Elektrolizden gelen hidrojen: Çok yönlü yakıt

Enerji üretimi ve dağıtımı söz konusu olduğunda hidrojen, her geçen gün önemini artırıyor. Onunla sadece rüzgar ve güneş tesislerinde üretilen ihtiyaç fazlası elektrik depolanmayacak, aynı zamanda arabalar için yakıt hizmeti de verilecek. Üstelik plastik üretiminde kullanılan hammaddeleri üretmek için yenilenebilir bir şekilde üretilmiş karbondioksit ile de birleştirilebilecek.

28.09.2015 11:30:540
Paylaş Tweet Paylaş
Elektrolizden gelen hidrojen: Çok yönlü yakıt
Ama ne israf! Kuzey Almanya’da rüzgar alabildiğine esiyor. Ancak hemen oracıktaki rüzgar çiftliklerinin pervaneleri hiç kıpırdamadan hareketsiz duruyor. Siemens’in elektroliz bölümünde çalışan bir ürün uzmanı olan Erik Wolf, “Kuzey Denizi sahillerindeki rüzgar sistemleri günün yüzde 20’sinde kapalı tutulmak zorunda. Aksi halde belirli bir anda ihtiyaç duyulandan çok daha fazla miktarda enerji üretmiş olurlar” diyor. “Bu durum aslında yenilenebilir enerjilerle ilgili merkezi bir meydan okumayı çok güzel yansıtıyor. Yani hava koşulları değiştikçe üretimin de ona bağlı olarak dalgalanmasını. Bir başka ifadeyle burada arz konvansiyonel tesislerde olduğu gibi talebe bağlı değil.” Almanya’nın Federal Şebeke Ajansı’nın gözlem raporlarına göre Alman enerji şebekesi, artık rüzgar enerjisindeki yıllık bazda gigavat’lar seviyesinde artışa yetişemeyecek. Almanya 2009 yılında yaklaşık 74 gigavat/saat’lik (GWh) rüzgar enerjisi üretmişti. 2010 yılında bu rakam, 127 GWh’a, 2011’de 420 GWh’a ve 2012’de de 385 GWh’a yükselmişti. İşte bu rakamlar, neden rüzgar türbinlerinin bir fırtına esnasında kapalı tutulduğunu ve neden yüksek karbondioksit salımlı köhnemiş kömürle çalışan enerji tesislerinin rüzgarsız havalarda şebekeye bağlandıklarını çok iyi açıklıyor. Almanya kendi enerjisinin giderek daha büyük bir oranını rüzgarla güneşten elde etmeye başladıkça bu sorunlar çok daha fazla dile getirilmeye başlanacak. Alman Federal Hükümeti’ne göre 2030 yılına gelindiğinde bu ülke kendi enerji talebinin yaklaşık yüzde 50’sini yenilenebilir enerjilerle karşılıyor olacak ve 2050 yılında bu gibi kaynaklarının oranının yüzde 80’e ulaşması bekleniyor. Oysa rüzgarın şiddetli estiği zamanlarda ihtiyaç fazlası enerjiyi depolayabilen ve talebin yüksek olduğu zamanlar onunla şebekeyi geri besleyen devasa enerji depolama sistemleri olmaksızın bu hedefler asla tutturulamaz. Alman Federal Çevre Bakanlığı’nın Siyasi Müsteşarı Katherina Reiche, “Yenilenebilir enerjilere dayanan bir enerji sisteminden kaynaklanabilecek gelecekteki meydan okumalarla başa çıkabilmek için bizim saniyeler veya saatlerle sınırlı olan kısa vadelilerden günler veya haftalarla sınırlı olan uzun vadelilere kadar her şeye uygun türlü türlü enerji depolama sistemlerine ihtiyacımız olacak” diyor. Almanya bu konuda kesinlikle yalnız değil. Şu anda yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını artırmaya çalışan diğer çok sayıda ülke de gelecekte kendi enerji şebekelerine bu gibi depolama sistemlerini eklemek zorunda kalacaklar.
