Hidrojen heyecanı: Kurtarıcı bir teknoloji mi yoksa bir balon mu?

Kahraman bir kurtarıcı mı yoksa gereğinden fazla heyecan yaratan bir dikkat dağıtıcı mı? Hidrojen enerjisinin mirası hâlâ devam ediyor.

Hidrojen hakkındaki görüşler hava koşulları gibi değişiyor sanki. Bir dönem, her ne kadar bağımlı olduğu fosil yakıta dayalı üretim süreçleri nedeniyle olsa da karbon emisyonlarının artmasına katkıda bulunan bir unsur olarak alay konusu olmuştu. Ancak net sıfır yolculuğumuzun bir sonraki adımında hayati bir katalizör olarak övgü alıyor ve günlük hayatımızın devam etmesi için bağımlı olduğumuz birçok endüstrinin karbondan arındırılmasına yardımcı oluyor.

Gerçek nerede yatıyor? Bu çevresel durum oluşabilse bile hidrojen, küresel enerji karışımının önemli bir bileşeni haline gelmek için hâlâ kendisini büyük ölçüde sınırlandıran kimya ve rafineri sektörlerinin ötesine gerçekçi bir şekilde genişleyebilir mi?

Belki de bu enerji türünün çok dikkat çekmeyen özelliği küresel hidrojen tedariklerimizi üretmek için kullandığımız yöntemlere bağlıdır.

En zararlısıyla başlayalım.

• Doğalgaz·Kaynaklı·Üretim (SMR): hidrojen ve karbon monoksit üretmek için metan (doğal gaz) ile buharın reaksiyona girmesini içerir. Şu anda en yaygın olarak kullanılan üretim yöntemi olan SMR, üretilen her bir kg hidrojen için yaklaşık 8-10 kg CO2 salınımına neden olur.^[1]
• Kömür Gazlaştırma: Benzer şekilde hidrojen ve CO₂ üretimini sağlar, ancak gaz yerine kömürle buhara reaksiyon verir. Özellikle enerji bakımından yoğun olan kömür gazlaştırma yöntemi, çevre üzerinde daha da ağır bir şekilde her 1 kg hidrojen için yaklaşık 14-15 kg CO₂ açığa çıkarır.

Bu yöntemler kullanılarak üretilen hidrojen genellikle ‘gri hidrojen’ olarak bilinir.

Buna rağmen, gerçek anlamda temiz hidrojen için optimum bir çözüm her yerde mevcut: su.

• Elektroliz: Suyu oksijene ve hidrojene ayırmak için elektriğin kullanıldığı bu süreç, üretilen bir 1 kg hidrojen için sadece 1-2 kg CO₂ emisyonuna neden olur. Buna yakın bir teknolojik yöntem,
• Fotoliz: Suyu ayrıştırmak için sadece güneş enerjisi kullanır ve tamamen karbonsuzdur.

Elektroliz ve fotoliz yoluyla oluşturulan hidrojen ‘yeşil hidrojen’ olarak bilinir ve tahmincilerin ve çevrecilerin gelecekteki çevre dostu enerji karışımının temelini oluşturan bu yeşil hidrojendir.

Temiz hidrojen üretimi için teknoloji zaten mevcutsa, neden kolektif desteğimizi yavaşlatıp gri hidrojenle devam ediyoruz? Bunun nedeni maliyetlerdir.

Şu anda, yeşil hidrojenin maliyeti üretilen her 1 kg hidrojen için 4-6 ABD dolarıdır – SMR veya kömür yoluyla üretilen hidrojenden iki veya üç kat daha pahalıdır.[2] Dünya hem enerji kıtlığı hem de ekonomik bir daralma ile karşı karşıya kaldığından hidrojen, ticari olarak uygulanabilir ve ölçeklenebilir bir alternatif olarak bu endüstride yer edinmek için savaşıyor.

