Hidrojen depolama

küçükresim
Günümüze kadar yapılan araştırmalar sonucunda, mevcut koşullarda hidrojenin üretim maliyetlerinin fosil yakıtlardan elde edilen yakıtlarla karşılaştırıldığında daha yüksek olduğunu göstermektedir. Ancak hidrojenin yaygın bir enerji kaynağı olarak kullanılması, üretim maliyetlerini düşürecek teknolojik gelişmelere bağlıdır. Söz konusu maliyet düşüşü ile hidrojen, daha rekabetçi bir enerji kaynağı olabilecektir.

Bununla birlikte ihtiyaç fazlası elektrik enerjisinin hidrojen olarak depolanması günümüzde geçerli bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Ancak bu şekilde depolanan enerjinin yaygın olarak kullanılabilmesi, büyük ölçüde yakıt piline dayalı otomotiv teknolojilerinin geliştirilmesine bağlıdır.

Depolanabilirlik, hidrojeni diğer yakıtlardan ayıran özelliklerinden biridir. Günümüzde büyük miktarlarda enerji depolamak için hâlâ uygun bir yöntem bulunamamış olması, hidrojene olan ilgiyi daha da artırmaktadır. Örnek olarak eğer bugün hidroelektrik santrallerinden elde edilen enerjinin depolanması mümkün olsaydı, enerji sorunu büyük ölçüde çözülmüş olurdu. Hidroelektrik enerji kaynağı bol olan Kanada ve Yeni Zelanda gibi ülkelerin bu doğrultuda programlar başlattığı bilinmektedir. Bu yaklaşım hidroelektrik santrallerinin belirli yoğunlukta sürekli çalışmasını esas almakta, ihtiyaç fazlası enerji ise suyun elektrolizi ile hidrojen üretiminde değerlendirilmektedir ve bu şekilde enerji depolanmaktadır.

Buna rağmen hidrojenin en basit atom yapısı olması ve en hafif element olması, depolanma açısından sorun oluşturmaktadır. Bu sorunun üstesinden gelmek için çeşitli çalışmalar yapılmıştır.

 Sıkıştırılmış Gaz 
Hidrojenin depolanması konusunda en yaygın bilinen yöntemlerden biri, gaz olarak basınçlı tanklarda saklanmasıdır. Günümüzde, hidrojen genellikle 50 litrelik silindirik depolarda, 200-250 barlık basınç altında depolanmaktadır. Bu basınç değeri, zaman zaman 600-700 bara kadar çıkabilir. Ancak hidrojenin düşük yoğunluğu nedeniyle, hacimsel enerji yoğunluğu oldukça düşüktür. Bu durum, hidrojen depolama tanklarının ağırlığını artırarak verimliliğini azaltır.

Örneğin, basınçlı depo malzemeleri olarak östenitik çelik ve bazı alüminyum türleri kullanıldığında, depolanan hidrojenin depo ağırlığına oranı genellikle %2-3 civarında kalmaktadır. Ancak karbon kompozit malzemelerin kullanılmasıyla bu oran daha da artmış ve %11,3 seviyesine yükselmiştir. Tanklar genellikle çelik, kompozit kaplı alüminyum ve kompozit kaplı plastik malzemelerden yapılmaktadır. Taşıtlarda ise hafif kompozit malzemeler tercih edilmektedir. Bu malzemeler, hidrojen depolama tanklarının ağırlığını azaltarak daha yüksek verimlilik sağlamaktadır.

 Sıvı Hidrojen 
Hidrojen petrole göre 4 kat fazla hacim kapladığından dolayı, bu hacmi küçültmek için hidrojeni sıvı halde depolamak gerekir. Bunun için de yüksek basınç ve soğutma işlemine ihtiyaç duyulur. Hidrojen gazı 20,25 K (Kelvin) sıcaklıkta sıvılaştığı için, sıvı depolarında izolasyon önemlidir. Sıvı hidrojen, özellikle uzay teknolojisinde ve bazı roketlerde kullanılmaktadır. Sıvı hidrojen, 900 bar basınç altındaki hidrojen gazıyla aynı yoğunluğa sahiptir: 71 kg/m³. Ancak sıvı depolama, gaz sıkıştırmaya göre daha düşük basınçlarla çalışıldığı için daha emniyetlidir. Ayrıca depolama tankı ile sıvı hidrojenin ağırlık oranı %26 civarındadır.

Bu yöntem, orta veya küçük ölçekte depolama için en çok kullanılan yöntemdir, ancak büyük miktarlar için oldukça pahalıdır. Çünkü hidrojeni sıvılaştırmak için gereken enerji, hidrojenin sağlayacağı yakıt enerjisinin yaklaşık %28'ine denk gelmektedir. Bu oran büyük olsa da, uzay araçları ve roketlerdeki sıvılaştırma masrafları göz ardı edilmektedir. Ayrıca, Mercedes, GM ve Honda gibi üreticiler sıvı hidrojenle çalışacak modeller geliştirmektedir.

