Günümüzde ve Gelecekte Hidrojen Enerjisi
Küresel ısınma karşı karşıya olduğumuz en ciddi sorunlardan biri. Bilim insanları ve aktivistler çeşitli çözümler bulmaya çalışıyor. Bu öneriler içinde en öne çıkanlardan biri de hidrojen enerjisi. Hidrojenin küresel ısınma sorununu çözmede ve 2050 yılında karbon nötr olma hedefine ulaşmada çok önemli bir rol oynayacağını söyleyenlerden biri de Koç Üniversitesi Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Bölümü’nden Prof. Dr. Can Erkey.
Son zamanlarda adından çokça söz ettiren bir element, hidrojen. Evrende en fazla miktarda bulunan, kokusuz, renksiz, tatsız, yanıcı bir madde. Ama aslında hayatımızın her yerinde olan bir element. Dünya’da yaşamı mümkün kılan Güneş’in dörtte üçü hidrojenden oluşuyor. Tüm bitki ve hayvan dokularında bulunuyor ve sayısız karbon bileşiğinde yer alıyor. Kütlece yerküre kabuğunun yalnızca %0,14’ünü oluştursa da, okyanuslar, buzullar, nehirler ve atmosferde yüksek miktarda bulunuyor. Normal şartlar altında iki atomlu (H2) gevşek hidrojen moleküllerinden oluşan bir gaz formunda, fakat gezegenimizde çoğunlukla başka elementlerle bir arada bulunuyor. Kimya biliminin emeklediği günlerde keşfedilen en önemli özelliği, oksijenle tepkimeye girerek su oluşturması (H2O). Zaten hidrojen, Yunanca ‘‘su oluşturan’’ anlamına geliyor (İsim babası meşhur Fransız bilim insanı Lavoisier’i de burada analım).
Hidrojen, endüstride plastikten patlayıcıya, tekstilden pestisite birçok hammaddenin üretiminde kullanılıyor, fakat en yaygın endüstriyel işlevi amonyak üretimi (NH3). Dünya’da üretilen amonyağın %80’i ise, başta gübre olmak üzere sentetik tarım ürünlerinde kullanılıyor.
Birçoğumuzun pek farkında olmadan gündelik hayatına bu kadar girmiş olan hidrojen elementinin son dönemde yükselen başka bir özelliği ise, yanıcılığı nedeniyle yakıt olarak kullanılma potansiyeli. Ağırlıkça (kütlece) kıyaslanırsa, petrol ve doğalgaz gibi fosil yakıtlardan yaklaşık üç kat daha fazla enerji barındırıyor, yani herhangi bir iş yapmak için fosil yakıtların üçte biri kadar kullanılıyor. Bununla birlikte, hacimce bu kadar verimli değil, dolayısıyla depolama ve nakliye için hâlâ yeni teknolojilere ihtiyacımız var. Ayrıca, doğada genelde serbest halde bulunmadığı için, başka kaynaklardan (doğrudan fosil yakıtlar, su veya biyokütle) çıkarılması gerekiyor ve bu nedenle enerji taşıyıcısı olarak da adlandırılıyor. İşin inceliği de burada; saf hidrojen üretmek için hidrojen atomlarının diğer atomlardan ayrılması gerekiyor ve bu sürecin nasıl ele alındığı, yakıt olarak hidrojenin sürdürülebilirliğini belirliyor. Ayrıştırılmış hidrojen, oksijenle birleştiğinde ortaya çıkan ısı ise temiz bir yanma ile elektriğe dönüştürülüyor, yani yanma sırasında ortaya atık olarak yalnızca su buharı çıkıyor ve herhangi bir sera gazı salımına yol açmıyor.
Fakat böylesine büyük bir enerji potansiyeli barındıran hidrojen, günümüzde çoğunlukla fosil yakıtlar kullanılarak üretiliyor. Mevcut endüstriyel hidrojen üretimi büyük ölçüde (%96 oranda) buhar metan reformasyonu adı verilen bir süreçle yönetiliyor. Yüksek ısıda su buharı, bir katalizör eşliğinde metanla (doğalgaz) tepkimeye sokuluyor ve ortaya hidrojen ve bir sera gazı olan karbondioksit (CO2) çıkıyor. Daha sonraki saflaştırma işleminde ise karbondioksit ayrıştırılıyor ve geriye saf hidrojen kalıyor. Bu yöntemle üretilen hidrojene gri hidrojen adı veriliyor, çünkü fosil yakıtlar sayesinde elde ediliyor ve dolayısıyla çok ciddi bir sera gazı salımına yol açıyor. İşlem sırasında ortaya çıkan CO2 yakalanır ve başka bir yerde depolanırsa buna mavi hidrojen deniyor.
