Hidrojen Enerjisinin Kullanım Alanlarına Göre Depolanması

Gerek sabit gerekse taşınabilir uygulamalar için hidrojenin etkin ve güvenilir bir şekilde depolanabilmesi gereklidir. Elektrik enerjisinin depolanamaması hidrojen enerjisini bir depolama aracı olarak gündemde tutmaktadır. Doğada -açık havada- hidrojenin kullanılması durumundaysa depolama daha fazla önem kazanmaktadır. Bu bakımdan üretilen hidrojen iki ayrı grupta depolanabilmektedir. Birincisi merkezi bir jeneratör yardımıyla güneş hidrojen enerji sistemi, rüzgâr hidrojen enerji sistemi, hidrolik hidrojen enerji sistemi gibi merkezi olarak üretilen hidrojenin depolanması; ikincisi ise ısınma, pişirme ya da taşıtlardaki kullanım amaçlı depolanmasıdır. Merkezi

olarak depolamada boşaltılmış doğal gaz yatakları, mağaralar ve büyük depolama tankları kullanılmaktadır. Đkinci tip depolamada -daha çokta taşıtlar için tasarlanan depolama şekillerinde ise- yaygın olarak 3 yöntem -gaz hidrojen, sıvı hidrojen ve metal hibritler- kullanılmaktadır (Çelik ve Oral, 2006).

Hidrojen gaz veya sıvı olarak saf halde tanklarda depolanabileceği gibi, fiziksel olarak nanotüplerde veya kimyasal olarak hidrür şeklinde depolanabilmektedir. Hidrür şeklinde depolama, katı halde metallerde ve alanatlarda olabileceği gibi sodyum bor bileşiğinde olduğu gibi sıvı halde de olabilmektedir. Ancak güvenilirlik ve hafiflik, hidrojenin hidrürler olarak depolanmasını ön plana çıkartmaktadır. Özellikle birim hacimde depolanabilecek hidrojen açısından hidrürler gaz veya sıvı depolama için uygundurlar (Güvendiren ve Öztürk, 2003).

Kullanım amacına göre hidrojen depolamada amaçlanan temel özellikler şunlardır:

• Kullanılan depolama sisteminin olabildiğince yüksek geri dönüşümlü depolama kapasitesine sahip olması gerekmektedir.

• Kullanılan depolama sistemi düşük sıcaklığa sahip olmalıdır.

• Kullanılan depolama sistemi, zehirlenmeye karşı direnç ve buna bağlı olarak olabildiğince yüksek tekrarlanabilir dolum sayısı kapasitesinde olmalıdır (Güvendiren ve Öztürk, 2003).

Bugün hidrojen enerjisinin önündeki en büyük engel depolanma sorunudur. Çünkü çeşitli depolama sistemleri içinde yüksek basınçlı hidrojen en iyi sistem olmakla birlikte, hafif araçlarda gerekli olan hacim ve ağırlık kriterlerini karşılayamamaktadır. Bundan dolayı hidrojen enerjisinin depolanması üzerindeki çalışmalar son hızıyla devam etmektedir (TMMOB Enerji Raporu, 2006).

Hidrojeni depolamak için birçok yöntem kullanılmaktadır. Bu yöntemler ve kullanım amaçlarına göre genel özeti aşağıda verilmiştir.

1.4.1. Sıkıştırılmış Gaz Olarak Depolama

Hidrojen konusunda en bilinen depolama yöntemi, gaz olarak basınçlı tanklarda depolamaktır. Ancak yöntemin otomobillerde kullanılabilir olması, kompozit türünde

hafif ve güvenli tankların geliştirilmesine bağlıdır. Gaz ve sıvı halde depolamayla karşılaştırıldığında ise hidrojenin katı halde depolanması en umut verici depolama yöntemi olarak gözükmektedir (Gaşan, 2006). Hidrojenin sıkıştırılmış gaz olarak depolanmasının temel sebebi, hidrojenin hafif olmasından dolayı hacimsel enerji yoğunluğu düşüktür ve yüksek basınç sebebiyle depolama tankları çok ağır olmaktadır. Bu durum ise verimi düşürmektedir. Bu nedenle hidrojenin gaz olarak depolanması, hidrojenin geri kullanım verimliliğini arttırmaktadır (Wikipedia Sözlük, 2007a).

1.4.2. Sıvı Hidrojen Olarak Depolama

Hidrojenin sıvı halde depolanması en çok kullanılan yöntemdir. Çünkü hidrojen, petrole göre 4 kat daha fazla hacim kapladığından dolayı, bu hacmi küçültmek için hidrojeni sıvı halde depolamak gerekmektedir (Ünalan, 2006).

