Geleceğin yeşil hidrojen ekonomisi
Geleceğin konularından biri de hidrojen ile enerji üretimidir. Özellikle yenilenebilir kaynaklardan elde edilen enerji kullanılarak üretilen yeşil hidrojen büyük bir potansiyele sahiptir. Artık bu enerji taşıyıcısının üretilmesi, taşınması ve kullanılması için birçok yeni teknoloji bulunmaktadır.
Yeşil hidrojen, Paris iklim koruma hedeflerine ulaşılması açısından son derece önemlidir. Güçten gaza teknolojisi kullanılarak üretilmektedir. Bu süreçte yeşil hidrojen, rüzgar veya güneş gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrik kullanılarak elektroliz yoluyla üretilir. Bu da yeşil hidrojenin CO² içermediği anlamına gelmektedir.
Hidrojen teknolojileri, hidrojen kullanımı için çeşitli mekanik veya kimyasal uygulamaları içerir. Karbondioksit veya metan gibi iklime zarar veren gazların azaltılmasına yardımcı olmaları amaçlanmaktadır. Uygulama alanları, endüstriyel üretim ve mal taşımacılığı ve trafikte kullanımdan elektrik ve ısı üretimine kadar uzanmaktadır. Ayrıca, yenilenebilir enerjiler hidrojen teknolojileri yardımıyla esnek bir şekilde depolanabilir.
Hidrojen üretimi için teknolojiler
Yeşil hidrojen elektroliz kullanılarak üretilmelidir. Farklı elektroliz türleri vardır, ancak bir elektrolizör her zaman arka arkaya dizilmiş birkaç elektroliz hücresinden oluşur. Yenilenebilir kaynaklardan elde edilen elektrik enerjisi daha sonra bir redoks reaksiyonunu zorlamak ve suyu kendi bileşenleri olan oksijen ve hidrojene ayırmak için kullanılır. Hidrojen daha sonra çeşitli şekillerde depolanabilir.
Fraunhofer Seramik Teknolojileri ve Sistemleri Enstitüsü IKTS'nin Hidrojen Teknolojileri broşürüne göre, özellikle yüksek sıcaklık elektrolizi "verimli hidrojen ve sentez gazı üretimi için kilit bir teknolojidir". Alkalin ve PEM elektrolizörlerine göre çeşitli avantajlar sunmaktadır. Örneğin, proses herhangi bir paslanmaz çelik bileşen gerektirmez ve sentez gazının doğrudan üretilmesini sağlar. Katı oksit elektrolizi (SOE) ile yüksek sıcaklık elektrolizinde, dönüştürme işlemleri sırasında 750 santigrat derecenin üzerinde sıcaklıklara ulaşılır. Elektrolit, iki yarı hücreyi ayıran katı seramik bir malzeme olarak kullanılır. Su daha sonra buhar şeklinde reaksiyon odalarına girer.
Yüksek sıcaklık elektrolizine ek olarak, alkali elektroliz ve proton değişim membranı elektrolizi de vardır. Alkali elektroliz (AEL), yatırım maliyetlerinin düşük olması ve teknolojinin uzun vadede istikrarlı olması nedeniyle şu anda en yaygın kullanılan elektroliz işlemidir. AEL, OH ileten bir sıvı elektrolit kullanır.
Proton değişim membranı elektrolizi (PEM) düşük sıcaklıklarda çalıştırılır ve nispeten yeni bir teknolojidir. Hidrojen endüstriyel sulardan ve maden sularından elde edilebilir. Rodosan süreci bu amaçla Fraunhofer IKTS'de geliştirilmiştir. PEM'in avantajı, eklenen enerjideki dalgalanmalara hızlı tepki verebilmesi ve iyi yük değişim davranışına sahip olmasıdır. Hidrojen, membran elektroliz hücrelerinde sülfürik asit ve sülfat içermeyen suyun elektrokimyasal arıtımı sırasında kullanılabilir bir reaksiyon ürünü olarak ayrılır.
Hidrojen kullanımı için düşük CO² teknolojileri
Temel ve değerli ürünlerin üretimi için bir proses gazı olarak yeşil hidrojen, daha fazla CO² salınmamasını sağlayabilir. Bunun nedeni, demir cevherinin çelik üretmek için pik demire dönüştürülmesi gerekliliğidir. Bunun için yüksek fırın sürecinde kok kullanılır. Bu süreci neredeyse iklim açısından nötr hale getirmek için (yüzde 95'ten fazla CO² azaltımı), doğrudan indirgeme süreçlerinde doğal gaz yerine hidrojen kullanılabilir. Fraunhofer IKTS'ye göre, yüksek sıcaklıkta elektroliz en uygun yöntemdir. Mevcut atık ısı etkin bir şekilde kullanılabilir ve sentez gazı üretilebilir.
