Hidrojen Depolamada Mevcut Yöntemler ve Sonuçları

İnsanoğlunun yerleşik hayata geçiş yaptığı ve birçok kültürel gelişmelerin görüldüğü holosen döneminden beri yeni enerji kaynakları aranmıştır. Hattâ bu arayış günümüzde de hâlen devâm etmektedir. Son zamanlarda hem çevre dostu olan hem de tükenmeyen bir enerji kaynağı olan hidrojen hem araştırmacıların, hem firmaların hem de politika yapıcıların dikkatini fazlasıyla çekmiş durumdadır. Renkleriyle birlikte hidrojeni bir önceki ay detaylı bir şekilde açıklamaya çalıştım. Fakat unutulmamalıdır ki hidrojenin yakıtının kullanımında, hidrojenin üretimi kadar depolanması da oldukça önemlidir. 

Hidrojenin yakıtının ister sabit güç, ister taşınabilir güç, isterse otomotiv uygulamalarında kullanılabilmesinde depolama oldukça önemli bir rol oynamaktadır. Söz konusu hidrojenin daha etkili ve verimli bir şekilde depolanabilmesi için sürekli yeni arayışların olacağı da açık bir şekilde görülmektedir. Günümüzde hidrojenin depolanabileceği farklı yöntemler mevcuttur ve hidrojen sıvı ve gaz olarak ayrı ayrı depolanabilmektedir. Hidrojenin gaz olarak depolanabilmesi için yüksek basınçlı tanka ihtiyaç duyulurken, sıvı olarak depolanabilmesi için, hidrojenin kaynama noktasından dolayı kriyojenik sıcaklıklara ihtiyaç duyulmaktadır. Ayrıca hidrojen katı yüzeyinde ve katı içinde de depolanabilir. Her bir depolama yönteminin kendine ait avantaj ve dezavantajları mevcuttur. Genel olarak hidrojenin depolanma yöntemleri Şekil 1’de özetlenmiştir.

Şekil 1. Hidrojeni depolama yöntemleri

Yüksek miktarda hidrojen depolanması hem sabit hem de taşınabilir uygulamalar için sorun teşkil ederken hâl-i hazırda ulaşım için de önemli bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır. ABD Enerji Bakanlığı, yakıt hücresiyle çalışan araçlar için araca hızlı ve kolay bir şekilde yakıt ikmâli yapılabilmesiyle birlikte, 1 depoyla 480 km’den fazla sürüş menzili sağlayabilen yeteri miktarda H2 yakıtına ihtiyaç duyulduğunu belirtmişlerdir.

Kütle bazında karşılaştırıldığında hidrojenin benzine göre yaklaşık 3 kat daha fazla enerji içeriğine sahip olduğu bilinmektedir. Fakat hacim bazında bu durum tersine dönüşmektedir. Şekil 2'de farklı yakıtların birbirlerine göre karşılaştırma grafiği gösterilmiştir. Hidrojen enerji yoğunluğu bakımından avantaj sahibiyken, hacim bakımından dezavantajlı olduğu söylenebilir.

Şekil 2. Hidrojenin diğer yakıtlarla karşılaştırma grafiği.

Gaz Olarak Hidrojen Depolama

Hidrojen depolama konusunda en çok bilinen ve tercih edilen yöntem olarak bilinmektedir. Günümüzde daha çok 50 L’lik silindirik tanklarda yüksek basınç altında depolama gerçekleşmektedir. Söz konusu basınç değeri 200 – 250 bar arasında değişkenlik göstermekle birlikte bu değerin 600 – 700 bar değerine kadar yükselebildiği de rapor edilmiştir. Lâkin bu basınç değerine çıkıldığı takdirde tank ağırlığı aşırı artmaktadır. Çelik tankların kullanılmasıyla birlikte gravimetrik olarak en fazla %1.5 oranında hidrojen depolanabilirken kompozit tanklar ile bu değer %4.4 değerine kadar çıkmaktadır. Yine de bu değerin düşük bir değer olduğu bilinmektedir. Hidrojen yakıtlı aracın, benzin/dizel motorlu araçlarda olduğu gibi 500 km menzile sahip olabilmesi için tank içerisinde 4 – 7 kg hidrojen olması istenmektedir.

