Dünya’da sıcaklıkların sürekli artması sebebine bağlı olarak, enerji kaynaklarının sıfır veya sıfıra yakın karbon emisyonuna sahip olması isteniyor. Bu durum yenilenebilir kaynaklardan daha fazla enerji elde ederek kömür, petrol ve doğal gazın ötesine geçmek anlamına gelmektedir.
En umut verici yenilenebilir enerji taşıyıcılarından biri de fosil yakıtlar kullanılmadan üretilebilen yeşil hidrojendir. Bunun umut verici bir fikir olmasının sebebi; evrende en bol bulunan element hidrojen olmakla birlikte; %75 oranında bulunmasıdır. Dahası, bir hidrojen molekülünde hem toksik olmayan hem de yüksek oranda yanıcı olan iki eş – ikiz atom bulunur.
Hidrojenin yanma potansiyeli, onu dünyanın dört bir yanındaki enerji araştırmacıları için cazip bir konu haline getirmektedir. Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı’nda (PNNL) bir ekip, hidrojeni, büyük ölçüde kimyasal bağlarını kırarak, enerjiyi depolamak ve serbest bırakmak için araştırmalarını sürdürüyor1.
Hidrojen depolaması henüz en iyi hale getirilmedi
PNNL araştırmalarının odaklandığı noktalardan biri, bir sorun olan hidrojen depolamanın optimize edilmesidir. Bugüne kadar hidrojeni büyük ölçeklerde depolamanın tamamen güvenli, uygun maliyetli ve enerji açısından verimli bir yol bulunamadı.
PNNL araştırmacıları, hidrojeni depolamanın bir yolu olarak karbonat çözeltisini araştıran çalışması Green Chemistry dergisi tarafından yayınlandı. Kimyager ve PNNL Laboratuvar üyesi Thomas Autrey ile kimyasal reaksiyonları hızlı ve uygun maliyetli hale getirme konusunda uzman olan meslektaşı Oliver Gutiérrez, karbonatın hidrojen depolama sorununa ucuz, yaygın bulunan ve hafifliği ile güzel bir çözüm olabileceğini belirttiler.
Uzun vadeli enerji ihtiyaçları için yeşil hidrojen
Mevcut batarya teknolojisi birkaç saatlik depolama için tasarlanmıştır ancak yenilenebilir bir enerji şebekesinde bataryalar, depolama ihtiyaçlarının yaklaşık %80’ini karşılayabilir. Bu yüzden Autrey, Gutiérrez ve PNNL’deki araştırmacılar uzun süreli enerji depolamak amacıyla hidrojenin yenilenebilir enerji taşıyıcısı olarak gördüğünü belirtti.
Bunun gibi mevsimsel depolama kapasitesi hidrojenin cazibelerinden biridir. Hidrojen depolamanın her yerde yapılabilmesi de çok büyük bir avantaj. Örneğin hidroelektrik, enerji elde etmek üzere fazla suyu depolamak için yükseklik farklılıkları gerektirir. Hidrojen depolama ise coğrafya ile ilgili hiçbir özel koşul gerektirmez.
Ayrıca birkaç ilave hidrojen depolama tankı satın almak, çok sayıda pil satın almaktan daha az maliyetlidir. Bu nedenle Autrey, ölçekler büyüdükçe hidrojenin daha ekonomik hale geldiğini söyledi.
Hidrojen depolamak için en iyi yolu bulmak
Yeşil hidrojen bir enerji kaynağı olarak büyük umut vaat ediyor. Elektroliz işleminden örnek verirsek, suyu hidrojen ve oksijene ayırabilir. En iyi ihtimalle elektroliz için gerekli güç güneş, rüzgâr ve jeotermal gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanacaktır. Ancak buradaki zorluk hidrojenin daha az maliyetli üretilmek istenmesidir2.
Bunu ele almak için 2021’de DOE, altı adımdan oluşan Energy Earthshot girişimini duyurdu. İlk olarak, hidrojen maliyetini on yıl içinde miktarı düşürmeyi amaçlayan Hidrojen Atışı tanıtılmıştır. Ardından Autrey, temiz hidrojen üretim maliyetlerini düşürmenin ötesinde, nasıl taşınıp depolanmanın bulunması gerektiğini belirtti. Hidrojen depolamak için ideal ortamı bulmak, gereken adımların harcamaları tekrar yükseltebileceğini söyledi.
Hidrojen sıkıştırılarak gaz haline getirilebilir, ancak bunun için inç kare (in²) başına 4536 kg’ye varan çok yüksek basınçlar gerekir. Güvenli bir depolama tankı için çok kalın çelikten ya da pahalı uzay sınıfı karbon fiberden duvarlar gerekir.
