Atık Isı Ters Elektrodiyaliz Kullanılarak Hidrojen Yakıtına Dönüştürülebilir

Fotoğraf: RED (reverse electrodialysis) hücrenin nasıl göründüğünün görselleştirilmesi. Katot ucunda hidrojen, anot ucunda oksijen üretilir.

Atık Isı Kullanmak, Hidrojen Üretme Maliyetini Azaltmaya Yardımcı Olur

Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojen ancak verimli bir şekilde oluşturulduysa fosil yakıtlardan uzaklaşmamıza yardım edebilir. Verimliliği arttırmanın bir yolu, diğer endüstriyel işlemlerden geriye kalan atık ısıyı kullanmaktır.

Haziran ayında, Uluslararası Enerji Ajansı (IEA), çoğu uzmanın bildiklerini doğruladı: dünyanın, saf hidrojenin emisyonsuz bir enerji kaynağı olarak kullanımını artırmak için daha fazla çalışması gerektiğini söyledi.

Bununla birlikte, hidrojen oluşturmanın zorluklarından biri çok fazla enerji harcanmasıdır. IEA, yalnızca elektriği kullanarak bugünün tüm hidrojenini üretmenin 3600 TWh gerektireceğini söylüyor. Bu, Avrupa Birliği tarafından yıllık olarak üretilenden çok daha fazladır.

Fotoğraf: Araştırmacılar Odne Stokke Burheim ve Kjersti Wergeland Krakhella, hidrojen üretmek için atık ısı kullanımlarını test etmek için kullandıkları membran iletkenlik ölçüm hücresini birleştiriyor.

Peki ya hidrojen üretimine yardımcı olmak için mevcut bir boşa harcanan enerji kaynağını kullanabilirseniz? Norveç Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’ndeki araştırmacılar tarafından geliştirilen yeni bir yaklaşım, diğer endüstriyel süreçlerden gelen atık ısıyı kullanarak tam olarak bunu yapıyor.

MDPI Energies akademik dergisinde yayınlanan süreçle ilgili bir makalenin ilk yazarı olan Kjersti Wergeland Krakhella, “Aksi halde değmeyecek bir ısı kullanmanın bir yolunu bulduk.” dedi. “Düşük dereceli, düşük sıcaklıklı bir ısı ancak hidrojen yapmak için kullanılabilir.”

Norveç’in Elektrik Üretiminin Yedide Biri

Atık ısı, endüstriyel bir işlemin yan ürünü olarak üretilen ısıdır. Endüstriyel bir kazandan, atıktan enerji üretimine kadar her şey atık ısı üretir.

Fotoğraf: İşte hücreleri yapmak için gerekenler. Resimde önde iyon değiştirme membranı bulunurken, arka kısımda membran iletkenliğini ölçmek için kullanılan hücre bileşenleri bulunmaktadır.

Çoğu zaman, bu aşırı ısının çevreye yayılması gerekir. Enerji uzmanları, Norveç’in işletmelerinden ve endüstrilerinden kaynaklanan atık ısının, 20 TWh enerjiye eşdeğer olduğunu söylüyor.

Bu perspektifi ortaya koymak için, Norveç’in tüm hidroelektrik sistemi yılda 140 TWh elektrik üretiyor. Bu, potansiyel olarak işe koyulabilecek çok fazla atık ısısı olduğu anlamına gelir.

Membranlar ve Tuzlar

Araştırmacılar, tuz çözeltilerine ve iki çeşit iyon değişim membranına dayanan ters elektrodiyaliz (RED) adlı bir teknik kullandılar.

Araştırmacıların gerçekte ne yaptığını anlamak için önce RED tekniğin nasıl çalıştığını anlamak gerekir.

RED’te, anyon değişim membranı veya AEM olarak adlandırılan bir membran, negatif yüklü elektronların (anyonlar) membran boyunca hareket etmesine izin verirken, katyon değişim membranı veya CEM olarak adlandırılan ikinci bir membran, pozitif yüklü elektronların (katyonlar) membrandan akmasına izin verir.

Fotoğraf: Isıdan Hidrojene ekibi: Soldan sağa: Frode Seland, Kristian Etienne Einarsrud, Kjersti Wergeland Krakhella, Robert Bock ve Odne Stokke Burheim.