Hidrojenin gücünden yararlanma

Hidrojen’in artan talebi, daha temiz üretim yöntemleriyle birleştiğinde, hidrojenin karbondan arındırılmış bir ekonomide önemli bir rol üstlendiğini görülebilir. Bu, özellikle nakliye ve ağır sanayi gibi emisyonların azaltılmasının geleneksel olarak zor olduğu kanıtlanmış sektörlerde geçerlidir.

IEA’nın 2021-2050 dönemi için Net Sıfır Senaryosundaki yenilenebilir enerji, elektriklendirme ve karbon yakalama gibi diğer güçlü stratejilere ek olarak hidrojen, tüm tahmin azaltma önlemlerine %6 katkıda bulunuyor[3].

Hidrojen talebi şu anda birbiriyle uyumlu olmayan uluslararası düzenlemeler ve yetersiz altyapı gibi faktörlerle sınırlıdır. Ancak, bu engeller ortadan kalkarsa küresel hidrojen iştahının artması beklenmektedir. Temiz hidrojen enerjisi pazarının 2030 yılına kadar 642 milyar ABD dolarına, 2040 yılına kadar 980 milyar ABD dolarına ve 2050 yılına kadar 1.048 milyar ABD dolarına ulaşması bekleniyor.[4]

Şu anda dünya genelinde hidrojen kullanımının %0,1’ini oluşturan ağır sanayi ve uzun mesafeli nakliye, talepteki bu artışta orantısız bir pay üstlenebilir. Gerçekten de karbonsuzlaştırmaya dirençli bu sektörlerin 2050 yılına kadar küresel hidrojen pazarındaki talebin üçte birine tekabül edeceği tahmin edilmektedir.[5]

Üç yönden fayda sağlar:

1. Ortam partikül kirliliğinin yılda yaklaşık dört ila on milyon ölüme neden olduğu bir dünyada daha temiz hava.[6]
2. Daha fazla enerji güvenliği, çünkü hidrojen her yerde üretilebilir ve coğrafi kısıtlamaları olan fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltır.
3. Hidrojenin ideal bir uzun vadeli depolama ortamı sağladığının kanıtlanmasıyla tedarikinde dalgalanma sorunları olan yenilenebilir enerjide gelişmiş enerji esnekliği sağlandı.

Dünya genelinde yasaların, hidrojenin daha fazla kullanıldığı bir geleceği savunarak bu süreci desteklediği görülüyor. Farklı ülkelerdeki bir dizi politikanın diğer ülkelerce model alınmasıyla daha geniş çapta uygulanabilecek bir dizi politika görüyoruz.

Özel/kamu güç oyunu

Bu alanda öncü olan Çin, 2022’de şebekeye bağlı kümülatif 220 MW olan kapasite artışını keskin bir şekilde artırarak geçen yıl 750 MW’lık yeni elektrolizör kapasitesi oluşturdu. Ve Çin, bu çabalarında yalnız değil:

• Hindistan, Ulusal Yeşil Hidrojen Misyonu’nu 2023 yılında uygulamaya koyarak, dünyanın başlıca elektrolizör üreticisi olma ve 2030 yılına kadar 5 Mt yenilenebilir hidrojen üretme öngörüsünü paylaştı.
• Birleşik Krallık’ta, resmi Düşük Karbon Hidrojen Standardı yönetmeliklerinin yayınlandığı 2022 yılının ardından 2023 yılında, hidrojen elektroliz projeleri için ilk ihaleler tamamlandı.
• Amerika’da, Enflasyon Azaltma Yasası (IRA) kapsamındaki 369 milyar ABD doları tutarındaki yeşil enerji bütçesinin içinde, temiz hidrojen üreticileri için resmi olarak finansal teşvikler tahsis edilmiştir.
• Bu arada AB, Avrupa Hidrojen Bankası projeleri için 2023 yılında ilk açık artırmaları tamamlamıştır. İspanya, Fransa ve Almanya, 2030 yılına kadar 4 ila 6,5 GW yerel hidrojen üretimi gibi iddialı hedefler koymuştur.[7]

Özel sektör de aynı şekilde hidrojeni destekleyen uluslararası bir ivme sergiliyor.[8]

