Hidrojen depolama

Hidrojen konusunda en bilinen depolama yöntemi, gaz olarak basınçlı tanklarda depolamaktır. Hidrojen, günümüzde genellikle 50 litrelik silindirik depolarda 200-250 barlık basınç altında depolanmaktadır (bu basınç değeri 600-700 bar’a kadar çıkabilir). Ancak hidrojen çok hafif olduğundan dolayı hacimsel enerji yoğunluğu çok düşüktür. Bunun dışında, yüksek basınç sebebiyle depolama tankları çok ağır olmaktadırlar. Bu durum, hidrojenden alınacak olan verimi düşürür. Örneğin, basınçlı depo malzemesi olarak ostenitik çelik ve bazı alüminyum türleri kullanıldığında, depolanan hidrojenin, tüm depo ağırlığına oranı %2-3 civarında kalmaktadır. Ancak bu malzemelerin yerine karbon kompozit kullanılmasıyla, ağırlık oranı daha da artmış ve %11,3 seviyesine yükselmiştir.Tanklar genellikle çelik, kompozitle kaplanmış aluminyum ve kompozitle kaplanmış plastik malzemeden yapılmaktadır. Taşıtlarda ise hafif kompozit kullanılmaktadır.

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 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 %28’i civarındadır. Bu oran büyük olsa bile, 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 olup, 3400 m³sıvı 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.

Metanol veya etanol gibi hidrokarbonlu yakıtlar, saf sıvı hidrojenden daha fazla hidrojen içerirler. 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 sunarlar. 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 arabalar üzerinde fazla bir değişiklik yapılmadan adapte olunması mümkün olacaktır.

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 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 nedeni ile 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 metaborata 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 metaboratın 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 hidrür'ün efektif olarak kullanılabilmesi pratikte mümkün olmayacaktır. Bir evin nominal güç itiyacının 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 borhidrür 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.

Düzeltme talebi: Hesaplamada hata var. Hidrojenden daha yoğun bir kimyasal enerji kaynağı yoktur. 3840 diye verilen litre atmosfer basıncının altında gaz fazında, yani 0,45 bar gibi, kg analizi ise sıvı fazdaki oksijen için hesaplanmış. 272 kg hidrojen 1 atmosfer basıncında, yaklaşık hidrojenin 1 molü 1g olduğuna göre 272000g *22,4=6092800 litre yer kaplar. Ayrıca hidrojenden direkt olarak elektrik enerjisi üreten bir sistem örnek verilmiş. Bu pilde %40 verimle çalışmakta.

İkinci düzeltme talebi: Verilen sayfadaki üründe 65 litre/dakika beslemeden bahsediliyor, 65*60=3900 litre/saate denk gelir. Üstteki düzeltmede belirtildiği gibi hesap 0,5 bar üzerinden yapılmış. Klasik pV=nRT üzerinden hesaplarsak 1 atmosfer basıncı da 1 bar kabul edersek ihtiyaç olan gaz miktarı 3900/2=1950 litre/saat olur. 1 mol ideal gaz, normal şartlarda (25 derece sıcaklık 1 atm basıç) 22.4 lt hacim kaplar. Bu durumda 1950 litre/ 22.4 litre mol-1=87 mol eder. 1 mol H2 2 gr ettiğine göre 87*2=174 gr Hidrojenle bu sistem 1 saat boyunca 5 kW enerji sağlar. 174 gr Hidrojeni tutmak için gereken BH4 miktarını hesaplamak anlamsızdır, zira uygulamada saf BH4 değil metal üzerine absorblanmış BH4ler yakıt hücresi olarak kullanlmaktadır, bunların kullanılabilir olanlarının verimliliği ağırlıkça %10 (ve daha üstü) Hidrojen salınımına kadar çıkmıştır. Yani ideal durumda, bahsedilen yakıt pilinin verimiyle 1.74 kglık yakıt hücresinden 1 saat boyunca 5 kW'lık güç sağlanabilir.

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.

Nanotüpleri 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 nanotüplerin hidrojenin depolanması yanında hidrojen kullanılarak elde edilen enerji sistemlerinde de kullanımı vardır.

Çapları 25-500 µm arasında değişen cam küreler, cidar kalınlıkları 1 µm olan bir tarafı açık cam baloncuklardır. Bu kürelere 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 %5-6 civarındadır.

Bütün bu yöntemlerin dışında hidrojen gazını depolamanın belki de en ucuz yöntemi, doğalgaza benzer şekilde, yeraltında, tükenmiş petrol veya doğal gaz rezervuarlarında depolamaktır. Maliyeti biraz yüksek olan diğer bir depolama şekli ise, hidrojeni maden ocaklarındaki mağaralarda saklamaktır. Örneğin Almanya’da Kiel şehrinde 1971’den beri yerin 1330 m altındaki bir mağarada hidrojen depolanmaktadır. Ancak mağaralarda saklanan hidrojenin yılda %1-3’ü arası, sızıntı nedeniyle kaybolmaktadır.