~
 Wolf, “Biz şu anda örneğin Danimarka, Fransa ve Kanada gibi çok sayıda yerde bu konuda ayrıntılı tartışmalar yapıyoruz” diyor. Ve iş ihtiyaç fazlası elektrikle üretilen enerjinin depolanmasına geldiğinde, elektroliz kilit bir rol oynamaya hazırlanıyor. Burada bir elektrik akımı aracılığıyla su, oksijen ve hidrojen gazına ayrıştırılıyor. 200 bar’lık bir basınçta hidrojen gazının enerji yoğunluğu bir lityum-iyon pilinkiyle karşılaştırılabilir. Böylelikle bu sıkıştırılmış hidrojen gazı, tıpkı doğalgaz tedarikçilerinin rezerv olarak kullandıkları türden yeraltı mağaralarında veya yüzde 5’e kadar 4 Gelecek&Trendler l Ağustos 2015 hidrojeni sorunsuzca saklayabilecek mevcut doğalgaz şebekesinde depolanabilir. Sırf matematiksel terimlerle ikinci depolama çözümünde 130 teravat/ saat’lik elektrik enerjisi hidrojen formuna dönüştürülebilir ki bu rakam Almanya’nın yıllık enerji tüketiminin neredeyse dörtte birine eşittir. Yeraltında depolama Bu hidrojen gazı sonra rüzgarsız veya bulutlu günlerde bu mağaralardan alınarak örneğin elektrik üretmek için elektrikli bir jeneratörü çalıştıran kombinedöngülü bir enerji tesisinde yakılabilir. Şu anda elbette saf hidrojeni yakabilecek bir türbin mevcut değil. Ancak 2018 yılından itibaren bunları görmeye başlayabileceğiz. Örneğin Siemens şu anda büyük bir titizlikle yakıt olarak hidrojen kullanabilen gaz türbinlerinin geliştirilmesine hazırlık yapıyor. Her ne kadar rüzgarla üretilen enerjinin tahminen yarısı elektroliz ile ardından bir gaz türbinindeki yanma sürecinde kaybedilecek olsa da rüzgar jeneratörleri artık aşırı kapasite yüzünden kapatılmak zorunda kalınmayacak. Üstelik dalgalanan enerji üretimi sorunu da çözülmüş olacak. Wolf, “Bizim Almanya’da gelecekteki enerji tüketiminin doğasına bağlı olarak her biri yaklaşık 500 bin metreküp hacminde maksimum 400 mağara rezervine ihtiyacımız olacak. Bu tesislerde depolanabilecek maksimum 60 teravat/saat’lik enerji Almanya’nın yıllık talebinin aşağı yukarı yüzde onuna tekabül ediyor. Bu miktar da uzun süreli düşük rüzgar ve güneş enerjisi dönemlerinde bile tüketicilere yeterince elektrik verilmesini sağlayacaktır” diyor. İngiltere ve ABD’deki iki tane küçük hidrojen mağarası yıllardır faaliyet gösterip duruyor. Bu tesisler, şimdiye kadar bu depolama türünün güvenli olduğunu çoktan ispatlamış durumda. Uzmanlar tipik bir hidrojen depolama tesisinin 10 ile 30 milyon Euro arasında bir maliyeti olacağını hesaplıyorlar. Altyapı hizmetleri şirketlerinin aynı zamanda tesis çıktısına bağlı olarak genellikle 50 ile 700 milyon Euro arasında değişen bir yatırım gerektiren doğalgazla çalışan tesislere ve elektrolize de yatırım yapmaları şart. Enerji şirketleri, hidrojen teknolojisinde müthiş bir potansiyel yattığını düşünüyor. Almanya’nın RWE Power şirketinin araştırma bölümünden Dr. Sebastian Bohnes, “Biz CO2 salımlarını dikkate değer oranda kısmak istiyoruz. Bu yüzden de yeni ve verimli enerji tesisi teknolojileri geliştiriyor ve kuruyoruz. Aynı zamanda rüzgar çiftliklerinin sayısını da artırıyoruz” diyor. “Bugünlerde çoğunlukla enerji şebekesindeki dar boğazlar yüzünden rüzgar türbini hızları istim kesmiş durumda. Yenilenebilir enerji kullanımını artırmaya yönelik çabalar sayesinde aşırı kapasitelerde hızlı bir artış yaşanabilir.
