneş gözelerinin başlıcalarıdır. Burada sözü

edilen güneş gözeleri bir araya getirilerek büyük güç istasyonlarının kurulması mümkündür.

Fotovoltaik güç teknolojilerinin gelişimi büyük bir hızla sürüyor. 2009 yılındaki genel

ekonomik krizle başlayan dönemde yatırımlarda duraklama gözlenmesine rağmen, güneş

gözesi üretim kapasitesi 2009’da 20 GWp civarında iken 2010’da 36 GWp büyüklüğünü

aşmıştır. Buna bağlı olarak 2010 yılında toplam göze üretimi bir önceki yıla göre % 118

artarak 27 GWp olmuştur. Göze üretiminin son yıllardaki değişimi Şekil 10’da görülüyor[12].

Bu üretimin mevcut teknolojilere dağılımı ise Çizelge-7’de görülüyor[12].

Şekil-10. Güneş gözesi üretimindeki artış.

28

Çizelge-7. Fotovoltaik göze üretiminin sektördeki payları.

Güneş enerjisinin daha fazla yaygınlaşmasının önündeki en önemli engel hâlâ biraz yüksek

olan fiyatı. Ancak üretim hacmindeki büyüme, Ar-Ge çalışmaları sonucu artan verim ve

düşen üretim maliyetleri, fotovoltaik sistemlerin fiyatında düzenli bir düşüşe neden oluyor.

2015 modül fiyatlarının 2010 fiyatlarından % 37 ila % 50 daha ucuz olması öngörülüyor.

2010 fotovoltaik modül fiyatlarında OcakŞubat 2011 bir aylık ve Şubat 2010-Şubat 2011 bir

yıllık değişimler aşağıdaki tabloda özetleniyor. Çizelge-8’den de anlaşılacağı gibi, güneş

enerjisi fiyatları düşüyor ve kısa bir zaman içinde diğer enerji türlerinin fiyatını yakalayacak.

Modül fiyatlarındaki bu düşüş fotovoltaik güç sistem fiyatlarına ve üretilen enerji fiyatlarına

da yansıyor[12].

Çizelge-8. Fotovoltaik modüllerin fiyatları ve fiyat değişimleri.

29

4.1.2. Kristal Silisyum Güneş Gözeleri

Kumdan silisyuma

Fotovoltaik güneş gözeleri yapımında kullanılan silisyum, yerkabuğunun % 27’sini

oluşturan ve kum olarak da bildiğimiz silisyum oksit (SiO2) madeninden elde edilir. Silisyum

oksidin yüksek sıcaklık fırınlarında (1900°C) karbon ile girdiği tepkimeler sonucunda %98

saflıkta silisyum (Si), yan ürünler olarak da karbondioksit (CO2) ve karbon monoksit (CO)

elde edilir. Daha sonra çeşitli saflaştırma işlemlerinden geçirilen silisyum % 99,99’un

üzerinde saflığa ulaşarak silisyum pul yapımı için hazır hale gelir. Saflaştırmanın ardından

1400°C sıcaklığa çıkarılıp eriyik hale getirilen silisyumdan, farklı yöntemlerle kontrollü bir

biçimde soğutularak çoklu kristal veya tek kristal kütükler elde edilir. Oluşturulan bu kütükler

tel testereler yardımı ile dilimlenerek güneş gözelerinin altyapısı olan kristal silisyum pullar

üretilir.

