Prof. Dr. Yusuf Zeren YENİLENEBİLİR ENERJİ TAMAM, ŞİMDİ KARBONSUZLAŞTIRMA DESTEKLENMELİ. YERLİ BİR YEŞİL HİDROJEN SANAYİİ OLUŞTURMALIYIZ.
Advert
YENİLENEBİLİR ENERJİ TAMAM, ŞİMDİ KARBONSUZLAŞTIRMA DESTEKLENMELİ. YERLİ BİR YEŞİL HİDROJEN SANAYİİ OLUŞTURMALIYIZ.
Prof. Dr. Yusuf Zeren

YENİLENEBİLİR ENERJİ TAMAM, ŞİMDİ KARBONSUZLAŞTIRMA DESTEKLENMELİ. YERLİ BİR YEŞİL HİDROJEN SANAYİİ OLUŞTURMALIYIZ.

Advert

Başlıktaki bu ifadeden yenilenebilir enerjiyi artık desteklemek gerekmiyor, destekleri tamamen karbonsuzlaştırmaya (decarbonisation) yöneltmeliyiz anlamı çıkartılmamalıdır.

Çünkü, karbonsuzlaştırmanın desteklenmesi, yenilenebilir enerji desteklerinin de devamını gerektirmektedir.

Küresel iklim krizi her geçen gün etkisini artırıyor. Gelişmiş, gelişmemiş ülke ayırt etmiyor. Ülkelerin yer aldığı coğrafyaya göre farklı şekillerde etkisini gösteriyor.

Kimi coğrafyalarda buzullar eriyor, kimi coğrafyalarda aşırı kuraklık şeklinde kendini gösteriyor. Kimi yerde de aşırı yağışlar, seller oluşuyor.

İklim krizinin sebebini artık kesin olarak biliyoruz.

Sanayi devriminden bu yana artan sanayi üretimi, ulaşım hizmetleri ve yaşam konforu faaliyetleri sonucu atmosfere kontrolsüz bir şekilde saldığımız sera gazlarıdır.

Bu gazlar için de en fazla bulunan karbon dioksit, miktarı daha az olsa da, olumsuz etkisi daha fazla olan metan gazlarıdır.

İklim krizinin çaresi nedir derseniz, onu da kesin olarak biliyoruz. Tüm sektörlerde atmosfere kontrolsüz bir şekilde saldığımız bu karbondioksit ve metan miktarının olabildiğince azaltılmasıdır.

Biz atmosfere çok fazla sera gazı salmıyoruz, çaresini atmosferi kirleten gelişmiş ülkeler düşünsün demek sorunu çözmüyor.

Sorun küresel olduğundan çözümün de küresel olması gerekiyor. Az kirletenler az, çok kirletenler daha fazla bedel ödeyecek.

Paris İklim Anlaşması bağlamında bu konuda küresel bir görüş birliği oluşmuş, Avrupa Birliği bu konuda öncülük yaparak 2019 da Yeşil Mutabakatı ( Europe Green Deal) belgesini açıklamış, 2021 Temmuz'unda da“Fit 55: 55'e Uyum” belgesi ile de mutabakatın nasıl hayata geçirileceğinin ayrıntılarını açıklamıştır.

Hedef, 2030 yılına kadar sera gazı salımlarını 1990 yılı miktarının % 55 altına, 2050 yılına kadar da atmosfere salınan sera gazları ile atmosferden yutulan sera gazlarının denkliğinin sağlamak ve Avrupa kıtasını iklim nötr kıta yapmaktır.

Böylece dünyamızın ortalama sıcaklık artışını Endüstri Devrimi öncesi sıcaklık düzeyine göre en fazla 2OC, mümkün olursa 1,50C düzeyinde tutmak ve tüm canlılara iklim krizinin olmadığı küresel bir ekosistem de yaşama imkanını sağlamaktır.

Ortak eylemin şekli ve maliyeti, bu maliyetin nasıl karşılanacağı Kasım 2021’de İngiltere’de Paris İklim Anlaşması kapsamında yürütülecek çalışmalarla netleşmiş olacaktır.

