Yazar: Emre Seymenler - Tarih: 20 Ocak 2023 19:19 - Kategori: Enerji

---

Enerji, bireysel anlamda bakıldığında evimizi aydınlatmada, telefonlarımızı şarj etmede, yaşamımız için gereken makinelerin çalıştırılması gibi çeşitli durumlar için hayati öneme sahip bir kavramdır. Ama bu kavrama devletler gözüyle bakarsak, enerji bir anda maddi güç, küresel avantaj ve ulusların geleceği anlamlarına evrilmektedir. Şuanda dünyada ne yazık ki bir gerçek savaş yaşanmakta ve savaşta en önemli noktalar enerji tesisleri ve enerji kaynakları olmakta. Sırf savaş yüzünden nükleer enerji temiz enerji kapsamına döndürüldü ve bu yazımızın konusu da enerjinin en güzel çeşidi olan yeşil enerji alanında yer alan hidrojen ve elektrolizör kavramları...

Elektrolizör Nedir

Elektrolizör, elektrik kullanılarak suyu meydana getiren hidrojen ve oksijen moleküllerini ayırabilen kimyasal bir işlem (elektroliz) yoluyla hidrojen üreten bir cihazdır. Bu sürdürülebilir yolla, yani atmosfere karbondioksit salmadan üretilen hidrojen, karbondan arındırılmış bir ekonominin temelini oluşturabilir.

Elektroliz ilk başta kulağa beherler, birkaç kablo ve birkaç pilden oluşan bir lise laboratuvarı deneyi gibi gelebilir ve çokta yanılmış sayılmayız. Ancak moleküllerin, bu proseste su moleküllerinin, elektrik kullanılarak parçalanmasını sağlayan bu sürecin etkisi, yeşil hidrojen elde etmenin anahtarıdır.

Hidrojen Üretimi

Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir ve bu nedenle mükemmel bir yakıt olabilir. Ancak tek neden bu değildir; hidrojen yakıldığında karbondioksit üretmez bunun yerine su buharı üretir. Bu şekilde kullanımı, sera etkisi ve küresel ısınmadan sorumlu emisyonları büyük ölçüde azaltacaktır.

Buradaki zorluk, hidrojen elde etmek için elektrik enerjisine ihtiyaç duyulması ve bu enerjinin fosil yakıtlardan elde edilmesi halinde emisyonların ortaya çıkmasıdır. Buna karşılık, yeşil hidrojen olarak bilinen hidrojen üretimi, hidrojenin sudan elde edildiği elektroliz işlemine güç sağlamak için yenilenebilir enerjilerin kullanılmasına dayanmaktadır. Bu işlemden sorumlu makineye elektrolizör denir.

Elektrolizör Nedir ve Nasıl Çalışır (Elektroliz)

Elektrolizör, su moleküllerini kendilerini oluşturan oksijen ve hidrojen atomlarına ayırabilen bir cihazdır. İki element arasındaki bağlar çok kararlıdır ve bu ayrıştırmanın elektroliz adı verilen bir süreçte gerçekleşmesi için elektrik enerjisine ihtiyaç vardır. Verimli elektrolizörler, endüstrilerde hidrojenin yaygınlaşmasında ve hidrojen yakıt hücrelerinin benimsenmesinde kilit rol oynayacaktır.

Dünyanın en büyük elektrolizörlerinden biri, Japonya'nın Fukushima kentinde, ünlü nükleer felaketin yaşandığı yerde bulunuyor ve güneş panelleriyle çalıştığı için enerji üretiminde bir paradigma değişikliğini simgeliyor. Yakın zamanda, Ocak 2021'de, Japon elektrolizörü, Kanada'nın Bécancour kentinde bulunan ve günde 8,2 ton üretim yapan bir polimer membran cihazından oluşan elektrolizör tarafından geride bırakıldı.

Bir elektrolizör nasıl çalışır?

Elektroliz ilk olarak 1800 yılında keşfedilmiştir. Aynı yıl Alessandro Volta tarafından elektrik pilinin icadından sonra, diğer kimyagerler kutuplarını bir su kabına bağlamayı denediler. Akımın sudan geçtiğini ve elektrotlarda hidrojen ve oksijenin ayrıldığını keşfettiler.