Kristal silisyum güneş gözelerinin üretimi

Tel testere ile kesim sırasında silisyum pulların yüzeylerinde oluşan mikro çatlaklar,

elektrik yüklerin göze yüzeyinde kaybolmasına neden olarak performansta düşüşe neden

olur. Bu çatlakların temizlenmesi amacıyla üretim hattına giren silisyum pullar ilk olarak

bazik bir solüsyon içinde tıraşlanarak pürüzsüz ve kusursuz bir yüzey elde edilir. Güneş

gözelerinin yüzeyine gelen ışınların belirli bir kısmı, göze yüzeyinden yansıyarak atmosfere

geri döner. Bu yansıma miktarı ne kadar az olursa, göze içine giren ışık miktarı da o kadar

fazla olacak ve gözeden alınan akım miktarı da bir o kadar artacaktır. Bu amaçla üretimin

ikinci aşaması olarak silisyum pulların yüzeylerinde mikro boyutta piramitler oluşturulur. Bu

piramitler, yüzeyden yansıyan ışığı tekrar göze yüzeyine yönlendirerek gelen ışığın daha

verimli kullanılmasını sağlar. Şekil-11’de kristal güneş gözelerinin çalışma prensibi

verilmiştir[12].

Şekil-11. Kristal güneş gözelerini çalışma prensibi.

30

Güneş gözeleri ışığın fotovoltaik etki ile elektrik enerjisine dönüştürülmesi esasına

dayanarak çalışır. Fotovoltaik etkinin gözlemlenebilmesi için güneş gözesi içinde,

kendiliğinden oluşmuş, sabit bir elektrik alan bulunması gerekir. Güneş gözesinin kalbi olarak

da düşünebileceğimiz bu elektrik alanın oluşturulması için silisyum pullar üzerinde katkılama

işlemleri yapılır. Katkılama esnasında bor ile katkılanmış olan (p-tipi) silisyum pul, 850-

900°C sıcaklıkta fosfor içerikli bir gaz altında fırınlanır ve böylece pulun ön yüzeyi, difüzyon

mekanizması sayesinde fosfor katkılanmış hale (n-tipi) dönüşür. Katkılama sonucunda

silisyum pullarda p-n eklemi yani diyot yapısı sağlanmış olur. Katkılama ardından, güneş

gözelerine bilinen mavi rengini veren yansıma engelleyici kaplama işlemi uygulanır. Yansıma

engelleyici kaplamalar, silisyum yüzeyinden ve kaplama yüzeyinden yansıyan güneş

ışınlarının yıkıcı girişime uğraması ve böylece göze yüzeyinden yansıyan ışın miktarının en

aza indirilmesi esasına dayanır. Bu amaçla pul yüzeyine plazma teknikleri kullanılarak ince

Si3N4 filmler kaplanır. Bu kaplama, görünür dalga boylarından sarı ışık için yıkıcı girişim

koşullarını sağlarken, tayfın mavi kısmına doğru yapıcı girişim koşullarını sağlar ve bu

yüzden güneş gözeleri mavi dalga boylarını daha fazla yansıtarak alışılmış rengini alır. Diyot

özelliği kazanan ve yansıma engelleyici işlemlerden geçen güneş gözesi artık ışık altında ön

ve arka yüzeyi arasında bir potansiyel fark oluşturabilecek hale ulaşmış durumdadır. Bu andan

itibaren yapılması gereken, ön ve arka yüzeyden elektrik kontaklar alarak, göze tarafından

üretilen akımı kullanmaktır. Bu amaçla güneş gözesinin ön yüzeyi gümüş, arka yüzeyi ise

alüminyum metalleri ile kaplanır. Gözenin ön yüzeyi, Güneş’ten gelen ışığı kullanabilmesi

için kısmi olarak metal kaplanır. Arka yüzey ise Güneş’e bakmadığı için tamamen kaplanarak

kontak alma işlemi tamamlanmış olur. Güneş gözesinin ön ve arka yüzeyi, aralarında

potansiyel bir fark bulunan iki elektriksel kutup halindedir. Göze üretimi sırasında meydana

gelen çeşitli aksaklıklar, ön ve arka yüzey arasında pul kenarlarında kısa devrelerin

oluşmasına neden olarak göze performansını düşürür. Göze üretiminde son aşama olarak bu

kaçaklar giderilir. Bu amaçla güneş gözesinin kenarlarında, güçlü bir lazer ışını ile derin

oyuklar açılır ve böylece ön ve arka yüzey birbirinden tamamen izole edilir. Artık göze

elektrik üretimine hazırdır.