Fakat, hidrojen üretmenin başka bir yolu daha var, o da elektroliz. Suya elektrik verdiğiniz zaman su moleküllerini oluşturan hidrojen ve oksijen atomları birbirinden ayrılıyor, hidrojen ayrı bir yerde depolanırken yan ürün (veya atık) olarak geriye yalnızca oksijen kalıyor. Eğer bu elektroliz işlemi yenilenebilir enerji kaynaklarıyla gerçekleştirilirse, o zaman buna yeşil hidrojen adı veriliyor. Fakat elektroliz işleminin gerçekleştirildiği elektrolizör dediğimiz reaktörler hâlâ nispeten pahalı ve işlemin kendisi de çok verimli değil. Ortaya çıkan hidrojeni depolayacak basınçlı sistemlerin de iyileştirilmesi gerekiyor. Bu kısmi engelleri yakın gelecekte aşma olasılığı, yeşil hidrojenin önünü açacak gibi görünüyor.
Hidrojeni biyolojik süreçlerle üretmek de mümkün, fakat henüz endüstriyel ölçekte uygulamalara zaman var. Bazı alg türleri, fotosentez işlemi sırasında suyu oluşturan oksijen ve hidrojen atomlarını ayırıyor ve barındırdıkları hidrojenaz enzimi sayesinde hidrojeni gaz formuna dönüştürüyor. Bu alglerden en ünlüsü Chlamydomonas reinhardtii, ama Scenedesmus obliquus, Chlorococcum littorale, Platymonas subcordiformis gibi çeşitli yeşil algler de aynı amaçla kullanılabiliyor. Büyük ölçekli uygulamaların önündeki temel engel ise, güneş enerjisini kimyasal enerjiye dönüştüren reaktörlerin yeterince verimli olmaması ve daha ekonomik biyoreaktör tasarımları geliştirme ihtiyacı. Ayrıca, genetik müdahalelerle bu alglerin daha verimli hidrojen üretmesi için çeşitli yollar da aranıyor.
Yakıt amaçlı hidrojenin nasıl üretildiğinden bağımsız olarak, kullanımını kısıtlayan başka bir şey de depolama yöntemleri. Hidrojen, fiziksel olarak sıvı veya gaz formda depolanabiliyor. Gaz formunda depolama için yüksek basınçlı tanklar gerekli (300 – 1000 atm). Sıvı hidrojenin bir atmosfer basınç altında kaynama noktası -252,8 oC olduğu için, ancak çok düşük sıcaklıklarda sıvı olarak muhafaza edilebiliyor. Mevcut teknolojimiz çerçevesinde, sabit enerji santrallerindeki çok büyük tanklarda gaz formunda hidrojen depolamak mümkün, fakat iş taşınabilir enerji kaynaklarına, özellikle de yakıt hücreleriyle çalışan ulaşım araçlarına geldiğinde bu sorunu henüz tam anlamıyla aşamadığımız söylenebilir.
Yakıt hücreleri (veya yakıt pilleri), temelde birer batarya gibi düşünülebilir, fakat tükenmiyor ve şarj edilmeleri gerekmiyor; yakıt sağladığınız müddetçe elektrik ve ısı üretmeye devam ediyor. Temelde, iletken bir polimerin iki tarafına yerleştirilmiş, biri artı (katot) diğer eksi (anot) yüklü iki elektrottan oluşuyor. Anoda hidrojen ve katoda ise hava veriliyor. Kısaca PEM adı verilen ve genelde hidrojenle çalışan polimer elektrolit membran yakıt hücrelerinde, protonları elektronlardan ayıran bir katalizör bulunuyor, böylece elektronlar harici bir devreden geçerek elektrik akımı oluşturuyor, protonlar ise elektrolit boyunca ilerleyerek katoda ulaşıyor ve burada oksijen ve elektronlar ile yeniden buluşarak ısı ve su oluşturuyor. Hidrojenle çalışan yakıt pillerinde kullanılan söz konusu katalizör ise platin. Dolayısıyla maliyeti epey yüksek. Araştırmacılar, bu maliyeti düşürecek yöntemler üzerine çalışıyor.