Sıvı depolama, gaz halde depolama ile kıyaslandığında daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip olması yöntemi çekici kılmaktadır. Günümüzde sıvı hidrojen dolum istasyonları bulunmaktadır. Bunun yanında, maliyetin ön planda tutulmadığı uzay uygulamalarında (NASA) ve otomobillerde de (BMW) kullanılmaktadır (Gaşan, 2006).

Hidrojenin sıvı olarak depolanmasında, sıvı hidrojen taşıma tanklarına benzer tanklar kullanılmaktadır. Örneğin, Kennedy uzay merkezinde fırlatma alanının yanında 3217m³ hacminde küre kullanılmaktadır (Ün, 2003).

Hidrojenin sıvı halde depolanmasının bir takım yararları ve zararları bulunmaktadır. Bunlar;

• Ağırlık olarak nispeten hafif bir depolama şeklidir.

• Hidrojen yakıtı, yüksek basınç sıvı hidrojen pompası yardımı ile silindire direkt olarak püskürtülebilir.

• Taşıtta eğer klima ünitesi varsa sıvı hidrojen soğutma amaçlı kullanılabilir. • Kontrolsüz yanma önlenebilir ve NOx emisyonlarında azalma sağlanabilir. • Sıvılaştırma için hidrojen gazı kullanılmaktadır.

• Hidrojenin gaz halden sıvı hale geçerken bir kısmı buharlaşır. Bu sebeple değişiminin hızlı bir şekilde gerçekleşmesi gerekmektedir.

Ayrıca sıvı olarak hidrojenin tanklarda depolanması ve kullanılması sırasında buharlaşma kayıpları da meydana gelebilmektedir (GESK, 2005). Hidrojenin sıvı olarak depolanmasının temel amacı ise hidrojenin kapladığı hacmi düşürmektir. Sıvı hidrojen, özellikle uzay teknolojisinde ve bazı roketlerde kullanılmaktadır. 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 ve Honda gibi üreticiler, sıvı hidrojenle çalışacak modeller geliştirmektedir (Wikipedia Sözlük, 2007a).

1.4.3. Hidrokarbonlar ile Depolama

Metanol veya etanol gibi hidrokarbonlu yakıtlar, saf sıvı hidrojenden daha fazla hidrojen içerirler. Yüksek sıcaklıklarda su buharı kullanılarak, hidrokarbonlardan hidrojen ayrıştırılabilmektedir (Güvendiren ve Öztürk, 2003). Hidrojenin hidrokarbonlarda depolanmasının kullanım amacı, birkaç barlık basınçta ve oda sıcaklığına yakın sıcaklıklarda hidrojeni depolayabilmesi ve zehirlenmeye karşı iyi bir direnç göstermesidir (Güvendiren ve Öztürk, 2003). Ayrıca, hidrokarbonlu yakıtlar, hidrojenli araçlar için daha iyi bir alternatif sunmaktadırlar. Örneğin, metanol kullanımı ile, ağır hidrojen tanklarına veya dolum istasyonlarına gerek kalmayacaktır. Daimler-Chrysler’a 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 (Wikipedia Sözlük, 2007a).

1.4.4. Karbon Nanotüplerde Depolama

Hidrojen, gaz veya sıvı olarak saf halde uygun çelik tanklarda depolanabileceği gibi, fiziksel olarak karbon nanotüplerde de depolanabilmektedir (Güvendiren ve Öztürk, 2003). Hidrojenin nanotüplerde depolanmasının amacı, depolanan hidrojenin geri alınabilmesi ve sisteme tekrar aynı miktarda hidrojen yüklenebilmesidir. Bu nedenle

bu depolama hidrojen için tercih edilmektedir (Güvendiren ve Öztürk, 2003). Karbon nanotüplerde depolanma çeşidinin kullanım amacından bir tanesi de; karbonun özellikle yüksek oranda gözenekli çok küçük parçalar haline getirilebilmesi ve karbon atomları ve gaz molekülleri arasında oluşan çekim kuvveti olması nedeniyle gaz depolamaya en elverişli depolama sistemlerinden birisi olmasıdır (Wikipedia Sözlük, 2007a).

1.4.5. Cam Kürelerde Depolama

Hidrojen cam kürelere yüksek basınç ve sıcaklık altında depolanmaktadır. Yüksek sıcaklık sonucunda hidrojen atomları camlara girmektedir ve camlar soğutulunca da içeride hapsolmakta ve bu şekilde depolanan hidrojen, camların ısıtılması veya kırılması yoluyla tekrar geri alınabilmektedir. (Wikipedia Sözlük, 2007a). Hidrojeni depolamada cam kürelerin kullanılma amacı; hidrojeni depolama kapasitesinin yüksek olması ve kürelerde depolanan hidrojenin kolaylıkla alınıp kullanılması bu depolamanın tercih edilmesine imkan vermektedir.

