Alternatif enerji kaynakları

Pekcan'ın doğum günü hediyesi, kutusunda «güneşle çalışan hidrojenli araba» yazan bir eğitim setiydi. Ablası Öznur kitapçığı okuyup arabanın sırtındaki iki küçük tüpe saf su doldurdu, ortadaki hücrenin kablolarını balkona koydukları avuç içi büyüklüğündeki güneş paneline bağladı. On dakika sonra tüplerde gaz birikmişti. Öznur kardeşine sevinçle açıkladı: «Bu araba suyla gidiyor. Su yakıt; denizler dolusu yakıt bedava.» Paneli söküp arabayı salona bıraktılar. Araba halının üstünde birkaç tur attı ve yavaşlayıp durdu; tüplerdeki gaz tükenmişti, su ise yerindeydi. Kitapçık arabanın egzozundan yalnız su buharı çıktığını yazıyordu. Pekcan arabayı yeniden yürütmek için ne yapacaklarını sordu. Öznur'un bulduğu çare kendi cümlesini bozdu: paneli kablosuyla birlikte yeniden balkona, güneşe taşıdılar.

• Enerji kaynağını enerji taşıyıcısından, yenilenebilir kaynağı yenilenemez olandan ayırırsın.
• Verilen yanma entalpilerinden yakıtların gram ve litre başına enerjisini hesaplar, hidrojenin üstünlüğünü ve depolama güçlüğünü açıklarsın.
• H₂–O₂ yakıt hücresinin anot, katot ve net tepkimelerini yazar, harcanan madde ile geçen elektron ve yük arasındaki hesabı kurarsın.
• Biyoetanol, biyodizel ve biyogaz üretimini tepkimeleriyle tanır, kaynakların üstünlük ve sakıncalarını karşılaştırırsın.

Kaynak ile taşıyıcı

Öznur'un «su yakıt» cümlesi bir sınıflandırma hatası taşıyor; arabayı yürüten enerji balkondaki panelden gelmişti. Doğada hazır bulunan ve kullanılmadan önce başka bir enerjiyle üretilmesi gerekmeyen kaynaklara birincil enerji kaynağı denir: kömür, ham petrol, doğal gaz, güneş ışığı, rüzgâr, akan su, yerin iç ısısı, uranyum. Enerji taşıyıcısı ise bir birincil kaynağın enerjisiyle üretilen, o enerjiyi başka bir yere ya da zamana götüren biçimdir. Elektrik böyledir; hidrojen de böyledir.

Hidrojenin taşıyıcı sayılmasının kimyasal nedeni yanma tepkimesinde görülür. Bir mol hidrojen yarım mol oksijenle birleşip sıvı su verdiğinde 286 kJ ısı açığa çıkar; denklem iki mol üzerinden yazılırsa:

O₂(g) + 2H₂(g) → 2H₂O(s) ΔH = −572 kJ

Su, hidrojenin yanmış hâlidir. «Kimyasal tepkimelerde enerji» modülündeki kurala göre denklem ters çevrilince ΔH'nin işareti değişir: iki mol sıvı suyu hidrojen ve oksijene ayırmak +572 kJ ister. Yeryüzünde hidrojenin büyük kısmı su ve organik bileşikler içinde bağlı olduğundan, hidrojeni serbest bırakmak için harcanan enerji yakılınca en fazla geri alınır; gerçek düzeneklerde kayıplar yüzünden bu bile tam sağlanamaz. Hidrojen enerjiyi yaratmaz, taşır. Ne kadar temiz olduğu da onu üretmek için hangi birincil kaynağın kullanıldığına bağlıdır.

Yenilenebilir ve yenilenemez

Bir kaynağın oluşma ya da kendini yenileme hızı, tüketilme hızıyla karşılaştırılarak sınıflandırılır. Oluşumu milyonlarca yıl süren kömür, petrol ve doğal gaz yenilenemez kaynaklardır; «Fosil yakıtlar» dersinin konusu bu gruptur. Uranyum da yer kabuğunda sınırlı miktarda bulunduğu için yenilenemez sayılır. Güneş ışığı, rüzgâr, akarsular, yerin iç ısısı ve bitkilerin ürettiği organik madde ise yenilenebilir kaynaklardır; insan ömrü ölçeğinde kendini yeniler. Biyokütlenin bu gruba girmesinin bir koşulu vardır: kesilen orman ya da hasat edilen bitki, tüketildiği hızda yeniden yetişmelidir.