Bir elektrolizör, yüksek voltaj ve akımın uygulandığı bir membranla ayrılmış iletken bir elektrot yığınından oluşur. Bu, suda bir elektrik akımına neden olur ve bu da suyun bileşenlerine ayrılmasına neden olur; hidrojen ve oksijen. Komple sistem ayrıca pompalar, güç elektroniği, gaz ayırıcı ve depolama tankları gibi diğer yardımcı bileşenleri de içerir.

Paralel olarak üretilen oksijen atmosfere salınır veya bazı durumlarda daha sonra tıbbi veya endüstriyel gaz olarak kullanılmak üzere depolanabilir. Hidrojen sıkıştırılmış gaz olarak depolanır veya sanayide ya da tren, gemi ve hatta uçak gibi ulaşım araçlarına güç sağlayabilen hidrojen yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere sıvılaştırılır.

Elektrolizör Türleri

Şu anda, boyutlarına ve işlevlerine bağlı olarak farklı elektrolizör türleri vardır. En yaygın kullanılanlar şunlardır:

Alkali elektrolizör

Potasyum hidroksit veya sodyum hidroksit gibi sıvı bir elektrolit çözeltisi ve su kullanırlar. Hidrojen, bir anot, bir katot ve bir zardan oluşan bir hücrede üretilir. Hücreler genellikle aynı anda daha fazla hidrojen ve oksijen üretmek için seri olarak monte edilir. Elektroliz hücresi yığınına akım uygulandığında, hidroksit iyonları elektrolit boyunca katottan her bir hücrenin anoduna doğru hareket ederek elektrolizörün katot tarafında hidrojen gazı ve anotta oksijen gazı kabarcıkları oluşturur. Bunlar 100 yılı aşkın bir süredir kullanılmaktadır ve katalizör olarak soy metallere ihtiyaç duymazlar; ancak orta saflıkta hidrojen elde eden hantal ekipmanlardır ve çalışma açısından çok esnek değildirler.

Proton değişim membranı (PEM) elektrolizörü

PEM elektrolizörleri bir proton değişim membranı ve katı bir polimer elektrolit kullanır. Aküye akım uygulandığında, su hidrojen ve oksijene ayrılır ve hidrojen protonları katot tarafında hidrojen gazı oluşturmak için membrandan geçer. Yüksek saflıkta hidrojen ürettikleri ve soğutmaları kolay olduğu için en popüler olanlarıdır. Yenilenebilir enerjilerin değişkenliğine uymak için en uygun olanlarıdır, kompakttırlar ve yüksek saflıkta hidrojen üretirler. Öte yandan, katalizör olarak değerli metaller kullandıkları için biraz daha pahalıdırlar.

Katı oksit elektroliz hücresi (SOEC)

SOEC'ler daha yüksek bir sıcaklıkta (500 ila 850 ºC arasında) çalışır ve PEM'lerden ve alkali elektrolizörlerden çok daha verimli olma potansiyeline sahiptir. Süreç yüksek sıcaklık elektrolizi (HTE) veya buhar elektrolizi olarak adlandırılır ve elektrolit olarak katı bir seramik malzeme kullanır. Harici devreden gelen elektronlar katotta su ile birleşerek hidrojen gazı ve negatif yüklü iyonlar oluşturur. Oksijen daha sonra kayan seramik membrandan geçer ve anotta reaksiyona girerek oksijen gazı oluşturur ve harici devre için elektron üretir. Teknolojik olarak yukarıdakilerden daha az gelişmişlerdir.

Henüz yukarıdakiler kadar verimli veya uygun maliyetli olmayan, ancak gelişim için çok fazla potansiyele sahip başka elektrolizör türleri de vardır. Bir örnek, elektriğe ihtiyaç duymadan su moleküllerini ayırmak için sadece güneş ışığını kullanan fotoelektrolizdir. Ancak bu cihaz henüz yeterince geliştirilmemiş yarı iletkenler gerektirmektedir.

Yeşil Hidrojen Enerjisi

Hidrojen gezegende en bol bulunan kimyasal elementtir; maddenin %75'inde bulunur. Ancak onu hiçbir zaman tek başına değil, suyu oluşturan oksijen veya organik bileşikleri oluşturan karbon gibi diğer kimyasal elementlerle birlikte buluruz.

