Gazi Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü Maltepe-Ankara Hidrojen Depolama Yöntemleri Y.Doç.Dr.Muhittin BİLGİLİ
İçerik Enerji taşıyıcısı olarak H 2 ve uygulamaları, Hidrojen depolama metodları, Sıkıştırılmış gaz, Sıvı hidrojen, Hidrür şeklinde depolama, Sonuçlar
Enerji Dönüşüm Sistemlerinde Hidrojen Kullanımı Üretiminde maliyet düşürücü teknolojik gelişmelere bağlı, İhtiyaç fazlası elektrik enerjisi hidrojen şeklinde depolanması günümüz için bir alternatif olabilir. Bu tarzda depolanan enerjinin yaygın olarak kullanılabilmesi, yakıt piline dayalı otomotiv teknolojisinin gelişmesine bağlıdır.
Yakıt olarak H 2 ve Uygulamaları Yüksek Enerji Yoğunluğu (H 2 120.9 MJ/kg) Bol miktarda bileşikler halinde doğada mevcut, Geniş uygulama alanı, Çevreye duyarlı (Karbon içermeyen),! Depolama Sorunları
Bazı yakıtların termodinamik özelikleri Özellik / Yakıt Hidrojen (H 2 ) Benzin* (C 8 H 18 ) Etanol (C 2 H 5 OH) Metanol (CH 3 OH) Kaynama Noktası 20 398 352 338 (K) Yanma Isısı AID (MJ/kg) 120,97 44,43 28,87 19,94 Yoğunluk 0,09 703 789 792 (kg/m 3 ) Havadaki yanıcılık limitleri (%) 4-75 1-6,5 3,3-19 6-36
Otomobil Uygulaması Ortalama bir benzinli otomobilin deposu 55 lt Oktanın yoğunluğu 917 kg/m 3, depo hacmi ile çarpılırsa 52 kg benzine sahip, Oktanın yanma ısısı, kimyasal yanma reaksiyonlarından hesaplanırsa 48,35MJ/kg Yanma ısısı (48,35 MJ/kg) x yakıt miktarı (52kg)=2.5x10 3 MJ Ortalama bir yakıt pili veriminin benzin ile çalışan bir motorun 2 katı olduğu varsayılırsa, bu değerin yarısına (1.25x10 3 MJ) ihtiyacımız olacaktır. Hidrojenin yanma ısısı 120,97 MJ/kg ise, ihtiyacımız olan 10,4 kg H 2 avantajlı.
Depolama Problemi Yoğunluk farkını dikkate alırsak, hidrojenin depolanma problemi ortaya çıkmaktadır. Standart oda T ve P, H 2 yoğunluğu 0.08988 kg/m 3 tür. Bu değer benzinin yoğunluğundan yaklaşık 8000 kez daha azdır. Benzin tankı ile ortalama 550 km sürüş mesafesi kabul edilirse, Standart oda T ve P, 55 lt H 2 tankın ile, sadece 0,08km sürüş mesafesine sahip olacaktır!!! H 2 depolayacak çok geniş veya çok ağır olmayacak bir yöntem bulunmalıdır.
Hidrojen Depolama Metodları Sıkıştırılmış Hidrojen Sıvı Hidrojen Hidrürler (Metal ve kimyasal) Cam mikro kürecikler Karbon ve nano tüpler Mevcut hidrojen depolama teknolojilerinin özgül enerji yoğunlukları bakımından karşılaştırılması.
