Konutlarda Yakıt Pilleri - Bursa Mekatronik

Anasayfa

Dökümanlar

Elektrik & Elektronik

Konutlarda Yakıt Pilleri

Zafer Erim tarafından yazıldı

Cumartesi, 01 Mart 2008 14:51

1. GİRİŞ

21. Yüzyılda "çevreye zarar vermeyen verimli enerji üretimi" önemli AR-GE konularından biri olmaya devem edecektir.

Atmosferdeki CO2 oranı ile diğer zararlı sera gazları ve partiküler madde oranları giderek artmaktadır.

Bu gelişme dünyanın sıcaklık ortalamasının yükselmesi nedeniyle ortaya çıkabilecek büyük tehlikelerin alarmını vermektedir. Söz konusu korkunun yanı sıra, petrol ve petrol türevi yakıtların yoğun tüketiminden kaynaklanan diğer çevresel sorunlar, ve bu yakıtların yakın gelecekte tükeneceği endişesi, araştırmacıları alternatif yakıtlar ile farklı teknolojiler aramaya yönlendirmiştir.

Önerilen yakıt kaynakları arasında hidrojen; hem elektrokimyasal kullanım olanağı (yakıt pili) hem de içten yanmalı motorlarda kullanım kolaylığı nedeniyle başta yer almaktadır.

Gerekli olan, temiz, çevreye zarar vermeyen ve verimi yüksek enerji dönüşüm (veya üretim) teknolojisinin bulunmasıdır. Arzulanan etmenleri karşılayan çözümlerden biri, Yakıt Pili (fuel cell) dir. Yakıt pilleri, alevli yanma reaksiyonuna alternatif olmakla, yukarıda belirtilen endişelerin giderilmesine olanak sağlamaktadır.

Aşağıda, yakıt pilleri, Proton Değişim Zarlı Yakıt Pili (PEMFC) esas alınarak açıklanmaktadır. Ayrıca, konutsal uygulamalara değinilmekte, EAE Elektrik A.Ş.'nin bu alanda yürütmekte olduğu çalışmalara ilişkin bilgi verilmektedir.

2. YAKIT PİLİ

Yakıt Pili fikri gündeme 150 yıl önce gelmiştir. İngiliz Avukat William Grove yakıt pillerinin gerçek mucididir. Seyreltik sülfürik asit ile yaptığı ilk hidrojen-oksijen yakıt pili 1839 yılında "Philosophical Magazine" dergisinde yayınlanmıştır.

Yakıt pilinde, doğrudan birincil enerji kaynağı olarak, hidrojen kullanılır. Ancak, bir yakıt işlemci cihazdan yararlanılması halinde, doğal gaz, LPG, metanol, nafta veya benzin gibi hidrojen içeren yakıtlar da kullanılabilir.

Temel olarak, bir yakıt pilinde, hidrojen anottan (negatif elektrottan) devamlı olarak beslenirken, oksitleyici olarak, hava veya oksijen de katottan (pozitif elektrottan) gönderilir. Şekil 1'de görüldüğü gibi, hidrojen elektrot içindeki platin katalizörün etkisi ile elektron vererek proton haline dönüşür. Proton anottan katoda elektrolit içinden geçer. Elektron ise, atlama yaparak, dış devrede elektrik akımı oluşturur. Katotta tekrar buluşan proton ve elektron, oksijen ile birleşerek su molekülünü meydana getirir.

Yakıt pili çalışma prensibi elektrolizin tam tersidir. Yakıt pilini tanımlayan kimyasal reaksiyon formülü aşağıda sunulmaktadır.

Hidrojen elekktrotta, H₂ ---> 2H⁺ + 2e^-
Oksijen Elektrotta, 1/2 O₂ + 2H⁺ + 2e^- ---> H₂O
Toplam reaksiyon, H₂ + 1/2 O₂ ---> H₂O

Şekil 1: Tipik bir yakıt pili şematik gösterimi

Tek bir yakıt pili gerilimi 1 volttan azdır. Bu nedenle, gerekli elektrik enerjisini üretebilmek için, birden fazla yakıt pilini seri ve paralel bağlamak gerekmektedir.

Bir yakıt pili, tipik olarak, yanma işlemi içermediği için, yanma esaslı teknolojilerden daha fazla elektrik enerjisi üretmektedir.
Yakıt pili, yakıt sağlandığı sürece, kesintisiz güç üretimine devam eder. Yakıt pilinin hareketli parçası yoktur. Saf hidrojen ile beslendiği takdirde yalnız ısı, elektrik ve su üretir.

Yakıt pili güç üretim sistemi, Şekil 2'de açıklanmaktadır.
Bir yakıt pili aşağıdaki ünitelerden oluşmaktadır:

Yakıt pili modülü (stack)
LPG, metanol, doğal gaz vb. fosil yakıtları hidrojene dönüştüren bir yakıt işlemci (reformer)
Yakıt pilinde üretilen DC gerilimi ticari kullanım için AC gerilime çeviren güç dönüştürücü (inverter)
Sistemin tüm işleyişini denetleyen kontrol sistemi

Şekil 2: Yakıt pili güç üretim sistemi

Yakıt pilinin verimi yüksek olduğu kadar enerji yoğunluğu da yüksektir.
2MW'lık bir güç istasyonu 20m² den daha küçük bir alana kurulabilmektedir. İleride, elektriğin tüketicilerin bulunduğu kentlerden uzakta üretilmesine gerek kalmayacaktır. Böylece santrallerden kullanıcılara kadar uzanan iletim hatlarına, transformatörlere v.b. iletim ve dağıtım cihazlarına gerek duyulmayacaktır. Ayrıca iletim hatlarında ortaya çıkan elektrik kayıpları da ortadan kalkacaktır. Bu şekilde, yakıt pilleri "Dağıtılmış Enerji Üretimi" kavramının ve uygulamalarının gelişmesine katkıda bulunacaktır.

