Temiz Enerji İçin Verimli Hidrojen Üretimini Açığa Çıkarma

Dünyanın nüfus ve ekonomisinin sürekli büyümesi, enerji talebinde önemli bir artışa yol açtı; bu talebin yaklaşık %80’ikarşılanıyor fosil yakıtlarla. Bu kaynaklar yalnızca hızla tükenmekle kalmıyor, aynı zamanda çevredeki sera gazları (GHG) artışından da sorumlu.

Sonuç olarak, artık yenilenebilir enerji kaynaklarına artan bir odaklanma var, güneş gibi, rüzgar, su, organik madde ve Dünya’nın ısısı.

Kendini yenileyen doğal kaynaklardan elde edilen yenilenebilir enerji kaynakları, temiz ve sürdürülebilir enerji sistemleri için önemlidir. Ancak, düzensiz bulunabilirlik, yüksek başlangıç maliyetleri, coğrafi sınırlamalar ve geniş alan gereksinimleri gibi birçok zorlukla karşı karşıyadır.

Bu hidrojenin devreye girdiği yerdir. Küresel hidrojen talebi 2023’te 97 milyon ton (Mt), bir önceki yıla göre %2,5 artışla.

Hidrojenin Temiz Enerji Geçişindeki Rolü

Evrenin en hafif elementi, hidrojen, esnekliği ve ağırlığına göre önemli miktarda enerji depolama yeteneği sayesinde daha sürdürülebilir bir enerji ekosistemi elde etmek için umut verici bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır.

Güneş gibi birincil bir kaynak değil, ikincil bir kaynaktır, çünkü üretmesi gereken diğer ham maddelerden, örneğin su, doğal gaz veya biyokütle gibi, üretilir.

Doğal gaz gibi fosil yakıtlar kullanılarak üretildiğinde (şu anda en yaygın yöntem), hidrojen temiz enerji değildir, çünkü yıllık önemli CO2 emisyonlarına neden olur.

Bununla birlikte, bir yakıt hücresinde kullanıldığında, hidrojen sadece su buharı üretir, bu da onu temiz bir yakıt yapar.

Çok yönlü bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojen, birçok kritik enerji sorununu çözmeye yardımcı olabilir. Yenilenebilir enerjilerin elektrik sistemine entegrasyonunu, haftalarca hatta aylarca enerji depolayarak destekleyebilir.

Nükleer veya yenilenebilir enerjiyle, ya da karbon yakalama kullanılan fosil yakıtlarla üretilen düşük emisyonlu hidrojen, bu arada, bir dizi sektörü karbonsuzlaştırmaya yardımcı olabilir. Ağır sanayi ve uzun mesafe taşımacılığı, emisyonları azaltmanın özellikle zor olduğu alanlar, bundan büyük ölçüde fayda sağlayabilir. Ancak bu hidrojen üretimi hâlâ sınırlı bir rol oynamaktadır, %1’in altında 2023’te.

Hidrojen aslında farklı teknolojilerle elde edilebilir farklı teknolojilerden. En verimli sürdürülebilir hidrojen üretim yöntemlerinden biri su elektrolizidir. Bu enerji yoğun elektrolizde, elektrik kullanılır suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için. Teknoloji iyi geliştirilmiş ve ticari olarak mevcut, ancak tahmini enerji verimliliği yaklaşık %52’dir.

Başka bir yaklaşım plasmolizdir, bu yöntem enerji verimini elektrolizle eşdeğer seviyede gösterdi, ayrıca azaltılmış enerji tüketimi, daha düşük ana maliyet ve daha küçük ekipman boyutu avantajı. Mikroakışkanlar ve mikro-plazmalar konusundaki son gelişmeler, su buharı plasmoliziyle hidrojen üretimini enerji verimliliği açısından karlı hale getirdi.

Diğer yollarla hidrojen elde etmek için fotokataliz, biyohidrojen ve termokimyasal süreçler dahildir.

Kaydırmak için kaydırın →

Hidrojen teknolojisi umut verici olsa da, yaygın kullanımı hâlâ zorluklarla üretim maliyeti, verimlilik ve genel çevresel sürdürülebilirlik açısından karşı karşıyadır. Daha temiz enerji kaynaklarına duyulan ihtiyaç göz önüne alındığında, dünya çapındaki araştırmacılar bu sorunları yeni malzemeler ve daha iyi teknoloji ile çözmeye sürekli çalışmaktadır.