Hidrojen yakıt hücresi ve elektrikli hibrit sistem üreticisi olan Birleşik Krallık merkezli Proton Motor Power Systems, kısa süre önce kara yolu, demir yolu ve nakliye uygulamalarını içeren son teknoloji ürünü 90 kilowattlık bir güç üretim paketi piyasaya sürdü. Başka bir yerde, Güney Koreli doğal gaz şirketi SK E&S, Korea South-East Power şirketi ile yeşil hidrojen ve amonyak kullanarak elektrik üretmek için bir anlaşma imzaladı. Ve Japonya’dan Toshiba Energy Systems & Solutions Corp, ağır hizmet tipi deniz araçları üreten İsveçli yenilikçi bir şirket olan Echandia ile denizde kullanılmak üzere saf hidrojen yakıt hücresi sistemleri üretmek için bir ortaklık yaptığını duyurdu.

Bu atılımlar, yakın zamanda manşetlerde gördüğümüz diğer girişimlerin oluşturduğu temelden güç alıyor. Fransız otomobil üreticisi Groupe Renault, önemli bir transatlantik anlaşmayla, Avrupa’nın tüm taşımacılık pazarlarında hidrojen araç çözümleri uygulamak için ABD’li Plug Power Inc. ile bir ortak girişim üzerinde anlaştı.

Bu öncüler ve benzerleri, yeşil hidrojen projelerini önemli seviyelere çıkarmaya çalışıyor. Ancak, hidrojenin sürdürülebilirliğinin sınırları var mı ve gerçekten daha yeşil bir geleceğe önemli bir katkıda bulunabilir mi?

Maliyeti ve kanıtlanmamış Karbon Yakalama, Kullanma ve Depolama (CCUS) özellikleri nedeniyle hidrojen, bir çıkmazdadır

Rüzgar ve güneş enerjisinin aksine hidrojen, henüz ‘ana akım olmadı’ ve bunun birçok nedeni var.[9]

Diğer hidrojen formlarından ziyade yeşil hidrojenin yapımında ortaya çıkan ekstra masrafı zaten belirttik. Peki ya bir hidrojen üretim tesisi, çevreyi korumak için emisyonları yer altında hapseden, ‘mavi hidrojen’ adı verilen karbon yakalama, kullanma ve depolama (CCUS ) teknolojisiyle birleşirse nasıl olur?

Burada, kilogram başına maliyetler 1,8 ABD doları ila 4,7 ABD doları arasında değişmektedir ve 0,98 ABD doları ila 2,93 ABD doları arasında değişen gri eş değerinin maliyetinden önemli ölçüde daha fazladır.[10]

CCUS sadece pahalı olmakla kalmaz, aynı zamanda ölçek ekonomilerinde herhangi bir anlamlı verimlilik sağlayacağı da kanıtlanmamıştır.

IEA, Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı (IRENA) ve Hükümetler Arası İklim Değişikliği Paneli (IPCC) dahil olmak üzere çevre kuruluşlarının tümü, 1,5^°C küresel sıcaklık hedeflerini karşılamak için en azından CCUS’un kısmen de olsa hızlı bir şekilde genişlemesine dayanan uzun vadeli enerji tahminleri üretmiştir. Bu inanç hatalı mı?

Örneğin, Kanada’nın Alberta şehrindeki Shell Quest deposu, CCUS’un potansiyelinin bir totemi olarak sık sık örnek gösterilmektedir. Bununla birlikte bu tesisin, yarısından azı hapsedilmiş olarak rapor edilen emisyonları, CCUS özelliklerinin iddialı savunucuları tarafından öne sürülen %90’lık yakalama potansiyelin yakınından bile geçmiyor. Genel sera gazı emisyonları da dahil olmak üzere, tesisin yaklaşık 1,2 milyon benzinli arabaya eş değer bir karbon ayak izine sahip olduğu öne sürülmüştür.[11]

CO₂’nin yakalandıktan sonra sıvı halinde sıkıştırılması ve kara yolu, demir yolu veya deniz yoluyla derin jeolojik havuzlara enjeksiyonu için taşınmasını gerekir; bu sürecin kendisi bir karbon kaynağıdır.

