Bir Enerji Kaynağı Olarak “Hidrojen”

Rüzgâr ve güneş enerjisi gibi yaygın olarak kullanılan yenilenebilir kaynaklar kesintisiz enerji tedariki açısından sürdürebilir nitelikte olmadığından, küresel ısınmanın engellenmesi hedefiyle endüstrinin iklim-nötr transformasyonu bağlamında hidrojen enerjisinin önemi artıyor; hem (yenilenebilir) enerji kaynağı olarak hem de bir enerji taşıyıcısı niteliği ile depolama aracı olarak.

hidrojen

Bir önceki “Enerji Sorunu ve Yerkürenin Geleceği: Nereye Gidiyoruz?” başlıklı yazımızı “… Bir de işin ekonomik olarak sürdürülebilir olma yanı var tabii, ki bu da -bütün enerji kaynaklarında olduğu gibi Hidrojen Enerjisi Teknolojisi’nin de aktüel sorunu. Bu da gelecek bir çalışmanın konusu olsun!” cümleleri ile bitirmiştik. Buradan devam ediyoruz.

 

Hidrojen, Yunancada “su üreten” anlamına gelen hydrogene kelimesinden geliyor. Kısaca tarif edecek olursak hidrojen enerjisi, doğada bolca bileşikler halinde bulunan bir element olup, buradan, özellikle sudan (H2O) dışardan yüksek miktarda enerji eşliğinde hidrojen elementinin ayrıştırılması yöntemiyle elde edilir; sürdürülebilir-temiz, yani kullanıldığında sera gazı atığı olmayan bir enerji çeşididir. Bu açıdan yenilenebilir enerji kaynakları altında telakki edilmelidir. Hidrojen gazı havadan 14 kez daha hafif, zehirsiz, kilo bazında doğal gazdan en az iki kat ve petrolden neredeyse üç kat ısıl değerdedir; üretilmesi için kendi enerji değerinin üçte biri harcanarak -252 derecede, gaz halindeki hacminin sadece 1/700 kadarı ile sıvı haline getirilebilir, böylelikle borular ve tanklarla taşınabilir. Normal ısı şartlarında “ağırdan” reaksiyon gösteren hidrojen, yüksek ısı ortamında oldukça reaktiftir: Bu durumda saf hidrojen havada oksijen ile hafif mavimsi bir renkle yanarak etkileşime girerek suya dönüşür.

 

Yeşil Hidrojen Enerjisi

 

Hidrojen gazının belli başlı üretim teknikleri aşağıdaki şekildedir:

 

 

Gri Hidrojen

Mavi Hidrojen

Turkuaz Hidrojen

Yeşil Hidrojen

Sarı Hidrojen

Üretiminde Kullanılan Enerji

Fosil

Fosil

Fosil

Yenilenebilir

Atom

 

Gri Hidrojen fosil doğal gazdan -ton başına yaklaşık 10 ton sera gazını atmosfere salarak- üretilir. Mavi Hidrojen de aslında bir yerde gri hidrojendir, ama burada uygulanan CCS (Carbon Capture and Storage) yöntemi ile açığa çıkan CO2 gazı en fazla yüzde 90’ı ayrıştırılarak yeraltında depolanır. Turkuaz Hidrojen ise doğal gaz içindeki metanın termik olarak hidrojen ve katı, granül halindeki karbona ayrılması ile elde edilir; burada kullanılan enerjinin “yenilenebilir” olması halinde üretim iklim açısından nötrdür. Sarı Hidrojen ise üretiminde nükleer güç santrallerinden gelen elektriğin kullanılması ile oluşturulan enerji kaynağıdır.

 

Özetle; bu noktada tespit edilmesi gereken bir gerçek, hidrojen gazı üretiminde, “sıfır” sera gazı (CO2) salımı -tamamen iklim-nötr olması- nedeniyle ekolojik açıdan yalnızca Yeşil Hidrojenin, yani yenilenebilir enerjiler vasıtasıyla üretilen hidrojen gazının anlamlı olduğudur.

 

Rüzgâr ve güneş enerjisi gibi yaygın olarak kullanılan yenilenebilir kaynaklar kesintisiz enerji tedariki açısından sürdürebilir nitelikte olmadığından, küresel ısınmanın engellenmesi hedefiyle endüstrinin iklim-nötr transformasyonu bağlamında hidrojen enerjisinin önemi artıyor; hem (yenilenebilir) enerji kaynağı olarak hem de bir enerji taşıyıcısı niteliği ile depolama aracı olarak.