1.Sıkıştırılmış Gaz En iyi bilinen H 2 depolama yöntemidir. Günümüzde 50 lt silindirik tanklarda 200-250 bar Depolama basıncı 600-700 bar çıkmaktadır. Hacimsel enerji yoğunlukları düşüktür. Yüksek basınçtan dolayı tanklar ağır olmaktadır. Sıkıştırma sürecinde enerjiye ihtiyaç var. DOE Hedefleri (2010) - 2,0 kwh/kg - 1,5 kwh/l
Farklı basınçlarda sıkıştırılmış kompozit hidrojen tanklarının özellikleri [1] Özellik 200 bar 400 bar 700 bar İç hacim (L) 50 50 50 Tank çapı (m) 0,3 0,3 0,3 Tank boyu (m) 1 1 1 Tank ağırlığı (kg) 25 45 85 Depolanan enerji (kwh) 24 43 66 Depolanan H 2 (kg) 0,7 1,3 2,0 Tankın hidrojen ağırlığına oranı 35,7 34,7 42,5 Ağırlıkça özgül enerji depolama (kwh/kg) 0,96 0,96 0,78 Hacimsel özgül depolama (kwh/l) 0,48 0,86 1,32
Sıvı Hidrojen 20 K (-253 o C) sıvı hale geçer. Soğutmada depolanan enerjinin %30 kullanılmaktadır. Tank güvenliği ve sıvı hidrojenin gerektirdiği sıcaklığı korumak. Yüksek seviyede izolasyon, Emniyetli (düşük P), ama sıvı hale getirme süreci uzun Pahalı, Buharlaşma kayıpları
Hidrür Şeklinde Depolama Metal Hidrürler Basınç ile emdirilirler. Düşük basınçta ısıtınca serbest hale gelirler. Kimyasal Hidrürler Katı bir malzemenin bir parçası olarak depolanmaktadırlar. NaBH 4, LiBH4, NaAlH 4 v.b. Hidroliz ile hidrojen elde edilir.
Metal Hidrürler Metal hidrürler hidrojeni basıncı altında emerler ve ısı açığa çıkar. Basıncı düşürüp geri ısı verildiğinde emilen hidrojen geri açığa çıkar. 2 2 M H2 MH x Heat x x
Hacimsel hidrojen depolama yoğunluklarının karşılaştırılması (cm 3 ) Sıvı
LaNi 5 için oda sıcaklığında absorbsiyon/desorpsiyon eğrileri [7] 190 o C aktive edilmiş LaNi 5 absorbsiyonu sonunda ölçülen hidrojen içeriği literatürde rapor edildiği gibi 1.4-1.5 wt% olarak ölçülmüştür.
Kimyasal Hidrürler Kimyasal hidrojen depolama terimi hidrojenin bir kimyasal reaksiyon ile üretildiğinde kullanılan bir depolama teknolojisi olarak tanımlanır. NaBH 4, NaH, LiH, NaAlH 4 Teorik H 2 ihtivası ağırlıkça ~ %10.9, Kararlı, kontrol altında tutmak kolay, SBH çözeltisi yanmayan, Reaksiyon çevreye tehlikesiz, Üretilen H 2 kontrolu kolay, Reaksiyon ürünü tekrar işlenip kullanılabilir, Düşük sıcaklıklarda bile H 2 üretilebilir. Hacimsel ve kütlesel olarak ihtiva ettiği H 2 yüksektir. SBH Hidrolizi: NaBH 4 + 2H 2 O NaBO 2 + 4H 2
Kimyasal Hidrürler SBH Numuneler Numuneler NaBH 4 e (Rutenyum, Nikel Asetat) katalizör ilave edilerek hazırlandı. Toz boyutu küçültülüp havanda katalizörler tozları birbirine homojen olarak karıştırılmaları sağlandı ve sonra deney düzeneklerinde hidroliz edildi. Hidrolizden Önce Hidrolizden Sonra
Dünya Bor Kaynakları Üke Tahmini Rezerv Miktarı (x10 6 ton) Tahmini Rezerv (%) Türkiye 563 64 USA 80 9 Rusya 100 11 Çin 36 4 Kazakistan 15 2 Şili 41 4 Bolivya 15 2 Peru 22 3 Arjantin 9 1 *Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü Toplam 885 100 III.Ulusal Güneş ve Hidrojen Enerjisi Kongresi
Hidrojen Depolamanın Hacimsel Verimliliği Artırılmış Konumlandırma Esnekliği
Hidrojen depolama teknolojilerinin özgül enerji yoğunlukları bakımından karşılaştırılması III.Ulusal Güneş ve Hidrojen Enerjisi Kongresi
Sonuçlar Hidrojeni depolama yöntemleri açıklanmış, bu yöntemlerin avantajlı ve dezavantajlı yönleri irdelenmiştir. Hedeflenen depolama bölgesine gelebilmek için mevcut yöntemlerde hem hacimsel hemde kütlesel enerji yoğunluklarında iyileştirmeler yapılması gerekmektedir. Hidrojenin gelecekte yaygın olarak kullanılabilirliği güvenli ve verimli depolama yöntemleri sağlandığı takdirde artacaktır.