Hidrojen bu iki gruptan hiçbirine kendiliğinden girmez; etiketi üretim yolundan gelir. Güneş ya da rüzgâr elektriğiyle sudan elde edilen hidrojen yenilenebilir bir zincirin halkasıdır. Doğal gazdan elde edilen hidrojen ise fosil bir zincirin parçasıdır.

Hidrojenin eldesi

«Elektroliz» dersindeki su elektrolizi en doğrudan yoldur: seyreltik sülfürik asidin ya da sodyum sülfatın sulu çözeltisinden akım geçirildiğinde hidrojen katotta, oksijen anotta birikir; aynı koşullarda hacimler 2 : 1 oranındadır. Bu yol yalnız elektrik ister ve karbon salmaz, fakat elektriğin kaynağı fosil bir santralse karbon dioksit santralin bacasından çıkar.

Sanayide hidrojenin önemli bir kısmı bugün doğal gazdan, metanın yüksek sıcaklıkta su buharıyla tepkimeye sokulmasıyla elde edilir. Ara basamaklar birleştirildiğinde toplam değişim şöyle özetlenir:

CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂

Her mol metandan dört mol hidrojen alınır, ama bir mol karbon dioksit de açığa çıkar. Arabanın kitapçığındaki «egzozdan yalnız su buharı» bilgisi doğrudur; anlatmadığı, hidrojenin fabrikadan hangi bedelle çıktığıdır.

Kütle başına enerji ve depolama

«Fosil yakıtlar» dersi hidrokarbonları ve kömürü kütle başına ısıyla sıralamıştı; buradaki karşılaştırma için o listeden yalnız metan alınıyor: gram başına yaklaşık 55,6 kJ. Aynı bölme hidrojene uygulandığında sıralama değişir. Bir mol hidrojenin yanması 286 kJ verir; mol başına bakılırsa metanın 890 kJ'ünün üçte birinden azdır. Ama bir mol hidrojen yalnız iki gram çeker ve gram başına ısı 286 / 2 = 143 kJ'e çıkar. Bir gram hidrojen, bir gram metanın verdiği ısının 143 / 55,6 ≈ 2,6 katını verir. Biyoyakıtlara geçmeden etanolü de ölçeğe koyalım: yanma ısısı yaklaşık 1367 kJ/mol ve bir molü 46 gram olduğundan gram başına yaklaşık 29,7 kJ verir; molekülü kısmen yükseltgenmiş durumdadır ve taşıdığı oksijen kütleye eklenip ısıya katkı yapmadığından hidrokarbonların gerisinde kalır.

Aynı hafiflik depolamayı zorlaştırır. Normal koşullarda 22,4 litreye bir mol gaz sığdığından bir litre hidrojen gazı 286 / 22,4 ≈ 12,8 kJ, bir litre metan ise 890 / 22,4 ≈ 39,7 kJ taşır. Gaz hâlinde aynı hacme sığan enerji bakımından metan hidrojenin üç katından fazladır. Bu açığı kapatmak için hidrojen ya çok yüksek basınca sıkıştırılır ya da yaklaşık −253 °C'ye soğutularak sıvılaştırılır; ikisi de enerji harcar ve dayanıklı tank ister. Küçük molekül bazı malzemelerden sızabilir, havayla geniş bir oran aralığında tutuşabilir. Bu yüzden hidrojenin depolanması ve taşınması ayrı bir güvenlik ve mühendislik konusudur.

Yakıt hücresi: yanmayı ikiye ayırmak

Hidrojen bir motorda yakıldığında kimyasal enerji önce ısıya, ısı da harekete dönüşür; her dönüşümde bir kısmı kaybolur. «Galvanik hücreler» dersindeki fikir burada da işler: kendiliğinden yürüyen bir redoks tepkimesinin iki yarısı ayrı elektrotlara yerleştirilirse elektronlar dış devreden akmak zorunda kalır ve enerji doğrudan elektrik olarak alınır. Hidrojenle oksijenin birleşmesini bu biçimde yürüten düzeneğe yakıt hücresi denir.

Asidik elektrolitli (proton geçiren zarlı) bir hücrede hidrojen anoda, oksijen katoda gönderilir:

Anot (yükseltgenme): H₂ → 2H⁺ + 2e⁻

Katot (indirgenme): O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O

Elektron sayılarını eşitlemek için anot tepkimesi ikiyle çarpılır; toplanınca H⁺ iyonları ve elektronlar sadeleşir ve net tepkime hidrojenin yanmasıyla aynı çıkar: iki mol hidrojen bir mol oksijenle iki mol su verir. Elektronlar dış devrede anottan katoda yürür; H⁺ iyonları elektrolitin içinden katoda geçer; su katotta oluşur. Galvanik hücrelerdeki gibi anot negatif, katot pozitif kutuptur.

