Fatih Sorgulu¹, Merve Öztürk¹, Nader Javani¹, Ä°brahim Dinçer^2,1
1Hidrojen AraÅŸtırma Merkezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Ä°stanbul, Türkiye
²Temiz Enerji AraÅŸtırma Laboratuvarı, Ontario Tech University, Ontario, Kanada

Bu yazıda hidrojen ve doÄŸal gaz karışımının evsel cihazlara beslenmesi ile ilgili Konya’da yer alan GAZBÄ°R-GAZMER’e ait laboratuvarda ve Yıldız Teknik Üniversitesi Hidrojen AraÅŸtırma Merkezinde gerçekleÅŸtirilen deneysel çalışmalar açıklanmış, önerilerden bahsedilmiÅŸtir. Konu ile ilgili daha ayrıntılı bilgi almak isteyen araÅŸtırmacılar Hidrojen Teknolojileri DerneÄŸi tarafından yayınlanan raporu* ve uluslararası akademik dergilerde yayınlanan makaleleri** inceleyebilirler.

Enerji depolama sistemleri yenilenebilir enerji kaynaklı sistemler için sürdürülebilir enerji saÄŸlamada olmazsa olmazdır. GüneÅŸ panelleri ve rüzgâr türbinleri güneÅŸ ışınımı ve rüzgâr hızının elektrik talebinden daha az ve fazla elektrik üretecek seviyede olduÄŸu durumlar için depolama alt üniteleri ile birlikte inÅŸa edilmelidir. Bir kimyasal enerji depolama seçeneÄŸi olarak hidrojen, üretilen elektriÄŸi, 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 seçeneÄŸi olarak mevcut doÄŸal gaz boru hatlarına hidrojen enjeksiyonu öne çıkmaktadır. Yüksek hidrojen depolama maliyeti nedeniyle mevcut doÄŸal gaz hatlarında hidrojen depolanması ve taşınması için kullanılması oldukça ekonomik ve güvenilir bir yöntemdir. Fazla elektrik kullanılarak üretilen hidrojen, mevcut doÄŸal gaz boru hattına doÄŸrudan enjekte edilebilir ve doÄŸal gaz kullanılan cihazlarda yakıt olarak kullanılabilir. Hidrojen karbon içermeyen yapısı nedeniyle, yakıt olarak yakıldığında zararlı emisyonlar üretmez. Böylece hidrojen ilavesi ile azalacak doÄŸal gaz tüketimi sayesinde çevresel etkiler azaltılmış olur.

Ülkemizde hidrojen ve doÄŸal gaz karışımının evsel cihazlarda kullanılması ile ilgili ilk çalışma Türkiye DoÄŸal Gaz Dağıtıcıları BirliÄŸi Teknik Merkezinde (GAZBÄ°R-GAZMER), Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı desteÄŸi ve Yıldız Teknik Üniversitesi iÅŸ birliÄŸi ile gerçekleÅŸtirilmiÅŸtir. Konya’da kurulan laboratuvarda kapsamlı deneysel çalışmalar yapılmıştır. GüneÅŸ panelleri ve rüzgâr türbinleri ile elde edilen elektrik, alkali elektrolizörde hidrojen üretimi için kullanılmıştır. Hidrojen ve doÄŸal gaz karışımının istenilen oranda saÄŸlanması, hat boyunca hedeflenen karışım oranlarının korunması ve karışımın ocak ve kombi gibi evsel cihazlarda yanması test edilmiÅŸtir. Laboratuvarda gerçekleÅŸtirilen çalışmalarda doÄŸal gaza hidrojen ilavesinin yanma performansı ve kombiden atılan baca gazı emisyonlarına etkisi araÅŸtırılmıştır. Laboratuvarda, doÄŸal gaza (hacimce) %45’e kadar hidrojen ilave edilmiÅŸ, karışımdaki hidrojen oranının evsel ocak ve kombide yanma performansına etkisi incelenmiÅŸtir.