Hidrojen Verimliliğini Artıran Katalizör Yenilikleri

Hidrojen teknolojileri kavram aşamasından ticarileşmeye ilerledikçe, temel zorluklardan biri bu sistemleri verimli ve ölçeklenebilir kılan malzemelerdir. Bunu çözmek için bilim insanları çeşitli yaklaşımlar üzerinde çalışıyor.

Örneğin, Çin Bilimler Akademisi Genel Merkezi’nden bir çalışma, yayınlandı¹ bu ay Nature dergisinde, proton değişim membran yakıt hücrelerinde (PEMFC) platin yerine kullanılabilecek küçük bir demir katalizör tanıttı; bu, temiz enerjinin geleceğini dönüştürme potansiyeline sahip.

PEMFC’ler, hidrojen ve oksijenden elektrik üreten, tek yan ürün olarak su üreten temiz enerji cihazlarıdır. Ancak katalizör olarak nadir ve pahalı platin’e büyük ölçüde bağımlıdırlar. Bu yüzden, yaygın benimsenmelerine yardımcı olmak için, araştırmacılar bu yakıt hücreleri için yüksek performanslı bir demir bazlı katalizör geliştirdiler.

Akıllı “iç aktivasyon, dış koruma” tasarımıyla yeni katalizör, zararlı yan ürünleri azaltırken mükemmel performans elde edebilir.

Fe/N–C katalizörleri, platin grup metal katalizörlerine en umut verici alternatiflerden biri olmasına rağmen, aktivite ve dayanıklılık performans kriterlerini karşılayamıyor. Bu yüzden, ekip, yeni bir Fe/N–C katalizör tipi tasarlayıp geliştirdi çok sayıda 2D karbon katmanları üzerine dağıtılmış nanoprotrüzyonlardan oluşan ve nanoprotrüzyonların iç kavisli yüzeyine gömülmüş tek Fe atomlu siteler içeren 

Sonuç olarak, yeni katalizör, “en iyi performans gösteren” platin grup metal içermeyen PEMFC performanslarından birini sunabildi; 300 saatten fazla kesintisiz çalışmadan sonra %86 aktivite koruması sağladı.

İklim nötr bir şekilde su elektrolizi yoluyla hidrojen üretimi için bir diğer kilit teknoloji Proton Değişim Membranı Su Elektrolizi (PEM-WE)’dir.

İstenen reaksiyonu hızlandırmak için elektrotlar özel elektrokatalizörlerle kaplanır. Anot için, özellikle asidik oksijen evrimi reaksiyonu (OER) için iridyum bazlı katalizörler yaygın olarak kullanılır.

OER, temiz hidrojen enerjisi üreten su ayırma sürecinin oksijen üreten adımıdır, ancak zorlu ve verimsiz kalmaktadır. Bu reaksiyon, iridyum bazlı katalizörler kullanıldığında en etkili olur.

1803’te keşfedilen iridyum, doğada saf formda bulunmaz, ancak platin, paladyum, nikel veya bakır üretiminin yan ürünü olarak ticari olarak elde edilir. 

Iridyum, havaya, suya ve asitlere karşı etkilenmeyen yoğun, sert bir metaldir. Bu özellikleri nedeniyle, ateşleme bujileri, bilimsel ekipmanlar, katalizörler, elektronik için iletken mürekkepler ve kanser tedavisinde kullanılmaktadır.

Metal, hazırlık ve üretim zorlukları nedeniyle saf formda nadiren kullanılır; bunun yerine platin alaşımları şeklinde kullanılır.

Iridyum (Ir) ise yüksek değerli bir metal ve Dünya kabuğunda doğal olarak bulunan en nadir elementlerden biridir. Iridyum içeren cevherler Güney Afrika, Amerika Birleşik Devletleri (Alaska), Brezilya, Rusya, Myanmar ve Avustralya’da bulunur.

