Hidrojen üreten ve enerji depolayan çinko piller

Yenilenebilir enerji devrimi, iklim dostu bir dünya oluşturmayı misyon haline getirmiştir. Fakat bunun önündeki en büyük engellerden biri yeşil enerjiyi depolamada kullanılan araçların eksikliğidir. Enerji depolama sorununa alternatif çözümlerin yetersizliği fosil yakıtlardan uzaklaşmayı daha zor hale getirir. Bir araştırma konsorsiyumu, yalnızca elektrik enerjisini depolamakla kalmayıp aynı zamanda hidrojeni üretmek için de kullanabilen, maliyeti düşük çinko pillerle birlikte bu sorunu çözmeyi bir amaç olarak belirlemiştir. Yapılan ilk çalışmalarla elde edilen sonuçlara göre söz konusu çinko piller güç depolama alanında %50, hidrojen üretimi alanında %80 verimlilikle çalışmaktadır ve bu sistemin kullanım ömrü on yıldır. Bu proje enerji devrimi için önem arz eden bir gelişmedir¹.

Yenilenebilir enerji devriminin gerçekleşmesi adına dünya ülkeleri için birçok sorunla yüz yüzedir. Bu sorunlardan biri yeşil enerjiyi depolamak için uygun ve doğru araçlarının kısıtlı sayıda alternatifinin bulunmasıdır. 

Rüzgar ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynakları zamanla daha uygun fiyatlı bir hale geliyor aynı zamanda uzun süre yeterli güç sağlama potansiyeline sahiptir. Fakat öngörülemez yapıları, her zaman güneşin parlamadığı veya rüzgarın esmediği zamanlar (dunkelflaute*) da sorun oluşturmaktadır². Dunkelflaute durumlarında üretilemeyen enerji konvansiyonel enerji santralleri tarafından karşılanması lazımdır. Bu da ülkeleri karmaşık bir ikili enerji altyapı kurma maliyetlerine sokarken, fosil yakıtların kullanılması ve yenilenebilir enerjiye geçişi zor bir durum haline getirir.

Zn2H2 GmbH ve Steel PRO Maschinenbau GmbH adlı ticari araştırma grupları, yeşil enerjiyi depolamak adına yeni fikirleri araştırmak üzere Zn-H2 projesi için toplandı. Vizyonları ise uzun vadede güç depolamak için uzun ömürlü bir pil tasarlamaktır.

Araştırma ekibi, çinko anot kullanan ve ispatlanmış pil tasarımlarından yola çıkıp alkali su elektrolizi tekniğini ekleyerek tamamen yeni bir teknoloji ortaya çıkarmışlardır. Pillerde genel olarak kolay bulunabilen ve tamamen geri dönüştürülebilir materyallere (çelik, çinko ve potasyum hidroksit) gereksinim duyulur. Bunun sebebi dünya çapında bir sorun olan kaynak krizi ve tedarik zincir risklerini hafifletmektir³. Genelde kullanılan lityum pillerinin tersine, çinko bazlı piller reaktif doğası gereği daha güvenlidir. Ayrıca maliyetinin düşük olması ve yüksek enerji yoğunluğunun uygun fiyatlı olması onu avantajlı kılan bir diğer yönüdür⁴. Üstelik böyle bir avantajla kalmayıp buna ek olarak araştırmacılar, çalışmalarının sonunda enerjiyi metalik çinko şeklinde depolayabilen ve lazım olduğunda yeniden elektrik gücüne ve hidrojene geri dönüştüren, elektrikle şarj edilebilen bir hidrojen depolama sistemine sahip olmayı umuyorlar.

Dr. Robert Hahn, pilde meydana gelen kimyasal prosesi şu şekilde dile getirmektedir: “Şarj sırasında su oksitlenerek oksijene dönüşürken, çinko oksit metalik çinkoya indirgenir. Bu, deşarj sırasında çinko okside geri döner. Su tekrar indirgenir ve hidrojeni serbest bırakır. Bu, %50 elektrik depolama verimliliğine sahip, normal bir batarya ve hidrojen kaynağının benzersiz bir kombinasyonudur.”

Araştırma ekibi, yeni sistemin laboratuvar şartlarına karşı uygulanabilirliğini ispatladılar ve birer birer hücreleri bir dizi döngü süresince verimlilik ve kararlılıkları bakımından test ettiler. Sonuçta, her bir hücresi 12 V ve 50 Ah kapasiteli bir sistem oluşturuldu.

Çinko-hidrojen piller halihazırda kullanılan ilk yöntem olduğu için, tüm değişkenleri ayarlayıp optimize etmek için fazlasıyla hassas ve akıllı kontroller kullanarak doğru test koşullarında Fraunhofer IZM ekibi tarafından sıfırdan geliştirilmesi gerekmektedir.

Pillerde en önemli parametrelerden biri, birkaç bin döngü süresince kararlı çalışmayı garanti etmektir. Daha yüksek şarj sayılarında şarj esnasında çinko miktarının daha fazla dendritik büyümesine sebep olduğundan pil hücreleri bozulma eğilimindedir. Fakat elektrolit hızı 15 cm/s’den yüksek olduğu durumlarda dendritlerin yönü akış yönüne doğru bozulmakla beraber kısa devre bastırılıyordu⁵. 

Hücrelerle yapılan ilk çalışmaların sonuçları gayet umut vericiydi. Gün ışığında ve güneş enerjisini depolamak için günlük kullanımda mevsimsel dalgalanmanın olduğu realist bir kullanımda sürecinde, üretimi düşük olan katalizörlerin on yıl ila daha fazla kullanım ömrünün olması umut ediliyor. Bu sistemin endüstriyel kullanıma hazır hale gelmesi için hala daha ölçek büyütme ve sistem mühendisliğine gereksinim vardır. Böylelikle bütün araştırma konsorsiyumu, yeşil enerjiyi depolamanın yanında yenilenebilir enerji dönemine güç veren yakıtlardan bir tanesi olan hidrojeni üretmek için yeni bir çözüm yolu arıyor.

*Dunkelflaute: Ne rüzgar ne de güneşin olmadığı zamanlarda rüzgar ve güneş enerjisi ile çok az enerji üretilebilen veya hiç üretilemeyen hava durumunu ifade eder.

Ant Efe ŞİMŞEK

Kaynaklar

1. https://techxplore.com/news/2023-07-zinc-batteries-efficiency-ability-hydrogen.html
2. Li, B., Basu, S., Watson, S. J., & Russchenberg, H. W. (2021). A brief climatology of dunkelflaute events over and surrounding the North and Baltic Sea areas. Energies, 14(20), 6508.
3. Chen, Q., Lai, X., Hou, Y., Gu, H., Lu, L., Liu, X., … & Zheng, Y. (2023). Investigating the environmental impacts of different direct material recycling and battery remanufacturing technologies on two types of retired lithium-ion batteries from electric vehicles in China. Separation and Purification Technology, 308, 122966.
4. Gbadamasi, S., Loomba, S., Khan, M. W., Shabbir, B., & Mahmood, N. (2023). Zinc Batteries: Basics, Materials Functions, and Applications. In Handbook of Green and Sustainable Nanotechnology: Fundamentals, Developments and Applications (pp. 2331-2367). Cham: Springer International Publishing.
5. Ito, Y., Nyce, M., Plivelich, R., Klein, M., Steingart, D., & Banerjee, S. (2011). Zinc morphology in zinc–nickel flow assisted batteries and impact on performance. Journal of Power Sources, 196(4), 2340-2345.