 

Hidrojen Neden Yaygın Kullanıma Ulaşamıyor?

 

Yerine göre henüz yeteri kadar sağlan(a)mayan teşviklerin, vergi kolaylıklarının olmaması gibi yapısal sorunların yanında, hidrojen enerjisi üretimi:

 

a. Teknik açıdan üretimindeki yüksek enerji yoğunluğu nedeniyle (ki bu durum -çalışmamızın devamında değineceğimiz gibi- teknik bir sorun olarak bu kadar yenilenebilir enerjinin nereden, nasıl geleceği sorusunu da beraberinde getiriyor) ve

 

b. Yüksek enerji isteyen üretimde pratik ve daha ucuz olduğundan yaygın biçimde kullanılan elektroliz yönteminde kullanılan elektrolizörlerin seri üretimi henüz yaygın olarak yapılamadığı için halen oldukça pahalı.

 

Bu noktada yüksek üretim masraflarına bir de üretilen enerjinin depolama ve nakliye giderleri eklendiğinde fiyatlar daha da yükseliyor. Mevcut gaz dağıtım kanallarını kullanmak oldukça “hesaplı” bir alternatif olsa da uzmanlar MWh başına 10 ila 30 euroluk bir nakliye gideri olacağını tahmin ediyorlar. Bu bağlamda hidrojen enerjisinin üretildiği yerlere yakın konumlanmanın gider açısından avantajlı olacağı sonucu çıkarılıyor.

 

Bu nedenlerden dolayı hidrojen enerjisi üretiminin henüz ekonomik olmamasının genelde yatırımcıları tereddütte bırakması, sektörde maliyetlerin düşmesini engelleyen diğer bir faktör olarak ortaya çıkıyor. Zamanında güneş enerjisi sektöründe de yaşanan zorluklar, devletlerin olağanüstü destekleri ile aşılmış, klasik enerji sektörlerinden çok daha ucuz hale gelmişti. Bu bağlamda hidrojen gazına verilebilecek, onu diğer enerji kaynakları ile rekabetçi seviyeye getirebilecek en önemli (yapısal) desteklerden birinin CO2 fiyatlandırılmasının yükseltilmesi olabileceğini belirtmiş olalım.

 

Hidrojen enerjisi meydana getirmekte kullanılan elektrolizörler -günümüze kadar fazla talep olmadığı için el emeği ile üretiliyordu. Şimdi ise hidrojen enerjisinin giderek aktüel olması ile üretime Siemens, Asahi Kasei ve Thyssenkrupp gibi uluslar-ötesi firmaların girmesi, belli finans çevrelerinin piyasada yer tutmuş, geleceği olan orta boy firmalarla ortaklaşması ile sektörde, özellikle üretim bazında işin rengi değişmeye başladı. [1]

 

Bu noktada yenilenebilir enerjilerin fiyatlarının düşme trendinin yeşil hidrojen üretimini daha da çekici hale getirebileceğini söylemek bir kehanet olmaz. Bu sektörde küresel plandaki atılım tarihi 2030’lar olarak veriliyor. Uluslararası Enerji Ajansı (IEA) hidrojen gazı fiyatlarının bu tarihlerde bugünkü fiyatının üçte biri kadar düşeceğini hesaplıyor; bunu ise yenilenebilir enerji fiyatlarının giderek daha da düşeceği, elektrolizör fiyatlarının kitlesel üretiminin başlaması ile azalacağı ve hidrojen gazına olan talebin giderek artacağı gerekçelerine dayandırıyor.[2] Buradan çıkan sonuç, böylesine enerji yoğun bir üretim anlamına gelen hidrojen enerjisi gibi bir kaynağın belli bir yaygınlıkta kullanımının ancak ve ancak yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji üretiminin yaygınlaştırılması ile mümkün olabileceğidir. En yaygın ve tercih edilir olan elektroliz metoduyla üretilen hidrojen enerjisinde kapasite faktörünün yüzde 61-81 [3] arasında tahmin edildiğini söyleyecek olursak, üretimde “kaybedilen” enerji miktarı konusunda bir fikir vermiş oluruz.

