İlk filozoflardan Miletli Thales maddenin temelinde su olduğunu ifade ediyordu. Türk yaratılış destanı da her şeyden önce su vardı der. İnsanlar, bilmediğimiz çağlardan itibaren madde nedir diye düşünmeye başladılar. Doğanın çalışma prensiplerin anlamaya, hayatın anlamını çözmeye kafa yordular. Doğayı tanıdıkça nasıl yararlanacaklarını da öğrendiler. Suyun kaldırma gücü gemi, rüzgarın esme gücü gemiye yelken oldu. Hayvanları evcilleştirip at, eşek, öküz, devenin güçünden taşımada yararlandılar. Madenleri çıkarmayı ve kullanmayı öğrendiler. İnsan kendi enerjisinin dışında enerjileri kullandıkça yaşam daha kolaylaştı.
1698 yılında ilk kez patenti alınan buhar makinesi kas, su ve rüzgar gücüne alternatif olarak ortaya çıktı. Kömür madeninde biriken suların tahliyesi için icat edilen buhar makinesi her şeyi değiştirdi. Tarih at arabası hızından tren hızında akmaya başladı. Gemiler de artık insan kasının kürek çekme hızından daha hızlı idi ve rüzgarın insafına kalmıyordu. Sanayi de buhar gücünü çabuk benimsedi. Buhar makinesi de sürekli gelişti ve fosil yakıtlarla çalışan motorlara evrildi.
Buharın gücü kontrol altına alındı ama daha çok enerji kaynağına ihtiyaç duyuldu. Daha çok enerji daha çok refah olarak döndü sahiplerine. Toplumsal gelişme tüketilen enerji ile ölçülür oldu. Gelinen noktada su, kas ve rüzgar gücünün yerini motorlar aldı, insanlık gelişme sürecinde çağ atladı ama motorların yakıtı için ihtiyaç duyulan kaynaklar fosil yakıtlardan elde edildiği için gezegenimize ciddi tahribat vermeye başladı.
Artık dünyanın fosil yakıt sorunu var.
Kömür, petrol ve doğal gaz fosil yakıtları oluşturur. Bunlar büyük oranda karbondan oluştuğundan yakıldıklarında atmosfere karbondioksit salarlar. Atmosferde karbondioksit miktarı artması nedeniyle atmosferin doğal ısısı yükselir ki bu duruma küresel ısınma diyoruz. Buharlı makine ile başlayan ve sanayi devrimi ile devam eden teknolojik gelişme bireylere ve toplumlara refah artışı ve yaşam kalitesinin yükselmesi olarak yansımışsa da dünyaya etkisi olumsuz olmuştur.
Son yıllarda küresel ısınmanın yaratacağı tehlikeyi gören insanlık; Viyana Sözleşmesi, Kyoto Protokolü, Montreal Protokolü, Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi, Paris İklim Anlaşması gibi uluslararası anlaşmalarla bir takım tedbirler alma yönünde adımlar atmaya başladı. Bu bağlamda en ileri adım, Avrupa Birliği’nin, Paris İklim Anlaşmasının gerektirdiği yeşil dönüşüm sürecine yönelik yol haritası olan Avrupa Yeşil Mutabakatı ile ortaya konmuştur. 11 Aralık 2019 tarihinde açıklanan mutabakat, Avrupa’da 2050 yılına kadar sera gazı emisyonlarını net olarak sıfırlamayı hedefleyen AB’nin yeni büyüme stratejisidir.
Net sıfır emisyon, denge arayışı.
Enerji kaynakları yenilenebilir ve yenilenemeyen olmak üzere iki başlığa ayrılır. Petrol ve doğal gaz gibi fosil yakıtlar yenilenemeyen enerji kaynaklarını temsil ederken, güneş, rüzgar ve su gibi doğal kaynaklardan elde edilen enerjiler, yenilenebilir enerji kaynaklarıdır.
Bir yandan yenilenemeyen fosil yakıtların kullanımdan kaldırılması yönünde alternatif enerji arayışları ve yatırımları devam ederken diğer yandan küresel ısınmaya sebep olan karbondioksit salınımını doğa tarafından emilen miktarla eşitlemeye yönelik kısıtlamalar hayata geçiriliyor. Net Sıfır Emisyon kavramı bu dengelemeyi ifade etmektedir. Yani doğal emilimden fazla salınım olmaması hali. Zarar giderilmese de tahribatın artmadığı denge durumu söz konusudur.