İnsanlık onu uzun zamandır kimya endüstrisinde veya metalürjide hammadde olarak ve yakıt olarak kullanıyor, ancak doğadan doğrudan saf halde alınamadığı için onu "üretmesi" gerekiyor. Ve hidrojenin temiz, sürdürülebilir bir yakıt olup olmadığını belirleyen de hidrojeni elde etmek için kullandığımız yöntemdir.

Yeşil hidrojenden bahsettiğimizde, kirletici emisyonlar üretmeden elde edilen hidrojeni, yani sürdürülebilir hidrojeni kastediyoruz. Halihazırda küresel dekarbonizasyonun sağlanması ve iklim değişikliğiyle mücadelede 2050 yılı için verilen taahhütlerin yerine getirilmesi için kilit enerji vektörü olarak sunulan bir yakıt.

Aşağıda yeşil hidrojenin sera gazlarını azaltmak için neden bu kadar önemli olduğunu, nasıl üretildiğini ve geleceğin yakıtı olmak için hangi engelleri aşması gerektiğini açıklayacağız.

Hidrojen Nedir ve Nasıl Elde Edilir

Hidrojen en basit kimyasal elementtir, periyodik tabloda 1 atom numarası ile ilk sırada yer alır. Hafiftir, depolanabilir ve kendi başına kirletici emisyonlar üretmez. 

Bu özellikleriyle bir yakıt için mükemmel bir adaydır.

Ancak hidrojen birincil bir enerji kaynağı değil, bir enerji vektörüdür, yani onu üretmek için kimyasal bir süreç gerekir.

Muhtemelen hidrojenin yenilenebilir bir yakıt olduğunu duymuşsunuzdur, ancak bu her zaman doğru değildir. Hidrojen ancak çıkarılmasında kullanılan süreç de yenilenebilirse yenilenebilirdir. Şimdi hangi hidrojen üretim şekillerinin mevcut olduğuna bakalım.

HİDROJEN NASIL ELDE EDİLİR?

1. MOLEKÜLER DÖNÜŞÜM
Bunlar, hidrojen elde etmek için bir dizi kimyasal reaksiyonun gerçekleştirildiği farklı tekniklerdir. En yaygın olarak kullanılan teknik, petrol sahalarından elde edilen doğal gazın reformasyonunu içerir; burada doğal gazı oluşturan karbonu hidrojenden ayırmak için yüksek sıcaklıkta su buharı kullanılır. Birbirini izleyen iki reaksiyon dihidrojen ve karbondioksit üretir. Bu, günümüzde mevcut olan tüm yöntemler arasında en yaygın kullanılanıdır.

2. GAZLAŞTIRMA
Su buharı ve saf oksijen ile gazlaştırma kömür veya biyokütle kullanılarak gerçekleştirilir. Bir reaktör kömürü veya biyokütleyi çok yüksek sıcaklıklarda yakar. Yanma sırasında, dihidrojen ve karbon monoksite yol açan gazlar açığa çıkar.

3. SU ELEKTROLİZİ
Bu işlem, suya elektrotlarla bağlanan doğrudan bir elektrik akımı ile su molekülünün (H2O) oksijen (O2) ve hidrojene (H2) parçalanmasını içerir. Elektroliz yenilenebilir enerji ile gerçekleştirildiğinde, bu en sürdürülebilir üretim yöntemidir.

YAKIT OLARAK HİDROJEN TÜRLERİ

Bu hidrojen üretim yöntemleri, hidrojeni ve çıkarma sürecinin ne kadar sürdürülebilir olduğunu ifade etmek için kullandığımız bir renk sınıflandırması ile sonuçlanmıştır. Bu renk skalasına göre başlıca hidrojen türleri şunlardır:

GRİ HİDROJEN

Uluslararası Enerji Ajansı'nın (IEA) verilerine göre, şu anda dünya genelinde yaklaşık 70 milyon ton hidrojen tüketiliyor. Sorun şu ki, bu hidrojenin neredeyse tamamı kömür veya doğal gazdan üretiliyor, yani gezegen için en kirletici tekniklerle elde ediliyor. Dünyadaki bu hidrojen üretiminin %1'inden daha azı yenilenebilir enerjilerle çalışan su elektrolizine dayanmaktadır: tükettiğimiz hidrojenin sadece %0,1'i yeşildir.