Üretimi tamamlanan güneş gözeleri, güneş simülatörüne yerleştirilir ve performansı

sınanır. Tipik bir kristal silisyum güneş gözesi, yaklaşık % 16’lık bir verime sahiptir ve 0,6

Volt gerilim ve 8 amper akım üretebilir. Ölçümleri bitirilen gözeler çıkış voltajları, akımları

ve verimlilik değerlerine göre sınıflandırılıp güneş paneli yapımı için ayrılır. Kullanım

amacına göre seri veya paralel bağlanan gözeler, panel haline getirilip kullanıcıya sunulur.

31

Şekil-12’ de GÜNAM ( Güneş Enerjisi Araştırma ve Uygulama Merkezi) da üretilen bir

kristal Si güneş gözesi gösterilmiştir[12].

Şekil-12. GÜNAM ( Güneş Enerjisi Araştırma ve Uygulama Merkezi) da üretilen bir

kristal Si güneş gözesi

4.1.3 İnce film güneş gözeleri

İnce film güneş gözelerinde Şekil 13’de şematik olarak gösterilen üç farklı teknoloji

kullanılıyor: Bu teknolojiler a-Si (amorf silisyum), CuInGa- Se (bakır indiyum galyum

selenyum) ve CdTe (kadmiyum tellür) malzemelerine dayanır. Bu üç teknoloji hem kristal Si

güneş gözeleri ile hem de birbirleri ile yarışmaktadır.

Amorf silisyum (a-Si) ya da a-Si/mikrokristal- Si ince film güneş gözeleri:

En eski ve en bilinen ince film güneş gözeleri a-Si gözelerdir. Bir göze, p-i-n diye

adlandırılan 3 farklı a-Si türünden oluşur. Kristal silisyum güneş gözelerinden farklı olarak

amorf silisyum güneş gözelerinde p ve n tabakalarının (˜20- 30nm) arasında, bu iki tabakadan

çok daha kalın olan i tabakası (˜250-400nm) bulunur. Burada i bölgesi ışığın asıl soğurulduğu

bölgedir, kalın olmasının sebebi budur. Yüksek sıcaklık uygulaması içermediği için cam

üzerine uygulanabilmektedir.

Bu tür güneş gözelerini üretmek için küme cihaz sistemi kullanılır. Her bir tabaka ayrı

bir kazanda ve diğerini etkilemeden üretilir. Örneğin GÜNAM laboratuvarlarında kurulan

prototip üretim sistemi, 4 amorf silisyum film üretim kazanı, 1 magnetron saçtırma

yöntemiyle ön ve arka kontak film kazanı ve 2 transfer kazanından oluşan bir sistemdir. Tek

eklemli a-Si gözelerde verim değerleri % 6-8 civarındadır. a-Si gözeler ince film mikrokristal

gözeler ile birleştiğinde verim değerleri % 10-11’e ulaşmaktadır. Kristal Si gözelere göre

32

düşük verimli olsalar da, ince film Si gözelerin maliyeti düşük olduğundan ürettikleri

enerjinin maliyeti de daha düşük olabilmektedir

Kadmiyum sülfür/kadmiyum tellür (CdS/ CdTe) ince film güneş gözeleri:

CdTe, elektronik yapısı güneş ışığı tayfına en uygun yarıiletkenlerden biridir.

Genellikle CdS (kadmiyum sülfür) ile birlikte kullanılır. CdS ışığı kolay geçirdiğinden

pencere görevi görür. Ayrıca CdS/CdTe eklemi akım oluşması için gerekli elektrik

potansiyelini sağlar. Bu tür güneş panellerinde verim değerleri % 11’e ulaşırken, panel

maliyeti dünyadaki tüm teknolojiler arasında en düşük düzeye inmiştir. Bu alanda üretim

yapan bir firma yıllık kapasitesini 1 GW boyutuna çıkartmıştır. CdS/CdTe ile ilgili en büyük