Yakıt pili, geleneksel güç üretim sistemlerine göre, aşağıdaki üstünlüklere sahiptir:

Katı atık ve gürültü sorunu yoktur.
Çevresel kirlilik oranı çok düşüktür.
Enerji üretim verimi yüksektir.
Güç yoğunluğu yüksektir.
Farklı yakıtlar (hidrojen, doğal gaz, metanol, LPG, nafta vb.) ile çalışabilir.
Atık ısı kojenerasyon yoluyla geri kazanılabilir.
Şebeke ile birlikte veya ayrı çalışabilir.
Düşük sıcaklık ve basınçta çalışabilir.
Modüler yapıdadır.
Geleceğe yönelik gelişme potansiyeli yüksektir.

Yakıt pillerinin yukarıda belirtilen avantajları yanında, bu aşamada, iki temel dezavantajı bulunmaktadır.

Yüksek maliyet.
Teknolojik sürecinin tamamlanmamış olması.

Bu dezavantajlar zaman içinde giderilecektir.

Buraya kadar Yakıt Pilleri, Proton Değişim Zarlı (PEM) tipi esas alınarak açıklanmıştır. Oysa, Yakıt Pillerinin, teknolojik yapıları itibariyle, altı değişik tipi bulunmaktadır.

3. TEMEL YAKIT PİLİ TEKNOLOJİLERİ

Yakıt Pilleri, genellikle, kullanılan elektrolite göre sınıflandırılmaktadır. Günümüzde üzerinde çalışılan başlıca Yakıt Pili türleri şunlardır :

Proton Değişim Zarlı Yakıt Pili (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC)
Alkalin Yakıt Pili (Alkaline Fuel Cell - AFC)
Fosforik Asit Yakıt Pili (Phosphoric Acid Fuel Cell - PAFC)
Erimiş Karbonat Yakıt Pili (Molten Carbonate Fuel Cell - MCFC)
Katı Oksitli Yakıt Pili (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC)
Direkt Metanol Yakıt Pili (Direct Metanol Fuel Cell - DMFC)

Tablo 1'de çeşitli tiplerdeki yakıt pillerinin karşılaştırılması verilmektedir.

Tablo 1: Yakıt pili tipleri ve özellikleri

4. KONUTSAL YAKIT PİLİ KULLANIMI

Konutlarda en yaygın düzeyde kullanılan Yakıt Pili tipi, yüksek güç yoğunluğu nedeni ile, PEM Yakıt Pilidir.
Konutsal Yakıt Pili deneme ürünlerinin 2003 yılında piyasaya sınırlı sayıda sunulması beklenmektedir. Yüksek miktarda seri üretimin 2004 yılından sonra başlaması öngörülmektedir.

Ticari başarı sağlanabilmesi için, Konutsal Yakıt Pillerinde öngörülen maliyet 1.500 USD/kW civarındadır.
Şu anda, deneme safhasında bulunan ürünlerin maliyetleri ise 10.000 USD/kW düzeyindedir.

Maliyetlerin düşmesi için, tabii olarak, miktarın yeterli satış hacmine ulaşması ve, dolayısıyla, üretim adetlerinin yükselmesi gerekmektedir.

Proton Değişim Zarlı (PEM) Yakıt Pili Modülü dış görünümü Şekil 3'de verilmektedir.

Şekil 3: PEM yakıt pili modülü dış görünümü

Konutsal yakıt pili sistemleri gelişiminde çözüm bekleyen sorunlar da bulunmaktadır. Bu sorunlar aşağıdaki şekilde sıralanabilir:

Yakıt dönüştürücü sorunları
Maliyet
Isınma süresi
CO
Yöntem
Hidrojen depolaması ve taşıması
Ekonomik hidrojen üretimi
Kojenerasyon sistemi
CO2 Atığı

Belirtilen sorunların çözümü için, başta Amerika ve Avrupa'da olmak üzere, tüm dünyada araştırma ve geliştirme faaliyetleri hızla sürmektedir. Ayrıca, Konutsal Yakıt Pili üreticilerinin, kojenerasyon enerjisinin kullanımına yönelik olarak, konutsal ısıtma alanında çalışan firmalar ile ortaklıklar içine girdikleri görülmektedir.

5. TÜRKİYE'DE EAE UYGULAMASI

EAE Elektrik A.Ş., konutlarda yakıt pilinin kullanımı ve Türkiye'de yakıt pili üretimi amacıyla, TÜBİTAK-TİDEB tarafından desteklenen bir proje başlatmıştır.

Üniversite-Sanayi işbirliği içinde yürütülmekte olan bu projenin amacı, Proton Değişim Zarlı (PEM:Proton Exchange Membrane) bir yakıt pili prototipi geliştirmektir.

Projenin amacı 5 kW elektriksel güç üreten bir cihaz geliştirmektir.
Proje sonucunda, doğrudan hidrojenle çalışan veya bir yakıt işlemci (reformer) ilavesi ile, doğal gaz veya LPG ile de çalışabilecek, bir prototip üretilmesi hedeflenmektedir.
Sistemde kullanılacak güç dönüştürücü (inverter) ile yakıt pilinde üretilen doğru akım, alternatif akıma dönüştürülecektir.

Söz konusu prototipin oluşumu sırasında geliştirilecek teknoloji ile, konutlarda elektrik enerjisi ihtiyacını bağımsız şekilde ve çevre koşullarına uygun biçimde karşılamak mümkün olacaktır.