Hidrojen depolamada bikarbonat enerji sistemi

Dünya genelinde enerji gereksinimin gün geçtikçe artması buna bağlı olarak enerji krizlerinin yaşanması sonucu, ülkeler daha sürdürülebilir enerji kaynakları üzerine yönelmişlerdir. Araştırmacılar bu enerjiye geçişte büyük potansiyel sahibi hidrojeni güvenli ve devamlı şekilde depolamanın yollarını aramaktadırlar. Nature Communications dergisinde yayınlanan çalışmada Rostock’taki Leibniz Kataliz Enstitüsü‘nden araştırmacılar, LIKAT ve H2APEX şirketi, yüksek uçuculuk ve kolay alevlenebilirlik özelliklerinden dolayı depolama zorluğu olan hidrojen gazının nasıl daha sağlam ve pratik malzemelerle kontrol altına alındığı hakkında rapor veriyor.¹

Hidrojeni güvenli şekilde depolayabilmek için gazın fiziksel özelliği ve düşük hacimsel yoğunluğu göz önüne alınarak birkaç hidrojen taşıyıcısı düşünülmektedir. Bu taşıyıcı adaylarında dikkat edilen temel yetenek, uygun katalizör varlığında bir molekülün hidrojen alabilmesi (hidrojenlenme) ve bu hidrojeni geri verebilmesi (dehidroje olma) dir. Bu duruma bakıldığında ortam koşullarında sıvı olan hidrojen taşıyıcılar enerji altyapısının mevcut dağıtım koşulları için büyük avantaj sağlamaktadır. Kimyasal hidrojen depolamada önemli rol oynayan sıvı organik taşıyıcıları (LOCH) olarak adlandırılanların yanı sıra, (hetero)arenler, hidrojen ucuz ve bol bulunan azot veya karbondioksit ile metan, metanol veya formik asit (FA) gibi taşıyıcı moleküller oluşturmak için dönüştürülebilir.²

Rostock’taki Leibniz Kataliz Enstitüsü‘nden araştırmacılar, gerçekleştirdikleri katalizör sistemiyle ilgili çalışmalarında hidrojenin potasyum bikarbonata bağlanabileceğini yayınlamışlardır. Sistemlerinde katalizör olarak tercih ettikleri rutenyum varlığında hidrojen ve potasyum bikarbonat reaksiyona girerek zararsız bir tuz olan formik asit (FA) formatını oluşturmaktadır. Formik asit hidrojen depolama için güvenilir ve umut verici bir maddedir çünkü oda sıcaklığında sıvı halde yüksek oranda hidrojen (%4,4) içeriğine sahip³ ve ayrışma reaksiyonunun optimal termodinamik koşulları nedeniyle yüksek hidrojen basınçlarına kolayca ulaşılır. Birçok kimyasal hidritle kıyaslandığında yüksek basınçta hidrojen salma yeteneği yalnızca formik aside özgüdür.⁴ Ayrıca FA bireysel hidrojenasyon ve dehidrojenasyon adımlarının düşük zorluk seviyesinde (<100 °C; <50 bar) gerçekleştirilebilir olması ve minimal toksik etki göstermesi nedeniyle de avantajlı bir maddedir. Bikarbonat-format döngüsünde, basınca yapılan değişiklikler sulu olan çözeltide hidrojenin dönüşümlü şekilde depolanıp serbest bırakılması için kontrol anahtarı görevi görmektedir.⁵ Geliştirdikleri sistemdeki çift yönlü yani tersinir reaksiyonu bilimsel yayının ilk yazarları olan Dr. Rui Sang ve doktora öğrencisi Carolin Stein şöyle açıklıyor: “Formatta depolanan hidrojeni, aynı katalizörle, aynı sistemde, istediğimiz zaman tekrar serbest bırakabiliriz”.¹

Araştırma ekibinin lideri olan Dr. Henrik Junge ticari olarak erişilebilir rutenyum referans alınarak reaksiyonun; hidrojen ve bikarbonat ile süreç boyunca tükenmeyip, reaksiyonu başlatan katalizörlü bir çözeltide gerçekleştiğini belirtmekle beraber sistemin kararlı bir şekilde 60°C sıcaklıkta çalıştığını açıklamıştır.
Teknik açıdan kontrol edilebilirliği oldukça kolay olan bir sistemle çalıştıklarını belirten H2APEX Araştırma Başkanı Dr. Sponholz “Sisteme eklenen hidrojenin basıncına bağlı olarak, gaz ya bikarbonata bağlanır ve format oluşur ya da reaksiyon tersine dönerek formata tekrar hidrojen salınır,” demiştir.

