Hidrojen, Saklama Atılımı ile Enerji Kaynağı Olarak Daha Çekici Hale Geldi

Hidrojen, evrendeki en hafif elementtir ve H sembolüyle temsil edilir. Atom numarası 1’dir ve en yaygın bulunan elementtir. Sadece bir proton ve bir elektron içeren en basit kimyasal elementtir ve renksiz, tatsız ve kokusuzdur. 

İlginç bir şekilde, hidrojen evrenin kütlesinin tahmini %75’ini oluşturur. Ancak, Dünya kabuğunun ağırlığının sadece yaklaşık %0,14’ünü oluşturur. Katı, sıvı ve gaz hâllerinde diğer elementlerle bileşik formunda doğal olarak bulunur. Oksijenle birleştiğinde bu yanıcı madde su (H₂O) oluşturur ve karbonla birleştiğinde petrol ve kömürde bulunan hidrokarbonları oluşturur. Böylece hidrojen, güneş ve rüzgar gibi yenilenebilir enerji, nükleer enerji ve doğal gaz gibi çeşitli kaynaklardan üretilebilir. 

Özellikle doğal olarak oluşan hidrojen gazı cepleri Avustralya, Yeni Zelanda, Kanada, Fransa, Almanya, Japonya ve Rusya gibi ülkelerde keşfedilmiştir. Şu anda bilim insanları bu ülkelerdeki rezervlerin kapsamını, kökenlerini ve çıkarıldıklarında çevre üzerindeki potansiyel etkilerini araştırıyor.

Hidrojen Bir Enerji Kaynağı Olarak

Hidrojen yakıtı üretmenin en yaygın yöntemleri termal, elektroliz, fotovoltaik destekli elektroliz, güneş destekli ve biyolojik süreçlerdir. 

Termal

Termal süreçte, buhar dizel, doğal gaz, gazlaştırılmış kömür veya gazlaştırılmış biyokütle gibi bir hidrokarbon yakıtıyla reaksiyona girerek H üretir. Dikkat çekici bir şekilde, tüm hidrojenin büyük çoğunluğu (yaklaşık %95) doğal gazın buhar reformundan elde edilir. 

Elektroliz

Elektroliz ise suyu oksijen ve hidrojene ayırmayı içerir. Bu süreç bir elektrolizörde gerçekleşir ve su moleküllerinden hidrojen üretir.

Biological

Biyolojik süreçler, bakteri gibi çıplak gözle görülemeyen mikropları kullanarak hidrojen üretir. 

Solar

Güneş destekli süreç, adından da anlaşılacağı gibi, H üretimi için ışığı çeşitli yollarla kullanır; fotoelektrokimyasal (özelleşmiş yarı iletkenlerle suyu H ve O’ya ayırır), fotobiyolojik (bakteri ve yeşil alglerin doğal fotosentez aktivitesini kullanır) ve güneş termokimyasal (konsantre güneş enerjisiyle su bölünme reaksiyonlarını sürdürür).

Tüm bu özelliklerinin yanı sıra, hidrojen aynı zamanda temiz bir yakıttır; bir yakıt hücresinde tüketildiğinde yalnızca su, ısı ve elektrik üretir. Bu, hidrojenin elektrik üretimi ve taşıma (araçlar ve roketler dahil) için çekici bir seçenek olmasını sağlar. Enerji yoğun ve depolanabilir bu madde, iki yüzyıldan fazla önce içten yanmalı motorları çalıştırmak için kullanılmıştır. 

Bunlar, hidrojenin yenilenebilir enerjiyi depolamak için önde gelen seçeneklerden biri olduğunu ve birçok sektörde kullanılmaya başlandığını gösteriyor. Ancak, gerçek potansiyeli henüz tam olarak gerçekleşmedi. Bunun için hidrojenin ölçekli ve ekonomik bir şekilde üretilmesi gerekiyor. Ayrıca mevcut altyapının hidrojenle uyumlu hale gelmesi gerekiyor; hidrojen gaz boru hatlarıyla da taşınabilir.

Henüz hidrojenin yakıt olarak tüm potansiyelini tam olarak kullanamamış olsak da, hidrojenin bir enerji kaynağı olarak tam potansiyelini keşfetmek için araştırma ve geliştirme harcamaları yıllar içinde artmaktadır. Özellikle yakın bir çalışma, bu bağlamda büyük bir atılım gerçekleştirerek geleceğin enerji sistemleri için yüksek yoğunluklu hidrojen depolamayı mümkün kılmıştır.