~
Elektroliz ise hidrojen gazı formunda enteresan bir depolama yöntemi sunuyor, yani burada elektrik hemen kullanılamıyor.” Burada elektrikten enerji zengini gaz üreten elektrolizörlerin elektrik enerjisi arzındaki dalgalanmalara çabucak tepki verebilecek kapasitede oldukları varsayılıyor. Oysa birkaç dakikalık tepkime süresi olan bu sistemler, bugüne kadar aşırı yavaş kaldı. Esnek hidrojen fabrikası Siemens Kurumsal Teknolojiler’den araştırmacılar, işte bu yüzden yıllardır çok daha esnek bir alternatif elektroliz teknolojisi geliştirmeye çalışıyor. Elektrolizörlerinde konvansiyonel alkalin elektroliz teknolojisinin aksine oksijen ile hidrojenin üzerinde oluşturulduğu iki elektrotun arasında proton bir trampa zarı (PEM) olacak. “Bu PEM elektrolizörü milisaniyeler içinde tepki verecek ve kendi nominal enerji gücünü uzunca bir süreliğine üç kat daha hızlı çalıştırabilecek. Bir başka ifadeyle enerji üretiminden keskin bir artış yaşansa bile hiçbir zorlukla karşılaşmadan ihtiyaç fazlası enerjiden faydalanabilecek.” Siemens’in PEM teknolojisi, artık laboratuvar ortamından çıkarılıp günlük uygulamalara uyarlanabilecek kadar olgunlaşmış durumda. Bu elektroliz ekibi 10 kilovat’lık (kW) bir nominal güç değeri olan bir araştırma elektrolizörü ile 300 kW alanında maksimum performansı olan başlangıçtaki sınama tesislerinden gelen sonuçlara dayanarak şu anda 1,25 megavat’lık (MW) nominal enerji değeri ve 2,1 megavat’lık maksimum değeri olacak bir basınçlı elektrolizör olan ikinci ürün kuşağı üzerinde çalışıyor. 2015 Temmuz’unda Almanya Mainz’da bir araştırma projesi kapsamında toplam çıktısı 6 MW’ı bulacak üç tane elektroliz sistemi hizmete girecek. Onların yenilenebilir enerji kaynaklarından ürettikleri hidrojen, doğalgazla çalışan enerji şebekesine bir enerji depolama aracı olarak entegre edilecek. Endüstriyel süreçlerde kullanılacak ve yakıt pilli araçlara yönelik bir hidrojen dolum istasyonunu besleyecek. Sonuçta bu hidrojen dolum istasyonlarına yakıt tankerleriyle taşınılmak zorunda olunmayacak, çünkü o yerinde üretilecek. Bu yeni nesil elektrolizörler sayesinde eskiden kurulu yükün kilovat başına 10 bin Euro’dan fazla olan hidrojen üretiminin maliyeti, kilovat başına pekala 2 bin Euro’nun altına indirilebilecek. Tasarımda kaydedilecek gelecek iyileştirmelerle en geç 2018 yılı itibariyle maliyetler kilovat başına 900 Euro’nun bir hayli altına çekilebilecek. O zaman geldiğinde Siemens elektrolizörlerinin üçüncü kuşağının 100 MW’a kadar güçle başa çıkabileceği ve bu sayede rüzgarla üretilen elektriğin çok daha büyük miktarlarda ihtiyaç fazlası kısmını hidrojene dönüştürebileceği bekleniyor. Aslında büyük bir rüzgar çiftliğinin ihtiyaç fazlası enerjisini dönüştürmek için 60 ile 90 megavat kapasitesinde bir elektrolizör yeterli olabilir. Bu durum hidrojenin çok önemli bir avantajının altını çiziyor: Çok yönlülüğünün… Tekrar elektriğe dönüştürülebilir, arabalara enerji verebilir ya da doğalgazın başlıca bileşeni olan metan gazının elde edilmesi için hidrojen ile karbondioksitin reaksiyona girdiği bir süreçte “metanize” edilebilir. Dolayısıyla hidrojenin enerjisi mevcut doğalgaz dağıtım altyapısında depolanabilir. Ancak aynı zamanda ısıtma veya gazla çalışan arabaların depolarında da kullanılabilir. Siemens uzmanı Wolf, “Prensip olarak metanizasyon çok iyi bir fikir. Ancak bu süreç sadece hem H2’nin hem de CO2’nin bir biyokütle tesisi gibi yenilenebilir bir kaynaktan gelmesi durumunda karbon nötrdür. Ve hidrojenin metana dönüştürülmesi için de enerji gerektiğinin unutulmaması gerekir. Yani enerji bazında hidrojeni doğrudan kullanmak her zaman çok daha verimlidir” diyor. Doğalgaz rüya takımı Hidrojen sadece kusursuz bir enerji taşıyıcısı değil ama aynı zamanda kimya endüstrisi için de şu anda neredeyse tamamıyla doğalgazdan elde edilen çok önemli bir hammaddedir. Bir yandan bu yüzden buradaki hedef, hidrojenin yenilenebilir elektrikten üretilmesinin maliyetini doğalgazdan üretilmesinin maliyetine yaklaştırmak olmalıdır. Diğer yandan ise hidrojen (H2) sera gazı karbondioksiti ile gerçek bir rüya takım oluşturabilir. CO2’nin kimyasalların üretiminde yenilenebilir enerjilerle nasıl birlikte kullanılabileceği aslında Siemens, RWE, Bayer Teknoloji Hizmetleri, Bayer Malzeme Bilimi ve diğer on ortağın 2010 yılında birlikte başlattıkları bir araştırma projesinin temelini oluşturuyor.