endişe, Cd elementinin zehirli olmasıdır. Ancak konunun uzmanları, Cd’un zehirli olduğunu

fakat CdS ve CdTe bileşiklerinin zehirli olmadığını vurguluyor. Ayrıca evimizde kullanılan

ve Cd içeren pillerdeki Cd miktarının çok daha fazla olduğunu belirtiyorlar. Üretim yapan

firmalar bu konudaki kaygıları gidermek için kullanım sonrası geri dönüştürmek için panelleri

kullanıcılardan geri almayı garanti ediyor. CdTe, dört özel niteliği nedeniyle ince film güneş

gözelerinde çok iyi bir aktif madde olarak kullanılmaya uygundur:

CdTe malzemesinin en duyarlı olduğu bolge, guneş ışığı tayfının en guclu olduğu

dalga boylarına karşılık gelir.

CdTe’un elektronik yapısı ışığın cok guclu bicimde soğurulmasını sağlar.

CdTe uretimi hayli kolaydır. Cd ve Te atomları kolaylıkla CdTe oluşturur.

Duşuk maliyetli uretime uyan, basit biriktirme ve kaplama teknikleri geliştirilmiştir.

CdTe gozeleri icin AM 1,5 (ışığın atmosferde aldığı yolun atmosfer kalınlığına oranı)

şartı altında % 18 verimlilik veren, 27 mA.cm-2 kadar akım yoğunluğu ve 880 mV

kadar acık-devre voltajı beklenebilir. Bu rakamlara ulaşılması halinde guneş enerjisi

fiyatları daha da düşecektir.

Bakır indiyum galyum ve selenyum -CuIn- GaSe- (CIGS) ince film güneş gözeleri:

Dört elementli bu yarıiletken en yüksek verime sahip ince film göze olma özelliğini

taşıyor. Üretimleri biraz zor da olsa, CIGS gözeler hayli popüler. CIGS, güneş enerjisi

uygulamalar için uygun özellikler sergiler. Bu özelliklerin başında bu malzemenin çok

yüksek soğurma katsayısı ve güneş ışığı tayfına uygun denilebilecek yasak enerji bant

aralığına sahip olması gelir. Üretimi zor olmakla birlikte farklı yöntemlerle üretilebilir.

Yüksek verimin yanı sıra esnek yüzeylere uygulanabilmesi nedeni ile kumaş üzerine ya da

çatı kaplamalarına kolayca kullanılabiliyor. CIGS panellerin verimi % 12-13 değerlerine

33

ulaşıyor. Bu alanda araştırmalar sürmekte. Örneğin bileşik içindeki Cu yerine Ag kullanarak

Ag(In,Ga)Se2 bileşiğini oluşturmak ve bu yolla daha yüksek verimlere ulaşmak amaçlanıyor.

CIGS ince filmleri üretmek için farklı yöntemler olmasına rağmen, hem araştırmada hem de

büyük

çaplı üretimde üç aşama vardır:

1. Elementlerin ortak buharlaştırılması

2. Üretilen katmanların selenizasyonu

3. Yığılmış elementel katmanın lazer ile işlenmesi[12].

Şekil-13. İnce film güneş gözeleri üretim teknolojileri.

“4.2. FOTOELEKTROLİZ

Fotoelektroliz, fotoelektrokimyasal ısık toplama sistemi yardımıyla suyun elektrolizini

saglama olarak tarif edilebilir. Sıvı elektrolit içine batırılmıs bir yarıiletken günes ısıgına

maruz bırakıldıgında hidrojen ve oksijeni açıga çıkartacak kadar elektrik enerjisi üretebilir.

Burada hidrojen açıga çıkaran reaksiyon sonucu elektronlar elektrolite bırakılırken, oksijen

açıga çıkaran reaksiyonun da elektron ihtiyacı karsılanmıs olur. Yarıiletkenin cinsine ve gelen

günes ısınımının siddetine baglı olarak üretilen akım yogunlugu yaklasık 10-30 mA/cm2 dir.