Yoğun Paketlenmiş Hidrojeni Depolayan Çerçeveler

Geçtiğimiz ay Nature Chemistry dergisinde yayımlanan “Küçük gözenekli hidridik çerçeveler yoğun paketlenmiş hidrojen depolar” çalışması, bir kısmı Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) ve Almanya Araştırma Vakfı (DFG) tarafından finanse edilmiştir.

Nanoporlu malzemeler gaz depolama konusunda çok ilgi çekse de, yüksek hacimsel depolama kapasitesine ulaşmanın hâlâ bir zorluk olduğu belirtilmiştir. Bu sorunu çözmek için farklı üniversitelerden birçok araştırmacı bir araya geldi.

Japonya’nın Tohoku Üniversitesi Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) ve Almanya’nın Max Planck Intelligent Systems Enstitüsü’nden Michael Hirscher, orijinal fikirleri ortaya koymuş ve projeyi denetlemiştir. Kore’nin Ulsan Ulusal Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (UNIST)’nden Hyunchul Oh ise projeyi yönetmiştir.

İlginç bir şekilde, 2022 yılında Max Planck Intelligent Systems Enstitüsü, ABD Enerji Bakanlığı’nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı (ORNL), Technische Universität Dresden ve Friedrich‑Alexander‑Universität Erlangen‑Nürnberg ekipleri gösterdi ki hidrojen, H₂ kaynama noktasına yakın çok düşük bir sıcaklıkta bir yüzeyde yoğunlaşır. Bu süreç, sıvı hidrojen yoğunluğunun 3 katı bir süper yoğun monolayer oluşturur ve hacmi sadece kilogram başına 5 litre H₂’ye indirir.

Şimdi, söz konusu en yeni çalışma, manyetik toz kırınımı, elastik nötron saçılması, hacimsel gaz adsorpsiyonu ve birinci prensip hesaplamaları kullanarak bir magnezyum borohidrit çerçevesini inceledi. Çerçeve, küçük gözeneklere ve hidrojen (H) ve azot (N) alımı için kısmen negatif yüklü düz olmayan bir iç yüzeye sahiptir. 

Hem azot hem de hidrojen, gözeneklerde belirgin şekilde farklı adsorpsiyon sitelerine sahiptir. Ayrıca, Mg(BH₄)₂ başına 0,66 N₂ ve 2,33 H₂ olmak üzere çok farklı sınırlı kapasiteleri vardır. 1950’de keşfedilen Mg(BH₄)₂, hem nanoporlu MOF‑benzeri kristal polymorfları hem de aşırı hacimsel hidrojen yoğunluğu ve yüksek gravimetrik hidrojen kapasitesine sahip çok yoğun polymorfları bulunan yüksek kapasiteli bir hidrojen depolama malzemesi olarak bilinir.

Dolayısıyla, moleküler hidrojen söz konusu olduğunda, yoğunluğu sıvı hidrojenden yaklaşık iki kat daha fazla olacak şekilde son derece sıkı paketlenir. 

Ekip, yapının içinde hidrojen atomlarının konumunu ve moleküllerin adsorpsiyon sitelerini belirlemek için nötron toz kırınımı (NPD) kullandı. 

Çalışma, bir penta‑dihidrojeni kümesinin (dihidrogen iki hidrojenin tek bağla birleşmesi) H₂ moleküllerinin bir konumda dönme serbestliğine sahip olduğunu, diğer konumdaki H₂ moleküllerinin ise iyi tanımlanmış bir yönelim ve çerçeveyle yönlü bir etkileşim gösterdiğini belirtti. Bu, yoğun paketlenmiş hidrojenin normal atmosferik basınçlarda küçük gözenekli malzemelerde aslında stabilize edilebileceğini ortaya koyuyor.

Bu keşif sayesinde ekip, gelişmiş yüksek yoğunluklu adsorpsiyon teknolojisi kullanarak sınırlı hidrojen depolama kapasitesi sorununu başarıyla çözdü. 

Bu çığır açıcı gelişme, UNIST Kimya Bölümü Profesörü Oh tarafından raporlandı. Yenilikçi araştırma, geleceğin enerji sistemlerinde önemli bir ilerleme olarak kabul ediliyor. 

Büyük Ölçekli Hidrojen Depolamayı Etkinleştirmek

Hidrojenin ulaşım, sabit güç ve taşınabilir güçte kullanılmasında depolama kritik bir rol oynar. Element en yüksek kütle başına enerjiye sahip olsa da, düşük ortam sıcaklığı yoğunluğu birim hacim başına enerjiyi düşürür. Bu nedenle daha yüksek enerji yoğunluğu sağlamak için gelişmiş depolama yöntemlerine ihtiyaç vardır.

Şu anda depolama teknolojisi, hidrojenin moleküler olarak sıvı ya da gaz formunda saklanmasına odaklanıyor. Ancak, bu mevcut teknoloji hacimsel ve gravimetrik (gram ya da kilogram başına ne kadar enerji depolanabileceği) depolama yoğunluğu açısından sınırlamalara sahiptir.

Hidrojenin gaz olarak depolanması yüksek basınçlı tanklar gerektirirken, sıvı hâlde depolanması kriyojenik sıcaklıklar ister. Ayrıca yüzeyde ya da katı içinde absorpsiyon yoluyla da depolanabilir.

Bir molekül olarak hidrojen, zayıf van der Waals etkileşimleri (göreceli olarak zayıf ve iyonik olmayan) aracılığıyla gözenekli bir malzemeye fiziksel olarak adsorbe edilebilir (fiziksel adsorpsiyon). Bu, gaz moleküllerinin bir katı yüzeye tutunması sürecidir. Ancak, son derece gözenekli malzemeler yüksek gravimetrik hidrojen alımı sunsa da, hacimsel depolama kapasitesinde iyileştirmeler gereklidir.

İşte bu noktada nanoporlu kübik magnezyum borohidrit, γ‑Mg(BH₄)₂, büyük sonuçlar sunar. Yoğunluğu ρ = 0,550 g cm⁻³ ve %33 boş gözenek hacmine sahiptir. Yaklaşık 9 Å çapındaki gözenek, bu bileşiğin hidrojen ya da azot gibi küçük molekülleri adsorbe etmesine izin verir. Hidridik atomların gözeneklere maruz kalmasını sağlayan kısmen negatif yüklü iç yüzey, bu poröz hidridi benzersiz kılar.

NFR ve Bilim ve Bilişim Teknolojileri Bakanlığı (MSIT) tarafından Orta Kariyer Araştırma Programı kapsamında mümkün kılınan çalışma, magnezyum katyonu (Mg⁺) ve magnezyum hidrürü, katı boron hidrürü (BH₄)₂ içeren bu nanoporlu kompleks hidridi sentezledi.

Elde edilen malzeme, beş hidrojen molekülünü 3D bir düzen içinde depolayarak olağanüstü yüksek yoğunluklu hidrojen depolama sağlar. Ayrıca gözenek hacmi başına 144 g/L hidrojen depolama kapasitesi göstererek geleneksel yöntemleri çok aşar. Etkileyici bir şekilde, malzeme içindeki hidrojen moleküllerinin yoğunluğu katı hâlde bulunan yoğunluğu bile geçmektedir.

Prof. Oh, bu malzemeyi “hidrojen depolama dünyasında bir paradigma değişikliği” olarak nitelendirerek “geleneksel yaklaşımlara çekici bir alternatif” sunduğunu belirtti. 

Bu gelişme, hidrojenin bir enerji kaynağı olarak verimliliğini ve ekonomik etkinliğini önemli ölçüde artırıyor. Ayrıca, hidrojenin geniş çapta kullanılabilmesi için büyük ölçekli depolama zorluklarını da aşarak kamu ve kişisel ulaşım uygulamalarında yaygın kullanımını mümkün kılıyor.

Bu Gelişmeden Yararlanabilecek Şirketler 

Bu araştırmanın fayda sağlayabileceği sektörlerden bahsedersek, kimya, enerji, otomotiv, mühendislik ve inşaat gibi geniş bir yelpazeyi akla getiririz. Şimdi bu gelişmeden fayda sağlayabilecek bazı şirketlere bir göz atalım: 

#1. Honda Motor Co., Ltd.

Japonya merkezli otomotiv şirketi, CO₂ emisyonlarını azaltma sözü vermiş ve hidrojen enerjisinin potansiyeline odaklanan ilk şirketlerden biri olduğunu iddia etmektedir. 

Bu hedeflere ulaşmak için Honda Motor (HMC ) Company, 1980’lerden beri çeşitli uygulamalar için yakıt hücresi teknolojileri üzerinde araştırma yapmaktadır. 

Bu yılın başlarında şirket, General Motors (GM ) (GM) ile iş birliği içinde çeşitli ürün uygulamaları ve “hidrojen çağının başlangıcı” olarak adlandırdıkları çözümler için hidrojen yakıt hücresi güç sistemleri üretimine başladığını duyurdu.

64,85 milyar dolar piyasa değerine sahip şirketin hisseleri 36,93 dolardan işlem görüyor ve yılbaşından bu yana %19,22 artış gösterdi. Honda Motor, 128,49 milyar dolar (TTM) gelir bildirmiş, hisse başına 7,73 EPS (TTM) ve 4,77 P/E (TTM) oranına sahiptir. Şirket ayrıca %2,77 temettü verimliliği sunmaktadır.

#2. Dow Chemical Company

Dow Chemical Company, Hidrokarbonlar & Enerji dahil olmak üzere çeşitli sektörlerde faaliyet göstermektedir. Yakın zamanda, Kanada’da sıfır karbon emisyonlu entegre etilen kırıcı ve türevleri tesisi için temiz hidrojen ve azot temini amacıyla Linde (NYSE: LIN) ile ortaklık kurdu. Anlaşma, geçen yılın sonlarında 6,5 milyar dolarlık proje için sonuçlandırıldı. Anlaşmanın bir parçası olarak, tesisin kırıcı yan gazını hidrojen haline dönüştürmek için Linde’in hava ayırma ve oto‑termal reformer teknolojileri kullanılacak.

39,9 milyar doların üzerinde piyasa değerine sahip Dow Chemical’in hisseleri 56,76 dolardan işlem görüyor ve yılbaşından bu yana %3,5 artış gösterdi. Dow Chemical, 44,62 milyar dolar (TTM) gelir, 0,81 EPS (TTM) ve 69,67 P/E (TTM) rapor etti. Şirket ayrıca %4,93 temettü verimliliği sunmaktadır.

#3. McPhy Energy SA

Fransa merkezli şirket, hidrojen üretim ve depolama çözümleri geliştirmektedir. Geçtiğimiz yıl McPhy, Chart Industries, Inc. (NYSE: GTLS) ile ticari anlaşmasını genişletti; bu anlaşma kapsamında Chart, hidrojen sıkıştırma ve hidrojen likitleştirme için ilgili süreç ve ekipmanları sağlayacak. 

En son olarak, önde gelen elektrolizör teknolojisi ve üretim şirketi, İsveç’teki AAK AB’den 4 MW kapasiteli 800‑30 elektrolizör ve ilgili yedek parçaları temin etmesi için bir sözleşme kazandı; bu sayede İsveç şirketi düşük karbonlu hidrojen’i proses gazı olarak kullanabilecek.

47,18 milyar piyasa değerine sahip şirketin (MCPHY-FR: Euronext Paris) hisseleri 1,69 EUR’dan işlem görüyor ve yılbaşından bu yana %49,97 düşüş gösterdi. EPS (TTM) -0,69 ve P/E (TTM) -1. Geçtiğimiz ay McPhy, 2023 mali yılı sonucunu açıkladı; yıllık gelir %17 artarak 18,8 milyon € oldu ve elektrolizör işinde %25 büyüme kaydetti. Ayrıca Aralık sonunda yaklaşık 62 milyon € nakit pozisyonu bildirdi.

Sonuç 

Hidrojen enerji depolama pazarı, önümüzdeki sekiz yıl içinde 17,6 milyar dolar değerini aşarak hızlı bir büyüme sergileyecek. Hükümetlerin hidrojen temelli altyapıya büyük yatırımlar yapmasıyla bu büyüme daha da hızlanacak. Özellikle ulaşım segmenti, %10’luk bir CAGR ile önemli bir büyüme sağlayacak; bu, hidrojenin sektördeki karbon emisyonlarını önemli ölçüde azaltma rolünden kaynaklanıyor. 

Hidrojenin daha temiz ve daha verimli bir enerji kaynağı olarak potansiyeli göz önüne alındığında, sadece ulaşımda değil, diğer endüstrilerde de benimsenmeye devam edecektir. Süregelen araştırmalar ve yeni bulgular sayesinde çok daha geniş bir benimseme göreceğiz ve net‑sıfır karbon emisyonuna ulaşmamıza yardımcı olacağız.

Daha geniş bir hidrojen (diğer hidrojen) olarak adlandırılan en iyi beş yeşil amonyak hissesi listesi için buraya tıklayın.