Format, depolanma ve taşınma kolaylığı konusunda avantajlıdır

Hidrojen, sürdürülebilir enerjinin temini konusunda da önemli belirleyici bir rol oynamaktadır. Hidrojenin depolanması için metanol, amonyak ve metanın yanı sıra formik asit toksisitesi ve enerji tüketimi açısından avantaja sahiptir. Format, plastik kaplarda depolanabileceğini ve tankerlerle taşınabileceği bilinirken Henrik Junge, “Temelde süt veya dizel gibi” diyor.

Çalışılan sistemde bikarbonat ile birlikte format bir batarya gibi özellik göstererek hidrojen aracılığıyla şarj ve deşarj edilen bir enerji sistemi oluşur. Bu sistem özellikle kırsal alanlarda rüzgar ve güneş enerjisinin tüketilenden fazla elektriğin sağlandığı durumlarda elektroliz yöntemi kullanılarak yeşil hidrojen üretip daha sonra format olarak depolanması için uygundur.

LIKAT ve H2APEX işbirliğindeki araştırmanın hedeflerinden biri de oluşan formatın içinde maksimum miktarda hidrojen depolanmaktadır. Bu durum kullanılacak tuzun depolama yoğunluğu, çözünürlük ve molaritesine bağlı olmakla beraber bu özelliklerde karşıt iyonun türüne göre şekillenir. Çünkü tuzlar genellikle pozitif yüklü katyonlar ve negatif yüklü anyonlardan oluşur. Bu bilgiler göz önüne alınarak farklı alternatiflerin test edilmesi sonucu potasyum kullanma kararı alındı, diyor Dr. Sponholz. Sonuç olarak hidrojen yüklenen tuz potasyum bikarbonattır.

40 döngüyle iklim açısından nötr bir süreç

Süreç karbon salınımı açısından nötr özellik göstermektedir. Carolin Stein, genellikle hidrojen geri kazanıldığında bikarbonatın bir kısmı CO₂’ye ayrışarak salındığını belirterek “Ancak geliştirilen sistemimiz CO₂’yi kalıcı olarak tutuyor” diye açıklamıştır. Bu durum geliştirilen depolama sisteminden saf hidrojen elde edilebileceğini ve daha fazla saflaştırma basamağına gerek olmadan doğrudan yakıt hücresinde kullanılabileceğini gösteriyor.
Araştırmacılar makalelerinde, altı aylık gibi bir süreçte 40 ardışık hidrojen depolama ve salma döngüsünü bildirmektedir. Kimyacılar, ppm aralığında, minimal düzeyde rutenyum katalizörü kullanarak, ortalama %99,5 saflıkta 50 litre hidrojen üretmişlerdir.¹

Rostock-Laage’deki H2APEX şirketi, şirketin de kullandığı enstitünün teknik merkezi Catalysis2Scale’i büyük ve pratik bir prototip inşa etmek için bir araç olarak kullanıyor. Her şey beklendiği gibi giderse, tesis 2025’in sonuna kadar halka sunulacak ve hidrojenin sembolü olan H, enerjiye geçiş için umudu da temsil edecek.

Yapılan bu çalışmanın sonuçları gösterir ki potasyum bikarbonat temelli formik asit sistemi hidrojen depolama alanında gelecek vaat eden bir gelişmedir. Bu başarılı sonuçların ardından araştırmacılar 2025 yılında büyük ölçeklerde üretim yaparak ticarileşecek bir tesis planlamaktadırlar. Sistemin, formik asitin içeriğinin hidrojence zengin olmasıyla ve düşük toksisitesiyle güvenli, ekonomik ve pratik şekilde hidrojen depolayabildiği avantajları açık şekilde görüldüğü gibi sistemdeki enerji dönüşümünde karbon salınımının nötr olması temiz enerji ve yeşil bir gelecek açısından oldukça umut vericidir.

Kaynaklar

1. https://phys.org/news/2024-08-formatebicarbonate-energy-hydrogen-storage.html
2. Sang, R., Stein, C. A. M., Schareina, T., Hu, Y., Léval, A., Massa, J., … & Beller, M. (2024). Development of a practical formate/bicarbonate energy system. Nature Communications, 15(1), 7268.
3. Onishi, N., Laurenczy, G., Beller, M., & Himeda, Y. (2018). Recent progress for reversible homogeneous catalytic hydrogen storage in formic acid and in methanol. Coordination Chemistry Reviews, 373, 317-332.
4. Andersson, J., & Grönkvist, S. (2019). Large-scale storage of hydrogen. International journal of hydrogen energy, 44(23), 11901-11919.
5. https://yeserenerji.com/yesil-hidrojen-depolamak-icin-karbonat-cozeltisi/