Şurası kesin ki Türkiye, AB, ABD ve Çin’e göre çok daha az sera gazı üretse de karbonsuzlaştırma sürecine katılmak zorundadır.

Elbette karbonsuzlaştırmanın bir maliyeti olacaktır. Bu maliyetin nasıl karşılanacağının, önceliğin hangi sektörlerde olduğunun belirlenmesi gerekiyor.

Bu gelişmelerden her hangi bir sektörün zararlı çıkması kabul düşünülemez.

Hangi sektörlerden başlamalıyız derseniz o da artık net olarak biliniyor. En çok sera gazı üreten sektörlerden başlayacağız.

Bu sektörler başta demir-çelik olmak üzere; çimento, fosil yakıtlara dayalı enerji üreten (termik santrallar), kimya sanayi (yapay gübre-amonyak üretimi) ve ulaştırma sektörleridir.

Uluslararası Enerji Ajansına göre (iea), küresel demir-çelik sektörü yılda 2,6 milyar ton sera gazı üretmektedir. Bu miktar tek başına çimento ve kimya sektörünün saldığı sera gazlarından daha fazladır.

Bu sektörlerin gerek iç tüketimimiz, gerekse ihracatımız için ne kadar önemli olduğu açıktır.

Peki karbonsuzlaştırma küresel bir ütopya mıdır?

Hayır, daha önce küresel başarılar yaşanmıştır.

Hatırlanacağı gibi, ozon tabakasına zarar veren ve soğutma sanayiinde kullanılan klor ve flor içeren gazlar yerine, ozon tabakasına zarar vermeyen alternatif gazlar kullanılarak ozon deliğinin büyümesi ve güneşten gelen zararlı ışınımların canlılara zarar vermesi küresel çapta alınan tedbirlele önlenmiştir.

Karbonsuzlaştırmanın sağlanabilmesi için fosil yakıta dayalı geleneksel enerji sisteminin tümüyle karbon üretmeyen enerji sistemine dönüştürülmesi gerekmektedir.

Bu dönüşümün ozon tabakasını onarmaya göre elbette çok daha zordur. Ama o günden bu yana küresel imkanlarımız da artmıştır.

Bu dönüşümde Türkiye, zorlukları yanında şanslıdır da.

Çünkü, bu dönüşüm konusunda oldukça yol almış durumdayız.

Yenilenebilir enerji kaynaklarına dayalı enerji elektrik enerjisinde, RES’lerde yaklaşık 10000 MW ve GES’lerde 7000 MW, hidro-elektrrikde 32000 MW düzeylerine ulaşmış bulunuyoruz.

Jeotermal ve az miktardaki olan biyo-yakıt santralları da dahil edilirse, yaklaşık 100 000MW ‘a yaklaşan toplam kurulu gücümüz içinde yenilenebilir kaynaklara dayalı gücümüz toplam kurulu gücün %50 sini geçmiştir.

Ancak, RES ve GES'lerin gün içinde enerji üretiminde sürekliliğinin olmadığı da unutulmamalıdır ( geceler ve rüzgar hızının yeterli olmadığı saatler).

İlk yıllardaki kadar özendirici olmasa da,YEKDEM (Yenilenebilir Enerji Kaynak Destek Mekanizması) ve YEKA (Yenilenebilir Kaynak Alanı) destekleri halen devam etmektedir.

Son zamanlarda lisanssız üretim de, özellikle çatı GES’lerinde önemli artışlar sağlanmıştır.

Türkiye’de Ticaret Bakanlığı öncülüğünde kamu ve özel sektör temsilcilerinden oluşan bir çalışma grubu 16 Temmuz 2021’de Cumhurbaşkanlığı Kararnamesi şeklinde yayınlanan "Yeşil Mutabakat Eylem Planı" üzerinde çalışmalara başlamıştır. Bu çalışmalar sektörel bazda genişleyerek devam edecektir.

Karbonsuzlaştırmanın çaresi, karbondan sağlanan enerjinin karbon dışı kaynaklardan sağlanmasıdır.

Bu da ancak yenilenebilir kaynaklına dayalı elektrifikasyon uygulamalarının ve yeşil hidrojen gibi enerji kaynaklarının karbonun yerini alması ile mümkündür.