Yüksek sıcaklıkta elektroliz amonyak sentezi için de uygundur. Bu işlem için şu anda büyük miktarlarda CO² üreten doğal gaz kullanılmaktadır. CO² emisyonları kaçınılmazsa, bunları bir karbon kaynağı olarak kullanmak mümkündür. Örneğin, kozmetik endüstrisi için mumlar veya havacılık için yakıtlar elde edilebilir. Fischer-Tropsch sentezi, CO² ve hidrojenden karbon içeren ürünler üretmek için uygundur. Ancak bu teknolojinin özellikle etkili ve verimli olabilmesi için (ko-)elektroliz prosesi ile birleştirilmesi gerekmektedir. Ko-elektroliz prosesi sentez gazı üreterek kimyasal ürünlerin üretimini özellikle verimli hale getirir.
Yeşil hidrojen aynı zamanda elektrik, ısı ve mobilite alanlarında bir enerji kaynağı olarak da hizmet vermektedir. Binalardaki doğal gaz kazanları teorik olarak hidrojenle doldurulabilir. Elektrik üretiminde hidrojen, yeniden dönüşüm kullanılarak yakıt hücreleri vasıtasıyla elektriğe dönüştürülebilir. Bu, yakıt hücresi içinde oksijen ve hidrojen arasında bir reaksiyonun tetiklendiği soğuk yanma ile yapılır. Ortaya çıkan elektrik voltajının atık ürünü sudur, böylece hiçbir emisyon üretilmez. Ulaşım sektöründe hidrojenle çalışan araçlar, gemiler ve trenler elektrikli araçlar için iyi bir tamamlayıcıdır. Hidrojen bazlı sentetik yakıtlar da özellikle havacılık ve ağır yük taşımacılığında kullanılabilir.
Karintiya'daki "H2 Karintiya" projesi kapsamında yeşil hidrojen iki kez kullanılacak: Infineon'da mikroçiplerin endüstriyel üretiminde ve daha sonra ulaşım araçlarına yakıt ikmali için. Yeşil hidrojen üretimden sonra ayrıştırılıyor ve su yakıt ikmal istasyonundaki bir PSA (basınç salınımlı absorpsiyon) tesisine besleniyor ve burada ulaşımda kullanılmak üzere saflaştırılıyor. Aralık 2022'de, geri dönüştürülmüş yeşil hidrojenle çalışan ilk beş otobüs Carinthia'nın toplu taşıma ağında hizmete girmiştir.
Yeşil hidrojenin depolanması ve taşınması için teknolojiler
Hidrojeni başka bir yerde kullanılmak üzere taşınabilir hale getirmek için depolanması gerekir. Hafif ve oldukça uçucu bir kimyasal madde olduğu için bu büyük bir zorluktur. Hidrojen, yer üstünde tanklarda veya yer altında çeşitli toplanma durumlarında depolanabilir. Sıvı haldeki hidrojen, yalıtılmış kriyojenik tanklarda son derece düşük sıcaklıklarda (eksi 553 santigrat derece) depolanır, bu da çok fazla enerji kaybı anlamına gelir. Hidrojenin buharlaşmaması için kriyojenik tankların çok iyi yalıtılmış olması gerekir.
Hidrojen gaz halinde ya basınçlı depolama tanklarında ya da yeraltı mağara depolama tesislerinde depolanır. Bu tür depolama, iyi bir hareketlilik sağladığı için en sık kullanılan depolama türüdür. Özellikle mağara depolama tesisleri yüksek depolama hacmine sahiptir. Ayrıca yeni alanların kapatılması gerekmez. Ayrıca, çok miktarda hidrojenin katı metal kafes yapılarda (örneğin metaller veya karbon) depolandığı ve ısıtılarak tekrar serbest bırakılabildiği metal hidrit depolama tesisleri de vardır. Ancak burada yüksek ölü ağırlık nedeniyle taşıma daha zor hale gelmektedir. Hidrojen ayrıca yağ (sıvı organik hidrojen taşıyıcı) gibi sıvı taşıyıcı ortamlarda da absorbe edilebilir. Ancak katalizörler nedeniyle çok fazla enerji kaybedilir.
Depolanan hidrojen daha sonra örneğin kamyon, gemi veya trenle taşınır. Ancak bunun iklim dostu olması için taşıma aracının elektrikli olması ya da yeşil hidrojenle çalışması gerekir. Hidrojen ayrıca mevcut veya yeni gaz boru hatlarıyla da taşınabilir. Doğal gaz altyapısı burada özellikle ilgi çekicidir. Hidrojen doğal gaza belirli oranlarda eklenebilir. Hidrojen taşımacılığı için polietilen borular ve metal-plastik kompozit borular da Bitterfeld-Wolfen Kimya Parkı'nda test edilmektedir.
Kaynak: www.ntv.de