Fatih Sorgulu¹, Merve Öztürk¹, Nader Javani¹, İbrahim Dinçer^2,1
1Hidrojen Araştırma Merkezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye
²Temiz Enerji Araştırma Laboratuvarı, Ontario Tech University, Ontario, Kanada

Bu yazıda hidrojen ve doğal gaz karışımının evsel cihazlara beslenmesi ile ilgili Konya’da yer alan GAZBİR-GAZMER’e ait laboratuvarda ve Yıldız Teknik Üniversitesi Hidrojen Araştırma Merkezinde gerçekleştirilen deneysel çalışmalar açıklanmış, önerilerden bahsedilmiştir. Konu ile ilgili daha ayrıntılı bilgi almak isteyen araştırmacılar Hidrojen Teknolojileri Derneği tarafından yayınlanan raporu* ve uluslararası akademik dergilerde yayınlanan makaleleri** inceleyebilirler.

Enerji depolama sistemleri yenilenebilir enerji kaynaklı sistemler için sürdürülebilir enerji sağlamada olmazsa olmazdır. Güneş panelleri ve rüzgâr türbinleri güneş ışınımı ve rüzgâr hızının elektrik talebinden daha az ve fazla elektrik üretecek seviyede olduğu durumlar için depolama alt üniteleri ile birlikte inşa edilmelidir. Bir kimyasal enerji depolama seçeneği olarak hidrojen, üretilen elektriği, yüksek verimle ve çevreye en az zararla depolamak için umut verici bir çözümdür. Yenilenebilir enerji kaynaklı elektrik ile üretilen hidrojen, yakıt hücrelerinde yakıt olarak kullanılmak üzere gaz, sıvı ve metal hidrit formunda depolanabilir. Burada, önemli bir hidrojen kullanım ve depolama seçeneği olarak mevcut doğal gaz boru hatlarına hidrojen enjeksiyonu öne çıkmaktadır. Yüksek hidrojen depolama maliyeti nedeniyle mevcut doğal gaz hatlarında hidrojen depolanması ve taşınması için kullanılması oldukça ekonomik ve güvenilir bir yöntemdir. Fazla elektrik kullanılarak üretilen hidrojen, mevcut doğal gaz boru hattına doğrudan enjekte edilebilir ve doğal gaz kullanılan cihazlarda yakıt olarak kullanılabilir. Hidrojen karbon içermeyen yapısı nedeniyle, yakıt olarak yakıldığında zararlı emisyonlar üretmez. Böylece hidrojen ilavesi ile azalacak doğal gaz tüketimi sayesinde çevresel etkiler azaltılmış olur.

Ülkemizde hidrojen ve doğal gaz karışımının evsel cihazlarda kullanılması ile ilgili ilk çalışma Türkiye Doğal Gaz Dağıtıcıları Birliği Teknik Merkezinde (GAZBİR-GAZMER), Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı desteği ve Yıldız Teknik Üniversitesi iş birliği ile gerçekleştirilmiştir. Konya’da kurulan laboratuvarda kapsamlı deneysel çalışmalar yapılmıştır. Güneş panelleri ve rüzgâr türbinleri ile elde edilen elektrik, alkali elektrolizörde hidrojen üretimi için kullanılmıştır. Hidrojen ve doğal gaz karışımının istenilen oranda sağlanması, hat boyunca hedeflenen karışım oranlarının korunması ve karışımın ocak ve kombi gibi evsel cihazlarda yanması test edilmiştir. Laboratuvarda gerçekleştirilen çalışmalarda doğal gaza hidrojen ilavesinin yanma performansı ve kombiden atılan baca gazı emisyonlarına etkisi araştırılmıştır. Laboratuvarda, doğal gaza (hacimce) %45’e kadar hidrojen ilave edilmiş, karışımdaki hidrojen oranının evsel ocak ve kombide yanma performansına etkisi incelenmiştir.

