Yeşil Hidrojen Üretim Çözümü

Genel anlamda hidrojen yakıt olarak iki ana şekilde kullanılabilir. Isı üretmek için yakılabilir veya elektrik üretmek için bir hidrojen yakıt hücresine beslenebilir. İyi haber şu ki, mavi veya yeşil hidrojen üretildiğinde birçok farklı uygulamaya sahip olur:
Ulaşım:Hidrojen, özellikle Japonya'da halihazırda otobüslere ve diğer toplu taşıma araçlarına yakıt sağlamak için kullanılıyor. Aynı zamanda yük kamyonlarına ve trenlere güç sağlamak için de kullanılabilirken, amonyak gibi hidrojen bazlı yakıtlar havacılık ve nakliyede kullanılabilir. Hidrojenin araçlara güç sağlamak için daha yaygın kullanımı, hidrojen yakıt hücrelerinin fiyatının ucuzlamasına ve hidrojen yakıt istasyonlarının daha yaygın hale gelmesine bağlı olacaktır.

Güç üretimi:Hidrojen, yenilenebilir enerji kaynaklarını daha sonra depolanıp uzun mesafelere taşınabilecek bir yakıta dönüştürmek için kullanılabilir. Hidrojen ve amonyak ayrıca gaz türbinlerinde ve kömürle çalışan elektrik santrallerinde emisyonlarını azaltmak için kullanılabilir.

Binaların ısıtılması:Hidrojen, mevcut doğal gaz altyapısı aracılığıyla konut ve ticari binaların ısıtılmasında doğal gazın yerine geçebilecek büyük bir potansiyele sahiptir. Hidrojen kazanları ve evsel hidrojen yakıt hücreleri daha fazla gelişmeyi gerektiriyor ancak gelecekte önemli bir rol oynayabilir.

Endüstri:Hidrojen şu anda çok çeşitli önemli endüstriyel işlemlerde kullanılmaktadır. Bunlar arasında petrol rafine etmek, çelik üretmek, metalleri işlemek ve çeşitli kimyasallar üretmek yer alıyor.

Gri hidrojenin aksine, yeşil hidrojen hem kaynak maddesi hem de enerji tedariği açısından tamamen yenilenebilir. Kaynak malzeme olarak, günümüzde yeşil hidrojen tipik olarak elektroliz olarak bilinen ve suyu hidrojen ve oksijenden oluşan bileşen moleküllerine ayırmak için bir elektrik akımı kullanan bir işlem yoluyla sudan üretiliyor. Bu, bir katot ve bir anot (pozitif ve negatif yüklü elektrotlar) kullanan, elektrolizör adı verilen bir cihaz kullanılarak yapılır. Bu işlem, yan ürün olarak yalnızca oksijen veya buhar üretir. Enerji tedariğine gelince, "yeşil hidrojen" olarak nitelendirilebilmek için, elektroliz için kullanılan elektriğin kaynağının rüzgar veya güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerjiden elde edilmesi gerekiyor.

Üç ana elektrolizör türü vardır:Alkali, proton değişim membranı (PEM) ve katı oksit. Bunlar kullanılan elektrolit malzemenin doğasına göre değişir. Alkalin elektrolizörler, elektriksel iletkenliği sağlamak için alkali benzeri bir tuz içeren sulu bir çözelti kullanırken, PEM elektrolizörler katı bir polimer membran (elektrolit) kullanır. Katı oksit elektrolizörleri, elektrolit olarak katı seramik malzeme kullanır, bu da onların daha yüksek elektrik verimliliğinde ve çok daha yüksek sıcaklıklarda çalışmasını sağlar. Bu, elektriğe güvenmek yerine buhar ve harici ısının enerji kaynağı olarak kullanılmasına izin verir. Bu nedenle katı oksit elektrolizi, ısının genellikle daha ucuz olması ve bazen doğal olarak belirli endüstriyel süreçlerin bir yan ürünü olarak üretilmesi nedeniyle, operasyon maliyetlerinin önemli ölçüde azalmasına olanak tanır.

Yıllar önce hidrojen yalnızca daha yeşil araçların evrimi için bir çözüm olarak görülüyordu. Elektrikli araçlar daha fazla çekiş kazandıkça, hidrojen diğer endüstriler için giderek daha fazla bir çözüm olarak görülüyor.

Petrol rafinasyonu, çelik üretimi ve çimento üretimi de dahil olmak üzere çeşitli amaçlarla endüstriyel ve imalat endüstrilerinde kullanımı arttıkça hidrojene olan talep de artmaya devam ediyor. Ancak hidrojenin popülaritesi arttıkça yeşil hidrojenin önemi de göz ardı edilemez. Endişe verici bir şekilde, hidrojenin %98'i, herhangi bir karbondioksit emisyon kontrolü veya düzenlemesi olmayan fosil yakıtlardan yapılıyor. Ancak yeşil hidrojenin bunu tamamen değiştirme potansiyeli var.

Ticari tesis üretim dumanından benzin ve dizel motorlu araba egzoz dumanına kadar yeşil hidrojen üretimi, havaya büyük miktarlarda karbondioksit salan fosil yakıt enerji kaynaklarına olan ihtiyacı azaltır veya ortadan kaldırır. Veri merkezi endüstrisinde, depolama sistemleri hidrojeni geliştirdikçe, gelecekteki veri merkezlerine enerji sağlamak için dizel motorlu yedek jeneratörler yerine hidrojen kullanılabilir. Sonuç olarak, hükümetlerin ve kuruluşların ulusal enerji güvenliğini güçlendirmesine, yakıt tasarrufu yapmasına, genel emisyonları azaltmasına ve ulaşımda enerji seçeneklerini arabalardan geniş toplu taşıma sistemlerine kadar çeşitlendirmesine olanak tanıyan yeşil hidrojen faydaları çoktur.

Yeşil hidrojen teknolojisi daha iyi bir zamanda tanıtılamazdı. ABD Enerji Bilgi İdaresi, küresel enerji talebinin 2050 yılına kadar %47 oranında artacağını öngörüyor. Petrol ve kömürden enerji üretimi yoluyla bu talebi dengelemenin tek yolu, yeşil hidrojen gibi daha yeşil yöntemlerin benimsenmesidir.

Hidrojen üretimini esasen karbondan arındıran teknolojik atılımlar sayesinde birçok şirket, karbon ayak izlerini azaltmak ve agresif ÇSY hedeflerine ulaşmak için yeşil hidrojenden yararlanan karbon denkleştirmelerine yöneliyor.

Yeşil hidrojen üretme süreci avantajlarla birlikte gelir. Uluslararası Enerji Ajansı (IEA), yeşil hidrojenin, gazın geleneksel fosil yakıt yöntemleri kullanılarak üretildiği duruma kıyasla yılda yaklaşık 830 milyon ton karbondioksit tasarrufu sağladığını belirtiyor. Bu, Birleşik Krallık ve Endonezya'nın bir yıllık emisyonlarının toplamına eşdeğer!

Her yeni teknolojide olduğu gibi, yeşil hidrojen patlaması yaygınlaştıkça aşılması gereken bazı zorluklar var. Göz önünde bulundurulması gereken bazı konular arasında, uzun vadeli basınçlı depolama çözümleri oluşturmanın yanı sıra süreç verimliliği ve büyük ölçekte üretim maliyetleri yer alır. Zorluklar bir yana, yeşil hidrojen, çok ihtiyaç duyulan büyük ölçekli yeşil enerji üretimini dengelemeye yardımcı olabilecek heyecan verici yeni bir teknolojidir.

Fosil yakıttan uzaklaşmanın büyük bir kısmı, günlük olarak kullandığımız petrol ve gazla çalışan bazı makinelerin (örneğin, arabalar, yerel ulaşım ve bazı ülkelerde evlerin ısıtılması) elektriklendirilmesini içeriyor. Bilgisayarlar ve ev aletleri gibi halihazırda elektrikli olanlar için nükleerden elde edilen elektrik ve rüzgar ve güneş gibi yenilenebilir enerji kaynakları kömürün yerini alıyor.

Ancak, geleneksel yenilenebilir enerji kaynaklarının taleplerini karşılayamayacağı kadar fazla enerjiye ihtiyaç duyan bazı endüstriler var. Bu bir sorun çünkü bu endüstriler en fazla sera gazı yayanlar arasında yer alıyor.

Uzmanların yeşil hidrojenin büyük bir potansiyele sahip olduğunu söylediği yer burasıdır.
Enerji analistlerinden biri, "Rüzgar, güneş ve nükleer gibi kaynaklardan elde edilen elektrik, enerji sistemimizi karbondan arındırmak için gereklidir; ancak bunu tek başına yapamaz ve uzun mesafe taşımacılığı ve ağır endüstriler, azaltılması en zor emisyonlara ev sahipliği yapar" dedi. Ulusal Enerji Ajansı.

Remme CNN'e şöyle konuştu: "Hidrojen, kimya ve çelik endüstrileri için hayati önem taşıyan hammaddeler veya uçaklar ve gemiler için düşük karbonlu yakıtlar için önemli bileşenler sağlama konusunda bu kritik boşluklardan bazılarını dolduracak kadar çok yönlüdür."

Örneğin bir uçağı veya büyük bir gemiyi çalıştırmak o kadar fazla enerji gerektirir ki, güneş veya rüzgardan elektrik depolamak için kullanılan herhangi bir pil muhtemelen gemi için çok büyük ve ağır olacaktır. Yeşil hidrojen ise sıvı halde bulunabilir ve daha hafiftir. Sıfır emisyonlu ticari uçak geliştiren Airbus'a göre yeşil hidrojenin enerji yoğunluğu, bugün kullandığımız jet yakıtlarından üç kat daha fazla.

Sıvı yeşil hidrojen sıfır karbon yayıyor olsa da bazı sınırlamaları var. Açık atmosferde yakıldığında, güçlü bir sera gazı olan az miktarda nitröz oksit açığa çıkar. Ancak hidrojen bir yakıt hücresinden beslenirse yalnızca su ve sıcak hava yayacaktır.

Teknoloji henüz ticari olarak ölçeklendirilmemiş olsa da, bazı küçük uçaklar hidrojenle beslenen yakıt hücreleriyle uçmayı başardı.

Şu anda iklim hedeflerine ulaşmak için herkes görev başında. Enerji geçişinin gerçekten büyük bir desteğe ihtiyacı var. Hidrojenin buna önemli bir katkısı olabilir. Hidrojeni başarılı bir şekilde kullanabilmek için iş birliği şarttır; örneğin sanayide CO2 azaltımına, uçaklar için e-yakıtlara ve yapılı çevrede kullanıma katkıda bulunmak. Ancak yatırımlara ihtiyaç var ve sorular var.

Hidrojen nedir?
Hidrojen evrenimizdeki en yaygın elementtir. Normal şartlarda gaz halindedir ve hidrojen gazından (H2) bahsediyoruz. Hidrojen aynı zamanda bildiğimiz en hafif gazdır ve bu nedenle birim hacim başına (m3 cinsinden) düşük enerji yoğunluğuna sahiptir. Ağırlık başına (kg cinsinden), hidrojenin kg başına 120 megajoule (MJ) değerinde yüksek bir enerji yoğunluğu vardır. Bu, doğal gazın (kg başına 45 MJ) neredeyse üç katı kadardır. Hidrojen sıklıkla basınç altındadır. Ancak hidrojen gazının basınçlandırılması (sıkıştırılması) aynı zamanda gerekli enerjiyi de (yaklaşık %10) gerektirir.

Gri ve mavi hidrojen nedir?
Şu anda dünya çapında üretilen hidrojenin neredeyse tamamı 'gri hidrojen' olarak adlandırılıyor. Üretim şu anda Buhar Metan Reformu (SMR) yoluyla gerçekleştiriliyor. Burada yüksek basınçlı buhar (H2O) doğal gazla (CH4) reaksiyona girerek hidrojen (H2) ve sera gazı CO2'yi oluşturur. Hollanda'da bu şekilde yaklaşık 0,8 milyon ton H2 üretiliyor, dört milyar metreküp doğal gaz kullanılıyor ve 12,5 milyon ton CO2 emisyonu üretiliyor.
'Mavi hidrojen' veya 'düşük karbonlu hidrojen' terimi, gri hidrojen üretimi sürecinde açığa çıkan CO2 büyük ölçüde (%80-90) yakalanıp depolandığında kullanılır. Buna CCS: Karbon Yakalama ve Depolama da denir. Bu, Kuzey Denizi'nin altındaki boş gaz sahalarında gerçekleşebilir. Dünyanın başka hiçbir yerinde mavi hidrojen büyük ölçekte üretilmiyor.

Yeşil hidrojen nedir?
'Yenilenebilir hidrojen' olarak da bilinen yeşil hidrojen, sürdürülebilir enerjiyle üretilen hidrojendir. En iyi bilineni, suyun (H2O) yeşil elektrik yoluyla hidrojen (H2) ve oksijene (O2) ayrıldığı elektrolizdir. Hollanda'da çok sayıda parti bu megawatt ölçekli elektrolizörlerle denemeler yapıyor. Biyokütlenin yüksek sıcaklıkta gazlaştırılması sırasında da hidrojen açığa çıkar.

Turkuaz hidrojen nedir?
Erimiş metal pirolizi adı verilen teknoloji kullanılarak doğal gazdan üretilen hidrojene 'turkuaz hidrojen' veya 'düşük karbonlu hidrojen' adı veriliyor. Doğal gaz, katı karbonun yanı sıra hidrojen gazı da açığa çıkaran erimiş bir metalden geçirilir. İkincisi, örneğin araba lastiklerinde yararlı bir uygulama bulabilir. Bu teknoloji henüz laboratuvar aşamasında ve ilk pilot tesisin hayata geçmesi en az on yıl alacak.

Mavi ve yeşil arasındaki diğer temel farklar nelerdir?
Üretim yöntemine ek olarak, bir takım başka önemli farklılıklar da vardır:
Yalnızca elektroliz yoluyla üretilen yeşil hidrojen, denizde ve karada üretilen büyük miktarlardaki sürdürülebilir elektriğin enerji sistemimize uygun şekilde entegre edilebilmesini sağlar. Yalnızca elektroliz, elektriği esnek bir şekilde (talep üzerine) hidrojene dönüştürebilir ve daha sonra depolayabilir.
Ayrıca, büyük ölçekli elektrolizin geliştirilmesi, artan elektrik talebinin karşılanmasına yardımcı olacak ve böylece sürdürülebilir enerjinin büyümesini teşvik edecektir.
Kalite farkı da var. Yeşil hidrojenin saflığı daha yüksektir ve örneğin bir aracın yakıt hücresinde hemen kullanılabilir. Mavi hidrojen, endüstriyel uygulama için yeterli olan daha düşük bir saflık seviyesine sahiptir.
Mavi hidrojenin üretimi, endüstriyi karbondan arındırmanın, yani CO2'yi büyük ölçekte ve nispeten düşük maliyetle azaltmanın bir yoludur.

Topraktan elde edilen beyaz hidrojen geleceğin temiz enerji kaynağı mı?
Gri, mavi ve yeşil hidrojeni zaten biliyoruz, ancak artık beyaz veya doğal hidrojenin de mevcut olduğu görülüyor. Bu da doğalgaz gibi topraktan geliyor. Hidrojen oksijenle yandığında yalnızca su açığa çıkar. Beyaz hidrojen, suyun rüzgar veya güneş enerjisi (yeşil) ile elektrolizi ile elde edilmesi durumunda geleceğin önemli bir enerji kaynağı olma potansiyeline sahip, yeraltından gelen doğal bir hidrojendir.
Bu durumda, ilk önce CO2'nin (mavi) yakalanmasıyla bile doğal kül veya kömürden (gri) yapılmaz. Gaz esas olarak kimya endüstrisindeki ısıtma proseslerinde ve çelik ve gübre üretiminde kullanılıyor. Fosil enerjiden yeşil enerjiye geçişte güneş ve rüzgarın olmadığı dönemlerde elektrik için tampon depolama görevi görebilir.

Enerji geçişinde hidrojenin rolü nedir?
Mevcut enerji karışımımızın yaklaşık %20'si elektrik, %80'i ise doğal gaz veya sıvı fosil yakıt (benzin, dizel) şeklinde sağlanmaktadır. İklim hedeflerimiz yakın gelecekte bu durumu önemli ölçüde değiştirecek. Rüzgar ve güneş enerjisinin ürettiği elektriğin payı hızla artacak. Ağır taşımacılık, sanayi ve havacılıktaki yüksek sıcaklık prosesleri gibi bir dizi uygulama için iyi bir elektrik çözümü hâlâ eksiktir ve hâlâ sürdürülebilir bir gaza ihtiyaç vardır. Hidrojen burada yararlı bir rol oynayabilir. Ayrıca hidrojen, havanın rüzgarsız ve bulutlu olduğu anlarda büyük ölçekli depolama açısından önem taşıyor.

Hangi ülkeler hidrojen üzerinde de çalışıyor?
Norveç, Avustralya, Fas, Şili, Suudi Arabistan, Çin ve Japonya gibi ülkeler yeşil hidrojen konusunda oldukça aktiftir, bunun temel nedeni yeşil hidrojen üretmek için rüzgar, güneş veya hidroelektrikten elde edilen ucuz yenilenebilir enerjinin önemli ölçüde (potansiyel) mevcudiyetidir. Bunun bir istisnası, enerji tedariği için büyük ölçüde ithalata bağımlı olan ve büyük ölçekte (yeşil) hidrojen ithal etme stratejisi geliştiren Japonya'dır. Anahtar rolü teknoloji geliştirmede yatmaktadır. Hollanda, kısmen gaz ve elektroliz teknolojisi konusundaki bilgimiz, Kuzey Denizi'ndeki büyük rüzgar enerjisi potansiyeli ve sürdürülebilirlik konusunda güçlü bir taahhütte bulunması gereken enerji yoğun endüstri sayesinde iyi bir konumdadır.

Hidrojeni ne için kullanacağız?
Hidrojen proses endüstrisi için özellikle önemlidir. Şu anda esas olarak gübre üretiminde kullanılıyor ancak gelecekte, doğalgaz veya kömürün kullanıldığı çelik üretimi gibi yüksek sıcaklıktaki işlemlerde de kullanılabilir. Ayrıca hidrojen, örneğin daha uzun mesafeler kat etmesi gereken ve elektrikli sürüşün çözüm olmadığı şehirlerarası otobüsler için mobilitede de rol oynayacak.

Hidrojen vatandaş için ne anlama geliyor?
Kısa vadede pek bir şey belli olmayacak. Örneğin hidrojenin evlerde kullanılması, eğer böyle bir şey gerçekleşirse, çok gecikmiş olacak. Evlerin çoğunluğu için kolektif ısı şebekesi veya elektrikli ısı pompası daha iyi bir çözüm sunar. Trafikte hidrojen arabalarının sayısı (şu anda yüzden az) ve hidrojen dolum istasyonlarının sayısı (2018'de: 3) yavaş yavaş artacak.

Riskler nelerdir?
Hidrojen çok hafif bir gazdır, oldukça yanıcıdır ve 700 bara kadar basınç altında hareketlilikte kullanılır. Her gaz gibi üretimi, nakliyesi ve kullanımı sırasında dikkatli kullanılması ve yalnızca profesyonel firmalara bırakılması önemlidir. Mevcut gaz boru hatlarında hidrojen kullanılacaksa, hidrojenin pratikte gerçekte nasıl 'davrandığını' daha fazla araştırmak önemlidir. Hidrojen doğal gazdan daha hafiftir ve vanalardan ve contalardan daha kolay kaçabilir.

TNO hidrojen araştırması açısından ne yapıyor?
TNO, en ileri düzeyde uygulamalı araştırmalar yürüten bağımsız bir kuruluştur. Hidrojen konusundaki araştırmaları üretim, altyapı ve uygulamalara (dönüşüm ve son kullanım) odaklanmaktadır. TNO 2020 yılında bu temalarla ilgili 50'den fazla proje üstlendi. Bu projelerin bir kısmına ilişkin bağlantılar aşağıda bulunabilir (madde 15).

Yeşil hidrojenin gelişimi ne kadar ilerledi?
2000 ile 2018 yılları arasında toplam kapasitesi yaklaşık 100 MW olan yaklaşık 230 elektroliz projesi faaliyete geçti (kaynak: IEA 2019, The Future of Hydrogen). 2020 yılında küresel kurulu kapasite 200 MW iken, 2023 sonu itibarıyla yaklaşık 2.400 MW'tır. Bu rakamlar, daha yolun başında olduğumuzu ve tamamen yeni bir tedarik zinciri geliştirmemiz gerektiğini gösteriyor.
Daha büyük ve yeni nesil elektroliz sistemlerine yönelik malzeme ve bileşenler geliştirecek yeni şirketlere, yeni tedarikçilere ve yeni üreticilere ihtiyacımız var. Bu, Hollanda yüksek teknoloji endüstrisi için altın bir fırsattır. Avrupa Birliği'nin hedefi, 2030 yılına kadar Birlik içinde 40 GW, Kuzey Afrika'da ise 40 GW elektroliz kapasitesi kurmaktır. Bu hedefe ulaşmak hem teknolojik inovasyonun hem de fiili projelerin hızını artırmamızı gerektirecektir.

Elektrolizin yarattığı en büyük teknik zorluklar nelerdir?
Su elektrolizi açısından şu anda her biri kendine özgü avantajlara, dezavantajlara ve olgunluk düzeyine sahip dört teknoloji (AEM, SOE, PEM ve Alkalin) mevcuttur. Elektroliz kullanarak hidrojen üretimi ile ilgili videomuza bir göz atın(yeni bir pencere veya sekmede açılır) (farklı bir web sitesine atıfta bulunur). Dört teknolojinin tamamı için üç ana araştırma zorluğu şunlardır:
sistemle ilgili sermaye harcamalarını azaltmak
sistem verimliliğini artırmak için
2030 yılına kadar dünya çapında yıllık 30 GW elektrolizör üretim kapasitesine ulaşılabilmesi için büyük ölçekli üretimin önündeki engellerin aşılması.

Ürünler Çin'in tüm bölgelerinde satılmakta ve dünya ülkelerine ihraç edilmektedir. Amerika Birleşik Devletleri, Almanya, Fas, Kenya, Suudi Arabistan, Vietnam, Cezayir, Hindistan, Tanzanya ve Tayvan dahil olmak üzere 20'den fazla ülke ve bölgede satıldılar. China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group ve diğer tanınmış şirketler gibi tanınmış şirketlere başarıyla hizmet verildi. Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming gibi birçok yeşil hidrojen hidrojenasyon istasyonu yeşil ve hidrojen üretim projeleri sağlıyor.