Alternatif kaynak yenilenebilir enerji
Fosil yakıtların kullanılmaması durumunda oluşacak boşluğu ve giderek artan enerji ihtiyacını karşılamak için alternatif yenilenebilir enerji kaynakları olarak elektrifikasyon, hidrojen ve biyoyakıt ön plana çıkmaya başlamıştır. Elektrikli araçlar kontrollü bir şekilde fosil yakıt (benzin, motorin, doğal gaz) tüketen araçların yerini almaya başladı. Elektrik üretiminde ise jeotermal, rüzgar ve güneş enerjisi kömür ve doğal gaz santrallarına alternatif olarak gelişiyor. Rüzgar ve güneş enerjisi kesintisiz üretim sağlamadığından üretilen elektriğin depolanması gerekmiştir. Depolamaya çare olarak hidrojene dönüştürme ön plana çıkmıştır. Biz bu yazıda hidrojeni ele alacağız.
Griden yeşile hidrojen
Henry Cavendish, hidrojen elementini 1766'da keşfetti. Hidrojen, "Suyun (hidro-) yaratıcısı (- gen)" anlamına gelir. Bu element evrendeki en bol kimyasal yapıdır. Hidrojen her yerdedir ve en temel enerji kaynağımız olan içtiğimiz su, iki hidrojen ve bir oksijenden oluşur. İlk endüstriyel su elektrolizörü (ayraç) 1888'de geliştirildi. Hidrojen, doğada en çok bulunan elementlerden biri olmasına rağmen ortamda saf olarak bulunmamaktadır. Hidrokarbon, nükleer, su veya biyokütle gibi kaynaklardan üretilebilmektedir. Bu yöntemlerle ortaya çıkan Hidrojen, enerji taşıyıcısı olarak elektrik ve ısı üretmek için depolanarak yakıt hücrelerinde kullanılabilmektedir.
Hidrojen yenilenebilir enerji ile elde edilmesi halinde “yeşil hidrojen”, fosil yakıtlardan karbondioksit yakalama sistemleri kullanılarak üretilirse “mavi hidrojen”, fosil yakıtlardan piroliz gibi prosesler ile karbondioksit olmadan üretilirse “turkuaz hidrojen”, nükleer enerjiyle üretilirse “pembe hidrojen”, doğal gazın reformasyonundan elde edilirse “gri hidrojen” ve gazlaştırma yöntemiyle kömürden karbondioksit yakalamadan elde edilirse “kahverengi hidrojen” olarak tanımlanır.
Halihazırda hidrojen, doğal gazın buharla dönüştürülmesiyle, kömür gazlaştırılmasıyla ve suyun elektrolizi işlemiyle hidrokarbonlardan üretilmektedir. Yeşil hidrojen üretimi ise çok düşük düzeydedir.
Yeşil Hidrojen umutları yeşertiyor
Yenilenebilir enerji kaynakları (güneş, jeotermal, hidroelektrik, biyokütle, dalga ve rüzgar enerjisi) kullanılarak suyun elektrolizi ile üretilen hidrojene yeşil hidrojen diyoruz. Yeşil hidrojende karbondioksit salınımı sıfırdır. Elektrik, su ve su elektrolizörü (ayraç) hidrojen üretimi için yeterlidir.
Elektrolizör (ayraç) teknolojisi olumlu yönde sürekli geliştirilmekte olup bu yazının kapsamına dahil edilmemiştir. Bu yazıda geçen elektrolizör (ayraç) sadece su elektrolizörünü ifade eder.