Sıvı Hidrojen Depolama

Gaz olarak hidrojen depolamaya göre daha yüksek yoğunlukta hidrojenin depolanabilmesi, hidrojenin sıvı olarak depolanmasıyla gerçekleşebilir. Hidrojen gazı 20.25 K (-252.9°C) sıcaklıkta sıvılaşmaktadır ve sıvılaştırılmış hidrojen depolama tankının basıncı da gaz halinde depolamaya göre oldukça düşüktür. Söz konusu bu basıncın düşmesi gaz tanklarının yapımı için gerekli olan mâliyeti düşürür ki bu pozitif bir durum olarak değerlendirilebilir. Fakat sıvı olarak hidrojen depolamanın en büyük dezavantajları hidrojeni sıvılaştırmak için gerekli olan enerji ve depolama sonrası kaynama kayıplarıdır. Depolanacak tankın çok iyi yalıtılmış olması da gözden kaçırılmamalıdır. Sıvı olarak hidrojeni tanka göre %26 ağırlık oranında depolamak mümkündür. Bu yöntem küçük ve orta ölçekli uygulamalar ile kullanılabilir bir yöntemken büyük ölçekli uygulamalarda mâliyetli olmaktadır. Hidrojeni sıvılaştırmak için kullanılacak enerjinin, depolanan hidrojenden elde edilecek enerjinin yaklaşık %30’una denk geldiği söylenebilir.

Şekil 1. NASA sıvı hidrojen tankı

Fiziksel Adsorpsiyon İle Hidrojen Depolama

Fiziksel adsorpsiyon ile hidrojen olarak depolamada daha çok karbon nanotüpler akla gelse de bu yöntemde düzenli ve amorf yapılara sahip organik ve inorganik malzemelerin hepsi dikkate alınmaktadır. Bu yöntemde hidrojen ile depolama materyali arasındaki etkileşim gücü dikkate alınmaktadır. Özellikle depolama materyalinin porözisitesinin yüksek olması istenen bir durumdur. Söz konusu bu materyallerin tersinirlik, gravimetrik depolama kapasitesi ve hidrojeni soğurma hızları detaylıca incelenmiştir. Günümüze kadar karbon bazlı materyaller bu alanda çok incelenmiş olup aktif kömür, karbon nanofiber ve karbon nanotüpler en çok incelenen materyallerdir. Özellikle bu materyallerden bazılarında hem gaz hem de sıvı halde hidrojenin depolanabileceği öngörülmektedir. Çelikten daha esnek olduğu bilinen bu materyallerden, tek duvarlı nanotüplerde %14, çok duvarlı nanotüplerde yaklaşık %7, alkali metal doplu nanotüplerde %20 oranında hidrojen depolanabilirken, basınç altında yapılan denemelerde kütlece %70 oranında hidrojenin depolanabileceği rapor edilmiştir. Son yıllarda bu alanda metal organik çerçeve (MOF) yapıları da bu alanda oldukça dikkat çekmektedir.

Hidrojen Depolamada Metal Hidritler

Hidrojen depolamada metal hidritler önemli bir rol oynamaktadır. Hidrojenin bazı metaller ile temas etmesi halinde metal hidritler oluşabilmekte ve dışarıdan uygulanacak bir ısıyla hidrojen tekrar salınabilmekte ve kullanıma hazır hale gelebilmektedir. Lâkin metal hidritlerin kullanımında da ciddî ağırlık sorunu ortaya çıkmaktadır. Bu alanda öne çıkan metal hidrürler ve onların depolama özellikleri Çizelge 1’de sunuldu.

Çizelge 1. Metal hidritler ve bunların hidrojen depolama özellikleri

Metal

Metal Hidrit

Kapasite (kütlece %)

1 bar H2 için Sıcaklık (°C)

LaNi5

LaNi5

1.37

12

FeTi

FeTi

1.89

-8

Mg2Ni

Mg2Ni

3.59

255

ZrMn2

ZrMn2

1.77

440

NaAl

NaAlH4

4.50

250

Mg

Mg

7.60

279

Çizelge 1’den de görüleceği gibi hidrojen depolama kapasitesi yüksek olan metal hidritler için yüksek sıcaklık gerekirken, düşük sıcaklık gerektiren metal hidritlerin de kapasitesinin düşük olduğu görülmektedir. Metal hidritlerin tekrardan boşaltıp doldurma işlemiyle de kısa sürede hidrojen depolama kapasitelerinin düştüğü rapor edilmiştir.