Bunun ne anlama geldiği konusunda bir fikir vermek gerekirse, bu gri hidrojenin üretimi yılda 830 milyon ton karbondioksit yaymaktadır. Bu, Endonezya ve Birleşik Krallık ekonomilerinin toplamının yıllık saldığı CO₂'ye eşittir. Başka bir deyişle, bu hidrojenin üretilmesi, toplam nüfusu 300 milyondan fazla olan iki ülkenin yarattığı kirliliğe eşdeğerdir.

Bu endişe verici veriler göz önüne alındığında, hidrojenin kaynağını anlamak hayati önem taşımaktadır. Yeşil hidrojen, iklim değişikliğine katkıda bulunan üretim modellerini değiştirmek ve ağır sanayi veya uzun mesafeli taşımacılık gibi elektrifikasyona daha dirençli olan enerji tüketimini karbonsuzlaştırmaya yardımcı olmak için rakipsiz bir araç olabilir.

YEŞİL VEYA YENİLENEBİLİR HİDROJEN NEDİR VE NASIL ÇALIŞIR?

Yeşil hidrojen, üretiminde yenilenebilir enerjilerin kullanılmasıyla elde edilen hidrojendir; bu da onu sadece bir enerji vektörü olarak değil, aynı zamanda bir hammadde olarak da kullanılabilen, sıfır kirlilik endeksine sahip temiz ve sürdürülebilir bir yakıt haline getirmektedir.

İklim değişikliğiyle mücadeledeki büyük değeri, bir enerji depolama sistemi olarak potansiyeline ek olarak, şimdiye kadar karbonsuzlaştırılması daha zor olan sektörlerde ve kullanımlarda fosil yakıtların yerini alabilmesinde yatmaktadır.

YEŞİL HİDROJEN NASIL ELDE EDİLİR?

Yeşil hidrojen, rüzgar veya güneş gibi yenilenebilir enerjilerle çalışan bir elektroliz işlemiyle elde edilir. Elektroliz, su molekülünü elektrotlar aracılığıyla oksijen ve hidrojene parçalamak için bir elektrik akımı kullanılmasını içerir.

YEŞİL HİDROJEN NASIL ÇALIŞIR?

Enerjiye dönüştürmemiz gerektiğinde, belirli tanklarda depolanan hidrojen bir yakıt hücresine yönlendirilir. Burada havadaki oksijen ile tekrar bağlanır ve elektrik elde edilir. Böylece sürecin tek yan ürünü su olur ve enerji üretmek için sıfır CO₂ salınan temiz, sürdürülebilir bir sistem ortaya çıkar. 

AĞIR SANAYİDE YEŞİL HİDROJEN

Hidrojen, kimya endüstrisinde amonyak ve gübre üretiminde, petrokimya endüstrisinde petrol rafinasyonunda ve metalürjide çelik elde etmek için hammadde olarak kullanılmaktadır.

Bu üç endüstride hidrojen kullanımı büyük miktarda karbondioksit emisyonu üretmektedir. Örneğin, çelik üretimi küresel CO₂ emisyonlarının %6 ila 7'sini oluşturmaktadır, bu da tüm küresel havacılıktan kaynaklanan emisyonların iki ila üç katıdır. Yeşil hidrojeni hammadde olarak kullanabilir ve emisyonsuz çelik üretebiliriz; bu da bu endüstrilerin acilen karbonsuzlaştırılması yolunda çok önemli bir adım olacaktır.

ENERJİ DEPOLAMA İÇİN YEŞİL HİDROJEN

Yeşil hidrojen, şu anda stratejik petrol veya doğal gaz rezervlerini kullandığımız gibi, büyük hacmi ve uzun ömrü sayesinde bir enerji depolama sistemi olarak hizmet edebilir. Böylece, elektrik şebekesini desteklemek için yenilenebilir hidrojen rezervleri sağlayabiliriz.

TEMİZ, YENİLENEBİLİR BİR YAKIT OLARAK YEŞİL HİDROJEN

Yeşil hidrojenin yakıt olarak kullanılması, özellikle uzun mesafe ve hava taşımacılığı olmak üzere taşımacılığın karbonsuzlaştırılmasına yardımcı olacak anahtarlardan biri olacaktır.