 

Neden Hidrojen Enerjisi?

 

Olgunun ekolojik ve ekonomik olarak nitelendirilebilecek iki ayağı var:

 

1. Ekolojik zemin, bu noktada oluşan krizin, Paris Anlaşması’nın “endüstrileşme öncesine kıyasla en fazla 1,5°C’lik ısınma” hedefine 2050 yılına kadar ulaşılması yolu ile üstesinden gelinmesinin dünyada ancak enerjide, enerji politikasında bir dönüşüm ile mümkün olduğu gerçeğine dayanıyor! Bu doğrultuda, mesela Almanya’da hükümetin iklim koruma programı (BMU 2018) ve Avrupa Birliği’nin (AB) Birleşmiş Milletler’in 2015 Paris Anlaşması doğrultusundaki hedefleri, Almanya için karbon salımlarını azaltma konusunda, ana hatları ile aşağıdaki yol haritasını önüne koyuyor:

 

– Sera gazı salımlarının 2030 yılı sonuna kadar 1990’daki seviyeye göre yüzde 55, 2050 yılına kadar ise yüzde 80-95 civarında azaltılması,

 

– Söz konusu karbon (CO2) salımları açısından (tarım dışında) tüm sektörlerde -yüzyılın ortasına kadar- nötrleşmenin sağlanması.

 

Bu hedefler, yenilenebilir enerjilerde atılım politikalarını, bununla birlikte yeşil hidrojen enerjisinin desteklenmesini beraberinde getiriyor. Hidrojen enerjisine olan talebin yüksel(til)mesi yolunda atılacak ilk efektif adım olarak, AB’nin yenilenebilir enerjiler konusundaki yönergesinin (Renewable Energy Direktive) ulusal hukuka dahil edilerek uygulamaya alınması yolunda Fraunhofer Enstitüsü’nün yapmış olduğu öneri, 2023 yılında AB’de kabul edilerek yürürlüğe girdi. Bununla 2030 yılı itibarıyla bölgede yenilenebilir kaynakların enerjideki payının yüzde 32’den yüzde 45’e yükseltilmesi planlanıyor. Bu karar, 2021’de de facto yüzde 22 olan bu payın ikiye katlanması, bunun yenilenebilir enerjilerde fiyatların düşmesi eğilimini kuvvetlendireceği, bu gerçeğin ise yeşil hidrojen enerjisinin üretiminde maliyetlerin azaltılmasında önemli bir faktör teşkil edeceği anlamına geliyor.[4]

 

2. Olgunun ekonomik zeminini anlamak için önce uygulamanın vücut bulacağı sektörleri göz önüne getirmek gerekiyor:

 

Taşıtlarda, nakliye sektöründe yakıt olarak kullanılabilme perspektifinin yanı sıra yenilenebilir enerjilerle üretilecek olan yeşil hidrojen, bir yanıyla da kimyasal hammadde olarak kullanım alanı bulacak, bulmaya devam edecek. Kimya endüstrisinde uzun zamandır suni gübrenin ana maddesi olan amonyak üretiminde kullanılan hidrojen enerjisi, aynı zamanda -mesela gaz santrallerinde elektrik üretiminde- her zaman başvurulabilecek bir enerji kaynağı, yani eskinin gaz depolarında, güneşin ışımadığı, rüzgârın esmediği zamanlarda çeşitli alanlarda -mesela taşıtlarda yakıt olarak- kullanılmak üzere, örneğin yeraltı mahzenlerinde enerji kaynağı olarak depolanabilecek.

 

Diğer yanı ile (yeşil) hidrojen enerjisi; kimya, çimento, cam ve alüminyum gibi enerji-yoğun sektörlerin yanı sıra sentetik gaz olarak fosil doğal gaz yerine kullanılabileceği gibi, gelecekte özellikle demir-çelik endüstrisinde üretimde (kömür yerine) merkezi rol üstlenecek. Böylelikle “yeşil çelik” üretimi ile sera gazı salımının önüne geçilecek.