PEM yakıt hücreleri, otomobillere güç sağlamak için şimdilik en iyi aday gibi görünüyor, çünkü nispeten düşük ısılarda çalışıyor ve farklı güçlerde elektrik akımı ihtiyacını hızla karşılayabiliyor. İçten yanmalı motorlara kıyasla %60’a kadar daha verimli oldukları söyleniyor, çünkü yakıtın barındırdığı kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine çevirebiliyor. Sessiz olmasının yanı sıra, daha önce belirttiğimiz gibi atmosfere sera gazı da salmıyor. Tahmin edilebileceği gibi, bunun küresel ısınmadan halk sağlığına kadar birçok olumlu etkisi bulunuyor.
Hidrojen enerjisine dayalı teknolojik gelişmeler, ne olursa olsun, emekleme dönemini geçirmiş gibi görünüyor. General Electric ve Rolls Royce gibi firmalar, hidrojenle çalışan enerji santralleri ve kompakt üniteler tasarlamaya ve kullanmaya başladı bile. Hatta Rolls Royce ile İngiliz havayolu firması EasyJet işbirliğinde yürütülen bir proje, geçtiğimiz sene yeşil hidrojenle çalışan bir uçak motorunu başarıyla test etti. Böylece, net sıfır karbon bir uçuşun yakın gelecekte mümkün olduğunu da gösterdi.
Avrupa Birliği de hidrojeni gündemine almış durumda. 2050 yılına kadar karbon-nötr bir enerji sistemine geçişin mümkün olduğunu belirtiyor, hatta bu konuda öncü olmayı hedefliyor. Komisyon, 2020 yılında aldığı bir kararla mevcut gri hidrojen sistemlerinin yerini yeşil hidrojenin alması için çeşitli hedefler koymuş ve çalışmalar başlatmış durumda. 2030 yılına kadar her 200 km mesafede bir hidrojen dolum istasyonu kurmak da bu hedeflerden biri. Yeşil hidrojenin demir çelik, çimento, petrokimya ve cam gibi karbon salımı yüksek sektörlerde de kullanımı teşvik ediliyor.
Yakıt pilli elektrikli araçlar (FCEV – Fuell Cell Electric Vehicles) piyasada tüketiciyle buluşmaya başladı bile. Amerika Birleşik Devletleri’nde başı çeken California Eyaleti’nde, 2023 yılı itibarıyla toplamda 52 hidrojen dolum istasyonu bulunuyor ve yaklaşık 45 adet yakıt istasyonu da inşaat aşamasında. Son olarak ABD başkanı Joe Biden ülkede hidrojen üretiminin ve tüketiminin artırılması için 7 milyar dolarlık bir teşvik paketi açıkladı.
Fakat önündeki en büyük engel hâlâ depolama; bir depo yakıtla yaklaşık 500 km yol yapılması gerekliliğine dayanan geleneksel yaklaşıma göre, araçta 5-13 kg sıkıştırılmış hidrojen gazı bulunması gerekiyor, bu da maliyetleri artırıyor. Hidrojenin, şimdilik, benzine kıyasla iki-üç kat daha pahalı bir yakıt olması da olağan engellerden biri.
Ne olursa olsun, çok da uzak olmayan bir gelecekte hidrojene dayalı bir ekonomik sisteme geçeceğimizi öngören bilim insanları var. Türkiye’de konunun uzmanlarından Prof. Dr. Can Erkey, gelecekte hidrojen istasyonlarının benzin istasyonlarının yerini alacağını öngörüyor. Koç Üniversitesi Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Bölümü’nden Prof. Dr. Erkey, 20 yıl içinde böyle bir değişimin mümkün olduğunu söylese de, fosil yakıtlara dayalı, trilyonlarca dolarlık bir endüstri altyapısının değişmesi gerektiğini ve bunun kolay olmayacağını da belirtiyor.
KURIOUS: PEM yakıt pillerinin çalışma prensipleri hakkında kısaca bilgilendirir misiniz?
