YENİLENEBİLİR KAYNAKLI ELEKTRİK YEŞİL HİDROJEN GAZININ EVLERE GİRMESİNİ SAĞLADI. HİDROJEN SANAYİMİZİ BİR AN ÖNCE KURMALIYIZ

Prof.Dr.Yusuf Zeren

Evlerimizde ısınma, sıcak su ve pişirme ihtiyaçlarımızı doğal gaz yerine hidrojen gazı ile sağlayacak yerli teknoloji ticarileşme aşamasına geldi.

Yakında konutlarımızda pahalı, dışa bağımlı ve karbon emisyonu üreten doğal gaz yerine hidrojen gazı kullanma seçeneğimiz de olacak.

Çatı ya da bahçedeki güneş panelinden alacağınız ucuz elektrik enerjisi ve musluktan alacağınız su ile, kombi ve mutfakta ocak girişine bağlı bir elektroliz cihazının üreteceği hidrojen gazı ile tüm ısı ihtiyaçlarımız karşılanabilecek.

Yerli bir firmamız bu teknolojiyi ticarileştirme konusunda ciddi bir gelişim sağladı.

Doğal gazla çalışan kombi ve ocak yakma tesisatında önemli bir değişikliğe de gerek olmayacak.

Şimdilik üretilen hidrojenin anlık tüketilmesi gerekiyor, fazla gazı depolama imkanı yok.

Parası olup doğal gazı tedarik edemeyenler yeşil hidrojenin bir alternatif olduğunu sonunda keşfettiler.

Bilindiği gibi Rusya Ruble ile gaz almayı kabul etmeyen Polonya ve Bulgaristan'nın gazını kapattı. Belki sırada diğer ülkelerde var.

Yaşanan enerji krizi, aşırı artan doğal gaz fiyatları ve AB'nin yeşil dönüşüm süreci bu firmamızın ürettiği hidrojen gazı ile çalışan kombiler hidrojeni yeniden gündeme getirdi.

Bu firmamızın ürünlerine yurt dışından oldukça yüksek talep var. Önemli sayılarda ihracat yapılıyor.

Yakında yeni firmaların da piyasaya girmesi olasıdır.

Ancak, kullanımın yaygınlaşması için çeşitli kapasitede yüksek verimli elekroliz cihazı üretimine ihtiyacımız var.

Sanayi ve Teknoloji Bakanlığımızın elektrolizör üretim yeteneği olan firmalarla görüşmeler yapması yararlı olacaktır.

Hidrojenle ilgili çok şey yazıldı, söylendi çoğumuza pek inandırıcı gelmedi.

Daha yakın bir zamana kadar güneş elektriğinin birim maliyetinin bu kadar düşeceği ve

kullanımının bu kadar yaygınlaşacağına da pek inanılmıyordu.

Oysa bugün ülkemizde uzaydan bile görülebilen büyüklükte GES'ler kuruldu.

Sanayi tesislerinin çatıları güneş panelleri ile kaplanmaya başladı.

Konutlarda da çatı, güney ve batı cephesi duvarlarında güneş paneller yer almaya başlayacak.

Çatılarda sıcak su kollektörleri ile elektrik panellerinin yanyana yer alması için bazı basit düzenlemelere ihtiyaç var.

Önümüzdeki yıllarda büyük GES, RES, HES'ler ve hatta NGS'larının hemen yanında ucuz elektrikle yeşil hidrojen üreten devasa elektroliz tesislerini de görmeye başlayacağız.

Bazı ülkelerde 100 MW'lık devasa elektroliz tesisleri düşük maliyetli yenilenebir elektrikle yeşil hidrojen üretmeye ve üretilen hidrojenin boru hatları ya da kara ve deniz araçları ile kullanın yerlerine taşınmasına başlandı.

Japon Kawasaki firmasının 2019 yılında imal ettiği SUISO FRONTIER isimli özel tanker Avustralya'da üretilen hidrojen gazını sıvı formda Japonya'ya taşımaya başladı. Bu tanker şimdilik türünün ilki.

Doğal gaz da LNG şeklinde ilk kez 1965 yılında Cezayir'den İngiltere'ye deniz yolu taşınmıştı.

Türkiye bugün tükettiği doğal gazın önemli bir kısmını Cezayir, Katar ve Nijerya'dan özel tankerlerle LNG olarak ithal ediyor.

Halen dünyada doğal gazın %48'i boru hatları ile, %52'si LNG Şeklinde taşınmaktadır.

Hidrojen gazı ticaretinde de benzer gelişmelerin yaşanması uzak olasılık değildir.

