Bir Mühendisin Hidrojen Ekonomisine Bakışı

Sam Barros 

Araştırma ve Geliştirme Direktörü 

 

18 Şubat 2022  tarihinde yayınlanmış olan "Bir Mühendisin Hidrojen Ekonomisine Bakışı"   konulu   çok  önemli yazıyı  ETP Portalımızda  yayınlıyor ve    okuyucularımız  yorumlarını bekliyoruz. 

ETP Portalımız okuyucuları  yazı ile ilgili görüşlerini  ve   bu konudaki yazılarını " iletisim@etp.com.tr "  e-posta adresimize gönderebilirler.

ETP Portalımızda  yazının  yayın iznini veren Sn. Sam Barros'a içtenlikle teşekkür ederiz. 

 

Bir Mühendisin Hidrojen Ekonomisine Bakışı


 

Bir yakıt olarak Hidrojen gazından bahsedelim.

Şimdi, bu kısa gönderiye, bu konuda konunun uzmanı olmadığımı belirterek başlayacağım, bu yüzden haksız olduğum ve öğrenmeye istekli olduğum için mutluyum.

Bununla birlikte, Mühendislik derecem aynı zamanda "pratik olmaması, ancak gelecekte olmayacağı anlamına gelmez" gibi ifadelerin bana tembel pazarlama konuşması gibi gelmesi anlamına da geliyor.

Ulaşımın geleceğinin ne getireceğini bilmiyor olabilirim, ama sonunda ne olursaolsun, bugün bizi bağlayan aynı fizik yasalarına uyacağından oldukça eminim...

Öyleyse, bunu akılda tutarak… Şununla başlayalım: Eski bir meslektaşım geçenlerde “üretim maliyeti düştükçe ve kitlesel benimseme için dağıtım seçenekleri arttıkça,finansal olarak daha uygun ve müşteriler için daha çekici hale geliyor” açıklamasını yaptı.

Enerji depolamaya bakarak başlamayı, maliyete ve son olarak da kullanıma bakmayı öneriyorum:

Şu anda Hidrojeni depolamanın sadece 3 olası yolu var:

1- Metal Hidrür olarak,

2- Gaz olarak, basınç altında,

3- Sıvı olarak, kriyojenik sıcaklıklar altında.
 

 

En gelişmiş metal hidrit teknolojisi 100 Kilogram Lityum metali başına 1,5 kg Hidrojen yakalayabilmektedir. Bunu göz ardı edeceğiz çünkü yakıt deponuz bir ton ağırlığında olsa bile, yine de 15 kg yakıtınız olacaktır, bu bir otomobilde uygulanabilir değildir, ancak Michigan Teknoloji Üniversitesi'nde öğrenciyken, alternatif yakıtlar girişim projemizde metal hidrit deposu ile beslenen bir yakıt hücresi kullandığımızı belirtmek isterim. Metalin daha fazla gaz emmesini sağlamak için doluyken üzerine soğuk musluk suyu döktüğümü hala hatırlıyorum. Bir metalin bir gazı depolayabileceği fikri güzel bir teknolojiydi (ilginçtir ki Hidrojeni diğer yakıtlarda olduğu gibi boru hatlarıyla taşımamamızın nedenlerinden biri de budur; H₂ zamanla metalleri kırılgan hale getirme  eğilimindedir), ama konudan sapıyorum...
 

BASINÇ: Basınç altında depolama, bu basıncın üzerinde gaz taşımak için özel izinlere ihtiyacınız olduğunu belirten DOT düzenlemeleri nedeniyle 350 Bar'dan sonra karmaşık hale gelir (bana güvenin, ben teknik bir SCUBA dalgıcıyım ve uzun dip zamanı için 500 Bar'lık tanklarla aşağı inmeyi çok isterim, ancak bunun arkasındaki düzenlemeler henüz kimsenin böyle bir sistem sunmadığı anlamına geliyor).

350 Bar'da 21 kg/m^3 yoğunluk elde edersiniz. Bu da benzinden *38 kat* daha az yoğunluk demektir. Bu basınçta, Benzin için 38MJ/M^3'e karşılık metreküp başına 4Megajoule hacimsel enerji yoğunluğuna sahip olursunuz: aktarma organları verimliliğinin aynı kaldığı varsayıldığında menzilde 9,5 kat kayıp.

Ayrıca, Hidrojen gazını 350 Bar'a sıkıştırmanın, %47'lik bir gidiş-dönüş verimliliği ile bir kilogram Hidrojen başına 9 Megajoule iş gerektirdiğini belirtmekte fayda var. Yani metreküp başına 4MJ Hidrojen taşıyorsunuz ama onu sıkıştırmak için 4.43MJ harcadınız; %10 kayıp.