Yeşil hidrojenin su elektrolizi ile elde edildikten sonra hizmete sunulması için depolanması ve taşınması gerekiyor. Burada üç yöntem söz konudur. (1)Gaz: Hidrojen gaz formda genellikle basınçlı tüplerde depolanıyor. Hidrojen enerjisi depolamada en çok tercih edilen yöntem olan tüpte saklama, hacim yönünden taşıma zorluğu yaratabiliyor. (2)Sıvı: Hidrojen gazı yüksek basınçla sıvı forma dönüştürüyor ve tanklar içerisinde depolanıyor. Sıvı hidrojen depolama, gaz halde depolamaya göre daha az yer kaplıyor. (3) Katı (Metal Hidrit Alaşım):Hidrojen ile bir veya birden fazla metal elementinin bir araya gelmesiyle metal hidrit alaşımlar oluşuyor. Metal hidrit alaşımlar, hidrojen gazını içerisine çekerek katı bir şekilde muhafaza ediyor. Metal hidrit ısıya maruz kaldığında ise hidrojen gazı tekrar açığa çıkarak kullanıma hazır hale geliyor. Gaz ve sıvı halde hidrojenin depolanmasının patlama riski taşıması ve yüksek maliyetli olması nedeniyle katı metal alaşımlar tercih edilmektedir.
Hidrojen daha çok gübre üretimi, petrol rafinerileri, metal üretimi ve metanol üretiminde kullanılmaktadır. Tek tük de olsa hidrojenle çalışan arabalara, uçaklara ve trenlere (şimdilik sadece Almanya’da) rastlanmaktadır.
Yapılan deneysel çalışmalarda, doğal gaza %20’ye kadar hidrojen karışım oranı için iletim hatlarında ve yakıcı cihazlarda ciddi bir değişikliğe ihtiyaç olmadığı görülmüştür. Bu durum geçiş sürecinde karbondioksit salınım oranını azaltacak bir uygulama olacaktır.
Hidrojen derdimize derman olabilir mi?
Dünyanın en büyük petrol sahasına sahip olan Suudi Arabistan dünyanın en büyük yeşil hidrojen projesini hayata geçiriyor. Dünyadaki en çok nüfusu ülkesinde barındıran Çin, hızla yeşil enerjiye geçiyor. Enerjide dışa bağımlı olan Avrupa Birliği yeşil hidrojen ekonomisine geçiş için ciddi teşvikler uyguluyor. Dünya atmosferini karbondioksite boğan ABD biraz geriden gelse de yeşil hidrojene yöneldi. Shell, BP, Exxon Mobil, Chevron gibi petrol devleri bile hidrojen üretimi için yatırımlara başladı. Tüm dünyada enerji sistemlerini değiştirecek adımlar atılırken ülkemizde neler yapıldığına bakmakta yarar vardır.
Bilindiği gibi enerjide hala büyük oranda dışa bağımlıyız. Petrol, doğal gaz ve kömür ithalatı cari açığın en büyük kalemleridir. Cari açık, ekonomimizin yumuşak karnı ve tam bağımsızlık hedefimize ulaşmada aşılması gereken en güçlü bariyerdir. Yeşil hidrojen, ekonomimizi cari açık belasından kurtarmakla kalmayacak, enerjide dışa bağımlılığımızı tümden bitirecek ve hidrojen ihracatı ile gelir elde etmemizi sağlayacak bir imkan olarak ufukta belirmiştir.
Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, Ocak 2023’te Ulusal Hidrojen Teknolojileri Stratejisi ve Yol Haritası’nı yayımladı. Yayımlanan strateji; 2053’e kadar elektrolizör (ayraç) kapasite hedefleri, yeşil hidrojen üretiminde maliyetlerin azaltılması, yerel kaynaklar için Ar-Ge desteği, kamu-özel sektör işbirliği, yeşil hidrojen ve amonyak ihracatı, öncelikli yeşil hidrojen sektörleri ve hidrojen taşımacılığı/dağıtımı gibi önemli stratejik öncelikleri ortaya koyuyor. Ulusal hidrojen stratejisine göre, Türkiye 2030’a kadar 2GW, 2035’e kadar 5 GW ve 2053’e kadar 70 GW hidrojen üretim kapasitesi kurmayı hedefliyor.
Yeşil hidrojen üretim süreçleri yenilenebilir enerji, elektrolizör (ayraç) teknolojisi ve depolama/dağıtım sistemleri şeklinde üç aşamadan oluşur.