Bu akım yogunlugunda elektroliz için gerekli voltaj ise 1.35 Volttur. Suyun dogrudan

elektroliz edilebilmesi için asagıdaki sartların saglanması gerekir;

Kullanılan yarıiletken maddelerin enerji bant aralıkları, oksijen ve hidrojen

indirgenme reaksiyonun enerji seviyeleri ile aynı olmalı,

Yarıiletken sistem fotoelektroliz sartlarında kararlı halde olmalı,

Yarıiletkenin yüzeyinden yük transferi korozyonu önleyecek ve voltaj

fazlası nedeniyle enerji kayıplarını azaltacak kadar hızlı olmalıdır.

34

Fotoelektroliz performansı günes-hidrojen (G-H) çevrim verimi ile ölçülür ve G-T

çevrim verimi asagıdaki bagıntı ile verilir[13].

G-H çevriminin teorik maksimum verimi % 42 olmakla beraber, halen kullanılan

fotoelektroliz sistemlerinde verim yalnız % 8 - %14 civarındadır.

4.2.1. Fotoelektrot Bilesenleri

Bir fotoelektrot, fotovoltaik, katalizör ve koruyucu tabakalardan olusmaktadır. Her

tabaka fotoelektrokimyasal sistemin günes-hidrojen verimine ayrı ayrı etki yapmaktadır.

Örnegin, fotovoltaik tabaka ısıgı absorbe eden titanyum oksit veya galyum arsenit gibi

maddelerden yapılmıs olup, bu yarıiletken maddelerin ısıgı absorbe etme gücü, fotoelektrodun

performansı ile dogru orantılıdır. Band aralıgı genis olan yarıiletkenler suyun ayrıstırılması

için gerekli potansiyel farkını saglamakla birlikte, günes spektrumunun ancak belirli bir

kesiminden yararlanabildikleri için günes-hidrojen çevrim verimi sınırlıdır. Yarıiletken

maddede yapılacak degisiklikle veya fotonlara hassas boya katmakla günes spektrumunun

daha genis bir aralıgını absorbe etmek, yani verimliligi arttırmak mümkündür.

Foto-elektrokimyasal hücrelerin katalitik tabakaları da elektroliz performansında

etkili olup, uygun katalizörler kullanmakla suyun ayrıstırılması reaksiyonu hızlandırılabilir.

Hidrojen açıga çıkarma reaksiyon katalizörü, elektronlar elektrolit içine bırakıldıgında

hidrojen üretirken, elektronların elektrolitten dönüsü sırasında oksijen açıga çıkarma

reaksiyon katalizörü ise oksijen üretir. Fotoelektrodun diger önemli bir parçası da koruyucu

kılıf olup, fotoelektrodun elektrolit etkisiyle korozyana ugramasını önler. Bu tabakanın

sistemin günes ısıgından azami derecede yararlanmasına olanak saglayacak sekilde

olabildigince seffaf olması gerekmektedir. Şekil-14’de bir foloelektrodun yapısı

gösterilmiştir[13].

35

Şekil-14. Fotoelektrot yapısı.

4.2.2. Fotoelektroliz Sistem Tasarımı

Yüksek verimli ve düsük maliyetli fotoelektroliz sistemi içindeki fotoelektrot,

bakırindiyum- galyum diselenit (CIGS) yarıiletken, katalitik ve paslanmaz çelik tabaka

üzerine kaplanmıs koruyucu filmden olusmaktadır. Burada CIGS den olusturulan yarıiletken

eklem günes enerjisini elektrik enerjisine çevirmekte olup, elektriksel iletkenlige sahip

indiyum kalay oksit (ITO) filmi, olusan bu akımı hidrojen reaksiyonu katalizörü olarak

davranan nikel molibden tabakaya aktarır. Yarıiletken tabakanın üzeri korozyona karsı seffaf

bir koruyucu tabaka ile kaplanmıstır. Paslanmaz çelik tabakanın arka yüzeyi ise oksijen

reaksiyon katalizörü olarak davranan demir-nikel oksit (Fe:NiOx) ile kaplanmıstır.