Bazıları, yakalanan karbonun yüzey altında depolanması yerine endüstride yararlı bir şekilde kullanılabileceğini öne sürmektedir. Ancak, CO₂’yi plastik ve yapı malzemeleri gibi kullanılabilir ürünlere kimyasal olarak dönüştürme teknikleri büyük ölçüde teoriktir.

CCUS’un kuşkusuz oynayacağı bir rolü var. Örneğin, tek başına küresel CO₂ üretiminin neredeyse %7’sini oluşturan çimento endüstrisindeki emisyonları büyük miktarda azaltmak için bilinen tek yöntemdir.[12] Ve dezavantajlarına rağmen CCUS, 2022 yılında üzerinde çalışılan projelere eklenen 61 yeni CCUS tesisi ile iklim gündeminde kendini kanıtlamayı başararak dünya çapında geliştirme aşamasındaki toplam tesis sayısını 150’nin üzerine çıkarmaktadır.

Ancak CCUS’un, hidrojenin ekonomik ve çevresel eksiklikleri için sihirli bir çözüm olarak “mavi hidrojenin” haklılığını kanıtlayabilmesi için hâlâ kat etmesi gereken bir yol var.

Karbonu yerin altına hapsetmek için çok zaman harcanması ve hidrojenin yaygın olarak benimsemesi gibi konular şüpheli görünmeye başlamıştır.

Hidrojen, büyük bir pazar varlığı oluşturmak için kaçınılmaz olarak muazzam bir yatırım gerektirecektir. Bazı tahminlere göre 2050 yılına kadar küresel enerji taleplerinin %5’ini karşılamak için bile hidrojen maliyeti (çoğunlukla yeni boru hatlarında ve amonyak terminallerinde) 7 trilyon ABD dolarından fazla olacaktır.[13]

Son kullanıcıların adaptasyon maliyetleri de benzer şekilde ağırdır.

İşletmeler açısından bakıldığında mevcut makineleri, metan yerine hidrojen kullanacak şekilde dönüştürmek büyük maliyet yaratacaktır. Çelik üretimi söz konusu olduğunda, yenilenebilir kaynaklardan üretilen hidrojenin kullanılması, geleneksel karbondan yoğun tekniklere kıyasla maliyetleri %35 ila %70 oranında artırabilir.[14]

Ulaşım için otomobillerin benzin yerine hidrojen yakacak şekilde değiştirilmesi henüz ekonomik olarak uygulanabilir değildir. Amaca yönelik olarak tasarlanan hidrojen yakıt hücreli araçlar (FCEV’ler), en azından şimdilik umut vadetmeye devam ediyor.

Hidrojenle çalışan araçlar yavaş mı ilerliyor?

Hidrojenle çalışan yakıt hücreli elektrikli araçların (FCEV’ler) dünya çapında otoyollardaki varlığı bir önceki yıla kıyasla 2022’de %40 arttı ve yakın zamanda 70.000 sınırını aşarak artmaya devam ediyor.^[15] Bu, 2022 yılında 20.500 yeni FCEV satılması anlamına geliyor ve bu rakamın yaklaşık dörtte üçü, Abdul Latif Jameel’in uzun süredir ortağı olan Toyota tarafından üretilen ikinci nesil Mirai otomobilleridir.

Bu yeni FCEV satışlarının üçte ikisi Güney Kore’de ve ardından ABD, Çin, Japonya ve Almanya’da kaydedildi. Şu anda dünya genelinde, ağırlıklı olarak bu beş ülkede, 1000’den fazla hidrojen yakıt ikmal istasyonu bulunmaktadır. Bu rakam, devlet desteğiyle daha da artacaktır. Örneğin Kaliforniya eyaleti, 2025 yılına kadar 1,6 milyon sıfır emisyonlu araca ulaşma stratejisinin bir parçası olarak 100 ekstra hidrojen yakıt ikmal istasyonunun geliştirilmesi için fon sağlıyor.