Demir-çelik gibi yüksek proses sıcaklığı gerektiren (1600-1700 0C) üretimlerde elektrifikasyon yeterli olmamakta, karbonun sağladığı yüksek sıcaklığı sağlayacak alternatif bir ısı kaynağı gerekmektedir.

Demir-çelik ve çimento üretiminde kömüre göre maliyeti biraz yüksek olsa da ısı kaynağı olarak doğal gaz kullanmak mümkündür.

Ancak,doğal gaza geçmekle kömüre göre daha az karbondioksit üretilse de, sera gazı salımı bütünüyle önlenememektedir.

Son yıllarda Karbon Yakalama ve Depolama (Carbon Capture and Srorage: CCS) ve Karbon Yakalama ve Kullanma (Carbon Capture and Utilisation: CCU) teknolojileri ile karbondioksit salımı azaltılmaya çalışılsa da bu uygulamalarla fosil yakıt kullanımı tümüyle engellenememektedir.

Bu yöntemlerde ısı kaynağı olarak yine karbon kullanılmakta, çıkan karbondioksit kimyasal ve fiziksel yöntemlerle yakalanmakta ve yer altına derinlere enjekte edilmekte ya da uygun proseslerle alternatif kimyasallara dönüştürülmektedir.

İsveç’te ısı kaynağı olarak karbon kullanılmadan DRI yöntemi ile (Direct Reduction of Iron) çelik üretimi ticari başlamış ve ilk destek de üretimde karbonsuz çelik kullanmakta öncülük yapmak isteyen VOLVO’dan gelmiştir.

Bilindiği üzere demir-çelik üretiminde karbon hem cevher ve kireç taşını ergitmek için ısı kaynağı olarak kullanılmakta, hem de proses sırasında az miktarda (% 0,2-2,1'den az olmak üzere) karbon alaşım elementi olarak çeliğin yapısında yer almaktadır.

Burada söz konusu olan karbonsı kaynağı olarak yüksek miktardaki karbondur. Alaşım elementi olarak çeliğin yapısında yer alan az miktardaki karbonun sera gazı üretmesi söz konusu değildir.

Türkiye’de dönüşüm gerektiren üç büyük entegre demir-çelik tesisi (Karabük, İskenderun ve Karadeniz Ereğli) vardır.

İsveç, ısı kaynağı olarak kullanılan karbon (kok kömürü) yerine ”Yeşil Hidrojen” kullanmıştır.

Yeşil hidrojen, yenilenebilir kaynaklara dayalı ucuz elektrik enerjisi ile suyun elektrolizinden elde edilmektedir. Yan ürün olarak da oksijen üretilmektedir.

Hidrojen aslında bir enerji taşıyıcıdır. Yakıt olarak da kullanıldığı halde yakıt olarak anılmamaktadır. Çünkü yeşil hidrojen de elektrik gibi ikincil bir enerji kaynağıdır.

Sıvılaştırılmış hidrojen sıvı formdaki doğal gaza göre 2,1 oranında daha fazla enerji vermektedir. Gaz formunda ise, gaz formundaki doğal gaza göre 1/3 oranında enerji sağlamaktadır.

Hidrojen, sera gazı üretmeyen ve karbonun kullanıldığı her yerde kullanılabilecek bir enerji kaynağıdır.

Hidrojen renksiz ve kokusuzdur, toksik değildir. Havadan 14 kez, doğal gazdan 9 kez daha hafiftir. Normal atmosfer basıncında -253 0C’de sıvılaşır, -259 0C donar. Sıvı halde iken yoğunluğu benzinin yoğunluğunun 1/10 u kadardır. Alt ısıl değeri 119,93, üst ısıl değeri ise 141,86 MJ/kg dır.

Özel amaçlarla kullanılan Dötoryum ve Trityum hidrojenin değerli fakat çok az bulunan izotoplarıdır.

Hidrojen atomları güneşte çok yüksek sıcaklık ve basınç altında termonükleer füzyon reaksiyonu ile helyuma dönüşmekte ve ortaya çıkan enerjinin bir kısmı ışınım şeklinde dünyamıza kadar ulaşmakta ve hayat vermektedir.