Gerçekleştirilen çalışmalar uluslararası dergilerde yayınlanmıştır. Sorgulu vd. 2023 çalışmasında hidrojen ve doğal gaz karışımının yakılmasına ait deneysel sistem sunulmuştur. Evsel cihazlar (doğal gazla çalışan ocak ve kombi) için deneysel ısıtma süreleri ve gaz tüketim oranlarını belirlenmiş, doğal gaz hidrojen karışımının maliyeti ve alt ısıl değeri hesaplanmıştır. 5 kg musluk suyu ortam sıcaklığından 60 °C'ye kadar ısıtılmış ve hem doğal gaz hem de hidrojen-doğal gaz karışımı için ısıtma süresi hesaplanmıştır. Bu çalışmanın sonuçları, %20'lik bir karışımda doğal gaza hidrojen eklendiğinde doğal gazın %8'inin tasarruf edilebileceğini göstermektedir. Bu arada, doğal gaza %20 hidrojen ilavesi ile su ısıtma süresinde %15,9'luk bir artış gözlenmiştir. Ozturk vd. 2023a çalışmasında çeşitli hidrojen oranları için sistemin yanma performansı karşılaştırılmış, ocaktan salınan emisyonlar (CO, CO2 ve NOx) ölçülmüştür. Ayrıca, hidrojen ve doğal gazın üretimi, karıştırılması ve yakılmasını içeren bir ömür çevrim analizi gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlar, hidrojen karışım oranının %30’a çıkarılmasıyla yanma verimliliğinin %39,32'den %44,4'e yükseldiğini göstermiştir. Ozturk vd. 2023b çalışmasında ise farklı tasarımlara sahip ocak başlıkları doğal gaz ve karışımla çalışan ocakta denenmiş ve geometrinin ısıtma performansı üzerindeki etkisi gözlenmiştir. Çalışmada beş farklı ocak başlığı tasarlanmış ve belirlenen miktardaki suyun kaynatılması için gereken ısı miktarları ölçülmüştür. Tüm ocak başlıkları farklı hacimsel debiler için de denenmiş, hacimsel debinin ısıtma süresine etkisi incelenmiştir.

Ayrıca gerçekleştirilen çalışmalardan elde edilen sonuçlar Türkçe literatüre katkı sağlanması amacıyla “Türkiye’de Yeşil Hidrojenin Üretilip Doğal Gaza Karıştırılması Çalışmaları Raporu” ismiyle Hidrojen Teknolojileri Derneği tarafından (Dincer vd. 2021) raporlaştırılmış ve “Hidrojen ve Doğal Gaz Karışımının Evsel Cihazlarda Kullanımının Deneysel ve Teorik Olarak İncelenmesi” başlıklı makale Cihannüma Teknoloji Fen ve Mühendislik Bilimleri Akademi Dergisinde (Sorgulu vd. 2022) yayınlanmıştır.

Hidrojenin doğal gaz şebekesine karıştırılmasını ele alan birçok proje dünya çapında devam etmektedir. Halen, başta Almanya, Birleşik Krallık, Fransa, Avusturya, Avustralya, Kanada ve ABD olmak üzere pek çok ülkede hem akademik hem endüstriyel ölçekte çalışmalar devam etmektedir. Son beş yıl içinde planlanan ve devam eden projeler Tablo 1’de verilmiştir. Ayrıca planlama aşamasında pek çok proje mevcuttur.

Tablo 1.

2018 Yılı ve Sonrasında Planlanan ve Devam Eden Projeler

Tüm dünyada artan nüfus, yaşam kalitesindeki değişiklikler ve çevre bilincinin gelişmesi ile enerji sektöründe bir değişim ve dönüşüm gerçekleşmektedir. Fosil yakıt kullanımı sonucu ortaya çıkan başta karbondioksit olmak üzere sera gazı emisyonlarının azaltılması yeşil bir dönüşüm ile mümkündür. Yenilenebilir enerji kaynakları, nükleer enerji ve hidrojen yeşil dönüşüm için kritik oyuncular olarak ön plana çıkmaktadır.

Doğal gaz, küresel olarak toplam enerji talebinin üçte birini oluşturan ve (yoğun kullanım nedeniyle) en yüksek karbon emisyonunu üreten fosil yakıttır. Hidrojen ise düşük çevresel etki ve sürdürülebilir enerji açısından büyük ilgi görmektedir. Bu bağlamda hidrojen, enerji güvenliği ve sürdürülebilirlik için kritik bir enerji taşıyıcısı olarak görülmektedir. Doğal gazın yoğun kullanımı, mevcut rezervler ve hidrojenin düşük çevresel etkisi hidrojen ve doğal gaz çalışmalarına olan ilgiyi artırmaktadır.