Fotoelektroliz sisteminin sematik gösterimi Şekil-15’ de verilmistir[13].

Şekil-15. Bir fotoelektroliz sistemi

Bu tasarımın, elektriksel akımın ITO tabakası boyunca toplanması nedeniyle verimi ters

yönde etkilemesi ve NiMo tabakasının küçük alanın hidrojen çevrim verimini azaltması gibi

dezavantajları bulunmaktadır. Bununla beraber, CIGS fotoelektrodu % 10 nun biraz üzeri bir

verime sahip olup, gelecek için ümit ve

36

4.2.3. Fotoelektrolizin Hidrojen Ekonomisine Etkisi

Yakıt pili ile çalısan araçların özellikle çevre üzerindeki olumlu etkileri göz önüne

alındıgında, son zamanlarda hidrojen enerjisi üzerindeki çalısmalar gittikçe yogunluk

kazanmıstır. Yapılan hesaplar 2010 yılında 100,000 den fazla hidrojenli aracın yollarda

olacagını göstermektedir. Buna göre yılda yaklasık 40 milyon ton civarında hidrojen yakıtı

üretilmesi gerekmektedir .

Günümüzde fosil yakıtlardan hidrojen üretim maliyetleri, yenilenebilir enerji

kaynaklarından yapılan hidrojen üretimine göre daha ucuzdur. Mevcut dogal gaz fiyatları ile

hidrojen üretimi Giga Joule basına yaklasık 7.0 USD dir [6]. Buna karsın fotoelektroliz

yöntemi ile hidrojen üretim maliyeti Giga joule basına halen yaklasık 41.0 USD civarındadır.

Ancak, fotoelektroliz yöntemi üzerindeki çalısmalarla bu fiyatların giderek düsecegi buna

karsın petrol ve gaz fiyatlarının artısı ile fosil yakıtlardan hidrojen üretim maliyetlerinin de

giderek artacagı açıktır. Buna göre aradaki fiyat farkının önümüzdeki 10-15 yıl içerisinde

kapanması beklenmektedir[13].

37

5. SONUÇ

Kyoto Protokolü’ne taraf bir ülke olarak 2012 yılına kadar önemli bir sayısal azaltım hedefi

gibi bir yükümlülüğümüzün olmamasına karşılık, 2012 yılı sonrası için bazı taahhütlerin

altına girilmesi kaçınılmaz olacaktır. Enerji sektöründe, sera gazlarını azaltabilecek önlemler

enerji verimliliğinin artırılması, fosil yakıt kullanımının azaltılması, buna karşılık hidrolik ve

yenilenebilir enerji kaynaklarının enerjideki payının artırılması, gelişmiş ve verimli

teknolojilerin uygulanması gibi bilindik önlemlerdir. Hidrojen enerjisini çevresel etki

açısından cazip kılan en önemli özelliği yanarken, diğer yakıtların çıkarttığı karbondioksit

gibi zararlı gazları çıkarmaması ve geriye sadece saf su bırakmasıdır. Hidrojenden enerji elde

edilmesi esnasında su buharı dışında çevreyi kirletici ve sera etkisini artırıcı hiçbir gaz ve

zararlı kimyasal madde üretimi söz konusu değildir. Fotoelektroliz, hidrojenin yenilenebilir

enerji kaynaklarından üretimi içinde halen en ucuz ve en verimli yöntem olarak

görülmektedir. Bunun baslıca nedeni ise, güneş enerjisinden doğrudan elektrik enerjisi

üretimini sağlayan fotovoltaik sistemlerle elektroliz olayını bir yarıiletken fotoelektrot

kullanarak entegre etmesi ve işlemleri tek bir sistem halinde yapmasıdır. Bu teknoloji henüz

araştırma safhasında olmasına rağmen, gerek gösterdiği yüksek performans gerekse maliyet

açısından en ümit verici metot olarak karsımıza çıkmaktadır. Bilindiği üzere fosil yakıt

kaynaklarından hidrojen üretimi halen daha ucuz görünmekle birlikte, bu kaynakların sınırlı

olması ve atmosfere yaydıkları emisyon nedeniyle verdikleri çevre zararı ile uzun sure

kullanımları zaten mümkün değildir. Sürdürülebilir ve çevre dostu enerji olarak Kabul edilen

hidrojen ekonomisine geçiş için yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı büyük önem

taşımakta olup, bu alandaki çalışmalara hız verilmesi gerekmektedir.