Bu showroom faaliyetinin rüzgarıyla küresel FCEV pazar büyüklüğü, finansal açıdan 2022 yılında yaklaşık 1 milyar ABD dolarına çıktı. Sektör, bugün ve 2032 yılları arasında %52,9’luk bir yıllık bileşik büyüme oranı öngörüyor ve bu da 69,61 milyar ABD doları civarında bir piyasa değerine ulaşıyor.[16]

Buna rağmen son satış rakamları, 2022 yılında yıllık bazda %50 büyüyerek sayıları 10 milyonun üzerine çıkan hidrojensiz elektrikli veya hibrit otomobillerin yanında çok küçük kalmaktadır.

Elektrikli araçlara kıyasla hidrojenin en büyük avantajı hızlı yakıt ikmali olarak bilinir. Pilin şarj olması için 30-60 dakika gerekliyken hidrojen ikmali bir kaç dakikada tamamlanır. Bununla birlikte, şu anda Çin’de faaliyet gösteren yaklaşık 2.000 ‘pil değiştirme istasyonu’ ve 2022’de satılan 12.000 değiştirilebilir pilli kamyon ile, Elektrikli Araçlar nakliye pazarında bir trend olmaya başlıyor.[17] Pil değiştirmenin hidrojen teknolojisinin ilerlemesi üzerindeki etkisi, ancak önümüzdeki yıllarda netleşecektir.

Hidrojen, daha da temel ekonomik ve fiziki engellerle karşı karşıyadır.

Yenilenebilir enerji yoluyla sudan elektrolize edilen hidrojen, ayırma işlemi sırasında potansiyel enerjinin %30’unu tüketir.[18] Yakıt depolarına nakliye sırasında kalan enerjinin %26’sının daha kaybedilmesi, hidrojenin enerji veriminin piyasaya ulaşmadan önce neredeyse yarısının boşa harcandığını gösterir. Buna karşılık, şarj istasyonlarına kablo ile aktarım sırasında kaybolan elektrik oranı nominal %5’tir. Sahada hidrojen üretimi nadiren uygulanabilir, çünkü elektroliz tesisleri tesis başına milyonlarca dolara mal olmaktadır.

Hidrojenin özünde verimsiz olması, Volkswagen’in hidrojenle çalışan kamyonların önde gelen destekçilerinden biri olan Scania kamyon bölümünün 2021’den itibaren çoğunlukla pilli elektrikli varyantlarına odaklanma kararının arkasındaki neden oldu.[19]

Tesla da bu arada, nakliye sektöründeki araçlarda sadece dizel veya hidrojen kullanılabileceği tezinin doğru olmadığını da göstermek istiyor. 2023 yılının sonlarında piyasaya sürülen elektrikli Tesla tırı, 804 km menzile ve km başına 2kWsa’ten daha az enerji tüketimine sahiptir.[20] Tesla, 2024 yılından itibaren ABD genelinde 100 milyon ABD doları değerinde bir şarj ağı tarafından desteklenen 50.000 adet tır üretimini hedefleyerek hidrojen rüyasını etkili bir şekilde söndürmeye yetecek finansal kaynaklara sahip bir şirkettir.[21]

Umut mu yoksa geçici bir heyecan mı? Hidrojen neden dürüst bir analiz gerektirir?

Hidrojen üzerindeki abartının yeniden dizginlenme zamanı gelmiş olsa bile, kesinlikle bu konsepti tamamen terk etmenin zamanı değildir. Bunun yerine, hidrojenin başarısının veya başarısızlığının yan teknolojileriyle bağlantılı olabileceğini kabul etmeliyiz.

Bu yan teknolojilerin, CCUS performansında ani, oyunun kurallarını değiştiren iyileştirmeler veya temiz elektroliz maliyetini önemli ölçüde düşürerek yenilenebilir enerji kapasitesini önemli ölçüde artırmasını bekleyebiliriz.