Hidrojen aynı zamanda, yakıt hücrelerinde (Fuel Cell) elektro kimyasal yolla elektrik enerjisi üretiminde de kullanılmaktadır.

Yakıt hücreleri ulaşım araçlarında içten yanmalı motorlar yerine elektrikli güç kaynağı, elektrik şebekelerinin olmadığı alanlarda da elektrik üretiminde kullanılan alternatiflerden biridir.

Yakıt hücreleri ile tahrik edilen araçlar (FCEV : Fuel Cell Electric Vehicle) henüz sayıları az olsa da, Güney Kore, Japonya ve Çin’de yollara çıkmıştır.

TÜBİTAK MAM ve Bor Araştırma Enstitüsü (BOREN) ortaklaşa Türkiye’nin ilk yakıt hücreli araç prototipini üretmiş ve test sürüşleri yapmıştır. Hidrojen araçlarda en güvenli şekilde gözenekli bor tuzları içinde depolanabilmektedir.

Almanya’da Fransız Alstom (TGV’nin üreticisi) tarafından geliştirilen deneme amaçlı yakıt hücreli yüksek hızlı tren çok başarılı olmuş ve sayılarının 14’e çıkarılmasına karar verilmiştir.

Hollanda ve İngiltere bu konuda Alstom’la görüşmelere başlamıştır.

Almanya 2040 yılına kadar ülkenin nihai enerji ihtiyacının %10'u hidrojenden karşılayacağını ulusal hidrojen stratejisinde açıklamıştır.

Özellikle yenilenebilir kaynaklı elektrik enerjisinin bataryalarda daha verimli bir şekilde depolanmasına bir çözüm bulunamazsa, TIR çekicileri ve otobüslerde kullanılan ağır ve çok yer kaplayan bataryalar yerine güç kaynağı olarak yakıt hücrelerinin kullanılması daha uygun bir çözüm olacak gibi görünmektedir.

Hidrojen doğal gaz ve kömürden de üretilebilmektedir.Bu hidrojen yeşil hidrojen değildir.

Dünyada halen yılda 70 milyon ton kadar hidrojen üretimi vardır.Bu hidrojenin %95’i fosil kaynaklara dayalı olarak üretilmektedir. Sadece %5’i suyun elektrolizi ile üretilmektedir.

Hidrojen doğal gazdan Buhar Reformasyonu (Steam Metan Reformation:SMR) Yöntemi ile de üretilebilmektedir.

SMR Yöntemi ile üretilen hidrojen sırasında ortaya çıkan karbondioksit CCS ya da CCU tekniği ile yakalanarak elde edildiğinde bu hidrojen “Mavi Hidrojen) olarak, kömürden herhangi bir önlem alınmadan üretildiğinde “Gri Hidrojen” olarak anılmaktadır.

Gerek mavi, gerekse gri hidrojen yeşil hidrojene göre çok daha ucuz olarak üretilebilmektedir. Ancak, üretimleri fosil yakıt kaynaklı olduğundan sera gazı salımları tümüyle engellenememektedir.

Karbonsuz yeşil hidrojen üretmenin tek yolu, suyun elektrolizinde ucuz yenilenebilir enerji kaynaklı elektrik enerjisi kullanmaktır.

Dünya Bankası (EBRD) kaynaklarına göre 1 kg sıvı yeşil hidrojen güncel maliyeti 3-6 ABD dolarıdır. Fosil kaynaklardan üretilen hidrojenin kg maliyeti ise 1,0-1,8 ABD dolarıdır.

Yeşil hidrojenin karbonun yerini alabilmesi için üretim maliyetinin 1,5 dolar ya da altında olması gerekmektedir. Bu maliyete ulaşılması çok uzak bir hedef değildir.

GES’lerde 2000’li yıllarda üretilen elektrik enerjisinin maliyeti kWh başına yaklaşık 15 dolarcent/kWh iken, günümüzde güneşlenmenin uygun olduğu coğrafyalarda 2 dolar cent’in altına inmiştir.

Türkiye 'de YEKA mini güneş enerji santrali 2021 lisans ihalelerinde fiyatlar 15-20 krş/kWh'e kadar aşağı çekilebilmiştir.

GES ve RES’lerde üretilen elektriğin bir kısmının ihtiyaç halinde kullanmak üzere bataryalarda depolanması ekonomik değildir.

Fakat GES ve RES elektriğinin bir kısmının elektrolizörler ile hidrojen dönüştürülerek depolanması mümkün ve ekonomiktir.

Depolanan hidrojen ihtiyaç duyulan yerlere sıvı formda özel tankerlerle, gaz halinde boru hatlarıyla taşınabilmektedir.

Pahalı yüksek gerilim hatları ve trafolar ile elektron taşımak yerine, mevcut doğal gaz boru hatlarında hidrojen taşımak daha ekonomik görünmektedir.

Hidrojen, bazı önlemler alınarak mevcut doğal gaz boru hatlarında belli bir oranı aşmayacak şekilde doğal gazla karışım halinde taşınabilmektedir.

Gerektiğinde uygun proseslerle doğal gazdan tekrar ayrılarak ısı kaynağı olarak ya da kimya sanayiinde, özellikle gübre için amonyak üretiminde kullanılmaktadır.

Petrol rafinerilerinde de mavi ya da gri hidrojen çeşitli proseslerde zenginleştirme ya da kraking yöntemi ile benzin elde etmede kullanılmaktadır.

Konya’da GAZBİR-GAZMER ve Yıldız Teknik Üniversitesi’nin ortaklaşa yürüttüğü ve EPDK tarafından desteklenen Ar-Ge çalışmalarında hidrojenin doğal gaz boru hatlarında %20 karışım oranını aşmamak şartıyla güvenli olarak taşınabileceği saptanmıştır. Ayrıca doğal gaz hidrojen karışımının yanma şartları üzerinde de araştımalar yapılmaktadır.

Bu Ar-Ge çalışmalar bir ölçüde Türkiye’nin hidrojen enerjisi konusundaki bakışını da yansıtmaktadır.

Bilindiği gibi hidrojen, 1970 li yıllarda yaşanan petrol krizinden sonra bir dönem enerji gündeminde önemli bir yer tutmuştur.

Miami Üniversitesi Öğretim üyesi ve Uluslararası Hidrojen Enerjisi Birliği Başkanı Prof.Dr. Nejat Veziroğlu dönemin iktidarını ikna ederek UNIDO desteğinden de yararlanılarak İstanbul’da Uluslararası Hidrojen Enerjisi Teknolojileri Merkezini (International Center of Hydrogen Energy Technology: ICHET) kurmuştur.

Zamanında büyük umutlar bağlanan bu enstitü kaynak yetersizliği nedeni ile beklenen çalışmaları yapamamıştır.

Şimdi bu enstitüye büyük görevler düşmektedir. Yeni kadro ve fon destekleri ile bu enstitü hidrojen teknolojisi üzerinde çok başarılı hizmetler verebilir.

Sonuç olarak, demir-çelik üretimde karbonsuzlatırmanın sağlanması için ısı kaynağı olarak yeşil hidrojen kullanılması başlamıştır.

Bu çözümün yaygınlaşabilmesi için yeşil hidrojen üretim maliyetin en azından fosil kaynaklı hidrojen üretim maliyetine ulaşmasıdır.

Karbonsuzlaştırmanın başarıya ulaşması için en önemli aşama, yenilenebilir enerji üretim maliyetlerinin daha aşağı çekilmesi ve elektroliz cihazlarının veriminin artırılması ile birim hidrojen başına elektrik enerjisi maliyetinin makul bir düzeye getirilmesidir.

Halen 1kg sıvı hidrojen üretimi için yaklaşık 50 kWh elektrik enerjisi, 9 litre demineralize su tüketilmektedir.

Yeşil hidrojenin günümüzdeki olukça yüksek üretim maliyeti, 30 yıl öncesinin güneş enerjisi maliyetlerinin yaşandığı şartlara benzer bir durum göstermektedir.