SIVI: Sıvı Hidrojen mümkün olan en yüksek yoğunluğu sağlar: 71kg/m^3, bu da hacimsel enerji yoğunluğunu 350 bar'da mümkün olanın tam olarak iki katına çıkarır: 8MJ/m^3, bu tekniğin roketlerde kullanımını açıklar. Ancak Sıvılaştırma, Hidrojeni -253C'ye kadar soğutmayı gerektirir, bu işlem ~43MJ/kG harcar. Başka bir deyişle, yakıtın hacimsel enerji yoğunluğunun yaklaşık %60'ı, mutlak sıfırın 20 derece içine kadar soğutulurken geri alınamaz şekilde kayboldu (diğer kaynaklar %30 olduğunu iddia ediyor, bu sayıyı gerçek dünyadaki bir fabrikadan aldım, aşağıdaki kaynaklar) .Yine belirtmek isterim ki 8MJ/m^3, Benzinin hacimsel enerji yoğunluğunun ¼'üdür
ve bu sıvıyı -423.2F'de tutabilen bir yakıt deposunun boyutunu tartışmadık bile.

Bu nedenle, motor verimliliğinin değişmeden kaldığını varsayarsak, bir sıvı Hidrojen deposu EN İYİ ŞEKİLDE
sürüş menzilini 4 kat azaltacaktır.

Sıkıştırılmış bir hidrojen tankı, EN İYİ ŞEKİLDE menzili 9,5 Kat azaltacaktır.

Şimdi kısaca maliyetten bahsedelim. Hidrojen savunucuları, yakıtın Elektrikten üretileceğini iddia etmekten hoşlanırlar. Hepimiz ortaokulda Elektroliz ile oynamışızdır, ne de olsa işe yarıyor, değil mi?

Öyle ve çok daha iyi hale geldi. Mevcut Elektroliz teknolojisi yaklaşık %70 verimlidir, yani Elektriğin Hidrojene yakıt dönüşümü 350 Bar'da sıkıştırılmış Hidrojen için yaklaşık %63 ve Sıvılaştırılmış Hidrojen için %49'dur (gerçek değerden hesaplanan %60 kayıp rakamım yerine başka yerde verilen %30 rakamını kullandım) dünya verileri).

Bir galon benzin 2,84 kG ağırlığındadır ve Hidrojenden (ağırlık başına) 2,6 kat daha az enerjiye sahiptir, dolayısıyla bir galon Benzin bir galon Hidrojenden %10 daha fazla enerjiye sahiptir; IE LH2 yaklaşık 6 $/Galon eşdeğeridir.

Buna karşılık, bir bataryayı söz konusu elektrikle şarj edebilir ve %90 veya daha iyi gidiş-dönüş verimliliği elde edebiliriz. Enerji yoğunluğu sadece 2,56MJ/m^3'tür; sıkıştırılmış Hidrojenden 1,56 kat daha azdır, ANCAK elektrikli bir aktarma organı iki kattan daha verimlidir, bu da bir EV'nin etkin menzilini bir Hidrojen arabasından çok daha yüksek hale getirir...

Eğer amaç ulaşım için elektrik ise, neden bu kadar verimsiz bir yöntem seçilsin ki? Elektriğimizin %37 ila %51'ini yakıt üreterek harcadığımızı hatırlayın, şimdi de bunu %40 (TEPE) net ısıyla İçten Yanmalı bir motorda mı yakacağız? Yani ürettiğimiz elektriğin en iyi ihtimalle %80'i boşa gidiyor. Yakıt hücresi ile biraz daha iyisini yapabiliriz, %70, ancak bu hala ~%35.7 toplam verimlilik, herhangi bir EV %80'den daha iyisini yapabilirken.

Hidrojen gazı üretiminin yüksek maliyeti, dünya çapında üretilen tüm Hidrojenin %96'sının neden Doğal Gaz, Petrol veya Kömürden yapıldığını ve CNG'nin en büyük kaynak olduğunu açıklamaktadır.

Metanın katalitik buhar reformasyonu için kimyasal reaksiyon CH4+2H20=>CO2+4H2 + 165kJ/mol şeklindedir, yani her bir mol Metan 4 mol Hidrojen üretir. 4 mol Hidrojen 572kJ'e sahipken bir mol Metan 810KJ'e sahiptir ve bunları elde etmek için 165 KJ'e ihtiyacımız vardır. Başka bir deyişle, Doğal gazın enerjisinin %59'u çöpe atılmıştır (Karbondioksite dönüştürülmüştür) ve bunun için artık çok daha az yoğun olan ve bu nedenle depolanması çok daha zor olan bir yakıtımız vardır...
 

Peki, bu size mantıklı geliyor mu? Neyi kaçırıyorum? Tüm mesele son müşteriye temiz baca emisyonu, termodinamik-ve-maliyet-deneyimi yaşatmak mı?

Yoksa benim bilmediğim bazı gizli faydalar mı var?

Kaynaklar:

Sıkıştırma çalışması (kW-hr'den MJ'ye dönüştürülür):
https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/9013_energy_requirements_for_hydrogen_g
as_compression.pdf