Standart elektrot potansiyelleri hidrojen yarı hücresi için 0,00 V, oksijenin suya indirgenmesi için +1,23 V'tur; hücrenin standart gerilimi bu ikisinin farkı olan 1,23 V'tur. Anot tepkimesini ikiyle çarpmak bu değeri değiştirmez; «Elektrot potansiyelleri» dersinde görüldüğü gibi potansiyel madde miktarına bağlı değildir.

Yakıt hücresi sıradan bir pilden bir noktada ayrılır: girenler kabın içinde depolanmaz, dışarıdan sürekli verilir. Hidrojen ve oksijen beslendikçe hücre çalışır; şarj edilmesi gerekmez. Proton geçiren zarlı hücre düşük sıcaklıkta çalıştığı için havadaki azottan azot oksitler oluşturmaz, oysa hidrojeni havada yüksek sıcaklıkta yakan bir motorda bu ürünler oluşabilir. Bazik elektrolitli hücrelerde yarı tepkimeler OH⁻ iyonlarıyla yazılır ve su anotta oluşur; net tepkime yine aynıdır.

Elektroliz ile yakıt hücresi aynı tepkimenin iki yönüdür. Elektroliz dışarıdan elektrik alıp suyu hidrojen ve oksijene ayırır; yakıt hücresi bu iki gazı birleştirip elektrik verir. Güneş ya da rüzgâr elektriğinin fazlası gündüz suyun elektrolizine harcanır, hidrojen depolanır ve ihtiyaç olduğunda yakıt hücresinde yeniden elektriğe çevrilir. Hidrojenin taşıyıcı rolü en açık bu döngüde görülür.

Yakıt hücresinde elektron sayımı

Hesabın anahtarı «Faraday yasaları» dersindeki elektron molüdür. Anotta harcanan her H₂ dış devreye iki elektron yollar; katotta her O₂ dört elektron tüketir. Hücrede 4 g hidrojen, yani 2 mol H₂ harcanırsa dış devreden 4 mol elektron geçer; bu elektronları 1 mol oksijen alır ve 2 mol, yani 36 g su oluşur. Bir mol elektron 96 500 C taşıdığına göre devreden 386 000 C yük akmıştır. Akım biliniyorsa süre de bulunur: 5 A'lik bir hücrede 19 300 C'lik yük, yani beşte bir mol elektron, 3860 saniyede akar.

Biyokütle ve biyoyakıtlar

Bitkiler fotosentezle havadaki karbon dioksiti ve suyu güneş ışığının enerjisiyle glikoza çevirir: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂. Bitkisel ve hayvansal kökenli bu organik maddeye biyokütle denir; içinde depolanmış enerji özünde güneş enerjisidir. Odunun doğrudan yakılması en eski kullanımıdır. Biyokütle yakıldığında açığa çıkan karbon dioksit, bitkinin büyürken havadan aldığı karbondan gelir; bu nedenle karbon bakımından fosil yakıtlardan daha dengeli sayılır. Gübre üretimi, sulama ve taşımada harcanan enerji hesaba katıldığında denge tam değildir.

Biyoetanol, şekerli ve nişastalı bitkilerden mayalanmayla elde edilen etanoldür. «Alkoller» dersinde görülen tepkimede maya enzimleri havasız ortamda glikozu ayırır: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂. Bir mol glikozdan iki mol etanol çıkar. Elde edilen etanol tek başına ya da benzine karıştırılarak yakılır; yanma ürünleri karbon dioksit ve sudur.

Biyodizel, bitkisel yağlardan ya da atık kızartma yağlarından üretilir. «Esterler» dersinde görüldüğü gibi bu yağlar gliserinin üç yağ asidiyle kurduğu esterlerdir (trigliserit). Yağ, katalizör eşliğinde metanol gibi küçük bir alkolle tepkimeye sokulunca ester bağları yeniden kurulur: gliserinin yerini metil grupları alır. Ürün, dizel yakıtın yerine kullanılabilen yağ asidi metil esterleri ile yan ürün olarak gliserindir. Her trigliserit molekülü için üç metanol molekülü gerekir; ürün tarafında üç metil ester ile tek bir gliserin molekülü bulunur; sabunlaşmadaki 1 : 3 oranı burada alkol için geçerlidir. Sabunlaşmaya benzer, ama ürün bir tuz değil yeni bir esterdir.