Yıldız Teknik Üniversitesinde hidrojenle ilgili çalışmaların artması ve bu konuda çalışan araştırmacıların tek bir çatı altında toplanması amacıyla “Hidrojen Araştırma Merkezi” kurulmuştur. Bu merkezde, yeşil hidrojen ve hidrojen temelli alternatif yakıtların üretimi; depolanması, taşınması ve dağıtımı; endüstri, ulaşım ve konut için hammadde, yakıt ve enerji depolama amaçlı kullanımı için araştırma, inovasyon ve ticarileşme öncelikli çalışmalar yürütülmektedir.

YTÜ-Temiz Enerji Teknolojileri Enstitüsü araştırmacılarının yer aldığı ve Prof. Dr. İbrahim DİNÇER yürütücülüğünde “Temiz Hidrojen Enerji Teknolojilerinin Geliştirilmesi” adlı proje kapsamında sürdürülebilir enerji sistemlerine entegre edilebilecek hidrojen temelli üretim, depolama ve uygulama teknolojilerinin geliştirilmesi hedeflenmektedir. Bu projede güneş simülatörü entegre edilmiş fotoreaktörde fotokatalitik hidrojen üretim prosesinin geliştirilmesi, Metal hidrür ve sıkıştırılmış gaz sistemlerinde hidrojen depolanmasının incelenmesi, Yakıt hücresi güç çıkışı ve ömür testlerinin yapılması, Geliştirilen temiz teknolojilerle üretilen hidrojenin etkili ve verimli kullanımı için entegre sistemlerin tasarlanması ve analizleri gerçekleştirilmektedir.

Ayrıca hidrojen ve doğal gaz karışımının evsel cihazlarda yakılması ile ilgili yanma ve emisyon testleri ile verim analizleri Hidrojen Araştırma Merkezinde kurulan test düzeneğinde yoğun bir şekilde devam etmektedir. Doğal gaza %30’a kadar hidrojen ilavesi ile evsel ocaklardaki yanma performansının iyileştirilmesi için gerekli düzenlemeler üzerinde çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmaların başında hidrojen ilavesi ile önemli bir parametre haline gelen ocak başlığı tasarımı ve testi gelmektedir. Farklı tasarımlara sahip ocak başlıkları ile çalışmalar yapılarak, tasarımların alev çapına, uzunluğuna ve yapısına olan etkisi araştırılmaktadır. Bu çalışmalarla, doğal gazlı ocakların şebekeye hidrojen ve doğal gaz karışımı beslendiğinde uygun çalışma şartlarına sahip olması için farklı tasarımlar değerlendirilmektedir.

Doğal gaza belirli oranlarda (hacimsel olarak %5-30 arası) hidrojen karıştırılması çalışmaları akademik ve ticari boyutta pek çok ülkede devam etmektedir. Hidrojen ve doğal gaz karışımı birçok ülkede hâlihazırda hizmet veren doğal gaz şebekelerini aktif olarak kullanmaya devam etmek ve karbon salınımını azaltmak için uygun bir stratejidir. Evsel cihazlardaki yanma prosesinden kaynaklanan karbondioksit emisyonları, yenilenebilir hidrojenin doğal gaza karıştırılmasıyla azalmaktadır. Yanma performansında meydana gelen değişimin incelenmesi ve hatlardaki olası uyum problemlerinin önlenmesi için çalışmalar halen akademik ve ticari boyutta devam etmektedir.

Hidrojen, halk arasında bilinenin aksine, benzin ve doğal gaz gibi yanıcı yakıtlardan daha fazla veya daha az tehlikeli değildir. Hidrojenin bazı özellikleri, benzin veya diğer yakıtlara kıyasla güvenlik faydaları sağlamaktadır. Bununla birlikte, hidrojen de diğer tüm yanıcı yakıtlar gibi dikkatli bir şekilde kullanılmalıdır. Benzin ve doğal gaz gibi, hidrojen de belirli koşullar altında tehlikeli bir şekilde davranabilmektedir. Hidrojen için geliştirilecek standartlara uyulduğunda hidrojen de güvenli bir şekilde kullanılabilir. Güvenlik, hidrojenin üretiminden depolanmasına ve kullanımına kadar her aşama için önemli bir konudur. Yeterli güvenliği teyit etme ve izin tedarik süreçlerini basitleştirme amacıyla hidrojen için kodlar ve standartlar oluşturulmalı, tıpkı doğal gaz ve yenilenebilir enerjide olduğu gibi yasal düzenlemeler getirilmelidir.