Deniz taşımacılığında genellikle çok ucuz ancak yüksek oranda kirletici yakıtlar kullanıldığından, yeşil hidrojen uzun mesafeli gemiler için belirleyici bir alternatif sunmaktadır. Havacılıkta yeşil hidrojen, bu sektörden kaynaklanan emisyonları radikal bir şekilde azaltan sentetik yakıtların temelini oluşturabilir. Ayrıca demiryolu veya karayolu ile ağır yük taşımacılığı gibi diğer araçlar için de gerekli olacaktır. 

EVSEL KULLANIMDA YEŞİL HİDROJEN

Yeşil hidrojen, diğer temiz süreçlerle elde edilmesi zor olan sıcaklıklara ulaşabilmektedir. Bu nedenle elektrik ve ev ısıtmasında kullanımı, yeşil hidrojenin en umut verici uygulamalarından biridir.

YEŞİL HİDROJENİN YAKIT OLARAK KULLANILMASININ FAYDALARI

Yeşil hidrojen, küresel ekonomilerin karbon nötrlüğüne ulaşmak ve iklim değişikliğiyle mücadele etmek için öncülük etmek zorunda olduğu yaklaşan enerji dönüşümünün başrol oyuncularından biri olacaktır.

Bu amaçla, şu anda elektriklendirilmesi zor olan kullanım alanlarındaki emisyonları ortadan kaldırmak hayati önem taşıyacaktır ki yeşil hidrojenin tüm doğal faydaları nedeniyle potansiyelini ortaya koyduğu yer de burasıdır:

• Temiz bir enerjidir: Ürettiği tek atık sudur.
• Yenilenebilir bir enerjidir: Tükenmeyen doğal kaynakları kullanır.
• Depolanabilir: Yeşil hidrojen sıkıştırılabilir ve geçici tanklarda uzun süre depolanabilir.
• Taşınabilirdir: Çok hafif bir element olduğu için sıkıştırılmış hidrojen tankları, daha hafif oldukları için lityum pillere göre daha kolay kullanım sağlar, bu da sonuç olarak taşımayı kolaylaştırır.

YEŞİL HİDROJENİN ÖNÜNDEKİ ENGELLER

Tüm bu avantajlara rağmen yeşil hidrojen henüz enerji karışımımızın bir parçası değil çünkü araştırmaların, hükümet politikalarının ve özel yatırımların üstesinden gelmesi gereken çeşitli zorluklar var:

Yeşil hidrojeni üretmek gri hidrojeni üretmekten daha pahalıdır. Ancak yenilenebilir enerjilerin fiyatlarındaki düşüş, maliyetinin giderek daha rekabetçi hale gelmesi için yeni bir fırsat penceresi açmıştır. Güneş elektriğinin on yıl öncesine göre 10 kat daha ucuz olması ve rüzgar enerjisinin maliyetinin yarıdan daha az olması, elektroliz işlemi için gereken elektriğin fiyatının düşürülmesini mümkün kılmaktadır.

Uygulanması önemli yatırımlar gerektirmektedir. Altyapı ve araştırma için önümüzdeki birkaç yıl içinde küresel olarak 300 milyar ABD dolarına ihtiyaç duyulacağı söylenmektedir. Ancak, BloombergNEF (BNEF) tarafından hazırlanan bir rapora göre, gelişimini destekleyecek yeterli politikalarla yeşil hidrojene olan talep 2050 yılına kadar 700 milyon tona çıkabilir, bu nedenle gelişimine yatırım yapmak bir maliyettir, ancak aynı zamanda büyük bir finansal fırsattır.

ENERJİ GEÇİŞİ İÇİN YEŞİL HİDROJEN, NEDEN BU KADAR ÖNEMLİ

Yeşil hidrojenin bugün fosil yakıtlara bağımlı olan ve karbonsuzlaştırılması zor olan hemen her sektörde kullanılabileceği konusunda giderek artan bir fikir birliği var. 

Bu nedenle Paris Anlaşması'nın iklim taahhütlerine ve iklim acil durumunun gerektirdiği sıfır emisyon hedeflerine ulaşmak için hidrojenin teşvik edilmesi hayati önem taşımaktadır.