Biyogaz, hayvan gübresi, gıda artıkları ve atık su çamuru gibi organik maddelerin oksijensiz ortamda bakteriler tarafından ayrıştırılmasıyla oluşur. Karışımın yanıcı ana bileşeni metandır; geri kalanının büyük kısmı yanmayan karbon dioksittir. Biyogaz hem atığı değerlendirir hem de ısınma ve elektrik üretiminde doğal gaz gibi yakılır. Tesisten metan sızması ise sorun yaratır, çünkü metan güçlü bir sera gazıdır.

Güneş, rüzgâr, akarsu ve yerin ısısı

Bu kaynaklarda enerji bir kimyasal tepkimeden gelmez; kimyanın payı malzemede ve depolamadadır. Güneş pilleri ışığı doğrudan elektriğe çevirir; ışığın yarı iletkende nasıl akım oluşturduğu Fizik dersi «Yarı iletkenler, LED ve güneş pili»nin konusudur. Kimya tarafında çok saf silisyum üretimi ve geceleri kullanılacak enerjiyi saklayan piller vardır. Güneş kolektörleri ise ışığı yalnız ısıya çevirip suyu ısıtır. Rüzgâr türbinleri havanın hareket enerjisini, hidroelektrik santraller baraj gölündeki suyun potansiyel enerjisini elektriğe çevirir. Güneş ve rüzgâr kesintilidir; elektrik üretimi hava durumuna bağlıdır ve fazlasını saklamak için pil ya da hidrojen gerekir. Jeotermal kaynaklarda yerin derinliklerinden gelen sıcak su ve buhar kullanılır. Bu akışkan çözünmüş tuzlar ve karbon dioksit, hidrojen sülfür gibi gazlar taşır; borularda kireç benzeri çökeltiler bırakabilir ve gazlarının arıtılması gerekir.

Nükleer enerji nerede durur

Nükleer santrallerde enerji, uranyum çekirdeklerinin bölünmesinden gelir. Kimyasal tepkimelerde atom çekirdekleri değişmez; yalnız elektronlar ve bağlar yeniden düzenlenir. Çekirdek tepkimeleri ise elementin kendisini değiştirir ve kütle başına kimyasal yanmadan çok daha büyük enerji verir. Bu süreçlerin ayrıntısı Fizik dersi «Fisyon ve füzyon»dadır. Bu derste bilinmesi gereken sınıflandırmadır: nükleer enerji fosil değildir, karbon dioksit salmaz, ama yakıtı sınırlı olduğu için yenilenemezdir ve radyoaktif atığın uzun süre güvenle saklanmasını gerektirir.

Kaynakların karşılaştırması

Tablodaki hiçbir satırın sakıncası boş değildir. Hangi kaynağın seçileceği, enerjinin nerede ve ne zaman gerektiğine, depolama imkânına ve bıraktığı atığa göre tartılır.

Sırada ne var?

Biyodizel tepkimesi tamamen yürüse bile her yağ molekülünden bir gliserin molekülü yakıta girmeden ayrılır. Bir tepkimenin ne kadar tam yürüdüğü ile girenlerdeki atomların ne kadarının istenen ürüne taşındığı ayrı sorulardır. «Sürdürülebilirlik ve nanoteknoloji» dersi bu ikinci ölçüyü, yani atom ekonomisini, atığı oluşmadan önleyen yeşil kimya ilkelerini ve tanecik küçüldükçe büyüyen yüzeyin katalizörü nasıl güçlendirdiğini ele alıyor.

Örnek 1 — Gram başına karşılaştırma

Soru: Hidrojenin yanma ısısı 286 kJ/mol, metanınki 890 kJ/mol olarak veriliyor (sıvı su oluşur; mol kütleleri H₂ için 2, CH₄ için 16 g/mol). Eşit kütlede hidrojen ve metan tamamen yakılırsa hidrojenden açığa çıkan ısının metandan açığa çıkan ısıya oranı yaklaşık kaçtır?

• A) oran yaklaşık 0,32
• B) oran yaklaşık 3,1
• C) oran yaklaşık 2,6
• D) oran 8
• E) oran yaklaşık 0,39

Çözüm: Bir gram hidrojen 286 / 2 = 143 kJ, bir gram metan 890 / 16 ≈ 55,6 kJ verir. Oran 143 / 55,6 ≈ 2,6 bulunur. A mol başına değerleri, yani 286 / 890'ı oranlamıştır; B aynı karşılaştırmayı ters kurmuştur. E gram başına değerleri doğru bulup oranı ters yazmıştır. D yalnız mol kütlelerinin oranıdır ve yanma ısılarını hesaba hiç katmaz. Cevap: C.