 

Burada sorunun esas yanını, deyim yerinde ise “püf noktasını” yeşil hidrojen tekniği ile enerji-yoğun sektörlerde, mesela karbon salımının sanayideki önemli sorumlularından demir-çelik endüstrisinde ihtiyaç duyulan ısı enerjisi miktarlarının neredeyse yarılanarak üretim maliyetlerinde muazzam tasarruflar sağlanmasıdır. Endüstri sermayesinin yeşil hidrojen konusundaki motivasyonunun ana nirengi noktası bizce budur. Nedeni ne olursa olsun gelinen nokta, sonuç olarak dünyanın geleceği konusunda çok önemli; bu anlamda -başta bilinçli bir seçim olmasa da, gelişmenin geldiği nokta itibarıyla ekoloji ve ekonominin barışması, aynı zeminde uzlaşması, buluşması-uyuşması anlamına gelmesi konusunda, Almanya’da demir-çelik sanayiindeki gelişmeler iyi bir örnek oluşturuyor.

 

Almanya’da Demir-Çelik Sanayii ve Hidrojen Enerjisi [5]

 

Bu noktada, son zamanlarda (Batı) Avrupa’da özellikle enerji-yoğun endüstri sektörlerinde, mesela demir-çelik sektöründe (yeşil) hidrojen enerjisinin kullanıma sokulmasına ilişkin aktüel projeler yürürlüğe alındı. 2020’li yılların demir-çelik endüstrisinde üretim tekniği açısından 15-20 yıl kullanıldıktan sonra ıskartaya çıkan yüksek fırınlarda üretim, yukarıda ifade edilen ekolojik ve ekonomik nedenlerden dolayı kömür enerjisi ile yapılan klasik tarz yerine yeşil hidrojen enerjisine geçiş, bir dönüşüm ile ele alınmaya başlandı:

 

Almanya’da toplam 13 adet yüksek fırınında üretilen ham demir miktarı yaklaşık 27 milyon ton olup bu miktar Thysennkrupp, Salzgitter AG, Arcelor vs. gibi belli başlı gruplara dağılır; bu üretimin yaklaşık yüzde 70’i sözü edilen gruplar tarafından çeliğe dönüştürülür. Bu esnada atmosfere CO2 salımı ton başına 1.530 kg’dır. Bu, yaklaşık olarak bir arabanın bir yılda saldığı karbondioksit gazına denk geliyor. Toplamında ise endüstriyel karbon salımının yüzde 30’u demir-çelik endüstrisinden gelmekte. Bu rakamlar bir yerde enerjide dönüşüm politikasına, endüstride dönüşüm ya da yaygın deyim ile “transformasyonun” eşlik etmek zorunda olduğunu ortaya koyuyor. Bu bağlamda başta düşünülen tedbirler ise şunlar:[6]

 

a. Birincil çelik üretiminde iklim-nötr hidrojen enerjisinin kullanımına geçmek ve aynı zamanda (bu geçişin hemen sağlanamaması durumunda) karbon depolamalı yöntemle göreceli daha az CO2 salımı anlamına gelen CCS ile üretimi devam ettirmek,

 

b. Sektörde daha az enerji ile daha az sera gazı salımı anlamına gelen “çelik eskisinden” elektro çelik üretimini, geri dönüşümü (secondary scrap economy/circular economy) yükseltmek, döngüsel ekonomi yolu, cüruf vb. çelik yan ürünlerinden aynı ekolojik nedenler ile mümkün olduğunca faydalanmak,

 

c. Çeliği teknik özellikleri açısından çeşitlendirerek hem ömrünü uzatmak hem de enerji kullanımı açısından daha az sera gazı salımlı hale getirmek (mesela otomotiv endüstrisinde hafif araçlar) hedefinde inovasyonları, yenilenmeleri ilerletmek.

 

Demir-çelik endüstrisinin “yeşil” transformasyonu, yeşil çelik üretimi, ancak yoğun enerji kullanımı ile mümkün. 2050 yılında bu anlamda ek elektrik enerjisi ihtiyacı 1,8 milyon ton hidrojene denk geliyor.[7]

 