~
 CO2RRECT (Rejeneratif Enerjiler ve Katalitik Teknolojiler kullanan CO2 Reaksiyonu) olarak bilinen bu projenin değeri 18 milyon Euro civarında ve bunun 11 milyon Euro’su Alman Federal Eğitim ve Araştırma Bakanlığı tarafından fonlanıyor. CO2RRECT projesinin altında yatan temel fikir, kimyasallar endüstrisinin geleneksel olarak fosil enerji kaynaklarından elde edilen çok önemli bir ara ürünü olan karbon monoksitin (CO), bunun yerine atık ürün olarak geriye sadece suyun kaldığı karbondioksit ile hidrojenden üretilmesine dayanıyor. CO2RRECT’in lider proje yöneticisi Bayer’den Daniel Wichmann, “Bu reaksiyon Bayer’in şu anda bilim dünyasından ortaklarıyla birlikte geliştirdiği özel katalizörler kullanılarak gerçekleştiriliyor. Farklı bir katalizörle de organik kimyada önemli bir temel bileşen olan formik asit elde etmek mümkündür” diyor. Tüm bunlar için kritik bir faktör de CO2 ile H2’nin yeterince miktarlarda el altında olmasıdır ve bu da proje ortaklarından Siemens ile RWE’nin sorumlulukları kapsamındaydı. Enerji şirketi RWE, Alman eyaleti Kuzey Rhine- Westphalia’daki Niederaußem’da enerji tesisinin salımından CO2’yi ovarak çıkaran bir baca gazı sistemiyle donatılmış linyit kömürüyle çalışan bir enerji tesisi işletiyor. Bu gaz sonra CO2 içeriğini inceleyen araştırmacılara gönderiliyor. Bu çalışmanın bir parçası olarak Siemens’in elektroliz konteynerlerinden biri 2012 yılı sonlarında Niederaußem’da kuruldu ve gerçekçi koşullar altında teste tabi tutuldu. Burada gerçek rüzgar çiftliklerinin şebekeye özel yük profilleri ile girdi özelliklerinin simülasyonları yapıldı ve ardından bir performans eğrisi olarak elektrolize transfer edildi. Bu simülasyon çok başarılı oldu. Elektrolizler kendilerinden istenen dinamik talebi tam anlamıyla karşıladılar ve projenin gelişiminde daha fazla malzeme kullanımı için altı tonluk hidrojen ürettiler. CO2’den plastiklere Bayer ve ortağı Invite, şu aralar Leverkusen’de 2014 yılında açılması kararlaştırılmış bir deneme tesisi inşa ediyor. Bu test sahasında, CO oluşturmak için CO2 ve H2 reaksiyona girecekler. Şayet bu süreç verimli olduğunu ispatlar ise o zaman bu yoldan üretilen CO önünde sonunda mesela kârlı bir izosiyanat üretimi gibi endüstriyel ölçekte kullanılabilir hale gelecek. Bu organik bileşenler aslında otomobillerden, mobilyalara ve yalıtıma kadar her şeyde bulunan poliüretan için besleyici bir malzeme olarak kullanılabilir. Wichmann, “Biz bu sınama tesisiyle dalgalı hidrojen üretiminin kimyasallar endüstrisinin gereksinim duyduğu sabit süreçlerle birleştirilebileceğini göstermek istiyoruz” diyor. CO2RRECT projesi, 2013 sonunda başarıyla tamamlandı. Şimdiye kadar kimya şirketleriyle enerji üreticileri sonuçlarından muazzam kazançlı çıkıyor. Enerji tesisi operatörleri, artık yeraltında depolamak yerine çıkarılan CO2’yi doğrudan kullanabiliyor. Aynı zamanda emisyon sertifikası masraflarından da kurtulmuş oluyorlar. Plastik imalatçıları ise petrole olan bağımlılıklarını azaltmış oluyor. Son olarak iklim de bundan kazançlı çıkıyor. Bohnes, “CO2RRECT süreci ve bu teknolojide süregelen iyileştirmeler sayesinde Almanya’da yılda birkaç milyon metrik tonluk CO2 salımının önüne geçilebilir. Ve bu rakam toplam Alman karbondioksit salımlarının yüzde 1-2’sine eşdeğerdir” diyor. 

Türkiye ve dünya ekonomisine yön veren gelişmeleri yorulmadan takip edebilmek için her yeni güne haber bültenimiz “Sabah Kahvesi” ile başlamak ister misiniz?


İLGİNİZİ ÇEKEBİLİR

Yorum Yaz