CeO2’den Hidrojen Üretmek mi? Hızlı Sonuçlar İçin Sadece Mikrodalga Kullanın

Fosil yakıtlar iklimimize zarar veriyor. Bildiğimiz gibi, dünya yenilenebilir, sürdürülebilir, yeşil enerji kaynaklarına hızla yöneliyor. Bu iklime dost yakıt arayışında, Hidrojen dekarbonizasyonun potansiyel bir kaynağı olarak ortaya çıktı.

Teknoloji, hidrojenin sıfır ya da çok az sera gazı emisyonuyla üretilmesini mümkün kıldı. Hidrojen ilgisi o kadar yüksek ki, Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı, yıllık ‘temiz hidrojen’ üretimini neredeyse sıfırdan 2030 yılına kadar 10 milyon metrik ton ve 2050 yılına kadar 50 milyon metrik ton artırma hedefi koydu. 

Ancak, sürecin kritik bir darboğazı var. Metal oksitlerin oksidasyon‑redüksiyonuna dayanan geleneksel termoelektik yöntemler, son derece yüksek sıcaklıkta çalışmayı gerektirir. Sıcaklık 1500 santigrat dereceye kadar çıkabilir. 

Son zamanlarda, Güney Kore’deki POSTECH, Pohang Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden bir araştırmacı ekibi, bu darboğazı aşmanın bir yolunu buldu.

Süreç, tanıdık ama yeterince kullanılmayan bir enerji kaynağını içeriyor: “mikrodalga” enerjisi. Evet! Yanlış değilsiniz. Bu, ev mikrodalga fırınlarında kullanılan aynı kaynaktır. Araştırmanın başlığı şu şekildedir: ‘Mikrodalga Yardımlı Termokimyasal Redüksiyon için Gd-dopeli CeO2’nin Termodinamik Değerlendirmesi.¹‘ 

Aşağıdaki bölümde, bu araştırmanın etkilerini tartışacağız. 

Mikrodalgalar Kullanarak Temiz Hidrojen Üretimindeki Temel Kısıtlamaları Gideren Çığır Açan Bir Teknoloji

Ekip, POTECH’te çalışan disiplinlerarası araştırmacılardan oluşuyordu ve Profesör Gunsu S. Yun liderliğindeydi. Doktora adayı Jaemin Yoo (Fizik Bölümü, İleri Nükleer Mühendislik Bölümü), Profesör Hyungyu Jin ve doktora adayı Dongkyu Lee (Makine Mühendisliği Bölümü) da ekibin içindeydi. Sürdürülebilir enerji peşinde bir atılım olarak tanınan bu araştırma, Journal of Materials Chemistry A‘nın iç kapağında yer aldı.

Araştırmacılar, mikrodalgaların yiyecekleri verimli bir şekilde ısıtabildiği gibi kimyasal reaksiyonları da tetikleyebileceği varsayımıyla başladılar. Bu düşünceyi, Gd-dopeli seriya (CeO2) indirgeme sıcaklığını düşürmeye uyguladılar. Gd-dopeli seriya (CeO2), hidrojen üretimi için bir kıstas malzemedir ve mikrodalga enerjisi bu malzemenin indirgeme sıcaklığını %60’tan fazla azaltarak 600 santigrat derecenin altına çekebilir.

Mikrodalga enerjisi, reaksiyon için gereken termal enerjinin %75’ini yerine koyabilir. Bu bulgu, sürdürülebilir hidrojen üretimi için haklı bir atılım olarak değerlendirilebilir.

Araştırmanın ve bulgularının devrim niteliğinde olabileceğini açıklarken, Profesör Hyungyu Jin şu sözleri söyledi:

“Bu araştırma, termokimyasal hidrojen üretim teknolojilerinin ticari uygulanabilirliğini devrim niteliğinde değiştirme potansiyeline sahiptir. Ayrıca, mikrodalga destekli kimyasal süreçler için optimize edilmiş yeni malzemelerin geliştirilmesine yol açacaktır.”

Profesör Gunsu Yun, bu yeni mekanizmanın tanıtımını ve mevcut süreç sınırlamalarının aşılmasını, yalnızca araştırma ekibinin yakın disiplinlerarası iş birliği sayesinde mümkün olabilecek ‘büyük başarılar’ olarak nitelendirdi. 

Ekibin elde ettiği bir diğer atılım, Oksijen Boşlukları yaratılmasıyla bulunabilir. Bunlar, suyu hidrojen ve oksijene ayırmaya yardımcı olan malzeme yapısı kusurlarıdır. Geleneksel yöntemler çok yüksek sıcaklıklarda saatler sürebilirken, POSTECH ekibi, aynı sonuçların 600°C’nin altındaki sıcaklıklarda sadece dakikalar içinde mikrodalga teknolojisini kullanarak elde edilebileceğini gösterdi.