1.4.6. Mağaralarda Depolama

Hidrojen gazını depolamanın en ucuz yöntemlerinden birisi de yeraltında, tükenmiş petrol-doğal gaz rezervuarlarında veya maden ocaklarındaki mağaralarda depolamaktır. Örneğin, Almanya’da Kiel şehrinde 1971 yılından bu yana yerin 1330 metre altındaki bir mağarada hidrojen depolanmaktadır. Ancak mağaralarda saklanan hidrojenin yılda % 1-3’ü sızıntı nedeniyle kaybolmaktadır (Wikipedia Sözlük, 2007a). Fransa’da da hidrojen enerjisi mağarada başarı ile depolanmaktadır. Ayrıca, hidrojenden daha fazla sızma eğilimli olan helyum gazı Teksas, Amarillo yakınında tükenmiş doğal gaz mağarasında depolanmaktadır (Ün, 2003). Hidrojeni depolamada mağaraları kullanmanın temel amacı; yeraltında bulunan petrol ve doğalgaz rezervlerinin değerlendirilmesidir. Bu depolama yöntemi maliyet açısından avantaj sağlamaktadır.

1.4.7. Tanklarda Depolama

Hidrojen uygun nitelikli tanklarda gaz veya sıvı olarak depolanabilmektedir. Otomotiv firmalarınca geliştirilen araçların büyük çoğunluğu hidrojenin tanklarda depolanmasını esas almaktadır (Güvendiren ve Öztürk, 2003). Tanklarda depolama yönteminin

kullanılmasının genel amacı, otomotiv firmaları tarafından yaygın olarak kullanılmasıdır. Fakat tanklarda hidrojeni sıvı olarak değil de gaz olarak depolamak daha cazip görülmektedir.

1.4.8. Alanatlarda Depolama

Alanatlarda hidrojen depolama hidrürlerde olduğu gibi toz esaslı olarak yapılmaktadır. Çalışmalar ağırlıklı olarak sodyum-alimünyum hidrür üzerinde yoğunlaşmaktadır ve bu çeşit depolama yüksek sıcaklık gerektirmektedir (Güvendiren ve Öztürk, 2003; Özdemir, 2006). Hidrojenin alanatlarda depolanmasının kullanım amacı, hidrojenin metal hidrür olarak depolama sistemine göre daha ucuz olmasıdır.

1.4.9. Bor Esaslı Depolama

Bor esaslı sistemler ana olarak sodyum bor hidrürü esas almaktadır. Sodyum bor hidrürde hidrojen depolamanın en önemli üstünlüğü depolanan hidrojenin oda sıcaklığında geri alınabilmesi ve geri alımın katalizör yardımı ile kolaylıkla kontrol edilebilmesidir (Güvendiren ve Öztürk, 2003).

Bir enerji bileşeni olarak bor-hidrür, hidrojenin taşınma, depolanma, patlama gibi tüm risklerini yok eden bir taşıyıcıdır. Bu sebeple çok yakın bir gelecekte Türkiye, bor rezervlerinin bolluğu sebebi ile önümüzdeki yıllarda dünyada önemli bir enerji merkezi olabilme potansiyeline sahip bir ülke konumundadır. Türkiye sahip olduğu bor rezervlerini iyi bir şekilde kullanabilirse enerji alanında dünyanın merkezi olabilme kapasitesindedir. Çünkü Türkiye, yüzyılımızda petrol kadar önemli olabileceği düşünülen bor madeninin dünyadaki en büyük rezerv ülkesidir (Yılmaz, 2006a). Borla çalışan otomobil üretimi, hidrojen elementinin depolanmasında bor madeninin kullanılması ve bu şekilde hidrojen enerjisinin enerji kaynağı olarak kullanılabilirliğine ilişkin çalışmalar henüz emekleme evresindedir. Gelecekte, hidrojen enerjisi veya bor hücreli elektrik üretilmesi teknolojileri ile otomobil endüstrisiyle ilgili gelişmeler, bor tüketiminde bir patlamaya yol açması beklenmektedir (Özcan, 2006).

Hidrojenin bor esaslı depolama sistemini kullanma amacı; bu depolama sisteminde kullanılan hidrojen miktarının diğer yöntemlere göre iki kat daha fazla olması ve

hidrojenin oda sıcaklığında geri alınabilmesi ve geri alımın katalizör yardımı ile kolaylıkla kontrol edilebilmesidir.