38

Ek-1

HİDROJENİN TAŞINIM MALİYETİ

Hidrojenin Kara Yolu İle Taşınması

Uzaklık (km) Yatırım Maliyeti

($ / kW-saat)

Taşıma Maliyeti

($/kW-saat)

Sıvı Hidrojen

16 0,16-3,96 0,09-0,58

161 0,28-3,96 0,19-0,66

322 0,79-3,96 0,36-0,79

805 0,97-3,96 0,72-1,12

1609 1,84-3,96 1,40-1,69

Sıkıştırılmış Gaz

16 1,48 1,69

161 2,95 3,82

322 4,93-5,90 6,59-6,70

805 10,87 14,80

1609 20,74 28,48-28,69

Metal Hidrit

16 2,71 0,95

161 5,43 2,07

322 9,05 3,53

805 19,90 7,89

1609 37,99 15,16

Hidrojenin Deniz Yolu İle Taşınması

Uzaklık (km) Yatırım Maliyeti

($/kW-saat)

Taşıma Maliyeti

($/kW-saat)

322 2,96 4,80

805 5,91 5,18

1609 8,85 5,56

39

Hidrojenin Demir Yolu İle Taşınması

TaşımaYöntemi/

Taşıma Süresi

Taşınan

Miktar

(MW-saat/yıl)

Yatırım Maliyeti

($/kW-saat)

Taşıma Maliyeti

($/kW-saat)

Sıvı Hidrojen

1 gün (<984 km) 12.666,67 3,95 0,77

126.555,57 1,58 0,47

12.666.667,68 1,42 0,45

2 gün (<1970 km) 12.666,67 3,95 0,77

126.555,57 2,37 0,57

12.666.667,68 0,03 0,27

SıkıĢtırılmıĢ Gaz

1 gün (<984 km) 12.722,22 18,88 7,71

127.111,12 16,99 7,46

12.722.223,24 16,99 7,46

2 gün (<1970 km) 12.722,22 28,32 8,92

127.111,12 28,32 8,92

12.722.223,24 28,32 8,92

Metal Hidrit

1 gün (<984 km) 12.694,45 66,15 11,12

126.944,45 59,54 10,28

12.694.445,46 59,54 10,28

2 gün (<1970 km) 12.694,45 99,23 15,36

126.944,45 99,23 15,36

12.694.445,46 99,23 15,36

40

Hidrojenin Boru Hattı İle Taşınması

Taşıma

oranı (GW)

Uzaklık

(km)

Referans Yatırım

Maliyeti

($/kW-saat)

Hidrojen

Taşıma

Maliyeti

($/kW-saat)

0,15 161 Amos 1998 7,64 1,02

Oney et.al

1994

5,09 0,73

805 Amos 1998 38,25 4,98

Oney et.al

1994

24,31 3,19

1609 Amos 1998 75,72 9,80

Oney et.al

1994

48,30 6,27

0,5 161 Oney et.al

1994

1,73 0,30

805 Oney et.al

1994

7,49 1,04

1609 Oney et.al

1994

13,98 1,96

1,0 161 Oney et.al

1994

0,96 0,21

805 Oney et.al

1994

3,89 0,58

1609 Oney et.al

1994

7,49 1,04

1,5 161 Amos 1998 1,02 0,30

Oney et.al

1994

0,77 0,18

805 Amos 1998 4,17 0,75

Oney et.al

1994

2,69 0,42

1609 Amos 1998 8,03 1,27

41