POSTECH araştırması önemli bir atılım sunsa da, dünyada temiz hidrojen üretimi için yenilikçi yöntemler geliştiren birçok başka araştırma kuruluşu da bulunmaktadır. Bu kuruluşlardan biri, Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı, Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi’ne bağlı ulusal laboratuvar olan National Renewable Energy Laboratory’dir.

Hidrojenin bir enerji kaynağı olarak daha çekici hale getiren atılımı öğrenmek için buraya tıklayın.

Düşük Maliyetli Hidrojen Üretimi: Diğer Çabalar

Xcel Energy (XEL ) ile iş birliği içinde geliştirilen NREL’in rüzgâr‑hidrojen (Wind2H2) gösterim projesi, rüzgâr türbinleri ve fotovoltaik (PV) dizilerini elektrolizör yığınlarıyla bağlayarak üretilen elektriği suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için kullanır. Proje şu anda Colorado, Boulder yakınlarındaki National Wind Technology Center’da aktif durumdadır. Projenin temel amacı, yenilenebilir kaynaklardan büyük miktarlarda ve geleneksel kömür, petrol ve doğal gaz gibi enerji kaynaklarıyla rekabet edebilecek düşük maliyetli hidrojen üretim sistem verimliliğini artırmaktır.

Temiz hidrojen üretmenin bir başka yolu, güneş ışığını doğrudan suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için kullanmaktır. Fotovoltaik endüstrisi, su/elektrolit ortamında kararlı ve suyu ayırmak için yeterli voltaj üreten fotoelektrokimyasal (PEC) ışık toplama sistemleri için sofistike çok katmanlı hücre teknolojileri geliştirmiştir. NREL’in geliştirdiği kendi PEC sistemi bulunmaktadır.

NREL sistemi, yakalanan ışığı kullanarak elektrolizörlerin maliyet ve karmaşıklığı olmadan güneş ışığından hidrojen üretebilir ve düşük ısı değeri (LHV) ile %12,4’lik bir güneş‑hidrojen dönüşüm verimliliği elde eder. NREL’de yürütülen daha fazla araştırma, daha verimli, düşük maliyetli malzemeler ve sistemler geliştirmeye odaklanmakta; bu sistemler su ortamlarında korozyona dayanıklı ve uzun ömürlü olmaktadır.

Hidrojenin yakıtın geleceği olmasını sağlayan unsurları öğrenmek için buraya tıklayın.

Biyolojik Hidrojen 

NREL’in araştırdığı bir diğer heyecan verici yol, ‘Biyolojik Hidrojen’ ile ilgilidir. NREL bilim insanları, lignoselülozik biyokütleyi şeker açısından zengin hammaddeye dönüştüren ön işlem teknolojileri geliştirmekte ve bu hammadde doğrudan fermente edilerek hidrojen, etanol ve yüksek değerli kimyasallar üretilebilmektedir.

Ayrıca, hemiselülozu doğrudan hidrojen üretmek için fermente edebilen bir Clostridium konsorsiyumu belirlemek için çalışmalar da yürütülmektedir.

Biyolojik Hidrojen alanındaki diğer araştırma konuları şunları içerir:

• Clostridium thermocellum gibi etkili selülaz üreten mikropların biyolojik keşfi, kristal selülozu doğrudan hidrojen üretimine fermente ederek hammadde maliyetlerini düşürebilir.
• Model bir selülaz üreten bakterinin tanımlanması.
• Model selülaz bakterisinin genetik manipülasyon potansiyelinin incelenmesi, antibiyotik duyarlılığı ve genetik dönüşüm kolaylığı dahil.
• Atık asit ve çözücü üretimini seçici olarak engelleyen mutantlar oluşturmak için stratejiler geliştirilerek hidrojen verimi maksimize edilmeye çalışılmaktadır.

Dünya genelinde kuruluşlar, araştırma enstitüleri ve laboratuvarlar aktif olurken, özel şirketler de faaliyet göstermektedir. 

1. Linde 

Yıllardır temiz hidrojen üretiminin öncüsü konumunda olan şirketlerden biri Linde’dir. Şirket, hidrojenin verimli sıkıştırılması ve güvenli yeniden doldurulması dahil yenilikçi teknolojileri, on yıllık deneyimiyle altyapısının rakipsiz olduğunu iddia etmektedir. 

Şirketin temiz hidrojen üretimine yönelik operasyonları, çeşitli yöntem ve stratejileri içerir. Örneğin, yeşil hidrojen üretimi için elektroliz, yenilenebilir enerjiyle çalışan elektrolizörleri kapsar.