Yenilenebilir enerji kaynaklarımız; güneşimiz, rüzgarımız, suyumuz bereketli
Yeşil hidrojen ekonomisinin ilk adımı olan yenilenebilir enerji kaynaklarından elektrik üretiminde son yıllarda ciddi gelişmeler söz konusudur. 2024 yılı Eylül ayı sonu itibarıyla kurulu gücümüzün kaynaklara göre dağılımı; fosil yakıtlardan %21,6’sı doğal gaz, %19,2’si kömür (toplam %40.8) yenilenebilir kaynaklardan %28,2’si hidrolik enerji, %10,8’i rüzgâr, %16,4’ü güneş, %1,5’i jeotermal ve %2,4’ü ise diğer (toplam %59.2) şeklindedir. Yeşil enerji üretim kapasitesi %60’a ulaşmıştır. Bu alanda yatırımlar artarak devam etmektedir.
Su elektrolizörü (Ayraç) teknoloji yatırımları başladı.
Yerli ve milli elektrolizör (ayraç) geliştirilmesi Ulusal Hidrojen Teknolojileri Stratejisi’nin temel hedeflerinden birisidir ve bir takım adımlar atılmıştır. 17.02.2022 tarihinde Bandırma’da kurulması planlanan Türkiye'nin ilk yeşil hidrojen tesisi için Güney Marmara Kalkınma Ajansı koordinatörlüğünde Enerjisa Üretim, Eti Maden, TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi (MAM) ve Aspilsan Enerji arasında iş birliği protokolü imzalandı. 2023 Ocak ayında önemli bir adım daha atılarak, 8 milyon eurosu Avrupa Birliği fonlarından 36.8 milyon euro bütçeli Güney Marmara Hidrojen Kıyısı Platformu Güdümlü Projesi başlatıldı. Proje; Enerjisa Üretim, Eti Maden İşletmeleri ve T.C. Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı eş finansmanı ile PEM tipi ilk yerli elektrolizör (ayraç) geliştirilmesi ve Enerjisa Bandırma Enerji Üssüne kurulumunu da kapsamaktadır. Enerjisa, Alman E.ON firması ile Sabancı Holding ortak kuruluşudur. E.ON Elektrolizör (ayraç) üretiminde önemli bir yere sahiptir. Bundan başka Türkiye’de ilk elektrolizör (ayraç) üretim tesisini başka bir Alman firmasının Manisa’da kurmaya başladığı basına yansımıştır. Ayrıca üniversitelerimizde farklı tasarım çalışmaları devam etmektedir.
Krom alana platin bedava.
Elektrolizör (ayraç) teknolojisinin en kritik malzemeleri platin grubundan iridyum ve rutenyumdur. Sudan hidrojeni ayrıştırmada en yüksek verimi platin grubu sağlamaktadır. Nadir olarak bulunduklarından oldukça pahalıdır. Ülkemizde krom cevheri içerinde platin varlığı bilinmektedir. Ancak kromdan platin kazanımı olmadığı için krom bünyesinde ihraç edilmekte olup herhangi bir artı değer sağlaması söz konusu değildir. Krom alana platin bedava! Kromu alan Çin, platini ayrıştırarak kromu da bedavaya getiriyor.
Depolama ve nakliye
Hidrojen, gaz ve sıvı halde tanklarda, fiziksel olarak nanotüplerde veya kimyasal olarak hidrürler biçiminde depolanabilmektedir. Aslında hidrojen bizatihi elektrik depolanmasıdır. Şöyle ki; rüzgar ve güneşten elde edilen elektrik enerjisi düzenli değildir. Rüzgar esmezse rüzgar gücünden ya da gece güneşten elektrik elde edilemez. Fazla üretilen elektriğin depolanması ciddi bir sorun olarak ortaya çıkmış devasa bataryalar üretmek üzerinde durulmuş ama hidrojen üretmek en makul çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Hidrojen elektrik depolanmasından başka birçok üründe kimyasal girdidir de.
Yeşil hidrojen depolamasında aranan çözüm bor madeninde bulundu.