Nadeliği, elektronik gibi endüstrilerin yüksek talebiyle birleştiğinde çok pahalı olmasını sağlar. Iridyum aslında altından daha değerli olup, ons başına neredeyse 5.000 dolar maliyetlidir.

Bu yüzden, bilim insanlarının Iridyumu değiştirecek yeni metaller aramaları mantıklıdır; bu, PEMWE’lerin büyük ölçekli benimsenmesine yardımcı olur. Ancak, Iridyum dışı alternatiflerin keşfi, kapsamlı tasarım alanı nedeniyle karmaşık ve yavaş ilerlemektedir.

Birkaç ay önce, Tohoku Üniversitesi’ndeki Gelişmiş Malzeme Araştırma Enstitüsü (AIMR) tarafından yapılan bir çalışma, su elektrolizi yoluyla temiz hidrojen üretimi için verimli ve dayanıklı bir çözüm olarak yeni gözenekli kristal bir katalizörü detaylandırdı. 

Bu çalışmadaki malzeme, asidik OER için atomik olarak dağılmış iridyumla doplanmış mezoporlu tek kristalli Co3O4’tür.

Mezoporlu spinel yapısı, yüksek iridyum yüklemesi (%13,8 ağırlık) büyük iridyum kümelerinin oluşumunu engelleyerek kritik bir rol oynar. Ir yüklemesi için alan sağlamakla birlikte, mimari aynı zamanda stabil bir ortam oluşturulmasına da yardımcı olur.

Katalizör, sadece 248 mV aşırı potansiyelle (η₁₀) 100 saatten fazla performansını korudu.

Başka bir yakın tarihli çalışmada, araştırmacılar birkaç ana metalden oluşan milyonlarca farklı nanoyapının katalitik aktivitesini keşfetmek için bir “megalibrary” oluşturmuş; bu, OER için Ir katalizörlerine alternatifleri ölçek ve hız açısından aramaya yardımcı oluyor.

Uygun fiyatlı hidrojen için asil olmayan katalizörlerin nasıl bir yol açtığını öğrenmek için buraya tıklayın.

Nanoteknoloji ile Hızlı Katalizör Keşfi

Bu son çalışma³ gerçekten maliyet ve enerji açısından verimli bir hidrojen yakıtı üretimi için yeni bir katalizör buldu.

Bu ay American Chemical Society (JACS) dergisinde yayınlanan bu katalizör keşfi, yeni bir nanopartikül megalibrary kullanılarak yapıldı ve hidrojen yakıtı üretiminde iridyum performansını eşit ya da aşarken, maliyetinin sadece bir kısmını gerektiriyor.

Uzun bir süredir şimdi, araştırmacılar Iridyuma alternatifler arıyorlardı. Ancak on yıllar süren arayış, Northwestern Üniversitesi’nden bilim insanları tarafından geliştirilen güçlü yeni araç sayesinde tek bir öğleden sonra içinde keşfedildi.

Bu yeni icat edilen araç megalibrary olarak adlandırılıyor; bu, dünyanın ilk nanomalzeme “veri fabrikası”dır. Bu kütüphanelerin her biri, tek bir küçük çip üzerinde milyonlarca farklı nanopartikül içerir.

Teknoloji, Toyota Araştırma Enstitüsü (TRI) araştırmacılarıyla iş birliği içinde, hidrojen üretimi için ticari olarak ilgili katalizörler bulmak amacıyla kullanıldı. Malzeme daha sonra ölçeklendirildi yukarı, ve bir cihaz içinde çalıştığı gösterildi. Tüm bunlar rekor bir sürede yapıldı.

Yeni katalizörler keşfetmek için araştırmacılar kullandılar dört ucuz, bol bulunan metalleri, bunların hepsi katalitik performanslarıyla bilinir. Bu metaller şunlardır:

1. Cobalt (CO)
2. Chromium (CR)
3. Manganese (MN)
4. Ruthenium (Ru)

Megalibrary daha sonra bu metallerin geniş kombinasyonlarını hızlı bir şekilde taramak ve Iridyum performansına eşdeğer yeni bir malzeme bulmak için kullanıldı.

Ekip, laboratuvar performansında ticari Iridyum bazlı malzemelere benzer bir yeni malzeme buldu. Bazı durumlarda, performans maliyetinin sadece bir kısmıyla onları bile aştı.