Membranlar seyreltik bir tuz çözeltisini derişik bir tuz çözeltisinden ayırır. İyonlar derişik maddeden seyreltilmiş çözeltiye göç eder ve iki farklı tip membranın birbirini takip etmesi nedeniyle anyonları ve katyonları zıt yönlerde göç etmeye zorlar.

Bu alternatif sütunlar iki elektrot arasına sıkıştırıldığında yığın, suyu hidrojene (katot tarafında) ve oksijene (anot tarafında) bölmek için yeterli enerji üretebilir.

Bu yaklaşım 1950’lerde geliştirildi ve ilk önce tuzlu su ve nehir suyu kullanıldı.

Ancak Krakhella ve meslektaşlarının yaptığı, potasyum nitrat adı verilen farklı bir tuz kullanmaktı. Bu tür bir tuzun kullanılması atık ısısını işlemin bir parçası olarak kullanmalarını sağlamıştır.

Atık Isı Kullanarak Tuzların Tekrar Kullanılması

Yukarıda tarif edilen RED yığınlarını çalıştırırsanız, bir noktada derişik ve seyreltik tuz çözeltileri birbirine benzer hale gelir, bu nedenle yenilenmeleri gerekir.

Bu, derişik çözeltideki tuz derişimini arttırmanın ve seyreltik çözeltiden tuzu çıkarmanın bir yolunu bulmanız gerektiği anlamına gelir. Atık ısının devreye girdiği yer burasıdır.

Araştırmacılar iki sistemi test ettiler.

Fotoğraf: Araştırmacılar, ölçüm hücresindeki membran üzerindeki basıncı ayarlıyorlar.

Birincisi, atık ısının derişik çözeltiden suyu buharlaştırarak daha derişik hale getirmek için kullanıldığı sistemdir.

İkinci sistem, tuzun seyreltilmiş çözeltiden çökelmesine neden olmak için (böylece daha az tuzlu olacaktır) atık ısıyı kullanmıştır.

Krakhella, “Suyu uzaklaştırmanın veya tuzu gidermenin bir yolunu bulursanız bu işi başarmışsınızdır.” dedi.

Her İkisinin De Yararları Vardı

Araştırmacılar sonuçlarına baktıklarında, mevcut membran teknolojisini ve sistemlerinden suyu buharlaştırmak için atık ısıyı kullanmanın, çökeltme yaklaşımından daha fazla membran alanı başına düşen hidrojen ürettiğini gördüler.

Hidrojen üretimi çökeltme sistemlerine kıyasla, 25 °C’de işletilen buharlaştırma sistemi için dört kat, 40 °C’de işletilen bir sistem için iki kat daha yüksektir.

Bu maliyet açısından daha iyi bir aday oldu.

Ancak araştırmacılar, çökelme sürecinin enerji talebi açısından daha iyi olduğunu belirtti. Örneğin, buharlaşma işlemi için 55 kWh ile karşılaştırıldığında çökeltme işlemini kullanarak bir metreküp hidrojen üretmek için gereken enerji sadece 8.2 kWh idi.

Birçok Olasılık İle Yeni Sistem

Krakhella’nın çalışması, konseptin işe yarayacağını kanıtlasa da, çoğunlukla bir laboratuvar tezgâhı modeli ve birçok bilgisayar hesabı ile çalıştı. Özellikle süreçte kullanılan tuz cinsi ile ilgili yapılacak çok iş var.

Araştırmacılar, tuz sistemleri için potasyum nitratı seçtiler, ancak Krakhella diğer tuzların da işe yarayabileceğini söyledi.

“Tamamen yeni bir sistem” dedi. “Diğer derişimlerde diğer tuzlarla daha fazla test yapmamız gerekecek.”

Membran Fiyatları Sınırlayıcı Faktördür

Hidrojen üretimini sınırlandırmaya devam eden bir diğer sorun, membranların kendilerinin oldukça maliyetli kalmasıdır.

Krakhella, toplumların fosil yakıtlardan uzaklaşmaya çalıştığı gibi artan talebin, membranların fiyatını düşürmesinin yanı sıra, membranların kendi özelliklerini de iyileştireceğini umuyor.

Krakhella, “Membranlar sistemimizin en pahalı kısmı” dedi. “Ancak herkes çevre hakkında bir şeyler yapmamız gerektiğini biliyor ve kirlilik içermeyen enerji geliştirmezsek fiyat toplum için potansiyel olarak daha yüksek.”

Kaynak: scitechdaily.com