Bir diğer pratik çözüm ise, sıvı hidrojenin düşük sıcaklıktaki tanklarda saklanmasıdır. Örneğin, dünyanın en büyük sıvı hidrojen tankı Kennedy Uzay Merkezi'nde bulunmaktadır ve 3400 m³ sıvı hidrojen alabilmektedir. Bu miktar hidrojenin yakıt olarak değeri 29 milyon MJ veya 8 milyon kW/saat'e karşılık gelmektedir.

Sıvı hidrojen büyük tanklarda depolanmışsa günlük %0,06'sı, küçük tanklarda depolanmışsa günlük %3'ü buharlaşarak kaybolmaktadır. Bu oranın azaltılması izolasyona bağlıdır.

 Hidrokarbonlar 
Metanol veya etanol gibi hidrokarbonlu yakıtlar, saf sıvı hidrojenden daha fazla hidrojen içerir. Yüksek sıcaklıklarda su buharı kullanılarak, hidrokarbonlardan hidrojen ayrıştırılabilir. Böylece, %70-75 oranında hidrojenin yanı sıra, karbondioksit, karbonmonoksit ve su oluşur.

Hidrokarbonlu yakıtlar, hidrojenli araçlar için daha iyi bir alternatif sunar. Örneğin, metanol kullanımı ile, ağır hidrojen tanklarına veya dolum istasyonlarına gerek kalmayacaktır. Daimler-Chrysler'e göre metanol, sıvı hidrojenden daha yaygın olarak kullanılacaktır. Çünkü normal şartlar altında sıvı olarak bulunması sebebiyle, kullanılan araçlar üzerinde fazla bir değişiklik yapılmadan adapte olunması mümkün olacaktır.

 Hidrürler 
Hidrojen kimyasal olarak metallerde, alaşımlarda ve ara metallerde hidrür olarak depolanabilmektedir. Önemli ölçüde hidrojen absorbe eden metal hidrürler, hidrojen depolamak için çok uygun bir yöntem olmasına karşın, kendi ağırlıkları ciddi bir sorun olarak ortaya çıkmaktadır. Şu anda en öne çıkan metal hidrür cinsi olan titanyum emdirilmiş NaAIH4, gelecek vadetmekte ve 250 °C'de %4,5 oranında hidrojen depolamaktadır. Ancak 35 defa tekrarlanan doldurma-boşaltma sonunda hidrojen depolama kapasitesinin %4,5'ten %3,5'e indiği gözlenmiştir.

Metal hidrürlerin çok ağır olması, belli bir doldurma-boşaltma kapasitelerinin olması ve ayrıca nadir bulunan elementlerden oluşmaları, eksi yanlarıdır. Son 10 yıldır yüksek depolama kapasiteleri nedeniyle alüminyum ve bor içeren kompleks hidrürler yoğun olarak çalışılmaktadır. Bor içeren kompleks hidrürler sıvı koşullarda kullanılması nedeniyle de önem taşımaktadır. Bor esaslı sistemler ana olarak sodyum bor hidrürü esas almaktadır. NaBH4, katı halde ağırlıkça %10,5 hidrojen içerir.

Çözelti halindeki sodyum bor hidrür, aşağıdaki reaksiyona göre hidrojenini vererek sodyum meta borata dönüşür:

NaBH4 + 2H2O → 4H2 + NaBO2

H2O ve NaOH ilavesi ile sodyum bor hidrürün sıvı içerisindeki miktarı ağırlıkça %20-35 arasında olabilmekte, bu da sistemde ağırlıkça %4,4-7,7 arasında hidrojenin depolanmasına olanak vermektedir.

Sodyum bor hidrürde hidrojen depolamanın en önemli üstünlüğü depolanan hidrojenin oda sıcaklığında geri alınabilmesi ve geri alımın katalizör yardımı ile kolaylıkla kontrol edilebilmesidir. Sodyum bor hidrürün hidrojen amaçlı kullanımında en önemli sorun, oluşan meta boratın tekrar NaBH4'e dönüştürülmesidir.

Hidrojen depolamada sodyum bor hidrür kullanmanın bir diğer avantajı, hidrojene geçişte en önemli sorun olarak görülen hidrojenin patlayıcılık riskinin azaltılmasıdır. Hidrojen kullanımının verimli hale gelebilmesi için, patlama riskinin mutlaka azaltılması gerekmektedir. Sodyum bor hidrür, belli koşullarda yanmayan, ancak istendiğinde hidrojeni açığa çıkartan bir özelliğe sahiptir. Halen özel camlar veya izolasyon malzemeleri gibi alanlarda kullanılan sodyum bor hidrürün ana maddesi olan bor, Türkiye'de de bolca bulunmaktadır.