Bu keşif potansiyel olarak yeşil hidrojenin uygun fiyatlı olmasını sağlayabilir.

Ayrıca, yeni malzeme megalibrary yaklaşımının etkinliğini gösteriyor; bu, araştırmacıların çeşitli uygulamalar için yeni malzemeler keşfetme şeklini değiştirebilir.

Kıdemli çalışma yazarı Chad A. Mirkin’e göre, megalibrary platformunun birincil mucidi ve bu platformu 2016’da tanıtan kişi olarak;

“Dünyanın muhtemelen en güçlü sentez aracını serbest bıraktık; bu, kimyagerlerin ve malzeme bilimcilerin mevcut olan muazzam sayıdaki kombinasyonu arayarak önemli malzemeleri bulmalarını sağlıyor.”

Megalibrary projesinde, ekip bu yeteneği enerji sektörünün karşı karşıya olduğu büyük bir soruna yönlendirdi.

“Iridyum kadar iyi ama daha bol, daha erişilebilir ve çok daha ucuz bir malzeme nasıl buluruz? Bu yeni araç, umut verici bir alternatif bulmamızı ve bunu hızlı bir şekilde bulmamızı sağladı.”

Mirkin, Northwestern Üniversitesi Weinberg Sanat ve Bilimler Fakültesi’nde Kimya Profesörü ve McCormick Mühendislik Okulu’nda kimya ve biyolojik mühendislik, biyomedikal mühendislik ve malzeme bilimi ve mühendisliği profesörüdür.

Yeşil hidrojen, dünyanın kritik bir ihtiyacı, ancak işlevi için en nadir malzemelerden birine bağımlı olduğu için sınırlı.

“Dünyada, öngördüğümüz tüm ihtiyaçları karşılayacak kadar iridyum yoktur.”

– Ted Sargent, Weinberg’de Kimya Profesörü ve McCormick’de Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Profesörü

Sargent ve Mirkin projede birlikte çalıştı.

“Su bölerek alternatif enerji formları üretmeyi düşündüğümüzde, sadece tedarik açısından yeterli iridyum yoktur.”

– Sargent

Bu metali yerine koyacak yeni adaylar keşfetmek, yeni aracın mükemmel bir uygulaması oldu; bu araç, geleneksel yavaş ve zorlu malzeme keşif sürecini devrim niteliğinde değiştirebilir.

Her megalibrary, yüz binlerce küçük piramit şeklindeki uç nokta ile bireysel ‘nokta’ları bir yüzeye yazdırmak için oluşturulmuştur. Buradaki her nokta, metal tuzlarının özenle tasarlanmış bir karışımını içerir; ısıtıldığında, tek, benzersiz nanopartiküllere dönüşür, her biri kesin bir boyut ve kompozisyona sahiptir.

Mirkin’e göre:

“Her bir uç noktayı, küçük bir laboratuvardaki minik bir kişi gibi düşünebilirsiniz. Tek bir minik kişinin bir seferde bir yapı inşa etmesi yerine, milyonlarca kişi vardır. Yani, temelde bir çip üzerinde konuşlandırılmış tam bir araştırmacı ordusuna sahipsiniz.”

Toplamda, çip 156 milyon parçacığa sahipti; her biri Co, Cr, Mn ve Ru’nun farklı kombinasyonlarından oluşuyordu. Bir robot tarayıcı daha sonra bunların Oksijen Evrim Reaksiyonu (OER) performansını ne kadar iyi yaptığını analiz etti. Parçacıkları nihai performansları için tarama yeteneği büyük bir yenilik oluşturuyor.

“İlk kez, sadece katalizörleri hızlı bir şekilde taramakla kalmadık, aynı zamanda en iyilerinin ölçeklenmiş bir ortamda iyi performans gösterdiğini gördük.”

– Çalışma ortak yazarı Joseph Montoya, TRI’de kıdemli araştırma bilimcisi

Değerlendirmeye dayanarak, araştırmacılar laboratuvarda daha fazla test için düşükten yüksek aktiviteye kadar 40 en iyi performans gösteren adayı seçti. RuCoMnCr oksitleri, katalitik performansları incelenmeden önce miligram seviyelerine ölçeklendirildi.