Hidrojen uçucu bir gazdır ve diğer gazlara göre hızlı hareket eder. Hidrojen kullanımı uçuculuğu ve hızlı yayılması nedeniyle güvenlikle ilgili bir dizi zorluğu da beraberinde getirir. Hidrojen ile çalışırken, kabul edilebilir basınç ve sıcaklık aralıkları gibi birçok güvenlik gereksinimi bulunmaktadır. Hidrojeni yakıt hücreli araçlarda veya endüstriyel gaz türbinlerinde yakıt olarak ve mesken veya endüstriyel yanma prosesi için karışım gazının bir bileşeni olarak ve boru hatlarında taşımak gibi farklı alanlarda kullanabilmek için, güvenlik kodları, standartlar ve yönetmeliklere uyulmalıdır. Hidrojenin üretimi, depolanması, taşınması ve son kullanımı dahil tüm aşamaları için kapsamlı ölçüm ve veri toplama planları yapılmalıdır. Yapılan deneysel çalışmalarda %20’ye kadar hidrojen karışım oranı için iletim hatlarında ve yakıcı cihazlarda ciddi bir değişikliğe ihtiyaç olmadığı görülmüştür. Doğal gaza hidrojen karıştırılmasının önemli avantajları şu şekilde sıralanabilir:

• Hem ısıtma hem de elektrik üretimi için yaygın bir şekilde doğal gaz kullanılması sayesinde milyonlarca metreküp hidrojenin doğal gaz hattına enjekte edilerek depolanabilme imkânı olması
• Doğal gaz iletim hatlarının hidrojen depolamaya yetecek kadar uzun olması sayesinde basınçlı tüplere, sıvılaştırmaya ya da metal hidritlere ihtiyaç duymadan üretilen hidrojenin doğrudan depolanabilmesi
• En önemli sera gazlarından biri olan karbondioksit gazının salınımının azaltılmasına büyük bir katkı sağlanacak olması
• Yenilenebilir enerji kaynaklarının enerji ihtiyacı olmadığı durumlarda verimli bir şekilde depolanabilecek olması
• Fosil yakıt kullanım ve ithalatına olan bağımlılığı azaltacak olması

Çeşitli kapasiteler için seçilecek bölgelerde örnek modelleme ve simülasyon çalışmaları yapılarak hem verim hem çevresel etkiler hem de ekonomik faktörler değerlendirilmelidir. Entegre enerji sistemleri geliştirilerek bölgesel çözümler geliştirilmelidir. Doğal gaz dağıtım ve kullanım performanslarının iyileştirilmesi için optimizasyon çalışmaları yapılmalıdır. Hidrojen ve doğal gaz karışımının kullanımı ile ilgili gerçekleştirilmesi gereken çalışmalar aşağıdaki gibi özetlenebilir:

• Hidrojenin şebekedeki metalik ve polimerik malzemeler üzerindeki etkisinin incelenmesi
• Polietilen boru hattında ve boru bağlantı noktalarında hidrojen kullanımının etkisinin incelenmesi
• Gaz dağıtım şebekesinde kullanılan metal malzemelerin mekanik özelliklerinde meydana gelecek değişimlerin ve bozulmaların gözlenmesi ve önlenmesi
• Metal malzemelerde, özellikle gövde merkezli kübik kristal kafes yapısına sahip olanlarda, meydana gelebilecek hidrojen kırılganlığının gözlenmesi ve önlenmesi
• Kaçak tespiti veya sensör teknolojilerinin geliştirilmesi
• İş güvenliğine, çalışma güvenliğine ve kullanım güvenliğine yönelik yasaların ve düzenlemelerin hazırlanması
• Akış boyunca kullanılacak gaz sayaçları, kütle akış kontrol cihazları, çek valfler, elektromanyetik valfler ve basınç regülatörü gibi kontrol elemanlarının hidrojen ile kullanımına uygun hale getirilmesi