Hidrojen depolamada sodyum bor hidrürün efektif olarak kullanılabilmesi pratikte mümkün olmayacaktır. Bir evin nominal güç ihtiyacının veya en düşük kapasiteli bir aracın 5000 watt olduğu düşünülürse, dakikada 64 litre hidrojene ihtiyaç duyulacak. (5000 watt yakıt pili ile ilgili özellikler: https://web.archive.org/web/20080820070700/http://www.horizonfuelcell.com/file/H-Series.pdf ) 
Bu durumda 5000 watt için saatte 3840 litre hidrojen lazım. Yani 272 kg hidrojeni 1 saatte tüketeceğiz. Borhidrür içerisinde ağırlıkça %20 hidrojen olduğu hesap edilirse 1300 kg bor hidrür kullanarak 1 saat boyunca 5000 watt güç elde etmiş olacağız ki bu da pratikte kaldırılması mümkün olmayan yükleri getirecektir. Enerji depolamada hidrojenin alternatif olabilmesi bu açıdan pek mümkün görünmüyor.

 Karbon Nanotüpler 
Hidrojen, gaz veya sıvı olarak saf halde uygun çelik tanklarda depolanabileceği gibi, fiziksel olarak karbon nanotüplerde de depolanabilmektedir. Karbon, özellikle yüksek oranda gözenekli çok küçük parçalar haline getirilebilmesi ve karbon atomları ve gaz molekülleri arasında oluşan çekim kuvveti nedeniyle gaz depolamaya en elverişli maddelerden biridir. Karbon nanotüpler, grafit tabakaların tüp şekline dönüşmüş halidir. Çapları birkaç nanometre veya 10-20 nanometre mertebesinde, boyları ise mikron seviyesindedir. Elastiklik modülleri çelikten 5 kat daha fazladır. Tek cidarlı nanotüpler %14, çok cidarlılar %7,7, içlerine alkali elementler yerleştirilenler ise %20 ağırlık oranına kadar hidrojen depolayabilirler. 20 bar basınç altında yapılan deneylerde, bu oran %70'e kadar çıkarılmıştır.

Nanotüpler'in en büyük dezavantajı maliyetlerinin oldukça yüksek olmasıdır. Eğer gelecekte ucuz üretim yöntemleri gelişirse, yaygın olarak kullanılabilecek hale gelebilirler.

Nanotüplerdeki absorbe işlemi, karbon atomlarının hidrojen moleküllerine uyguladığı Van Der Waal's kuvveti ile gerçekleşmektedir. Yani kimyasal değil, fiziksel bir olaydır. Ayrıca karbon nanotüpler'in hidrojenin depolanması yanında hidrojen kullanılarak elde edilen enerji sistemlerinde de kullanımı vardır.

 Cam Küreler 
Çapları 25-500 µm arasında değişen cam küreler, cidar kalınlıkları 1 µm olan bir tarafı açık cam baloncuklardır. Bu küreler yüksek basınç ve sıcaklık altında depolanmaktadır. Yüksek sıcaklık sonucunda cam cidarı geçirgen hale geldiğinde, hidrojen atomları camlara girer. Camlar soğutulunca da içeride hapsolur. Depolanan hidrojen, camların ısıtılması veya kırılması yoluyla tekrar geri alınabilir.

Cam kürelerin depolama kapasitesi, 200-490 bar basınç altında %5 ile %6 civarındadır.

 Mağaralarda Depolama 
Hidrojen gazını depolamanın en ucuz yöntemlerinden biridir. Hidrojen doğalgaza benzer şekilde yeraltında, tükenmiş petrol veya doğal gaz rezervuarlarında depolanmaktadır. Hidrojeni maden ocaklarındaki mağaralarda saklamak mümkün olmakla birlikte daha maliyetlidir. Örneğin, Almanya'da Kiel şehrinde 1971'den beri yerin 1330 metre altındaki bir mağarada hidrojen depolanmaktadır. Mağaralarda saklanan hidrojenin yılda %1-3'ü sızıntı nedeniyle kaybolmaktadır.

 Kaynakça 
 Goodstein, D. (2004). Out of gas. New York: Norton & Company, Inc.
 Karaosmanoğlu, F., Çetinkaya, M., Orkun, E. (2003). II. Ulusal Hidrojen Kongresi. Ankara: Hidrojen Enerjisi Forumu Yayınları.
 NTV-MSNBC. (2004, 11 Kasım). İlk Türk yakıt pili 18 ay sonra. http://www.ntvmsnbc.com/news/295644.asp
 NTV-MSNBC. (2004, 24 Aralık). 2005 hidrojen motorların yılı olacak. http://www.ntvmsnbc.com/news/302280.asp
 NTV-MSNBC. (2004, 24 Aralık). Bor, hidrojen ekonomisinin yıldızı. http://www.ntvmsnbc.com/news/302315.asp
 Spiro, G., Stigliani, M. (2003). Chemistry of the Environment. New Jersey: Prentice Hall

Kategori:Hidrojen
Kategori:Depolama