Avrupa'da hidrojen değer zinciri boyunca daha rekabetçi elektrolizörlerin üretimi, bir ulaşım ağının inşası ve karayolu taşımacılığı için hidrojenerasyon kurulumu gibi girişimler halihazırda teşvik edilmektedir.

Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı (IRENA) tarafından hazırlanan bir rapora göre, hidrojen tesislerinin maliyeti uzun vadede %40'tan %80'e kadar düşebilir. Bu durum, düşük yenilenebilir enerji fiyatları ile birleştiğinde, yeşil hidrojenin 2030 yılından itibaren kârlı olabileceğini göstermektedir.

Türkiye'de Yeşil Hidrojen Enerjisi Üretimi ve Politikalar

Türkiye'de Yeşil Hidrojen konusunda 20 Ocak 2023 tarihinde Enerji Bakanlı tarafından yayınlanan Türkiye Hidrojen Teknolojileri Stratejisi ve Yol Haritası isimli belgede hedefleri net olarak ortaya koymakta. Bu rapora göre, yeşil hidrojenin ne olduğu, dünyada durumun ne olduğu, Türkiye'de mevzuatların ne olduğu gibi detaylı bir rehber hazırlanmış ve en özetle şu bilgiler söylenmektedir;

🟢Yeşil hidrojen üretiminde elektrolizör kurulu gücü 2030 yılında 2 GW’a, 2035 yılında 5 GW’a, 2053’a 70 GW ulaşacak.

🟠2030-2053 yılları arasında doğal gaza hidrojen karışım oranı %12, sentetik metan karışım oranı %30 olacak.

🔵Kilogram başına hidrojen üretim maliyeti 2035 yılında 2,4 ABD dolarına düşecek.

Dünyada Elektrolizör Hedefleri

Almanya: 2030 yılı elektrolizör kapasite hedefi 10 GW'tır. Bu elektrolizör kapasitesinin desteklenmesi için 20 TWh gibi bir yenilenebilir enerji kaynağına (çoğunlukla rüzgâr) ihtiyaç vardır. Toplam kurulu gücü 29 MW olan 34 adet gaz yakıtından güç üretim (G-G) tesisi bulunmaktadır

İngiltere: 2030 yılına kadar en az yarısı elektrolit hidrojen olmak üzere 10 GW düşük karbonlu hidrojen üretim hedefi belirlenmiştir.

İspanya: 2030 yılı elektrolizör kapasite hedefi 4 GW'tır.

Hollanda: 2030 yılına kadar 3-4 GW elektrolizör kapasitesi kurulması hedeflenmektedir. 50 hidrojen dolum istasyonunun kurulması, 15.000 yakıt hücreli otomobil ve 3.000 kamyon kullanılması hedeflenmektedir.

Fransa: 2030 yılı elektrolizör kapasite hedefi 6,5 GW'tır. 2020 itibarıyla gri hidrojen için 44,6 avro/tonCO karbon vergisi alınmaktadır. 2030'da bu tutarın 100 avro/tonCO 'ye 2 2 yükseltilmesi öngörülmektedir.

Diğer Avrupa Ülkeleri: AB ülkelerinin 2030 yılına kadar kurulu elektrolizör kapasite hedefi 65-80 GW'tır. Danimarka 4-6 GW, İtalya 5 GW, İsveç 5 GW, Portekiz 2-2,5 GW ve Polonya 2 GW elektrolizör kapasite hedefi belirlemiştir.

Avustralya: 2030 yılına kadar planlanan projelere dayalı olarak yaklaşık 50 GW'lık bir elektrolizör kapasitesine ulaşması beklenmektedir. Çin, Japonya, Güney Kore ve Singapur ile antlaşmalar yapmış olup 2030'da 3,8 Mt hidrojene (~9,5 milyar Avustralya doları) ulaşacak ihracat planlanmaktadır. 

Kaynaklar: 

https://www.iberdrola.com/sustainability/electrolyzer

https://www.acciona.com/green-hydrogen/?_adin=11551547647

https://enerji.gov.tr/Media/Dizin/SGB/tr/Kurumsal_Politikalar/HSP/ETKB_Hidrojen_Stratejik_Plan2023.pdf