Güneş ve rüzgar enerjisinden elektrik üretim maliyetlerinin bu denli ucuzlayacağına inanmakta zorluk çekiliyordu.

Oysa, bugün yenilenebilir elektrik üretim maliyetleri fosil kaynaklı elektrik enerjisi ile rekabet edecek düzeye çekilebilmiştir.

Zaman içinde ar-ge ve verimlilik çalışmaları ile yeşil hidrojenin maliyeti de karbonsuzlamayı teşvik edecek bir düzeye çekilecektir.

Elektrolizör maliyetleride ve verimliliğinde de önemli gelişmeler sağlanmaktadır.

Çimento üretiminin karbonsuzlaştırılması demir-çelik üretiminde olduğu kadar kısa vadede gerçekleşmeyecektir.

Çimento proseslerinde demir-çelik sektörü kadar yüksek proses sıcaklığına ihtiyaç yoktur(1400 0C civarı).

Elektrifikasyon ve yeşil hidrojene geçme aşamasından önce CCS ya da CCU ara yöntemlerinin uygulanması bir süre daha ekonomik olacaktır. Çünkü çimentonun birim fiyatına göre enerji içeriği maliyeti daha yüksektir.

SHURA Enerji Dönüşüm Merkezi ve Bilkent Üniversitesi’nin ortaklaşa yaptığı bir çalışmaya göre; imalat sanayi karbonsuzlaştırılması için 2,1 Mtep (milyon ton eşdeğer petrol), karayolu taşımacılığında 1,8 Mtep, doğal gaz/hidrojen karışımı için 0,7 Mtep olmak üzere toplamda 4,6 Mtep fosil yakıt eşdeğer enerjisi kadar yeşil hidrojene ihtiyaç duyulacaktır. Bu değerTürkiyenin nihai enerji tüketimini % 4-5'i kadardır.

Sıvı haldeki yeşil hidrojenin enerji içeriği petrole göre daha yüksek olduğundan 4,6 Mtep fosil yakıt karşılığı yaklaşık 1,6 Mton yeşil hidrojen miktarı olarak hesaplanmıştır.

Bir litre sıvı hidrojen üretimi için 50 kWh elektrik enerjisi tüketildiğinden 1,6 milyon ton sıvı yeşil hidrojen üretimi için 80 milyar kWh elektrik enerjisi gerekecektir.

GES ve RES'lerin kapasite kullanım faktörleri de dikkate alınarak 80 milyar kWh yenilenebilir elektrik üretecek hibrit (GES+RES) tesis kurulu güç ihtiyacı 36,3 GW (36300MW) olacaktır.

Bu hibrit tesis maliyeti GW başına 1milyar (MW başına 1 milyon dolar) dolardan 36,3 milyar dolardır.

Demineralize suyun elektrolizi için gerekli elektrolizör kapasitesi de12,1 GW olarak hesaplanmıştır(elektroliz cihazları doğru akımla çalışmaktadır).

PEM (Proton Elektrolit Membranlı) Elektrolizör tesisi yaklaşık maliyeti 750$/kW üzerinden 9,1 milyar dolardır.

Sonuç olarak, Türkiye’nin orta vadede ihtiyacı olduğu yılda 1,6 miyon ton yeşil hidrojen üretecek hibrit bir yenilenebilir enerji tesisi ve elektrolizör tesisi toplam maliyeti 45,4 milyar dolar olacaktır.

Tesis ömrünün yaklaşık 30 yıl olduğu ve bu kapasitenin önümüzdeki 10 yılda tamamlanacağı düşünülürse, hibe fonlar ve iç kaynaklarla bu yatırımın karşılanabilmesi çok uzak bir ihtimal değildir.

Kanımca, 1000 MWe kurulu gücü olacak Karapınar GES’in bir kısım enerjisini depolamaya yönelik yeşil hidrojen yatırımı ile, Akkuyu Nükleer enerji tesisinde atık ısıdan üretilecek elektrik enerji ile üretilecek yeşil hidrojen tesisi yatırımları Türkiye’nin ilk yeşil hidrojen ekonomik yatırımları olabilir.

Prof.Dr.Yusuf Zeren