GerçekleÅŸtirilen çalışmalar uluslararası dergilerde yayınlanmıştır. Sorgulu vd. 2023 çalışmasında hidrojen ve doÄŸal gaz karışımının yakılmasına ait deneysel sistem sunulmuÅŸtur. Evsel cihazlar (doÄŸal gazla çalışan ocak ve kombi) için deneysel ısıtma süreleri ve gaz tüketim oranlarını belirlenmiÅŸ, doÄŸal gaz hidrojen karışımının maliyeti ve alt ısıl deÄŸeri hesaplanmıştır. 5 kg musluk suyu ortam sıcaklığından 60 °C'ye kadar ısıtılmış ve hem doÄŸal gaz hem de hidrojen-doÄŸal gaz karışımı için ısıtma süresi hesaplanmıştır. Bu çalışmanın sonuçları, %20'lik bir karışımda doÄŸal gaza hidrojen eklendiÄŸinde doÄŸal gazın %8'inin tasarruf edilebileceÄŸini göstermektedir. Bu arada, doÄŸal gaza %20 hidrojen ilavesi ile su ısıtma süresinde %15,9'luk bir artış gözlenmiÅŸtir. Ozturk vd. 2023a çalışmasında çeÅŸitli hidrojen oranları için sistemin yanma performansı karşılaÅŸtırılmış, ocaktan salınan emisyonlar (CO, CO2 ve NOx) ölçülmüÅŸtür. Ayrıca, hidrojen ve doÄŸal gazın üretimi, karıştırılması ve yakılmasını içeren bir ömür çevrim analizi gerçekleÅŸtirilmiÅŸtir. Deneysel sonuçlar, hidrojen karışım oranının %30’a çıkarılmasıyla yanma verimliliÄŸinin %39,32'den %44,4'e yükseldiÄŸini göstermiÅŸtir. Ozturk vd. 2023b çalışmasında ise farklı tasarımlara sahip ocak baÅŸlıkları doÄŸal gaz ve karışımla çalışan ocakta denenmiÅŸ ve geometrinin ısıtma performansı üzerindeki etkisi gözlenmiÅŸtir. Çalışmada beÅŸ farklı ocak baÅŸlığı tasarlanmış ve belirlenen miktardaki suyun kaynatılması için gereken ısı miktarları ölçülmüÅŸtür. Tüm ocak baÅŸlıkları farklı hacimsel debiler için de denenmiÅŸ, hacimsel debinin ısıtma süresine etkisi incelenmiÅŸtir.

Ayrıca gerçekleÅŸtirilen çalışmalardan elde edilen sonuçlar Türkçe literatüre katkı saÄŸlanması amacıyla “Türkiye’de YeÅŸil Hidrojenin Üretilip DoÄŸal Gaza Karıştırılması Çalışmaları Raporu” ismiyle Hidrojen Teknolojileri DerneÄŸi tarafından (Dincer vd. 2021) raporlaÅŸtırılmış ve “Hidrojen ve DoÄŸal Gaz Karışımının Evsel Cihazlarda Kullanımının Deneysel ve Teorik Olarak Ä°ncelenmesi” baÅŸlıklı makale Cihannüma Teknoloji Fen ve Mühendislik Bilimleri Akademi Dergisinde (Sorgulu vd. 2022) yayınlanmıştır.

Hidrojenin doÄŸal gaz ÅŸebekesine karıştırılmasını ele alan birçok proje dünya çapında devam etmektedir. Halen, baÅŸta Almanya, BirleÅŸik Krallık, Fransa, Avusturya, Avustralya, Kanada ve ABD olmak üzere pek çok ülkede hem akademik hem endüstriyel ölçekte çalışmalar devam etmektedir. Son beÅŸ yıl içinde planlanan ve devam eden projeler Tablo 1’de verilmiÅŸtir. Ayrıca planlama aÅŸamasında pek çok proje mevcuttur.

Tablo 1.

2018 Yılı ve Sonrasında Planlanan ve Devam Eden Projeler

Tüm dünyada artan nüfus, yaÅŸam kalitesindeki deÄŸiÅŸiklikler ve çevre bilincinin geliÅŸmesi ile enerji sektöründe bir deÄŸiÅŸim ve dönüÅŸüm gerçekleÅŸmektedir. Fosil yakıt kullanımı sonucu ortaya çıkan baÅŸta karbondioksit olmak üzere sera gazı emisyonlarının azaltılması yeÅŸil bir dönüÅŸüm ile mümkündür. Yenilenebilir enerji kaynakları, nükleer enerji ve hidrojen yeÅŸil dönüÅŸüm için kritik oyuncular olarak ön plana çıkmaktadır.

DoÄŸal gaz, küresel olarak toplam enerji talebinin üçte birini oluÅŸturan ve (yoÄŸun kullanım nedeniyle) en yüksek karbon emisyonunu üreten fosil yakıttır. Hidrojen ise düÅŸük çevresel etki ve sürdürülebilir enerji açısından büyük ilgi görmektedir. Bu baÄŸlamda hidrojen, enerji güvenliÄŸi ve sürdürülebilirlik için kritik bir enerji taşıyıcısı olarak görülmektedir. DoÄŸal gazın yoÄŸun kullanımı, mevcut rezervler ve hidrojenin düÅŸük çevresel etkisi hidrojen ve doÄŸal gaz çalışmalarına olan ilgiyi artırmaktadır.

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

YTÜ-Temiz Enerji Teknolojileri Enstitüsü araÅŸtırmacılarının yer aldığı ve Prof. Dr. Ä°brahim DÄ°NÇER yürütücülüÄŸünde “Temiz Hidrojen Enerji Teknolojilerinin GeliÅŸtirilmesi” adlı proje kapsamında sürdürülebilir enerji sistemlerine entegre edilebilecek hidrojen temelli üretim, depolama ve uygulama teknolojilerinin geliÅŸtirilmesi hedeflenmektedir. Bu projede güneÅŸ simülatörü entegre edilmiÅŸ fotoreaktörde fotokatalitik hidrojen üretim prosesinin geliÅŸtirilmesi, Metal hidrür ve sıkıştırılmış gaz sistemlerinde hidrojen depolanmasının incelenmesi, Yakıt hücresi güç çıkışı ve ömür testlerinin yapılması, GeliÅŸtirilen temiz teknolojilerle üretilen hidrojenin etkili ve verimli kullanımı için entegre sistemlerin tasarlanması ve analizleri gerçekleÅŸtirilmektedir.

