Elektrolizör, suyun oluşturduğu hidrojen ve oksijen moleküllerini elektrik kullanarak ayırabilen kimyasal bir işlem (elektroliz) yoluyla hidrojen üreten bir cihazdır. Bu sürdürülebilir bir şekilde, yani atmosfere karbondioksit salmadan üretilen hidrojen, yani karbondan arındırılmış bir ekonominin temeli bile olabilecek bir cihazdır.
Elektroliz ilk başta kulağa beher, birkaç kablo ve birkaç pille yapılan bir lise laboratuvarı deneyi gibi gelebilir. Ancak moleküllerin, bu durumda su moleküllerinin elektrik kullanılarak parçalanmasını sağlayan bu işlemin etkisi, yeşil hidrojen elde etmenin anahtarıdır.
Hidrojen Üretimi
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir ve bu nedenle mükemmel yakıt olabilir. Ancak tek sebep bu değildir: Hidrojen yandığında karbon dioksit üretilmez; bunun yerine su buharı üretilir. Bu şekilde kullanımı, sera etkisinden ve küresel ısınmadan sorumlu emisyonları büyük ölçüde azaltacaktır.
Zorluk, hidrojen elde etmek için elektrik enerjisine ihtiyaç duyulması ve bu enerjinin fosil yakıtlardan gelmesi durumunda emisyonların oluşması gerçeğinde yatmaktadır. Buna karşılık, yeşil hidrojen olarak bilinen maddenin üretimi, elektroliz işlemine güç sağlamak için yenilenebilir enerjilerin kullanımına dayanır ve bu sayede sudan hidrojen elde edilir. Bu işlemden sorumlu makineye elektrolizör denir.
Elektrolizör Nasıl Çalışır?
Bir elektrolizör, su moleküllerini kurucu oksijen ve hidrojen atomlarına ayırabilen bir cihazdır. İki element arasındaki bağlar çok kararlıdır ve bu bölünmenin elektroliz adı verilen bir süreçte gerçekleşmesi için elektrik enerjisi gereklidir. Verimli elektrolizörler, endüstrilerde hidrojenin penetrasyonunun ve hidrojen yakıt hücrelerinin benimsenmesinin anahtarı olacaktır.
Dünyanın en büyük elektrolizörlerinden biri, güneş panelleri tarafından desteklendiği için enerji üretiminde bir paradigma değişimini simgeleyen, ünlü nükleer felaketin yaşandığı Japonya‘nın Fukushima kentinde bulunmaktadır. En yakın zamanda, Ocak 2021’de, Japon elektrolizörü, günde 8,2 ton üretime sahip bir polimer membran cihazından oluşan Kanada‘nın Bécancour kentindeki elektrolizörü çok geride bırakmıştır.
Elektroliz ilk olarak 1800 yılında keşfedilmiş, aynı yıl Alessandro Volta tarafından elektrik pilinin icadından sonra, diğer kimyacılar kutuplarını bir su kabına bağlamayı denemişlerdir. Daha sonra akımın sudan geçtiğini ve elektrotlarda hidrojen ve oksijenin ayrıldığını keşfetmişlerdir.
Bir elektrolizör, yüksek voltaj ve akımın uygulandığı bir zarla ayrılmış iletken bir elektrot yığınından oluşur. Bu, suda, bileşenlerine ayrılmasına neden olan bir elektrik akımına neden olur: hidrojen ve oksijen. Komple sistem ayrıca pompalar, güç elektroniği, gaz ayırıcı ve depolama tankları gibi diğer yardımcı bileşenleri içerir.
Paralel olarak üretilen oksijen atmosfere salınır veya bazı durumlarda daha sonra tıbbi veya endüstriyel gaz olarak kullanılmak üzere depolanabilir. Hidrojen, sıkıştırılmış bir gaz olarak depolanır veya endüstride veya trenler, gemiler ve hatta uçaklar gibi ulaşım araçlarına güç sağlayabilen hidrojen yakıt hücrelerinde kullanım için sıvılaştırılır.
Elektrolizer Türleri
Günümüzde boyutlarına ve işlevlerine bağlı olarak farklı tipte elektrolizörler bulunmaktadır. En yaygın olarak kullanılanlar:
Alkalin elektrolizör
Alkalin elektrolizer; potasyum hidroksit veya sodyum hidroksit ve su gibi bir sıvı elektrolit çözeltisi kullanır. Hidrojen, anot, katot ve zardan oluşan bir hücrede üretilir. Hücreler genellikle aynı anda daha fazla hidrojen ve oksijen üretmek için seri olarak monte edilir. Elektroliz hücre yığınına akım uygulandığında, hidroksit iyonları elektrolit boyunca katottan her bir hücrenin anotuna doğru hareket eder ve elektrolizörün katot tarafında hidrojen gazı ve anotta oksijen gazı kabarcıkları oluşturur. 100 yıldan uzun süredir kullanılmaktadırlar ve katalizör olarak asil metallere ihtiyaç duymazlar; bununla birlikte, orta saflıkta hidrojen elde eden ve operasyonda çok esnek olmayan hacimli ekipmanlardır.
Proton değişim membranı (PEM) elektrolizörü
PEM elektrolizörleri, bir proton değişim membranı ve bir katı polimer elektrolit kullanır. Akım uygulandığında, hidrojen ve oksijen, suyu bölerek hidrojen protonlarından geçen zar ile, hidrojen gazı oluşturmak üzere katot tarafında birleşir. En popüler olanlarıdır çünkü yüksek saflıkta hidrojen üretirler ve soğuması kolaydır. Yenilenebilir enerjilerin değişkenliğine uyum sağlamak için en uygun olanlardır, kompakttırlar ve yüksek saflıkta hidrojen üretirler. Diğer yandan, katalizör olarak değerli metaller kullandıkları için biraz daha pahalıdırlar.
Katı oksit elektroliz hücresi (SOEC)
SOEC’ler daha yüksek bir sıcaklıkta (500 ile 850 ºC arasında) çalışır ve PEM’lerden ve alkalin elektrolizörlerden çok daha verimli olma potansiyeline sahiptir. İşlem, yüksek sıcaklık elektrolizi (HTE) veya buhar elektrolizi olarak adlandırılır ve elektrolit olarak katı bir seramik malzeme kullanır. Dış devreden gelen elektronlar, hidrojen gazı ve negatif yüklü iyonlar oluşturmak için katotta su ile birleşir. Oksijen daha sonra kayan seramik membrandan geçer ve anotta reaksiyona girerek oksijen gazı oluşturur ve dış devre için elektronlar üretir. Teknolojik olarak yukarıdakilerden daha az gelişmişlerdir.
Henüz yukarıdaki türleri kadar verimli veya uygun maliyetli olmayan ancak, geliştirmek için çok fazla potansiyele sahip olan başka elektrolizör türleri de vardır, örnek olarak photoelectrolysis verilebilir. Bu tür, elektrik ihtiyacı olmadan ayrıca su moleküllerinin tek güneş ışığını kullanır. Ancak bu cihaz, henüz yeterince geliştirilmemiş yarı iletkenler gerektirir.
Kaynakça:
https://www.cummins.com/news/2020/11/16/electrolyzers-101-what-they-are-how-they-work-and-where-they-fit-green-economy
https://www.researchgate.net/figure/The-three-types-of-electrolysers-a-Acidic-PEM-Polymer-Electrolyte-Membrane-b_fig3_320669694
https://www.iberdrola.com/sustainability/electrolyzer
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu