Nihayet hidrojen enerji zamanı mı ?
Geçmiş teşebbüslerin aksine, sanki bu sefer hidrojen enerji eşiği geçecek gibi
İki soruya cevap aradım bu yazıda:
Hidrojen enerjisi hakkında son zamanlarda tekrar yükselen heyecan bu sefer bir sonuca varacak mı?
Türkiye için bu sektörde fırsatlar nelerdir?
İlgileniyorsanız okumaya devam edin.
Girizgah
Doktora tezim iki fazlı akışkanlarda yüksek ısı transferi halinde ortaya çıkabilen dengesizlikler (instabilities)1 üzerine idi ama doktora hocamın (Nejat Veziroğlu) o zamanlar esas ilgi duyduğu alanın hidrojen enerjisi olduğunu hatırlıyorum. Aradan 40 sene geçti, ilerleyen yaşına rağmen bu konudaki faaliyetlerine hala büyük şevkle devam ettiğini duyuyorum zaman zaman2.
O zamanlar Nejat Bey’in üç doktora öğrencisi vardı. Ben ve Aykut Menteş3 iki fazlı akışkanlarla ilgili idik. Bizimle aşağı aynı zamanlarda başlamış olan bir arkadaş, İlker Gürkan4, da hidrojen enerjisi üzerine çalışıyordu. İlker, Aykut, ben, ve de Vicente Medina5 , kampüste aynı apartman dairesinde kalıyorduk. O yıllarda, yani 1980 lerin başında, dünya fosil yakıtlara yüz çevirip hidrojen enerjiye geçti geçecek diyenler az değildi.
Ben hidrojen enerjisi konusunda Nejat Hocam ve İlker kadar iyimser değildim o zamanlar. Şimdi bakıyorum, Three Mile İsland ve hele Chernobyl sonrası, nükleer enerji üzerine kamuoyunda doğan kaygıların artması ile, benim doktora tez konuma ilgi giderek azalırken hidrojen enerjisi çalışmaları bazen yavaş bazen hızlı kesilmeksizin devam etti gitti.
Hidrojen enerjisinin yıllardır tartışılan, çok şeyler vadetmesine rağmen yaygınlaşamayan, ama üzerindeki ilginin de hiç bir zaman kaybolmadığı bir teknoloji alanı olduğunu belirtmek için bu girizgaha ihtiyaç doğdum. Eski günlerden bahsederken eski dostlar da aklıma gelmiş oldu. Hepsine selam olsun.
Rolls-Royce hidrojen üretim sektörüne giriyor
Bu yazı konusunu seçmeme yol açan bir kaç gün önce okuduğum şu haber oldu:
Hidrojen üretimi işine giren Rolls-Royce Power Systems, “başlangıçtan itibaren birkaç megavat güce sahip elektrolizörleri piyasaya sürmeyi” planlıyor.
Şirket, Alman elektroliz imalatçısı Hoeller Electrolyzer'ın %54 çoğunluk hissesini satın aldı.
Yukarıdaki şekilde, Rolls-Royce firmasının hidrojen stratejisini görüyorsunuz: Rüzgar ya da güneşten gelen ihtiyaç üstü elektrikle suyu elektroliz ederek üretilen hidrojen tanklarda depolanacak; ve ihtiyaç olduğunda, depolanmış hidrojen ısı hücreleri (fuel cell) kullanarak tekrar elektrik üretecek.
Rolls Royce ve başka büyük firmalar bence şu anda hidrojen enerjisinin geleceğine yatırım yapıyorlar. Yoksa, bugünkü hidrojen enerji teknolojisi sınırlı bir kaç uygulama dışında rekabetçi değil. Bu cümlemi biraz daha açmak istiyorum.
Round trip efficiency (Girdi-Çıktı verimlilik faktörü)
Hidrojen doğrudan bir doğal kaynak değil. Yeraltına kuyu kazıp doğal gaz gibi yüzeye çıkaracağımız hidrojen havzaları yok. Dünya üzerinde hidrojen çok ama hep başka elemanlarla kimyasal bileşim içinde. Bunların başında da su geliyor: H2O, yani iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomunun bileşimi. Hidrojen atom ağırlığı 1, oksijeninki ise 16 olduğuna göre, 1 kg su içindeki hidrojen miktarı 2/18 ya da 0.1111 kg. Doğal gazda (CH4) oran olarak biraz daha fazla (4/16 ya da 0.25). Jüpiter gezegenine gidip oradan hidrojen toplamayı düşünmüyorsak, hidrojen elde etmenin tek yolu bu kimyasal bileşimleri atomlarına ayırıp hidrojen atomlarını ayrı saklamak. İşte sorun burada başlıyor. Hidrojeni ayırmak için harcanan enerji, ayrıştırılan hidrojenden elde edilebilecek enerjiden fazla.
Amaç hidrojen ise, bunun ucuz yolu doğal gazı ya da kömürü dönüştürmek6. Ama amaç, hidrojeni bir yenilenebilir enerji deposu ve taşıyıcısı olarak kullanıp fosil yakıtları devreden çıkarmaksa, o zaman en geçerli yöntem hidrojeni suyun elektrolizi yolu ile üretmek7. Yani, elektrik enerjisi harcayarak suyu hidrojen ve oksijen atomlarına ayırmak. Hidrojen tankta saklanıp gerektiğinde PEM Fuel Cell (Yakıt hücresi) ile tekrar elektrik üretiyor. Yakıt hücresinden elde ettiğimiz elektrik (üretilen elektrik, Wg) her zaman elektroliz için harcanandan (tüketilen elektrik, We) az oluyor. Mevcut teknolojiyi kullandığımızda, giren enerji ile çıkan enerji arasındaki farkı hesaplayalım.
Rolls-Royce’un kullanacağı Hoeller elektrolizörleri için web sitelerinde şöyle tarif edilmiş
:
En sağdakini (L) alırsak,
Harcanan elektrik, We = 1.4 MW = 1400 kW
Bu elektrik harcaması ile üretilen hidrojen, Q = 295 Nm^3/saat
Üretilen hidrojenin ısı değeri, H = Q x LHV8 = 295 x 2.78 kW = 820 kW
Elektroliz verimliliği (hidrojen ısı değerinin harcanan elektriğe oranı) = 820/1400=58%
Yani daha hidrojeni üretirken, koyduğumuz enerjinin yüzde 42 sini kaybediyoruz. Hidrojeni tekrar elektriğe çevirirken kullanılan hidrojen türbini (ya da yakıt hücresi) verimlilikleri de taş çatlasa 65% i geçmeyecektir. O zaman H=820 kW lık hidrojeni tekrar elektriğe dönüştürdüğümüzde elimize ancak Wg=820 x 0.65 = 533 kW geçer. İkisini birleştirirsek, Hidrojenden ürettiğimiz elektrik ile elektroliz sırasında harcanan elektrik oranına round-trip (girdi-çıktı) verimliliği diyoruz.
Yukarıdaki hesaba göre bu rakam 533/1400 = 0.38 yani 38% oluyor.
Yüzde 38 bana çok düşük geldi. Bu rakamın elektroliz ve jenerasyon verimliliklerinin çarpımı olarak da ifade edebiliriz:
Jeneratör verimliliğini arttırmak bence zor. Yukarıda kabul ettiğim 65% rakamı iyimser bir rakam bence.
Sonuç olarak, sabit elektrik depolama hizmetinde Hidrojenin diğer depolama yöntemlerinin önüne geçmesi için elektroliz verimliliğinin artması lazım. Bu yönde çok araştırma yapılıyor ve şu anki sonuçlar umut veriyor. Mesela Nature Communications dergisinde Mart 2022 de yayınlanan bir makalede, Avustralya Wollongong Üniversitesinden bir ekip, kılcal kanallar kullanarak tasarlanan bir elektrolizörde verimliliğin 98% olacağını iddia ediyor. İnanılır gibi değil ama ya tutarsa. Elektroliz verimliğini arttırmaya yönelik başka bir sürü makale var, en iddialısını aktardım burda. Bunların tümü laboratuvar çalışmaları. Ne zaman ticari ürün olarak ortaya çıkar bilmiyorum.
Elektrolizde ciddi verimlilik artışları elde edilene kadar, sabit depolama (yani ihtiyacı aşan elektriğin, arzın talebin altında kaldığı bir zaman için saklanması) alanında hidrojen enerjisinin pazar imkanları bence sınırlı. Aynı işi görecek, girdi-çıktı verimliliği hidrojenden daha yüksek ve maliyeti daha az seçenekler var çünkü.
Ulaşım sektöründe hidrojen
Ulaşım sektörü biraz farklı. Atıksız ulaşım yakıtı olarak hidrojen dışı iki seçenek var. İkisinin de değişik sorunları var. Bunlar,
biyoyakıt
elektrik (Lityum iyon pili ya da benzeri yolu ile)
Biyoyakıt
Birinci seçeneği ikiye ayırabiliriz (a) mısır ve şeker kamışından üretilen etanol; ve (b) yosundan üretilen yakıtlar. Mısır, şeker kamışı ya da onun gibi nişastalı ya da şekerli mahsüllerden çıkarılan etanol kökenli biyoyakıtlar bence sürdürülebilir değil. Dünyada zaten bir açlık sorunu varken tarıma elverişli sınırlı alanlarda yetiştirdiklerimizi araba motorlarında yakmak ahlaki değil; ayrıca, devlet teşvikleri9 olmazsa ticari de değil. Yosundan yakıt üretimiyse şu anda henüz gelişmiş bir teknoloji değil ve maliyeti hakkında ciddi bir tahmin yapmak imkansız.
Elektrikli taşıtlar
İkinci seçenek, yani elektrikli arabalara karşı hidrojenin bir avantajı var mı bilmiyorum. Binek arabalarında, Toyota harici diğer otomobil üreticileri kartlarını elektrikten yana oynuyor gibi. Çoğunluğun elektrik motoru tercihinin sebebi bence maliyetten ziyade kullanım kolaylığı ve güvenlik kaygıları, Yoksa Economist dergisinin Morgan Stanley kuruluşuna atıfla yakın gelecek için tahmin ettiği yeşil hidrojen maliyeti $1/kg. Bir kilo hidrojenin enerji değeri yaklaşık olarak 1 galon (3.78 litre, ABD galonu ise) benzinle eş değerli olduğuna göre, bu pahalı değil aslında.
Toyota harici otomobil sektörünün elektrikli motor tercihini maliyet dışı kaygılara bağlıyorum. Nitekim, hidrojenle çalışan bir Toyota otomobilinin yakıt ikmali konusunda geçen hafta izlediğim bir videoda depolama basıncının 70 MPa olduğunu öğrendikten sonra bu kaygıları ben de temelsiz göremiyorum.
Yüksek tonajlı kamyon ve gemi, ve de uçaklarda bence hidrojenin geleceği daha parlak. Hidrojenle çalışan bir uçak bizim eyalette 2026 senesinde seferlere başlayacakmış mesela. On dokuz yolcu kapasiteli bu uçağın tasviri çizimi şöyle:
Sonuç olarak, hidrojenle çalışan otomobillerin yakın gelecekte yaygınlaşacağını sanmıyorum ama kamyon, gemi ve uçaklarda daha bugünden başlayan uygulamalar var ve artacağa benziyorlar.
Ulaşım sektörünün diğer elemanı trenler için, elektrik herhalde fosil yakıtların rakipsiz tek alternatifi olmaya devam edecek. Hidrojenle çalışan tren göreceğimizi sanmıyorum.
Enerji taşıyıcısı olarak hidrojen
Enerji taşıyıcısı derken, bir diyardan bir başka diyara enerji ihracatını kastediyorum. Bugün, bazı ülkelerde zengin gaz ve petrol kaynakları var; o kaynaklar, borularla ve gemilerle, diğer ülkelere taşınıyor ya, onun gibi. Güneş taşınmaz ama güneşten elde edilen enerji taşınabilir. Bu taşıyıcı, hidrojen olabilir mi?
Batı Avustralya’da AREH diye bir firma, güneş enerjisi ile hidrojen üretip satmayı amaçlıyor. Yılda yaklaşık 1,6 milyon ton yeşil hidrojen veya 9 milyon ton yeşil amonyak üretme kapasitesi hedefleniyormuş. Geçen ay BP, AREH’in 40% hissesini satın aldı. Henüz ciddi bir yatırım olmadı, hepsi planlama safhasında.
Buna benzer bir senaryo Çin için geçerli. Çin’in batısında güneş enerjisi bol ama nüfus ve enerji talebi Doğu Çin’de. Batıdan doğuya enerjiyi hidrojen boru hatları ile taşımaktan bahsediliyor ama şu anda kesin başlamış bir proje yok.
Bana sorarsanız, sanki elektriği doğrudan HVDC hatları ile taşımak daha akıllıca gibi geliyor. HVDC hat fiyatları ucuz değil (A$1b/km gibi), ama kayıp hidrojendeki yüzde 62 nin çok altında. Hidrojeni taşımak da ayrıca doğal gaz taşımak kadar kolay değil. Paslanma ve kaçak sorunları var. Belki deniz ötesi enerji taşımada hidrojen elektrik hattı döşemeye göre daha cazip geliyordur.
Bu konular araştırılmaya devam ediyor. HVDC hat maliyetlerine göre, taşıyıcı olarak elektrik yerine hidrojen kullanmak bazı şartlarda daha ehven olabilir belki.
Hidrojenin doğrudan kullanımı
Bir de hidrojenin bir yakıt değil de kimyasal bir eleman olarak kullanıldığı ve kullanılabileceği yerler var. Bunlardan, CO2 atıklarını azaltma potansiyeli en fazla olan sektör çelik üretimi. Kok kömürü yerine hidrojen kullanacak çelik üretim teknolojileri artık pilot üretim aşamasına geldiler. Bunların içinde sonuca en yakın olanı, üç İsveç firmasının üzerinde çalıştığı HYBRIT teknolojisi:
Önümüzdeki on yılda, çelik üretiminde bir teknoloji devrimi yaşanacağını tahmin ediyorum.
Türkiye için Hidrojen Enerjisi
Çeşitli sektörlerde, hidrojenin rekabet şansını yukarıda irdelemeye çalıştım. Türkiye için akla getirdiklerini, görüşlerimi mevcut kanıtlanmış teknolojilerle sınırlayarak, yazacağım şimdi.
Türkiye’de büyük barajlar var ve bu barajlar debi azlığından nadiren tam dolulukta çalışıyor diye biliyorum. O yüzden, sabit elektrik depolamaya ihtiyaç duyulursa eğer bu ihtiyacı suyu barajlardan yukarı pompalayarak karşılamak en uygun seçenek bence. Kömür ve gaz yakarak üretilen elektriği, yüzde 62 kayıbı göze alarak, hidrojene çevirmek akıl karı bir iş değil.
Hidrojen üretmek için Türkiye coğrafyasında güneşi bol olan bölgeler var. Mesela Güney ve Güneydoğu Anadolu, Avrupa’da güneş enerjisi arzında başı çeken Güney İspanya’ya eşdeğer gibi gözüküyor aşağıdaki haritada:
Bu harita doğru mu?
Şekil 5 haritasının, hepsi değilse bile en azından Türkiye ve Suriye taraflarının doğruluğu konusunda emin değilim. Enlem ve boylama göre atmosferin üstüne düşen güneş enerjisinin, uydu fotoğrafları ile takriben saptanan bulutluluk ve diğer hava faktörlerini de işin içine katarak düzeltilmesi, yani son tahlilde modelleme ile üretilmiş bir harita gibi geldi bana. İlave bir kaynak olarak, 2011 senesinde yayınlanan bir makaleyi okudum. Devlet Meteoroloji Ofisi uzmanı Bülent Aksoy imzalı bu makalede, Türkiye genelinde yapılan doğrudan güneş enerji ölçümlerinin bir güneş kaynak haritası yaratacak kifayette olmadığını belirtiyor. Aksoy’un NASA/SSE verilerini kullanarak hesapladığı rakamlara göre Türkiye güneş potansiyeli şöyle imiş
Şekil 5 ve 6 haritaları arasında büyük bir fark yok. Muğla civarı, Karaman’ın güneyi, ve Hatay’dan başlayarak tüm Güneydoğu Anadolu’da hatırı sayılır güneş parlaklığı (irradiance) olduğu kuvvetle muhtemel. Ancak, güneş parlaklığı dışında başka faktörleri de irdelemek lazım bir bölgenin güneş enerji potansiyelini değerlendirebilmek için. Mesela Muğla yöresi, Şekil 5 de kıpkırmızı gözüküyor ama yerleşim yoğunluğu, bitki örtüsü, ve engebeli arazi göz önüne alındığında, Muğla civarında büyük güneş santralleri kurmaya elverişli saha sayısı kısıtlı olabilir. Tarım ve başka amaçlarla kullanılmayan, topoğrafyası uygun alanlar olarak bakıldığında, Türkiye’deki güneş enerji potansiyelinin yukarıdaki haritalarda gözüktüğü kadar olmadığı üzerine bir Avrupa Birliği araştırma raporu okumuştum ama o raporu şimdi bulamadım.
Türkiye - Suriye işbirliği
Şekil 4’den benim çıkardığım sonuç şu: Türkiye eğer iç ve dış pazarlar için hidrojen üretmek istiyorsa, bunun Suriye ile birlikte yapılması en uygunu olur. Teknolojinin bir kısmı ve proje mühendisliği Türkiye’den, saha Suriye’den. Bazı siyasi engeller aşılabildiği takdirde, bu her iki ülke için muazzam bir proje olur. Bu konuyu daha ayrıntılı irdelemek istiyorum ama, bu yazı çok uzadı. Daha ileride inşallah.
Kısa kısa
Son okuduğum kitap - Alastair Reynolds’un Eversion romanı. Tipik Reynolds romanlarının çok dışında, bir gotik korku hikayesi gibi başlayan ama çok kısa zamanda öyle düz gitmeyeceği anlaşılan bir roman. Tavsiye ederim.
Son izlediğimiz dizi - Lazarus Project. Sadece bir sezon şu anda ama devam edeceğini sanıyorum çünkü hikaye ve tiplemeler harika.
Dinlenecek müzik - Neşet Ertaş’ın bütün eserleri.
Daha çok nükleer güç santrallarında görünen bir problem.
IndyStar gazetesi, 2020 Şubat ayında, Nejat Veziroğlu’nun bir hafta öncesinde Vatikan’da Papa Francis ile görüşmesini haber etmiş. Fotoğrafta gördüğüm Nejat Hocam benim 40 sene öncesinden hatırladığım gibi. Aynı fotoğrafta yer alan John Sheffield’i de hatırlıyorum. Ben doktoraya başladığımda, aynı bölümde genç bir hoca idi. İyi bir insan olarak aklımda kalmış. Daha sonra Missouri-Rolla’ya gitti. Bu haberden anladığıma göre şimdi Purdue’de imiş. Son yirmi yıldaki gelişmeler üzerine Nejat Hoca’nın ikinci eşi Dr Ayfer Veziroğlu ile 2021 Ocak ayında yapılmış bir mülakatı da izlemek isteyebilirsiniz.
Sevgili Aykut’la ODTÜ de beraber okuduk. İkimizin de ailesi Aşağı Ayrancı’da olduğu için, Meneviş sokaktan aşağı Tunus Caddesi ODTÜ otobüs duraklarına birlikte yürürdük çoğu zaman. Aşağı Ayrancı’dan gelip aynı otobüslere bindiğimiz Yusuf Ali, Nedim ve Barlas’ın da kulakları çınlasın. Sevgili Nedim’i İstanbul’a gittiğimizde görüyorum ama Aykut, Barlas ve Yusuf Ali’yi ne zamandır görmedim.
Sevgili İlker ile bağımız koptu doktora sonrası. Bu satırları yazarken gugulladım, Netkent Üniversitesinde olduğunu öğrendim. Bu vesile ile, kendisine selam ve sevgilerimi gönderiyorum.
Vicente, ailesi New York’ta yaşayan Küba asıllı bir arkadaştı. Felsefe bölümünde doktora yapıyordu. Uzun uzun sohbet ederdik kendisi ile. Mantığı ve bilgisi kuvvetli bir arkadaştı. Sohbetlerimiz zevkli olurdu. Ben Miami’den ayrıldıktan sonra bir iletişimimiz olmadı. Şimdi gugulladım, Seton Hall Üniversitesinde hoca imiş, yeni de bir kitabı yayınlanmış. Kindle versiyonu varsa alıp okuyacağım.
Fosil yakıtlardan üretilen hidrojene gri hidrojen deniyor ve Economist dergisinde geçen sene yayınlanan bir makaleye göre üretim maliyeti $1/kg (Amerikan doları).
Thermal splitting gibi başka yöntemler de araştırılıyor ve belki ileride gündeme gelebilir. Yenilenebilir kaynaklardan üretilen hidrojene yeşil hidrojen deniyor ve Economist dergisinde geçen sene yayınlanan bir makaleye göre üretim maliyeti $4-$5 dolar (Amerikan doları) ancak yakın gelecekte yenilenebilir enerji kaynaklarının bol olduğu yerlerde (mesela Batı Avustralya) $1-$2/kg a inmesi bekleniyor.
LHV (Lower Heating Value) = 2.78 kWh/Nm3 — 1 Nm3 hidrojeni yakınca elde edilen ısı (su buharıyla kaçan ısı hariç).
Nm3=Normal metreküp; yani 1 atmosfer basınç, 0 oC, kuru gaz metre küpü.
ABD ve benzeri ülkelerde mısırdan etanol üretimi için çiftçilere yapılan devlet yardımı, tarımsal sektörden oy almak için.
Eline sağlık Halim'cim. Önemli bir konuya değinmişsin.
Bu yazıyı, üzerinde çok az oynayarak, Mühendis ve Makina Güncel dergisinde yayınlanabilecek duruma getirebiliriz diye düşünüyorum. Ne dersin?