Örnek 2 — Hücrenin içinde ne nereye gider

Soru: Asidik elektrolitli bir H₂–O₂ yakıt hücresi çalışırken hangisi doğrudur?

• A) Elektronlar dış devrede oksijen elektrodundan hidrojen elektroduna akar.
• B) Su, hidrojenin beslendiği elektrotta oluşur.
• C) Hidrojen elektrodu hücrenin pozitif kutbudur.
• D) H⁺ iyonları elektrolit içinde katoda doğru hareket eder.
• E) Hücrenin girenleri ilk kurulumda kabın içine konur ve bitince hücre şarj edilir.

Çözüm: Hidrojen anotta yükseltgenir ve H⁺ iyonlarına dönüşür; bu iyonlar elektrolitten geçerek katotta oksijen ve elektronlarla buluşur, su orada oluşur. Elektronlar dış devrede anottan katoda, yani hidrojen elektrodundan oksijen elektroduna akar; A bunu ters söylemiştir. B bazik hücrede doğrudur, asidik hücrede değil. Anot galvanik hücrede negatif kutuptur; C bunu karıştırmıştır. E sıradan pili anlatır; yakıt hücresine girenler dışarıdan sürekli verilir. Cevap: D.

Örnek 3 — Harcanan hidrojenden yüke

Soru: Bir yakıt hücresinde 0,8 g hidrojen gazı tamamen harcanıyor (H = 1; bir mol elektron 96 500 C yük taşır). Bu sürede dış devreden geçen yük kaç coulombdur?

• A) Q = 38 600 C
• B) Q = 77 200 C
• C) Q = 154 400 C
• D) Q = 19 300 C
• E) Q = 96 500 C

Çözüm: 0,8 g hidrojen 0,4 moldür. Molekül başına iki elektron düştüğünden devreden 0,8 mol elektron akar; 0,8 × 96 500 = 77 200 C. A her moleküle bir elektron saymış, C oksijenin dört elektronunu hidrojene yüklemiştir. E bir mol elektronun yükünü olduğu gibi yazmış, D ise elektron molünü dörde bölmüştür. Cevap: B.

Örnek 4 — Şekerden ısıya

Soru: 90 g glikoz mayalanmayla tamamen etanole dönüştürülüyor (C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂). Elde edilen etanolün tamamı yakılırsa kaç kJ ısı açığa çıkar? (Glikozun mol kütlesi 180 g/mol, etanolün yanma ısısı 1367 kJ/mol alınız.)

• A) 683,5 kJ
• B) 2734 kJ
• C) 2,7 kJ
• D) 46 kJ
• E) 1367 kJ

Çözüm: 90 g glikoz 0,5 moldür ve katsayı oranıyla 1 mol etanol verir. Bir mol etanolün yanması 1367 kJ açığa çıkarır. A etanolün katsayısını atlayıp 0,5 mol etanol saymış, B ise glikozu bir mol kabul edip katsayıyla çarpmıştır. D etanolün kütlesini ısı sanmış, C de sonucu mol kütlesine bölmüştür. Cevap: E.

• Hidrojeni birincil enerji kaynağı saymak. Yeryüzünde hidrojen çoğunlukla bileşik hâlindedir; serbest bırakmak için harcanan enerji yakılınca en fazla geri alınır. Hidrojen bir taşıyıcıdır.
• Yakıtları mol başına ısıyla sıralamak. Hidrojenin mol başına ısısı metanınkinin üçte birinden azdır, ama gram başına ısısı iki buçuk katından fazladır. Soru gram ya da litre soruyorsa mol değerleri o birime çevrilir.
• «Yanınca yalnız su» bilgisini üretime taşımak. Doğal gazdan elde edilen hidrojenin üretiminde karbon dioksit açığa çıkar; elektrolizde de salım elektriğin kaynağına bağlıdır.
• Yakıt hücresinde suyun yerini ezbere yazmak. Asidik elektrolitte su katotta, bazik elektrolitte anotta oluşur; karar yarı tepkimelere bakılarak verilir.
• Hücre potansiyelini katsayıyla çarpmak. Anot tepkimesi ikiyle çarpılınca gerilim 2,46 V olmaz; standart gerilim 1,23 V kalır.
• Nükleer enerjiyi yenilenebilir ya da kimyasal saymak. Enerji çekirdek bölünmesinden gelir ve yakıt sınırlıdır; karbon salmaması onu yenilenebilir yapmaz.