Alt Bilgi:

* Türkiye’de Yeşil Hidrojenin Üretilip Doğal Gaza Karıştırılması Çalışmaları Raporu. Erişim adresi: https://www.hidrojenteknolojileri.org/HTD/Yesil_Hidrojenin_Uretilip_Dogal_Gaza_Karistirilmasi_Calismalari.pdf
** Uluslararası Akademik Dergilerde Yayınlanan Makaleler:
- Experimental investigation of various burner heads in residential gas stoves tested with hydrogen and natural gas blends. Erişim adresi: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319923062031
- An experimental study on the environmental impact of hydrogen and natural gas blend burning. Erişim adresi: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045653523009384
- Experimental investigation for combustion performance of hydrogen and natural gas fuel blends. Erişim adresi: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319923026083
- Hidrojen ve Doğal Gaz Karışımının Evsel Cihazlarda Kullanımının Deneysel ve Teorik Olarak İncelenmesi. Erişim adresi: https://www.cihannumaakademi.org/cfbad/article/view/44 

Kaynaklar
• Australian Gas Infrastructure Group. Hydrogen Park South Australia. Erişim adresi: https://www.agig.com.au/hydrogen-park-south-australia.
• Fatih Sorgulu, Merve Öztürk, Nader Javani, İbrahim Dinçer. 2022. Hidrojen ve Doğal Gaz Karışımının Evsel Cihazlarda Kullanımının Deneysel ve Teorik Olarak İncelenmesi. CİHANTEFMAD Teknoloji Fen ve Mühendislik Bilimleri Akademi Dergisi. Erişim adresi: https://www.cihannumaakademi.org/cfbad/article/view/44
• Fatih Sorgulu, Merve Öztürk, Nader Javani, İbrahim Dinçer. 2023. Experimental investigation for combustion performance of hydrogen and natural gas fuel blends. International Journal of Hydrogen Energy. Erişim adresi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.05.239
• Enbridgegas. Low-Carbon Energy Project. Enbridge. Erişim adresi: https://www.enbridgegas.com/about-enbridge-gas/projects/low-carbon-energy
• Energiedienst. Wasserstoffanlage am Wasserkraftwerk Wyhlen. Erişim adresi: https://www.energiedienst.de/kraftwerke/wasserstoff/power-to-gas.
• H2ORIZON-Mit Windstrom ins Weltall. Energie & Klimaschutz. Erişim adresi: https://www.energie-klimaschutz.de/h2orizon-mit-windstrom-ins-weltall/.
• H2V PRODUCT. Erişim adresi: https://h2v.net/.
• HyDeploy. Erişim adresi: https://hydeploy.co.uk/about/technology/.
• Hydrogenics. State of Play and Developments of Power-To-Hydrogen Technologies. Erişim adresi: https://etipwind.eu/wp-content/uploads/A2-Hydrogenics_v2.pdf.
• HyNet North West. Erişim adresi: https://hynet.co.uk/
• İbrahim Dinçer, Nader Javani, Fatih Sorgulu, Merve Öztürk. Türkiye’de Yeşil Hidrojenin Üretilip Doğal Gaza Karıştırılması Çalışmaları Raporu. Erişim adresi: https://www.hidrojenteknolojileri.org/HTD/Yesil_Hidrojenin_Uretilip_Dogal_Gaza_Karistirilmasi_Calismalari.pdf.
• Merve Öztürk, Fatih Sorgulu, Nader Javani, İbrahim Dinçer. 2023a. An experimental study on the environmental impact of hydrogen and natural gas blend burning. Erişim adresi: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.138671
• Merve Öztürk, Fatih Sorgulu, Nader Javani, İbrahim Dinçer. 2023b. Experimental investigation of various burner heads in residential gas stoves tested with hydrogen and natural gas blends. Erişim adresi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.11.349
• Jupiter 1000 Projesi. Erişim adresi: https://www.jupiter1000.eu/english.
• THyGA (Testing Hydrogen admixture for Gas Applications) Erişim adresi: https://thyga-project.eu
• USS, 2030 Underground Sun Storage 2030. Underground Sun Storage 2030. https://www.uss-2030.at/en/

Bu içeriğe eklenmiş dosyalar: