Nikel Tabanlı Elektrolyiz ile Hidrojen Üretimindeki Gelişmeler

Elektroliz ile Hidrojen Üretiminde İleri Adım

Hydrojen, fosil yakıtların yerini alabilecek ciddi bir aday olarak görülüyor. Bu, taşıma sektöründe yakıt hücreleri sayesinde ve elektrifikasyonun mümkün olmadığı durumlarda hidrojenin yüksek yanma sıcaklığıyla kömür ve doğal gazı yerine geçebildiği endüstriyel süreçlerde de geçerlidir.

Bir sorun, hidrojenin doğal gaz gibi kolay erişilebilir doğal yataklarda sık bulunmamasıdır. Bunun yerine, yapay olarak üretilmesi gerekir ve elektrolyz en yaygın kullanılan yöntemdir.

Elektroliz, suyu hidrojen ve oksijene ayırma işlemidir. Şu anda elektrolyz yönteminde karşılaşılan sorunlar arasında düşük verimlilik (enerji israfı) ve yüksek maliyetler bulunur; bu maliyetlerin büyük kısmı platin gibi pahalı katalizörlerden kaynaklanır.

Kore’den bir araştırma ekibi, verimliliği artırmanın ve pahalı katalizörleri çok daha uygun fiyatlı ve bol bulunan nikel ile değiştirebileceğinin bir yolunu bulmuş olabilir.

Nikel Nano Dizileri Hidrojen Üretimini Artırıyor

Prof. Jong Kyu Kim’in ekibi, POSTECH (Pohang University, Korea) Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nde hidrojen elektrolyzindeki büyük bir sorunu çözmeye çalışıyor.

Kaynak: POSTECH

Sorun, üretilen hidrojenin katalizöre “yapışık” kalması ve daha fazla suya ulaşmasını engellemesidir. Bu, verimliliği düşürür, gereken enerji miktarını artırır ve sonuçta gereğinden daha pahalı katalizörlere ihtiyaç duyulur.

Bunun yerine, Prof. Jong Kyu Kim ve ekibi, tamamen dikey olmayan, ince işlenmiş nikel nanodamla çıkıntıları oluşturdu. Nikel çubukların nanoyapısı ve eğik açısı, “süper-aerofobiklik” olarak adlandırılan bir özelliği gösterir ve hidrojen kabarcıklarının daha kolay ayrılmasını sağlar.

Bu da suyun katalizöre ulaşması için alanı serbest bırakır ve daha verimli bir elektrolyz sağlar.

Kaynak: POSTECH

Bu, süreci dramatik şekilde artırabilir; geleneksel ince film yapısındaki eşdeğer nikel miktarıyla karşılaştırıldığında hidrojen üretim verimliliğinde olağanüstü 55 katlık bir iyileşme sağlar.

Nikel Katalizörlerinin Ötesine Genişleme

Teknoloji nikel nanodamları kullandı ancak bu metal ile sınırlı olmak zorunda değil. Aslında, hidrojen yapışmasını azaltan eğik nanodamlar teorik olarak herhangi bir başka katalizörle de kullanılabilir. Peki, bu hidrojen perspektifleri için ne anlama geliyor?

Daha İyi Elektrolyz

Şu anda dünyada üretilen çoğu hidrojen doğal gazdan elde edilmektedir. Bu ekonomik olarak daha kârlı olsa da, hidrojenin karbon emisyonlarını azaltmak amacıyla üretilmesinin amacını ortadan kaldırır.

Gerçek anlamda karbon-nötr hidrojen elde etmek için, yenilenebilir kaynaklardan üretilen elektrikle üretmek gerekir; bu genellikle “yeşil hidrojen” olarak adlandırılır.

Yeşil hidrojen tedarik zincirinin toplam maliyetini azaltabilecek herhangi bir yöntem, onu fosil yakıtlara geçerli bir alternatif haline bir adım daha yaklaştırır.

Bu, “klasik” yüksek verimli, yüksek maliyetli platin katalizörleri için de geçerli olabilir; belki nikel çubuklarla kombinasyon halinde.

Ayrıca, yakın zamanda keşfedilen maliyet-etkin elektrolyz katalizörlerine, örneğin rutenyum, silikon ve tungsten (RuSiW) gibi, makalemizde ele aldığımız “Yeşil Hidrojen, Üretim Maliyetini Etkin Kılan Yeni Elektrokatalizörlerle Griyi Yerine Geçmeye Hazır” başlıklı yazımızda gördüğümüz gibi uygulanması da mümkün olabilir.

Daha İyi Hidrojen Tedarik Zinciri

Elektrolyz, hidrojenin enerji sistemlerimizin temel taşı olmasını sağlamak için iyileştirilebilecek adımlardan sadece biridir.

Örneğin, daha iyi yakıt hücreleri hidrojenli araçları elektrikli araçlara (EV) güçlü rakipler haline getirebilir; bu konuyu makalemizde “Pil Hücreleri Sadece Hidrojen Yakıt Hücrelerinin Öncüsü mü? EV’lerin Gerçek Gelecek Nesli” başlığıyla tartıştık.

Ayrıca, daha verimli büyük ölçekli depolama çözümleri, hidrojenin daha kolay taşınmasını ve dağıtılmasını sağlayabilir; bu konuyu makalemizde “Hidrojen, Saklama Atılımı ile Enerji Kaynağı Olarak Daha Çekici Hale Geldi” başlığıyla ele aldık.

Potansiyel Diğer Uygulamalar

Eğimli nanodamların süper-aerofobiklik yaratmak için kullanılması, hidrojenin ötesinde uygulamalara sahip olabilir.

İlk etki, ucuz ve verimli hidrojen üretimiyle eşdeğer verimli amonyak üretiminin de ortaya çıkmasıdır. Amonyak, hidrojenin gemi yakıtı gibi uygulamalarda birkaç önemli avantajına sahiptir; bu konuyu “Yeşil Amonyak ile Küresel Denizcilik Rotalarının Karbonsuzlaştırılması” başlıklı yazımızda tartıştık.

Prof. Jong Kyu Kim ayrıca, nanodam teknolojisinin gaz içeren diğer kimyasal süreçlere de fayda sağlayabileceğini belirtti.

“Su elektrolyz sürecinin verimliliğini artırarak yeşil hidrojen üretimini geliştirdiğimizde, bir hidrojen ekonomisi ve karbon-nötr bir toplum yolunda ilerliyoruz.

Bu atılım, su elektrolyzini faydalı kılıyor ve yüzey reaksiyonlarının kritik rol oynadığı çeşitli diğer yenilenebilir enerji uygulamaları için umut vaat ediyor; örneğin karbondioksit azaltımı ve ışık enerjisi dönüşüm sistemleri.”

Dolayısıyla bu yenilik hidrojenin ötesine geçebilir ve karbon yakalama ve yapay fotosentez üzerinde ciddi bir etki yaratabilir; bu fikri “Yapay Fotosentez ve Biyobozunurluk: Plastik Tehdidine Sürdürülebilirlikle Karşı Çıkmak” başlıklı yazımızda keşfetmeye başladık.

Hidrojen Çözümleri Şirketleri

1. Aker Horizons ASA

Nikel nanodamların nasıl kullanılacağına dair keşif, hidrojenin alternatif bir yakıt ve enerji depolama çözümü olarak potansiyelini artıran bir dizi yeniliğin en sonuncusudur. Bu nedenle, hidrojen tedarik zincirinin tüm aşamalarına çeşitlendirilmiş bir maruziyet sağlamak faydalı olabilir.

Aker Horizons, yeşil enerji etrafında toplanmış Aker grubunun bir yan kuruluşudur. Aker grubu, yenilenebilir enerji ve deniz/karasal işlere odaklanan önemli bir Norveç konglomerasıdır. Aker Horizon, karbon yakalama, yeşil hidrojen ve yenilenebilir enerjileri içeren çeşitli yan kuruluşların tutma şirketidir.

Kaynak: Aker

Şirket, özellikle Norveç’te Arktik deniz taşımacılığını karbonsuzlaştırma hedefiyle hidrojen ve yeşil amonyak üretiminde oldukça aktiftir.

Aker Horizons, deniz rüzgar türbinlerinden hidrojen üretimine ve yeşil amonyak üretimine kadar yeşil hidrojen ve amonyak için tam dikey entegrasyonu yönetebilir.

Ayrıca Fransa’da atıktan enerjiye, Almanya’da bir biyokütle tesisine ve Orta Doğu’da (Suudi Arabistan ve BAE) karbon yakalama projelerinde çalışmaktadır.

Bu, yeşil enerji sektörüne geniş bir maruziyet arayan yatırımcılar için, yeşil amonyak ve deniz taşımacılığına güçlü bir konumla, ayrıca diğer yeşil enerjiler ve bazı coğrafi çeşitlendirme sunan iyi bir hisse haline getirir.

2.  Ballard Power Systems Inc.

Hidrojenin ana pazarının ne olacağı konusunda henüz emin değiliz. Güç üretimi ve otomobil yakıtı olabilir, ancak daha elektrifikasyonu zor olan ağır görevlerde kalabilir.

Ballard, bir yakıt hücresi üreticisi ve 1993’teki ilk yakıt hücresi otobüsüyle bu teknolojinin öncüsüdür.

Şirket, ağır hizmet pazarlarına odaklanmaktadır: otobüsler, kamyonlar, tren/vagonlar, gemiler, madencilik/İnşaat ve enerji. Otobüsler işin temelini oluştururken, şirket 2025 yılına kadar kamyonların büyük bir iş segmenti olmasını bekliyor. Ayrıca, Avrupa’nın ana pazarını (%50-60) koruyacağını, ardından Kuzey Amerika’nın (%25) geleceğini öngörüyor.

Kamyon yakıt hücrelerinin büyümeye devam etmesi ve 2030’da 7,5 milyar dolar pazarını (195 milyar dolar toplam adreslenebilir pazarın) temsil etmesi bekleniyor; bu, diğer tüm hidrojen/yakıt hücresi uygulamalarının toplamından neredeyse eşit büyüklükte.

Bu büyüme, geliştirilmiş ve daha ucuz elektrolyz gibi yeni teknolojiler sayesinde hidrojen üretim fiyatları düşerse hızlanabilir.

Kaynak: Ballard

Daha yüksek güç gereksinimi ve hızlı şarj ihtiyacı nedeniyle, ağır hizmet araçları, otomobiller gibi hafif araçlara kıyasla hidrojen ve yakıt hücreleri için iyi bir pazar olmuştur. Ayrıca demiryolu ve troleybüsler için katener hattı ihtiyacını azaltır.

Kaynak: Ballard

Şirket amonyakla da yabancı değildir; örneğin, son bir sözleşme  ile Amogy’ye “benzersiz amonyak kırma teknolojisine dayanan amonyak‑tan‑güç platformu” için yakıt hücresi sağlamak üzere bir anlaşma imzaladı.

Elektrikli araçların (EV) otomobil pazarını hızlı bir şekilde ele geçirme şansı makul olsa da, daha ağır araçların karbonsuzlaştırılması daha zordur.

Sektördeki yerleşik liderliği sayesinde, Ballard, hidrojen ekonomisine yönelik politika itkisinin ve nikel bazlı elektrolyzden kaynaklanan hidrojen üretim maliyetlerinin hızlı düşüşünün başlıca faydalanıcısı olacaktır.