Sonunda bir kompozisyon öne çıktı. Bu dört metalin tam kombinasyonu şuydu: Ru52Co33Mn9Cr6 oksit.

Bu yüzden, ekip çoklu metal bir katalizör elde etti; bu, tek metal karşıtlarından daha aktif olduğu bilinen bir katalizördür.

“Katalizörümüz aslında iridyumdan biraz daha yüksek aktiviteye ve mükemmel stabiliteye sahip,” dedi Mirkin. “Bu nadirdir çünkü genellikle rutenyum daha az stabildir. Ancak kompozisyondaki diğer elementler rutenyumu stabilize eder.”

Katalizör, 1 A/cm2’de 1.58 V ve 3 A/cm2’de 1.77 V voltaj üretti.

Uzun vadeli performansa gelince, bu yeni katalizör, sert asidik bir ortamda yüksek verim ve dikkat çekici stabilite ile 1.000 saatten fazla çalıştı ve maliyetiyaklaşıkiridyumun on altıda biri kadar.

“Bunu ticari olarak uygulanabilir kılmak için yapılacak çok iş var, ancak bu kadar hızlı bir şekilde, sadece laboratuvar ölçeğinde değil, cihazlar için de umut verici katalizörleri belirleyebilmemiz çok heyecan verici.”

– Montoya

Yeni bir katalizör bulma sürecinde, ekip büyük ve yüksek kaliteli malzeme veri setleri oluşturdu; bu, makine öğrenimi ve yapay zekanın yeni nesil malzemeleri tasarlamasına zemin hazırlayabilir.

TRI, Northwestern ve yan kuruluşu Mattiq, megalibrary’leri inanılmaz hızlarda aramak için bir algoritma geliştirdi.

Yine de bu sadece bir başlangıç. AI gibi, megalibrary yaklaşımı, enerji dönüşümü için hızlandırılmış katalizör keşfinin ötesine geçerek, gelişmiş optik bileşenler, biyomedikal cihazlar, piller ve daha fazlası gibi hemen hemen her teknoloji için malzeme keşfini dönüştürebilir.

“Piller, füzyon ve daha fazlası için her türlü malzemeyi arayacağız,” dedi Mirkin. “Dünya ihtiyaçları için en iyi malzemeleri kullanmıyor. İnsanlar, o an mevcut araçlarla en iyi malzemeleri bulmuşlardı. Sorun şu ki, şimdi bu malzemeler etrafında büyük bir altyapı inşa ettik ve onlarla sınırlıyız. Bunu tersine çevirmek istiyoruz. Her ihtiyac için gerçekten en iyi malzemeleri bulma zamanı – hiçbir taviz vermeden.”

Hidrojenin Gücüne Yatırım

Bloom Energy Corp (BE ) istirahat yakıt hücresi güç üretimiyle ilgilenmektedir. Şirket iki ürün ticari olarak: hidrojen üretimi için Bloom Electrolyzer ve elektrik üretimi için Bloom Energy Server.

Şirket, dünyanın en büyük elektrolizöründen hidrojen üretiyor dünyada, ki NASA’nın Ames Araştırma Merkezi’ne kurulmuş, megawatt başına ticari elektrolizörlerden %25 daha fazla hidrojen üretmektedir örnek olarak PEM veya alkalin.

Şimdiye kadar, Bloom Energy, dünya çapında 1.200’den fazla kurulumda 1,5 GW düşük karbonlu güç dağıttı.

12,38 milyar dolarlık piyasa değeriyle, BE hisseleri 53,15 dolardan işlem görüyor ve yılbaşından bu yana %138,36 artış gösterdi. Son zamanlarda, şirket hisseleri 55 doları aşıp yeni zirvelere ulaştı, bu da hiperskalerler ve veri merkezlerinden artan ilgi sayesinde. Ayrıca, Temmuz ayında şirket, Oracle (ORCL ) ile bir kilometre taşı anlaşması yaptı ve gelecekte daha fazla benzer anlaşma yapabileceğini ima etti.

Şirketin (TTM) EPS’i 0.11 ve (TTM) P/E oranı 495,23’tür.