İçindekiler
Hidrojen bir enerji depolama aracı olarak neden devrim niteliğindedir?
33,3 kWh/kg ile hidrojen, tüm yakıtlar arasında en yüksek kütleye özgü enerji yoğunluğuna sahiptir. Bu olağanüstü özelliği onu enerji dönüşümünde sürdürülebilir mobilite ve enerji depolama için ideal bir aday haline getirmektedir. Bununla birlikte, pratik uygulaması hem güvenli hem de verimli yenilikçi depolama çözümleri gerektirmektedir.
Geleneksel hidrojen depolama ve sınırları
Geleneksel hidrojen depolama, her ikisi de önemli teknik ve ekonomik zorluklar teşkil eden iki yerleşik sürece dayanmaktadır.
Kriyojenik depolama (sıvı hidrojen):
- Sıcaklık: -253°C (20 K)
- Yoğunluk: 71 kg/m³
- Sıvılaştırma için enerji kaybı: Depolanan enerjinin %30’u
- Sürekli soğutma gerekli
- Son derece özel yalıtım sistemleri gereklidir
- Sürekli enerji tüketimi nedeniyle yüksek işletme maliyetleri
Basınçlı gaz deposu:
- Akümülatör basıncı: 700 bar’a kadar
- Sıkıştırma nedeniyle enerji kaybı: yaklaşık %12
- Ağır, basınca dayanıklı kaplar gereklidir
- Tank ağırlığı nedeniyle azaltılmış pratik enerji yoğunluğu
- Sıkıştırma sistemleri için yüksek yatırım maliyetleri
Her iki sürecin ortak güvenlik sorunları:
Küçük moleküler boyutu nedeniyle hidrojen son derece yüksek bir difüzyon hızına sahiptir ve neredeyse tüm malzemelere nüfuz edebilir. Hidrojen kimyasal olarak bağlı olmadığından, aşağıdaki riskler ortaya çıkar:
- Malzeme difüzyonu nedeniyle sürekli gaz kayıpları
- Kontrolsüz gaz salınımı mümkün
- Havadaki %4-75 hidrojen konsantrasyonunda patlama tehlikesi
- Tespit edilmesi zor sızıntılar (renksiz ve kokusuz)
- Yüksek yanma hızı güvenlik önlemlerini zorlaştırır
MOF'lar ve metal hidrürler ile sorpsiyon tabanlı depolama
Metal-organik çerçeveler (MOF’lar), metal hidritler ve zeolit yapılar, sorpsiyon yoluyla hidrojenin mekanik olarak bağlanmasına alternatif bir yaklaşım sunmaktadır. Bu malzemeler difüzyon riskini önemli ölçüde azaltmakta ve güvenliği artırmaktadır. Bununla birlikte, çoğu metal hidritin metal-hidrojen oranları elverişsizdir ve alım ve salım hızları yavaştır. Dikkate değer bir istisna, pil teknolojisindeki başarılı uygulaması nedeniyle hidrojen depolama için geniş kabul görmüş olan nikel-metal hidrit sistemidir.
LOHC teknolojisi: Sıvı depolamada çığır açan buluş
Dibenziltoluen (DBT) gibi Sıvı Organik Hidrojen Taşıyıcılar (LOHC’ler) hidrojen depolamada devrim yaratıyor. Bu toksik olmayan, alev geciktirici sıvı, 200°C ve 5 bar gibi ılımlı koşullarda bir rodyum katalizörü ile hidrojeni emebilir. Ortaya çıkan peroksi-DBT, bir litre sıvı başına 600 litre gaz hidrojen depolamaktadır ki bu da 2 kWh/kg gibi etkileyici bir depolama kapasitesine karşılık gelmektedir. Serbest bırakma 300°C’de ve düşük basınçta gerçekleşir. LOHC sistemleri, düşük difüzyon oranlarının avantajlarını korurken katı depolamaya göre önemli ölçüde daha yüksek alım ve salım oranlarına ulaşır.
Moleküler bağlanma yoluyla kimyasal hidrojen depolanması
Hidrojenin diğer moleküllere kimyasal olarak bağlanması bir başka umut verici depolama yaklaşımı sunmaktadır. Bunun en iyi bilinen örneği, her yıl 200 milyar tondan fazla amonyak üreten Haber-Bosch sentezidir. Bu reaksiyon demir katalizörler kullanılarak 450°C ve 200 bar’da gerçekleşir ve %63’lük bir verimliliğe karşılık gelen 5,2 kWh/kg’lık bir enerji içeriğine ulaşır. Amonyağın kullanımı gaz halindeki hidrojene göre daha kolay olsa da toksisite ve aşındırıcılık gibi dezavantajları vardır. Alternatif olarak, metan gibi diğer gazlar, biyokütle veya odun kömürünün yüksek sıcaklıklarda buharla işlendiği kömür gazlaştırma yoluyla sentezlenebilir.
Depolama malzemelerinin karakterizasyonu için analitik yöntemler
Termal analiz, hidrojen depolama malzemelerinin analizinde kullanılan en önemli araçtır. Gravimetrik ve volumetrik sorpsiyon analizörleri, yüksek basınçlı termobalanslar (TGA) ve diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) sorpsiyon ve desorpsiyon süreçlerini hassas bir şekilde karakterize etmek için kullanılabilir. Bu sistemler, kontrollü gaz akışı, basınç ve vakum koşulları altında sorpsiyon ve desorpsiyon ısısının belirlenmesini sağlar. Özellikle kömür gazlaştırmada, yüksek basınçlı TG-DSC sistemleri tek bir testte gazlaştırma verimliliği, karbon içeriği ve reaksiyon ısısının eşzamanlı olarak ölçülmesini sağlar.
Hidrojen depolama teknolojisi için gelecek beklentileri
Verimli hidrojen depolama teknolojilerinin geliştirilmesi, başarılı bir enerji geçişi için kilit bir zorluk olmaya devam etmektedir. LOHC sistemleri mobil uygulamalar için özellikle umut verici özellikler gösterirken, geliştirilmiş sorpsiyon malzemeleri sabit depolama için optimize edilmektedir. Bu teknolojilerin sürekli olarak daha da geliştirilmesi, hidrojenin geleceğin temiz ve uygulanabilir bir enerji taşıyıcısı olarak yerleşmesinde ve böylece sürdürülebilir bir enerji arzına önemli bir katkıda bulunmasında belirleyici olacaktır.