Elektrolizde, su tamamen yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen elektrikle hidrojen ve oksijene ayrılır. Bu süreç, elektrolizör adı verilen birimlerde gerçekleşir. Elektrolizörler boyut, kapasite ve teknoloji bakımından farklılık gösterse de temel kimya aynı kalır.

Şu anda iki ana elektroliz teknolojisi vardır: alkalin ve PEM (Proton Değişim Membranı) — her ikisi de Linde’ye göre, sahada ve talep üzerine yüksek saflıkta hidrojen üretebilir.

Alkalin elektroliz, gözenekli bir diyafram ve elektrolit olarak sıvı alkalin çözelti ile ayrılmış iki elektrot kullanır. Elektrolit çözeltisi, hidroksit iyonlarının elektrotlar arasında taşınarak oksijen ve hidrojen oluşmasını sağlar, ancak reaksiyon sırasında tüketilmezler. Bu teknoloji güvenilir ve maliyet‑etkin olabilir.

Diğer yandan, PEM elektroliz, suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için elektrik akımına izin veren sıvı çözelti yerine saf su ve katı polimer elektrolit kullanır. Hidrojen protonları membrandan geçerek elektronlarla birleşir ve katot tarafında H2 gazı oluşturur.

Linde, çeşitli stratejiler için etkili Karbon Yakalama, Kullanım ve Depolama (CCUS) teknolojileri sunmaktadır. Hidrojeni mevcut doğal gaz boru hatlarına enjekte etmek için yenilikçi teslimat çözümlerine sahiptir; bu da çok çeşitli uç uygulamalara hizmet eder.

Linde, hidrojenin yer altı tuz mağaralarında depolandığı son derece gelişmiş depolama operasyonları yürütmektedir. Enerji parklarının geliştirilmesinde deneyimli bir ortak olmanın yanı sıra, Linde on yıldan uzun süredir ticari yüksek saflıkta hidrojen mağarasını işletmektedir. Ayrıca, sıvı hidrojen üretmek için hidrojen likefaksiyon sistemleri inşa etmede on yıllık deneyime sahiptir; bu sayede depolama ve taşıma kolaylaşır.

Mevcut en son finansal verilere göre, Linde 30 Eylül 2024’de sona eren çeyrek için 8,356 milyar ABD doları satış kaydetti.

2. Air Products

Temiz hidrojen üretim alanına önemli ölçüde katkı sağlayan bir diğer şirket Air Products’tır. Şirket, yenilenebilir enerji kaynaklarından temiz hidrojen üretiminin, çelik üretimi ve kimyasal işleme gibi elektrifikasyonu zor endüstriyel süreçlerin karbon salımını azaltmak için hayati öneme sahip olacağına inanmaktadır.

Şirket, düşük karbonlu hidrojen üretimini ilerletecek ve enerji geçişini hızlandıracak projelere zaten 15 milyar ABD doları taahhüt etmiştir. 

Şirketin temiz hidrojen uygulamaları arasında otomobiller, otobüsler, forkliftler, gemiler, trenler ve kamyonlar için hidrojen yakıtlaması yer alır. Karayolu taşımacılığı, küresel emisyonların neredeyse %12’sini oluşturur. Dizel otobüslerin sıfır emisyonlu hidrojen yakıt hücreli otobüslere dönüştürülmesi, küresel sera gazı emisyonlarını azaltabilir ve hava kalitesini iyileştirebilir. Air Products, hidrojen otobüs yakıtlamasında liderdir ve dünya çapında projelere katılmaktadır. 

NEOM Green Hydrogen Company (NGHC), ACWA Power, Air Products ve NEOM’un eşit üretim ortak girişimi, dünyadaki en büyük yeşil‑hidrojen bazlı amonyak üretim tesisini yenilenebilir enerjiyle çalıştırmak üzere kurmaktadır. Bu tesis, günde 600 ton karbon içermeyen hidrojen üretip, yeşil amonyak şeklinde maliyet‑etkin bir çözüm sunarak küresel ulaşım ve endüstri sektörlerine hizmet verecek.

Air Products’ın yeni net‑sıfır hidrojen enerji kompleksi, Edmonton, Alberta’yı Batı Kanada’nın hidrojen ekonomisinin merkezi haline getirmeyi hedefliyor. Edmonton’daki dönüştürücü yeni hidrojen tesisinde inşaat hızla ilerlerken, bu tesisi şirketin mevcut boru hatları ağına bağlamak, rafineri ve petrokimya müşterilerinin enerji ürünlerinin karbon yoğunluğunu azaltmalarına ve sürdürülebilirlik performanslarını iyileştirmelerine yardımcı olacaktır. Ayrıca, sınıfının en iyisi likefaksiyon tesisi, hidrojenin batı Kanada’da emisyonsuz bir ulaşım yakıtı olarak kullanılmasını hızlandıracaktır. 