Thysennkrupp’un yıllık ham çelik üretimi 11 milyon ton civarında. Bunun için firmanın yüksek fırınlarında kullanılan kömürün miktarı 5 milyon tonu buluyor ve bunun saldığı CO2 (karbon) gazı yaklaşık 20 milyon ton civarında ki bu Almanya’daki toplam karbon salımının yüzde 2,5’ine denk geliyor. Bu ve önceki rakamlar, sektörün karbon salımı ve küresel ısınma sorunu açısından önemini ortaya koyuyor. Grubun tüm üretim birimlerinde tamamen iklim-nötr çelik üretimi yapabilmesi için yaklaşık 700 bin ton hidrojen kaynağına ihtiyaç var. Bunu üretebilmek içinse sadece bu firma için yaklaşık 3.000 adet rüzgâr enerji santralinin üreteceği yenilenebilir enerji gerekiyor. Ki bu sadece ülke içi potansiyellerle karşılanamayacak bir miktarı ifade ediyor. Diğer bir deyimle:

 

1 TWh, yaklaşık olarak tam 30 bin tona denk geliyor. Firmanın 2029 yılında tamamen karbon atıksız, yeşil çelik üretimine geçebilmesi için gereksinim duyulan hidrojen enerjisi miktarı yıllık 143 bin ton! Thyssenkrupp ’un Nucera isimli hidrojen firmasının standart bir elektroliz modülünün yıllık 3.100 ton hidrojen ürettiği düşünülürse eksik kalan miktarlar nereden gelecek?

 

Bu noktada demir-çelik endüstrisi için gündeme gelen “çözüm”lerden bir tanesi, üretim sırasında oluşacak sera gazını atmosfere karışmadan yakalayıp sıvı haline getirerek yeraltında, kanallarda saklama-depolama teknolojisi, daha önce sözünü ettiğimiz CCS. Buradaki sorun, bu yöntemle her zaman gerçekte ne kadar sera gazı yakalanabileceğinin ve işin maliyet yanının tam bilinmemesi. Tahmin edilen, demir-çelik endüstrisindeki potansiyel CCS maliyetlerinin, sektörde birden fazla emisyon kaynağı olması nedeniyle çimento gibi enerji yoğun çalışan branşlara göre çok daha yüksek olacağı.

 

Bu nedenle kimi uzmanlar, klasik üretim yöntemlerinde oluşan emisyonların daha da fazla fiyatlandırılarak endüstrinin CCS teknolojilerine yönlendirilmelerini teşvik etmeyi öneriyorlar. IEA, Paris Anlaşması’nın “en fazla 1,5°C ısınma” hedefi doğrultusunda CCS teknolojisi ile karbon ayrıştırılması yönteminin 2050 yılına kadar toplam çelik üretiminin yarısını kapsayacağını, böylelikle açığa çıkacak olan hidrojen enerjisi kaynağının diğer sektörlerde fosil enerjiler yerine kullanılabileceğini tahmin ediyor.[8]

 

Buna ilişkin olarak söz konusu teknoloji ile yeraltında gazı sıvı olarak depolamanın ekolojik açıdan -yeraltı suları vs.- tartışmalı olduğunu da bu meyanda belirtmiş olalım. Bu gibi nedenlerle tamamen yeşil hidrojen enerjisine kavuşana kadar önceki tabloda da örneklediğimiz, görece daha az karbon salımlı (mesela mavi hidrojen enerjisi) geçiş teknolojileri gündeme geliyor:

 

Duisburg şehrindeki gruba ait Yüksek Fırın 9’da, 2019 yılından beri adına “reel labaratuar” denilen bir ortamda, proje ortakları (Air Liquide ve VDEh araştırma enstitüsü) ile birlikte yeşil “hidrojen” çeliği (H2Steel) üretimine gelecek 5 yıl içinde geçişin pratiği deneyimleniyor. Üretimde kömür enerjisi yerine önce doğal gaz ile, daha sonra ise giderek daha fazla yeşil hidrojen gazı enerjisinin üretimde uygulanması ile 2029 yılında tamamen yeşil çelik üretimine geçmek planlanıyor. Bu noktada Air Liquide firması, döşenen iletim kanalı ile üretim için gerekli olan likit hidrojen gazını taşıyor, böylelikle geleceğin üretim tekniği modelleniyor.