Can Erkey: Polimer Elektrolit Membran (PEM) yakıt hücresi (veya yakıt pili), temelde bir batarya gibi düşünülebilir, fakat tükenmiyor ve şarj edilmesi gerekmiyor; yakıt yani hidrojen sağladığınız müddetçe elektrik üretmeye devam ediyor. Temelde, proton iletebilen bir polimerin iki tarafına yerleştirilmiş, biri artı (katot) diğeri eksi (anot) iki elektrottan oluşuyor. Bu elektrotlar reaksiyonları hızlandıran katalizör içeren çok ince yapılar. Anota hidrojen ve katota ise hava veriliyor. Anota gelen hidrojen katalizör eşliğinde proton ve elektronlara ayrılıyor. Protonlar iletken polimerden geçerek katot tarafına gidiyorlar. Elektronlar ise harici devreden geçerek elektrik akımı oluşturuyor. Bu elektronlar daha sonra katottaki katalizör eşliğinde protonlar ve oksijen ile tepkimeye girerek su buharı oluşturuyor.
KURIOUS: Hidrojenin daha yaygın bir enerji kaynağı haline gelmesi için PEM yakıt pillerinde ve hidrojen elde etme teknolojilerinde nelerin iyileştirilmesi/geliştirilmesi gerekiyor?
Can Erkey: Yeşil hidrojenin fosil yakıtlar ile rekabet edebilmesi için maliyetinin kilogram başına 1,5 – 2 dolar mertebelerine düşmesi öngörülüyor. Bunun için yenilenebilir enerji fiyatlarının ve elektrolizör fiyatlarının daha da düşmesi gerekiyor. Elektrolizör fiyatlarını düşürmek elektrolizörlerin verimliliğini ve ömrünü artırmak ve elektrolizörlerin yapımında kullanılan pahalı malzemelere alternatif bulmak ile mümkün olacak. PEM yakıt pillerinin de verimliliklerinin ve ömürlerinin artırılması ve kullanılan platin gibi değerli metal miktarlarının azaltılması gerekiyor. Yenilenebilir enerji fiyatlarının düşmesi de verimliliği daha yüksek güneş hücrelerinin ticarileşmesi ile mümkün olacak.
KURIOUS: Şu anda üzerinde çalıştığınız projeler hakkında genel bir çerçeve çizebilir misiniz okuyucularımıza?
Can Erkey: Benim çalışmalarım son zamanlarda PEM elektrolizörleri üzerine yoğunlaşmış durumda. Yeşil hidrojen üretiminde kullanılan bu cihazların geliştirilmesi üzerine çalışıyorum. Spesifik olarak içerdikleri film şeklindeki katalizör yapılarının tasarımı, üretimi ve optimizasyonu üzerine çalışıyorum. Ayrıca oluşan gazların elektrotlardan etkin bir şekilde uzaklaştırılabilmesi için gözenekli transfer tabakalarının tasarımı, optimizasyonu ve üretimi üzerine de araştırmalar yapıyorum. PEM elektrolizörlerin verimli bir şekilde yenilenebilir enerji ile entegre edilebilmesi üzerine de çalışmalar yürütüyorum.
KURIOUS: Hidrojen enerjisinin geleceği ve ülkemizdeki potansiyel hakkında neler düşünüyorsunuz?
Can Erkey: Hidrojen dünyadaki küresel ısınma sorununu çözmede ve 2050 yılında karbon nötr olma hedefine ulaşmada çok önemli bir rol oynayacak. Ülkemiz, yenilenebilir enerji kaynakları açısından zengin olduğundan, yeşil hidrojen üretip bunu Avrupa’ya ihraç edebilecek bir potansiyele sahip. Dolayısıyla ülkemizde yeşil hidrojen üretim teknolojilerinin geliştirilmesi, hidrojen taşıma ve depolama altyapısının geliştirilmesi, hidrojenin sanayide ve ulaşımda kullanımının teşvik edilmesi, bu alanda gerekli insan kaynaklarının oluşturulması ve gerekli yardımcı mevzuatların oluşturulması gerekiyor. Hidrojen alanında kamu, özel sektör ve üniversite işbirliklerinin artması gerekiyor.
REFERENCES
- 1. https://www.health.ny.gov/environmental/emergency/chemical_terrorism/ammonia_tech.htm
- 2. https://www.nrel.gov/research/eds-hydrogen.html
- 3. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S258929912030001X
- 4. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage
- 5. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/fuel-cell-basics
- 6. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/fuel-cells
- 7. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S258929912030001X
- 8. https://www.airport-technology.com/news/rolls-royce-tests-hydrogen-take-off-conditions
- 9. https://www.europarl.europa.eu/news/en/headlines/society/20210512STO04004/renewable-hydrogen-what-are-the-benefits-for-the-eu
- 10. https://news.climate.columbia.edu/2021/01/07/need-green-hydrogen/
- 11. https://afdc.energy.gov/fuels/hydrogen_basics.html