Güney Marmara Hidrojen Kıyısı Platformu Güdümlü Projesi’nin bir ayağı da hidrojenin katı (kimyasal) depolanmasına yönelik sodyum bor hidrür üretimi projesidir. Bu kısmı Eti Maden üstlenmiştir. Eti Maden tarafından Mayıs 2024 tarihinde yayınlanan 2023 Bor Sektör Raporu’nda; Sodyum Bor Hidrür Üretimi: ilk aşamada trimetil borat üretim tesisinin kurulması, ikinci aşamada ise sodyum bor hidrür üretim tesisinin kurulmasının planlandığı, Eti Maden ile TÜBİTAK-MAM arasında yapılan sözleşme kapsamında TÜBİTAK Gebze sahasında trimetil borat üretim tesisi kurulup devreye alındığı, sonraki süreçte projenin ikinci aşaması olan Bandırma Bor ve Asit Fabrikaları İşletme Müdürlüğü sahasına soyum bor hidrür üretim tesisinin kurulması ve trimetil borat tesisinin revizyonu, taşınması, sodyum bor hidrür tesisine entegre edilmesinin planlandığı bu kapsamda 2023 yılında trimetil borat tesisinin Bandırma İşletme Müdürlüğü sahasına taşınması ve uyumlaştırılmasına yönelik çalışmalara başlandığı bilgisine yer verilmiştir. Sodyum bor hidrürden başka amonyum boran ve diğer bor bileşikleri de katı malzeme olarak araştırma konusu olmaktadır.
Depolama özelliğinin yanı sıra, sodyum bor hidrürün yakıt pillerinde doğrudan yakıt olarak kullanımının da mümkün olduğu bilinmektedir. Bor Araştırma Enstitüsü (BOREN) ve TÜBİTAK MAM işbirliğinde yürütülen projede sodyum bor hidrür üretimi için know-how geliştirilmiş, TÜBİTAK-MAM yerleşkesinde sodyum bor hidrür üretimi pilot tesisi kurulmuştur. BOREN ve TÜBİTAK-MAM işbirliğinde yürütülen bir diğer projede, metalik sodyum üretimi için pilot tesis kurulması ve üretim bilgi paketinin oluşturulması, ülkemizde kurulacak olası endüstriyel ölçekli sodyum bor hidrür üretim tesisinin sodyum girdisinde dışa bağımlılığın ortadan kaldırılması hedeflenmektedir. TÜBİTAK-MAM bünyesinde yürütülen yakıt pili üretimi konulu projede, 100W gücünde doğrudan sodyum bor hidrürlü yakıt pili üretimi gerçekleştirilmiştir.
Sodyum bor hidrür yakıt pilli araç konulu projede, TÜBİTAK MAM bünyesinde oluşturulan yetkinliğin bir araç konseptinde test edilmesi amaçlanmış; proje kapsamında araç üzerine entegre sodyum bor hidrürden hidrojen üreten sistem geliştirilmiş ve yine araç üzerinde bulunan yakıt pili beslenerek aracı tahrik için gerekli elektrik enerjisi üretilmiştir. İhtiyaca yönelik anlık hidrojen üretim sistemi Türkiye’de ilk defa denenmiş ve bu ilk prototip, yol testlerinde de başarılı olmuştur. Araç tamamen yerli ve el yapımıdır. Aracın maksimum hızı 80 km/ saat, aracın menzili 150 km olarak ölçülmüştür. Araç 1 kg bor hidrür ile 50 km yol gidebilmektedir. Bor hidrürün tamamı geri kazanılabilmektedir. Bu özelliği bor madenini tarihteki en değerli maden konumuna taşıyacaktır.
Özel sektör uyum çabasında
Türk özel sektörü de gelişen yeşil hidrojen piyasasının farkında olup dönüşüm ve uyum çalışmaları için harekete geçmiştir. Türkiye’nin önde gelen sanayi kuruluşu ve en büyük hidrojen üreticisi olan Tüpraş, havacılık sektöründe kullanılan biyoyakıtlarda büyümeyi hedef olarak seçmiştir. Bir diğer sanayi devi olan Socar elektroliz sistemlerine odaklanırken, Erdemir, Türkiye’de bir ilke imza atarak 17-18 Ekim 2024 tarihlerinde 1.Yüksek Fırına hidrojen enjeksiyonunu başarıyla gerçekleştirmiştir. İstanbul’da yerli bir firma konut ve iş yerleri için hidrojen teknolojili kombi üretip satmaktadır. Bunlar örnek mahiyetinde olup artırmak mümkündür.