Belki de elektroliz teknolojisinin kendisi başka bir umut ışığı daha sunar. Elektrolizör maliyetleri 2010 yılından bu yana %60 oranında düşmüştür ve IRENA analizine göre kısa vadede %40 ve uzun vadede %80 daha düşebilir. Üretim kapasitesinin artması, daha fazla standardizasyon ve ilgili ölçek ekonomileri sayesinde yeşil hidrojen maliyetlerinin kg başına 2 ABD doları gibi kritik bir dönüm noktası değerinin altına düştüğü görülebilir.[22]

Zaman hep çok önemli olmuştur ve öyle olacaktır; 2023, rekor sıcaklıklarıyla resmi olarak en sıcak yıl olduğundan[23], vakit potansiyel karbon azaltma teknolojilerinden vazgeçme vakti değildir.

Ancak, hidrojenin gelecekteki enerji ortamını yeniden şekillendirme potansiyelinin yanı sıra aşırı umut vermesi ve yetersiz verim konusundaki kötü şöhreti hakkında dürüst bir şekilde tartışmanın zamanı geldi.

[1] https://www.hydrogennewsletter.com/gh2-facts/

[2] https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Nov/IRENA_Green_Hydrogen_breakthrough_2021.pdf

[3] https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050

[4] https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/global/Documents/gx-green-hydrogen-executive-summary.pdf

[5] https://www.iea.org/energy-system/low-emission-fuels/hydrogen#programmes

[6] https://www.bmj.com/content/383/bmj-2023-077784

[7] https://www.forbes.com/sites/ianpalmer/2023/05/30/hydrogen-is-ramping-up-in-the-energy-transition-but-it-may-be-oversold

[8] https://www.precedenceresearch.com/hydrogen-fuel-cell-vehicle-market

[9] https://www.forbes.com/sites/ianpalmer/2023/05/30/hydrogen-is-ramping-up-in-the-energy-transition-but-it-may-be-oversold

[10] https://about.bnef.com/blog/green-hydrogen-to-undercut-gray-sibling-by-end-of-decade/

[11] https://www.globalwitness.org/en/blog/problem-hydrogen/

[12] https://www.lse.ac.uk/granthaminstitute/explainers/what-is-carbon-capture-and-storage-and-what-role-can-it-play-in-tackling-climate-change/

[13] https://www.forbes.com/sites/ianpalmer/2023/05/30/hydrogen-is-ramping-up-in-the-energy-transition-but-it-may-be-oversold

[14] https://www.lse.ac.uk/granthaminstitute/explainers/what-is-carbon-capture-and-storage-and-what-role-can-it-play-in-tackling-climate-change/

[15] https://www.hydrogeninsight.com/transport/the-number-of-hydrogen-fuel-cell-vehicles-on-the-worlds-roads-grew-by-40-in-2022-says-iea-report/2-1-1444069

[16] https://www.precedenceresearch.com/hydrogen-fuel-cell-vehicle-market

[17] [17] https://www.hydrogeninsight.com/transport/the-number-of-hydrogen-fuel-cell-vehicles-on-the-worlds-roads-grew-by-40-in-2022-says-iea-report/2-1-1444069

[18] https://www.forbes.com/sites/jamesmorris/2021/02/06/why-are-we-still-talking-about-hydrogen

[19] https://www.rechargenews.com/energy-transition/after-plotting-battery-electric-future-truck-maker-scania-hedges-bets-with-new-hydrogen-vehicles/2-1-1200800

[20] https://www.forbes.com/sites/qai/2022/12/08/how-powerful-is-teslas-new-semi-truck

[21] https://insideevs.com/news/672016/tesla-semi-volume-production-wil-not-start-until-late-2024/

[22] https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Nov/IRENA_Green_Hydrogen_breakthrough_2021.pdf

[23] https://www.theguardian.com/us-news/2024/jan/03/2023-hottest-year-on-record-fossil-fuel-climate-crisis