Hidrojen gaz formunda oda sıcaklığı ve basıncında aynı eşdeğer enerji miktarına sahip bir gazdan 3.000 kat daha fazla yer kaplar. Bu nedenle de hidrojenin günümüzde kullanımı için sıkıştırmak veya sıvılaştırmak gerekir. Depolamada 4 ana teknik kullanılmaktadır. Bunlar sıkıştırılmış gaz, kriyojenik sıvı, metal hidrür ve karbon adsorpsiyonudur. Kısa dönemde en uygulanabilir olanı kriyojenik sıvıdır3. Kriyojenik sıvı hidrojen de kanıtlanmış bir depolama aracıdır ancak o kadar soğuk (-279,4 oC) bir şey elde etmeyi ve tutmayı gerektirir ancak bu kez de çevresel enerji maliyetleri önemli boyutlara ulaşmaktadır.
En çok umut vaat eden şey, hidrojeni depolamak ve serbest bırakmak için optimize edilmiş sıvı moleküller gibi görünmekle birlikte sürdürülebilir enerji uzmanı Jamie Holladay, yakın zamanda PNNL’deki araştırmacılar ile hidrojeni sıvılaştırmak için daha basit ve daha verimli stratejiler üzerine görüştü.
Bikarbonat format çevrimi
Kurabiye pişirmek ister misiniz? Ya da hidrojen enerjisi depolamak? Kabartma tozu aradığınız çözüm olabilir. Bu hafif, ucuz sodyum bikarbonat tuzu toksik değildir ve Dünya’da bol miktarda bulunur.
PNNL ekibi, uzun süredir üzerinde çalışılan bikarbonat-format döngüsünün hidrojen enerjisi depolama özelliklerini araştırıyor. (Format güvenli, hafif bir sıvı organik moleküldür).
Çalışma şekli: Sudaki format iyonları (hidrojen ve karbondioksit) çözeltileri, aşındırıcı olmayan alkali metal formata dayalı hidrojen taşır. İyonlar bir katalizör varlığında su ile reaksiyona girer. Bu reaksiyon hidrojen ve bikarbonat üretir2.
Basınçtaki doğru hafif ayarlamalarla bikarbonat-format döngüsü tersine çevrilebilir. Bu, hidrojeni dönüşümlü olarak depolayabilen veya serbest bırakabilen sulu bir çözelti için bir açma-kapama anahtarı sağlar.
Karbonattan önce, PNNL hidrojen depolama ekibi, endüstrinin depolama ve taşıma ortamı için kullandığı genel terim olan sıvı organik hidrojen taşıyıcısı olarak etanole baktı. Buna paralel olarak hidrojeni serbest bırakan bir katalizör geliştirdiler. Katalizörler, kimyasal bağların enerjisini verimli bir şekilde kırmak için kullanılan süreçleri hızlandıran tasarımcı katkı maddeleridir.
İnanılmaz parlak bir şey
İşin iyi tarafı, PNNL’de söz konusu olan tuz çözeltileri su ile reaksiyona girdiklerinde hidrojen açığa çıkarmaktadır. Ayrıca orta sıcaklıklarda ve düşük basınçlarda çalışırlar.
Teoride, Autrey ve Gutiérrez‘in 2023 makalelerinde açıkladıkları gibi, bikarbonat-format döngüsü hidrojenden “enerji depolamak ve taşımak için uygulanabilir yeşil bir alternatif” temsil ediyor demiştir.
Karbonat fikri aynı zamanda 2023 makalesinin “birkaç acil bilimsel zorluk” olarak adlandırdığı konunun da merkezinde bulunuyor. Bunlar arasında, yakalanan fazla karbondioksitten nasıl hidrojen depolama ortamı yapılacağı da yer alıyor.
Buna ek olarak, PNNL çalışması sulu fazda kataliz için fikir ve sonuçlar sağlayabilir. PNNL ekibi şimdilik aday katalizör olarak paladyum kullanıyor. Hedefleri nadir bulunan metali daha kararlı, yeniden kullanılabilir ve daha uzun ömürlü hale getirmenin yollarını bulmayı içeriyor. Autrey, kabartma tozu fikrinin hidrojen depolama için “inanılmaz parlak bir şey” olduğunu söyledi.
Kaynaklar
- https://techxplore.com/news/2023-06-soda-solution-hydrogen-storage.html
- Gutiérrez, O. Y., Grubel, K., Kothandaraman, J., Lopez-Ruiz, J. A., Brooks, K. P., Bowden, M. E., & Autrey, T. (2023). Using earth abundant materials for long duration energy storage: electro-chemical and thermo-chemical cycling of bicarbonate/formate. Green Chemistry.
- Kaya, D., Öztürk, H. H., & Kayfeci, M. (2017). Hidrojen ve yakıt pili teknolojisi (1. baskı). Umuttepe Yayınları.