Karadeniz hidrojen deposu
Kamu otoriteleri ve özel sektör gelişmelerin farkında olarak adımlar atmaya başladılar. Bilim adamları, Karadeniz tabanında, yeşil hidrojen dahil diğer hidrojen üretim tekniklerine nazaran daha ekonomik olarak elde edilecek ve Türkiye’nin 100 yıllık ihtiyacını karşılayacak hidrojen bulunduğunu ifade etmektedirler. Karadeniz’in zengin hidrojen sülfür kaynaklarından Ulusal Hidrojen Teknolojileri Stratejisinde bahsedilmemesi ilginç bulunmuştur. Bu alanda pilot tesislerde denemeler yapılabilir, hatta pilot uygulamalar için Karadeniz’de doğal gaz arayan gemilerimiz fırsat olarak değerlendirilebilir.
Bunlar yolun başında ilk sözlerimizdir
Küçük araçlar ve aletlerde lityum iyon bataryalar ön plana çıkarken ağır vasıtalar, uçak, gemi ve trenlerde hidrojen daha çok tercih ediliyor. Sanayi tesisleri ve konut ısıtmasında da hidrojen kullanma fikri giderek yaygınlaşıyor. Lityum ve hidrojen birbirini tamamlayacak şekilde yeşil enerji süreçlerinde yerini alıyor.
Yeşil hidrojene büyük yatırımlar yapan Çin, 2023 yılında dünyanın ilk toryum reaktörünü devreye aldı. Deneme çalışmalarının başarılı bir şekilde devam ettiği bildiriliyor. Çin ayrıca toryum reaktörü ile çalışacak devasa bir konteyner gemisi inşa sürecini başlattığını da duyurdu. Nihayet toryum reaktörleri ete kemiğe bürünmüş, yeşil hidrojen ile birlikte bin yıllık enerjimizi sağlayacak kaynak olarak ufukta görünmüştür.
Yeşil hidrojene geçiş sürecinde; üniversiteler ve araştırma kurumları oldukça heyecanla katkı sağlıyor, özel sektör istekli, bürokrasi önemini kavramış gözüküyor ancak toplumsal farkındalık az ve siyasetin ilgisi düşük seyrediyor. Hidrojen üretim, depolama, dağıtım ve tüketim süreçlerini yönetecek, bu alanda tek otorite olacak Türkiye Hidrojen Kurumu kurulmalıdır. BOTAŞ’a petrol ve doğal gaz yanında hidrojen (gaz ve sıvı) boru hatları sistemi oluşturma görevi de verilmelidir. Katı hidrojen konusunda üretim ve geri dönüşüm sistemi kurmak üzere Eti Maden görevlendirilebilir. Yeşil hidrojen konusunda diğer ülkelerle eş zamanlı yarışa girdik. Arada kapatılmayacak mesafe yok. Teknoloji geliştirme ve sistem oluşturma konusunda öncülük etmek yarışta avantaj sağlayacaktır.
Hidrojen üretiminde ayraçlarda (elekrolizörlerde) kullanılan en kritik ve en pahalı metaller iridyum ve rudenyum (platin grubu) ülkemizde krom cevheri bünyesinde bulunmaktadır. Platin grubu metallerin kazanılması büyük önem arz etmektedir.
Küresel ısınma yeşil enerjiye dönüşümü zorlarken teknoloji de kendi yolunu aramakta ve yolların kesişim noktasında, zengin nadir toprak elementleri, bor, lityum, krom ve toryum kaynaklarının varlığı ile Türkiye bulunmaktadır. Teknolojik gelişmeler bor, lityum, toryum ve nadir toprak elementlerinin işletme hakkı ve rezervlerini elinde bulunduran Eti Maden İşletmeleri Genel Müdürlüğünü stratejik bir konuma taşımaktadır. Eski İpek Yolu’nun hızlı trenlerle yeniden canlandığı ve güzergah merkezinde bulunan ülkemizin yıldızının parladığı bu zaman diliminde, tarih makas değiştirirken karşımıza çıkan tehditlerin farkında olarak fırsat ve imkanları iyi değerlendirmek gerektiği düşünülmektedir.
Nil REYHAN(Fizik Y. Mühendisi)
Galip TÜRKMEN (E. Başmüfettiş)