Kimyasal Olarak Hidrojen Depolama

En çok tercih edilen yöntemlerden birisi olan metal hidrürlerin ağır olması ve tekrar kullanılabilirliklerinin düşük olması ve söz konusu yapılarda nadir elementlerin kullanılmasından dolayı yeni depolama materyalleri arayışı devâm etmiştir. Bu bağlamda da alüminyum ve bor içeren depolama materyalleri dikkatleri üzerine toplamıştır. Bu yapılar arasında en dikkat çekici ve etkili olan molekül NaBH4’tür. Katı halde söz konusu molekül ağırlıkça %10.5 hidrojen içermektedir. Söz konusu molekül aşağıdaki tepkimeyi vererek hidrojen elde edilebilmektedir. Lâkin buradaki en büyük sorun tepkime sonrası oluşan boratın tekrardan kullanımıdır. Sodyum borhidrürün ağırlıkça %30’luk çözeltisi litre başına yaklaşık 63 g hidrojen depolayabilmektedir.

Söz konusu materyal dışında kullanılabilecek ve en bilinen diğer kimyasal moleküller alüminyum hidrit, amonyak boran ve sıvı organikler olarak bilinir. 

Sonuç olarak, hidrojenin depolanabileceği birçok materyal bulunmasına rağmen daha etkili materyal arayışı hâlen devam etmektedir. Her bir depolama yönteminin kendine has depolama hedefleri bulunmakta ve söz konusu hedeflere ulaşmak için araştırmaların devâm ettiği gözlemlenmektedir. Hidrojen enerjisinin araştırılmasında da devletler kendi politikalarını ve hedeflerini belirleyerek uygun araştırmalar yapmaktadır. Buradan da anlaşılacağı üzere hidrojen enerjisi sadece araştırma konusu olmayıp devlet politikalarında da yer bulmuştur. Güzel ülkemiz TÜRKİYE’mizde de hidrojen enerjisine yönelik ciddî araştırmalar ve çalışmaların yapıldığı âşikârdır. Özellikle hidrojen enerjisine yönelik araştırma grupları kurulduğu ve söz konusu grupların da aktif bir şekilde çalıştığı söylenebilir. Yapılan araştırmaların en güzel meyvesi DMA, TÜBİTAK MAM ve Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü (BOREN) ortaklığında 2017 yılında dünyada ilk kez elektrik ve bor ile çalışan 2 adet araç üretilmiştir. Söz konusu elektriğin üretiminde de hidrojen yakıtı kullanılmaktadır. Güzel sonuçlarımız olsa da daha çok çalışmamız gerektiğini ifade etmek isterim. Almanya’da hidrojen yakıtıyla çalışan arabaların, toplu taşıma araçlarının ve trenlerin günlük kullanımda olduğu unutulmamalıdır. 

Kaynaklar

Züttel, A. (2003). Materials for hydrogen storage. Materials today, 6(9), 24-33.

Zhang, X., Liu, P., & Zhang, Y. (2023). The application of MOFs for hydrogen storage. Inorganica Chimica Acta, 121683.

Chu, C., Wu, K., Luo, B., Cao, Q., & Zhang, H. (2023). Hydrogen storage by liquid organic hydrogen carriers: Catalyst, renewable carrier, and technology-A review. Carbon Resources Conversion. 6, 334-351.

Muduli, R. C., & Kale, P. (2023). Silicon nanostructures for solid-state hydrogen storage: A review. International Journal of Hydrogen Energy, 48(4), 1401-1439.

Thomas, K. M. (2007). Hydrogen adsorption and storage on porous materials. Catalysis today, 120(3-4), 389-398.

Koşar, C. (2021). Hidrojen Depolama Yöntemleri. Open Journal of Nano, 6(1), 1-10.

Ekim 2023, sayfa no: 46-47-48-49