Hidrojen gazı, bir proton ve bir nötrondan oluşan, evrende en fazla bulunan en basit yapıda, peryodik tabloda ilk sırada yer alan bir elementtir.

Oksijenle birleşerek hayatın kaynağı olan suyu oluşturur.

Kararsız yapısından dolayı daima bileşikler halinde bulunur.

Fosil yakıt olarak bilinen kömür, petrol ve doğalgazın yapısında karbonla bileşik haldedir.Hidrokarbon (fosil yakıtlar)olarak anılırlar.

Enerji kaynağımız gıdaların yapısında da hidrojen vardır.

Orta büyüklükte bir yıldız olan güneşimizde saniyede 600 milyon ton hidrojen gazı çok yüksek sıcaklık ve basınç altında termonükleer füzyon reaksiyonu ile 596 milyon ton helyuma dönüşmektedir.

Kalan 4 milyon ton hidrojen kütlesi ise, Einstein'ın E=mc2 eşitliği uyarında, enerjiye

dönüşmekte, bu enerjinin bir kısmı da dünyamıza ulaşarak hayat vermektedir.

Hidrojen gazı havanın bileşeninde eser miktarda bulunduğundan havadan elde edilmesi söz konusu değildir.

Hidrojen su dahil yapısında hidrojen bulunan bileşiklerden çeşitli yöntemlerle elde edilmektedir.

Yenilenebilir elektrik enerjisi ile suyun elektrolizinden hidrojen elde ediliğinde zararlı emisyon üretilmez. Ortama sadece yan ürün olarak oksijen salınır.

Hidrojen aslında bir enerji taşıyıcıdır. Çünkü hidrojen de elektrik enerjisi gibi ikincil bir enerji kaynağıdır.

Doğadan petrol ya da doğal gaz gibi doğrudan elde edilemez.

Birim kütlesinin enerji içeriği diğer yakıtlardan daha yüksektir. Hidrojenin üst ısıl değeri 140MJ/Kg olup, doğal gaz ve otomotiv akaryakıtlarına göre ısıl kapasitesi 2,5-3,0 kat daha yüksektir( LNG 54 MJ/Kg; Benzin 46 MJ/Kg; Dizel 45 MJ/Kg).

Oksijenle yakıldığında oluşacak sıcaklık 3400 0C a kadar yükselebilmektedir. Sadece elektrik enerjisi kullanılarak bu sıcaklıklara ulaşmak olası değildir. O nedenle yüksek sıcaklık gerektiren endüstriyel işlerde hidrojenin özel bir yeri vardır.

Hidrojenin yoğunluğu havanın yoğunluğunun 1/14'ü kadardır, atmosfer basıncında -253C0 da sıvı hale gelmektedir.

Ancak sıvılaştırılması için enerji içeriğinin 1/3 oranında enerji tüketilir. O nedenle sıkıştırılarak ya da boru hatlarında taşınması daha ekonomiktir.

Sıvılaştırıldığında hacmı, atmosfer basıncındaki gaz hacmine göre, 700 kez küçülür. Kokusuzdur.Zehirli değildir.

Mevcut elektrolizör teknolojisi ile 1 kg sudan 0,111kg hidrojen elde edilmekte ve bu sırada elektroliz cihazında yaklaşık 5,6 kWh elektrik enerjisi tüketilmektedir.

Diğer bir hesapla, 1kg hidrojen elde etmek için (%70 tesis ve %60 elektrolizör verimliliği şartlarında) yaklaşık 50 kWh elektrik enerjisi ve 9 litre su gereklidir.

Halen hidrojen gazının %98'i kömür ve doğal gaz gibi fosil yakıtlardan, kalan %2' si de sudan elektroliz yolu ile elde edilmektedir.

Fosil yakıtlardan üretilen hidrojenin neredeyse tamamına yakını endüstriyel amaçlarla kullanılmaktadır.

Hidrojen, üre ve diğer azotlu gübre üretiminde kullanılan amonyak üreriminde ve rafinerilerde petrol ürünlerinin iyileştirilmesi ve ağır yağların kraking yöntemi ile hafif yakıtlara dönüştürülmesinde temel girdidir.

Çok az bir kısmı da yakında trafikte elektrikli araçlarla yan yana görceğimiz yakıt hücreli (fuel cell) araçlarda elektrokimyasal yolla elektrik üretmek için kullanılmaktadır.

Yakıt hücreli araçlar, Çin ve Güney Kore ve ABD'de trafikte şimdiden farkedilmeye başlanmıştır.

Yakıt hücreleri Japonya da evlerde de hidrojen tüpleri ile beslenerek kulanılmaya başlanmıştır (doğru akım üretirler).

Doğal gazdan hidrojen üretimi sırasında oluşan karbondioksit yakalanır ve yeraltında depolanırsa (Carbon Capture and Storage: CCS) bu yolla üretilen hİdrojen"Mavi Hidrojen"olarak anılmaktadır. .

Kömür ve doğal gazdan hidrojen üretiminde CCS yöntemi uygulanmadığında önemli miktarda karbon emisyonu salınmaktadır. O nedenle bu yolla üretilen hidrojen gazı"Gri Hidrojen" alarak bilinir.

Yenilenebilir elektrik enerjisi kullanılarak suyun elektrolizinden elde edilen hidrojen ise"Yeşil Hidrojen" dir.

Küresel çapta 2020 yılında 110 milyon ton gri hidrojen üretilmiştir.

Bunun 24 milyon tonu tek başına Çin tarafından üretilmiştir.

Çin, tükettiği kömürün %3-5'ini hidrojen üretiminde kullanmaktadır.

Bir kilogram gri hidrojen üretmek için yaklaşık 8 kilogram kömür tüketilmektedir.

AB Komisyonu'nun Temmuz 2021'de açıkladığı"55 uyum" (fit for 55) belgesine göre, 2050 yılında karbon nötr bir dünyada, temiz bir atmosferde, küresel ısınmanın yol açacağı çevre felaketlerine uğramadan yaşamamız için 2030 yılına kadar karbon salımının 1990 düzeyinin %55 altına çekilmesi öngörülmektedir.

1980'li yıllarda hava içeriğinde karbondioksit konsantrasyonu 350 ppm civarında iken, alınan tüm önlemlere rağmen, Nisan 2022 itibarıyla atmosferde ölçülen karbondioksit konsantrasyonu 420 ppm'e yükselmiştir.

Rusya, Ukrayna Savaşı nedeni ile yaşanan enerji krizi kömür tüketiminde yeniden önemli artışlara yol açmıştır.

Bazı Avrupa ülkelerinde kullanılmayan kömür ocaklar yeniden kullanıma açılmış, nükleer santralların devreden çıkartılması tarihleri ertelenmiştir.

Çin ve Hindistan, yaşanan koşullarda Paris İklim Anlaşma şartlarını görmezlikten gelmektedir.Bu ülkelerde aşırı kömür kullanımı devam etmektedir.

Fosil yakıtlardan elde edilen pahalı elektrikle elektoliz yoluyla üretilen temiz hidrojenin maliyeti yüksektir.

O nedenle de hidrojenin çevre dostu tüm özellikleri bilinmesine rağmen yenilenebilir enerji maliyetleri düşünceye kadar bir alternatif olarak gündeme gelmemiştir.

Yenilenebilir elektriğin maliyetinin düşmesi ile hidrojen çağının başlamakta olduğunu dillendiren bilim insanları ve sanayicilerin sayısı giderek artmaktadır.

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

Yeşil hidrojenin geleneksel yolla fosil yakıtlardan elde edilen mavi ya da gri hidrojenle rekabet edebilmesi için kg maliyet fiyatının 2 ABD dolarının altına inmesi istenmektedir.

Bu maliyete ulaşabilmek için yenilenebilir enerji kaynaklı elektrik maliyetinin biraz daha düşmesi, elektroliz cihazlarının verimlerinin artması, birim tesis maliyetlerinin düşmesi, üretimlerinin yaygınlaşması gerekmektedir.

Güneş ışınım yoğunluğunun yüksek olduğu bölgelerdeki GES'lerde güneş elektriğinin seviyelendirilmiş maliyeti 3 dolar cent/kWh'e kadar düşmüştür.

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

Bu durumda 1kg hidrojenin enerji maliyeti 3 dolarcent/kWhx50kWh/kg= 150 cent=1,5 dolar/kg olacaktır.

Güneş enerjisi yoğunluğunun yüksek olmadığı bölgelerde bu maliyete ulaşmak olası değildir. Bu durumda çözüm, yeşil hidrojeni ucuz üreten ülkelerden ithalat olacaktır.

Çoğu ülke açıkladıkları hidrojen yol haritası stratejilerinde 2030'lu yılına kadar önemli miktarlarda hidrojen üretmeyi ya da ithal etmeyi şimdiden planlamışlardır.

Hatta ithalatçı ülkeler muhtemel üretici ülkelerle özel anlaşmalar yapmaya başlamıştır.

Örneğin, Japonya Avustralya ile, Almanya Kuzey Afrika ülkeleri ile muhtemel alım anlaşmaları yapmıştır.

Avrupa ülkelerinin Rusya doğal gazına bağımlılığını azaltmak için AB Komisyonu "REPowerEU" programını uygulamaya koymuştur.

Bu program kapsamında diğer önlemler yanında yeşil hidrojen üretimine önemli yer verilmiştir.

AB kapsamında 2025 yılına kadar en az 10 milyon ton yeşil hidrojen üretimi ve 10 milyon ton da ithali planlanmıştır.

AB ilgili enerji komisyonu, 10 milyon ton yeşil hidrojen üretimi için Mayıs 2022'de Avrupa'nın başlıca 20 elektrolizör üreticisi firma ile bir araya gelerek halen 1,75GW olan elektrolizör üretim kapasitelerini 10 kat artırarak 17,5GW'a yükseltme konusunda mutabakat anlaşması imzalamışlardır.

10 milyon ton yeşil hidrojen üretimi için ilave 500TWh (500 milyar kWh) yenilenebilir elektrik enerjisine ihtiyaç duyulacağı hesaplanmıştır.

Diğer taraftan yine REPowerEU kapsamında 2030 yılına kadar kurulu GES kapasitelerini 1000GW (1milyon MW) çıkarma kararı alınmıştır.

Halen AB'nin GES kurulu gücü 158 GW dır.

Küresel kurulu GES kurulu kapasitesi ise 850GW dır.

Görüldüğü gibi AB, fosil yakıt bağımlılığından kurtulmak için Yeşil Mutabakat kapsamında büyük dönüşümlere hazırlanmaktadır.

Türkiye'de hidrojen konusunda neler yapmaktadır:

Miami Üniversitesi Öğretim üyesi ve Uluslararası Hidrojen Enerjisi Birliği Başkanı Prof.Dr. Nejat Veziroğlu 2004 yılında 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, Prof.Dr.Nejat Veziroğlu'nun ayrılışından sonra kaynak ve kadro yetersizliği nedeni ile beklenen çalışmaları yapamamıştır.

Şimdi bu enstitüye büyük görevler düşmektedir.

Yeni kadro ve fon destekleri ile bu enstitümüz hidrojen teknolojisi üzerinde çok başarılı hizmetler verebilir.

TÜBİTAK MAM ve Bor Araştırma Enstitüsü (BOREN) ortaklaşa Türkiye’nin ilk yakıt hücreli araç prototipini üretmiş ve test sürüşleri yapmıştır.

Hidrojen, yakıt hücreli araçlarda en güvenli şekilde gözenekli bor tuzları içinde depolanabilmektedir.

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 yapılmıştır.

Avrupa İklim Fonu (ECF) ve Sabancı Üniversitesi İstanbul Politikalar Merkezi(İPM)nin ortak kurulışu olan SHURA Enerji Dönüşüm Merkezi ve Bilkent Üniversitesi Türkiye'nin yeşil hidrojen projeksiyonu üzerinde ortak bir çalışma yapmıştır.

Bu çalışmaya göre; imalat sanayinin 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 değer Türkiyenin 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 ilave 80 milyar kWh elektrik enerjisi gerekecektir (Türkiye'nin son birkaç yıllık elektrik enerjisi tüketimi ortalama 300 milyar kWh dir).

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 (36300 MW) olacaktır.

İhtiyaç duyulan bu kurulu güç kapasitesinin yüksek olması, GES ve RES'lerin baz santral niteliği olmasından, tesis verimlerinin %20-25 ler gibi düşük olmasından kaynaklanmaktadır.

Bu hibrit tesis (GES+RES'ler) maliyeti GW başına 1 milyar (MW başına 1 milyon dolar)toplamda 36,3 milyar dolardır.

Demineralize suyun elektrolizi için gerekli elektrolizör kapasitesi de 12,1 GW olarak hesaplanmıştır.

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.

AB ile ticari ilişkilerimiz, Paris İklim Sözleşmesi kapsamında taahhütlerimiz ve çevre sağlığımız için bu yatırımların 2040 yılına kadar tamamlanması gereklidir. İyi bir planlama ile Türkiye bunu başarabilir. 

​Prof.Dr.Yusuf Zeren

Yararlanılan Kaynaklar:

IRENA,2019.Hydrogen: A Renewable Energy Perspective.

SHURA,2021a. Türkiye'nin Hidrojen Stratejisi İçin Öncelikli Alanlar.

SHURA,2021b. Türkiye'nin Yeşil Hidrojen Üretim ve İhracat Potansiyelinin Teknik ve Ekonomik Açıdan Değerlendirilmesi.

EU,2021. Fit For 55: EU's Plan For Green Transition.