Ayrıca hidrojen ve doÄŸal gaz karışımının evsel cihazlarda yakılması ile ilgili yanma ve emisyon testleri ile verim analizleri Hidrojen AraÅŸtırma Merkezinde kurulan test düzeneÄŸinde yoÄŸun bir ÅŸekilde devam etmektedir. DoÄŸal gaza %30’a kadar hidrojen ilavesi ile evsel ocaklardaki yanma performansının iyileÅŸtirilmesi için gerekli düzenlemeler üzerinde çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmaların başında hidrojen ilavesi ile önemli bir parametre haline gelen ocak baÅŸlığı tasarımı ve testi gelmektedir. Farklı tasarımlara sahip ocak baÅŸlıkları ile çalışmalar yapılarak, tasarımların alev çapına, uzunluÄŸuna ve yapısına olan etkisi araÅŸtırılmaktadır. Bu çalışmalarla, doÄŸal gazlı ocakların ÅŸebekeye hidrojen ve doÄŸal gaz karışımı beslendiÄŸinde uygun çalışma ÅŸartlarına sahip olması için farklı tasarımlar deÄŸerlendirilmektedir.

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

Hidrojen, halk arasında bilinenin aksine, benzin ve doÄŸal gaz gibi yanıcı yakıtlardan daha fazla veya daha az tehlikeli deÄŸildir. Hidrojenin bazı özellikleri, benzin veya diÄŸer yakıtlara kıyasla güvenlik faydaları saÄŸlamaktadır. Bununla birlikte, hidrojen de diÄŸer tüm yanıcı yakıtlar gibi dikkatli bir ÅŸekilde kullanılmalıdır. Benzin ve doÄŸal gaz gibi, hidrojen de belirli koÅŸullar altında tehlikeli bir ÅŸekilde davranabilmektedir. Hidrojen için geliÅŸtirilecek standartlara uyulduÄŸunda hidrojen de güvenli bir ÅŸekilde kullanılabilir. Güvenlik, hidrojenin üretiminden depolanmasına ve kullanımına kadar her aÅŸama için önemli bir konudur. Yeterli güvenliÄŸi teyit etme ve izin tedarik süreçlerini basitleÅŸtirme amacıyla hidrojen için kodlar ve standartlar oluÅŸturulmalı, tıpkı doÄŸal gaz ve yenilenebilir enerjide olduÄŸu gibi yasal düzenlemeler getirilmelidir.

Hidrojen uçucu bir gazdır ve diÄŸer gazlara göre hızlı hareket eder. Hidrojen kullanımı uçuculuÄŸu ve hızlı yayılması nedeniyle güvenlikle ilgili bir dizi zorluÄŸu 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 bileÅŸeni 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 aÅŸamaları 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 deÄŸiÅŸikliÄŸe ihtiyaç olmadığı görülmüÅŸtür. DoÄŸal gaza hidrojen karıştırılmasının önemli avantajları ÅŸu ÅŸekilde sıralanabilir:

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

ÇeÅŸitli kapasiteler için seçilecek bölgelerde örnek modelleme ve simülasyon çalışmaları yapılarak hem verim hem çevresel etkiler hem de ekonomik faktörler deÄŸerlendirilmelidir. Entegre enerji sistemleri geliÅŸtirilerek bölgesel çözümler geliÅŸtirilmelidir. DoÄŸal gaz dağıtım ve kullanım performanslarının iyileÅŸtirilmesi için optimizasyon çalışmaları yapılmalıdır. Hidrojen ve doÄŸal gaz karışımının kullanımı ile ilgili gerçekleÅŸtirilmesi gereken çalışmalar aÅŸağıdaki gibi özetlenebilir:

• Hidrojenin ÅŸebekedeki metalik ve polimerik malzemeler üzerindeki etkisinin incelenmesi
• Polietilen boru hattında ve boru baÄŸlantı noktalarında hidrojen kullanımının etkisinin incelenmesi
• Gaz dağıtım ÅŸebekesinde kullanılan metal malzemelerin mekanik özelliklerinde meydana gelecek deÄŸiÅŸimlerin 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 geliÅŸtirilmesi
• Ä°ÅŸ güvenliÄŸine, çalışma güvenliÄŸine ve kullanım güvenliÄŸine 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 YeÅŸil Hidrojenin Üretilip DoÄŸal Gaza Karıştırılması Çalışmaları Raporu. EriÅŸim 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. EriÅŸim adresi: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319923062031
- An experimental study on the environmental impact of hydrogen and natural gas blend burning. EriÅŸim adresi: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045653523009384
- Experimental investigation for combustion performance of hydrogen and natural gas fuel blends. EriÅŸim adresi: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319923026083
- Hidrojen ve DoÄŸal Gaz Karışımının Evsel Cihazlarda Kullanımının Deneysel ve Teorik Olarak Ä°ncelenmesi. EriÅŸim adresi: https://www.cihannumaakademi.org/cfbad/article/view/44 

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