 

Demir-çelik endüstrisinin temsilcileri bu konuda kararlı: “İklim stratejimizle 2015 Paris İklim Anlaşması’nı kabul ediyor ve bu konuda toplumsal sorumluluk üstleniyoruz. En geç 2045 yılında çelik üretimimiz tamamıyla iklim-nötr olacaktır.”[9] “Tarihin cilvesi”, onları, 19’uncu yüzyıldan günümüze dek üretim biçimiyle en büyük sera gazı üreticilerinden, bugünkü iklim felaketinin sorumlularından biri olmalarından, yeni dönemde kâr dürtülerini koruduğu, sermayenin yeniden değerlendirme koşullarını tehdit etmediği müddetçe, gelişen ekoloji bilincinin de eşliğinde “çevreci” konumlara getiriyor. Ekoloji ile ekonominin barışması işte bu noktada, bu şartlar altında gerçekleşiyor. Devam edelim!

 

Sadece Avrupa’da “yeşil” çelik (H2Steel) üretmek için hidrojen kaynağından elde edilmesi gereken elektrik enerjisi miktarı -yapılan bir araştırmaya göre- 340 TWh’ye tekabül ediyor. 2021 yılında Avrupa’da rüzgâr güllerinin ürettiği elektrik enerjisi miktarı ise toplamında 437 TWh.[10] Bu durumda adına yaraşır, kapsamlı bir enerji dönüşümü için diğer sektörlere pek fazla bir (yenilenebilir) enerji potansiyel kalmıyor. Toplamında Almanya’nın bugünün (“gerçekçi”) ölçümlerine göre realize edebileceği yenilenebilir enerji potansiyeli yaklaşık 1.000 TWh/a’dır. Yakın gelecekte gereksinim duyulan birincil (primary) enerji ihtiyacı ise yaklaşık 2.000-2.500 TWh/a civarındadır.[11] Bu durumda ortaya çıkan ek yeşil (hidrojen) enerji ihtiyacının nereden karşılanacağı sorusunun cevabı da gelecek yazının konusu olsun.

 

___

  1. Fraunhofer Institut, Eine Wasserstoff-Roadmap für Deutschland, Karlsruhe/Freiburg 2019: https://www.ieg.fraunhofer.de/content/dam/ieg/documents/pressemitteilungen/2019-10_Fraunhofer_Wasserstoff-Roadmap_fuer_Deutschland.pdf)

  2. https://www.iea.org/news/promising-signs-in-electrolyser-manufacturing-add-to-growing-momentum-for-low-emissions-hydrogen

  3. M. Kruse, J. Wedemeier, “Potenzial grüner Wasserstoff: langer Weg der Entwicklung, kurze Zeit bis zur Umsetzung”: https://www.wirtschaftsdienst.eu/inhalt/jahr/2021/heft/1/beitrag/potenzial-gruener-wasserstoff-langer-weg-der-entwicklung-kurze-zeit-bis-zur-umsetzung.html

  4. https://www.bmwk.de/Redaktion/DE/Pressemitteilungen/2023/06/20230616-neue-eu-richtlinie-fuer-erneuerbare-energien-angenommen.html

  5. https://www.energiesystem-forschung.de/forschen/projekte/reallabor-der-energiewende-h2-stahl

    https://www.thyssenkrupp-steel.com/de/unternehmen/nachhaltigkeit/klimastrategie/klimastrategie.html

  6. Wirtschaftsvereinigung Stahl, Politischer Ordnungsrahmen für eine Dekarbonisierung der Stahlindustrie in Deutschland, 10. Oktober 2019

  7. a. g. y.

  8. a. g. y. Bu nokta, biraz önce ortaya attığımız hidrojen enerjisi üretmede kullanılacak olan (yenilenebilir) kaynağın iç potansiyellerin yetersizliğinden dolayı ortaya çıkan “yüksek enerji ihtiyacının nereden karşılanacağı” sorununa kısmi bir çözüm olarak görülebilir.

  9. https://www.thyssenkrupp-steel.com/de/unternehmen/nachhaltigkeit/klimastrategie/klimastrategie.html

  10. Wie wird Stahl wirklich “grün”?: https://www.dw.com/de/grüner-stahl-stahlindustrie-klimawandel-co2-energiewende-grüner-wasserstoff-ökostrom-css-kohle-gas/a-62053543

  11. Fraunhofer Institut, a. g. y.

En son çıkan yazılardan anında haberdar olmak için bizi @PerspektifOn twitter hesabımızdan takip edebilirsiniz.

İLGİLİ YAZILAR

Sitemizde mevzuata uygun biçimde çerez kullanılmaktadır. Bilgi için tıklayınız.