Air Products’ın Louisiana Clean Energy Complex’i, Körfez Bölgesi ve ötesindeki mobilite ve endüstriyel pazarları güçlendirmek için düşük karbonlu hidrojen üretecek. Tesis, karbon dioksit emisyonlarının %95’ini (yılda 5 milyondan fazla ton) yakalama ve depolama hedefiyle, CO2’yi Louisiana’daki ideal jeolojik gözenekli alanlarda kalıcı olarak depolayacak. 

Bu proje, Air Products’ın ABD’deki en büyük yatırımıdır ve Louisiana’nın 2050 yılına kadar GHG emisyonlarını net sıfıra indirmesine yardımcı olmak amacıyla inşa edilmiştir. 

Air Products, New York, Massena’da yeni bir sahada günde 35 metrik ton yeşil sıvı hidrojen üretmek, sahip olmak ve işletmek için yaklaşık 500 milyon dolar yatırım yapmayı ve sıvı hidrojen dağıtım ve dağıtım operasyonları kurmayı planlamaktadır. Proje, yaşam süresi boyunca 6 milyon ton CO2’nin önlenmesine yol açacak. Proje, St. Lawrence Nehri’nden hidroelektrik enerji kullanarak karbon içermeyen sıvı hidrojen üretimini sağlayacak.

30 Eylül 2024’de sona eren mali yıl için şirket, 12 milyar ABD dolarının üzerinde bir satış rakamı kaydetti.

Temiz Hidrojenle Geleceğe

Şirketler ve araştırma kuruluşları, güvenilir ve maliyet‑etkin hidrojen üretiminin yeni yollarını geliştirmeye devam etmeleri için yeterli teşvik vardır. Örneğin, ABD Enerji Bakanlığı, iki partili Altyapı Yasası kapsamında tahsis edilen 7 milyar ABD dolarlık fonla bir dizi “hidrojen hub’ı” kurmak için 2023’te yedi kazananı seçti.Kabul etmek için, her hub, günde en az 50–100 metrik ton temiz hidrojen üretebildiğini ve sera gazı emisyonlarını azalttığını ikna edici bir şekilde göstermek zorundaydı.

DOE’nun seçtiği hidrojen hub’larında en aktif katılımcılar arasında AES Corporation (AES ), Air Liquide (AIL.DE ), Amazon (AMZN ), Bloom Energy (BE ), Chevron (CVX ), ExxonMobil (XOM ), GTI Energy, Holtec, Mitsubishi Power Americas, Plug Power (PLUG ), ve (TRP ). 

Keskin teknolojiler, hidrojen üretimi ve dağıtımını ilerletmekte de rol oynayabilir. Örneğin NREL, Energy Systems Integration Facility’de 700 bar hidrojen dağıtım hortumlarının hızlandırılmış test ve döngü çalışmalarını otomatik robotlar kullanarak saha koşullarını simüle etmek üzere yürütmektedir. Burada robotlar, bir kişinin hortumu büküp bükerek bir yakıt hücresi aracının depolama tankına hidrojen pompalamasını taklit eder. Araştırmacılar, yeni ve kullanılan hidrojen dağıtım hortumlarının mekanik, termal ve basınç stres verimliliklerini inceliyor.

Hidrojen şu anda bir ivme kazanıyor ve bu ivme bundan sonra sadece artabilir. Hidrojen projelerinin küresel inşasını izleyen kuruluşlara göre, 2022 yılında yalnızca 680 büyük ölçekli hidrojen üretim projesi duyurulmuş ve bu projeler 240 milyar dolar değerinde doğrudan yatırım getirmiştir. REL ayrıca çeşitli sürdürülebilir hidrojen üretim ve dağıtım yolları üzerinde sistem‑seviyesi analizler yaparak teknoloji ilerlemelerinin durum iyileştirmelerini, üretim hacmine bağlı maliyetleri ve maliyet düşürme potansiyelini belirlemeye çalışmaktadır.

2030’a kadar hidrojen yatırımlarının kesinlikle şüphe yok ki, özel sermaye ve risk sermayesi firmaları 2022’de hidrojen şirketlerine rekor miktarlarda yatırım yaptı; bu yatırımlar, hidrojenle ilgili şirketlere 3,1 milyar dolar özel sermaye ve 2,6 milyar dolar risk sermayesi sağladı.

Bu ivmenin öneminden bahsederken, Breakthrough Energy’ın ABD Politika ve Savunuculuk ekibinde yönetici olan Adria Wilson, son politika kazanımlarının, uygun fiyatlı, temiz hidrojenin önümüzdeki on yılda, hatta daha erken bir sürede, elimizdeki bir dekarbonizasyon aracı olacağı anlamına geldiğini söyledi.

Bununla birlikte, tamamen iyimser olmakla birlikte, hâlâ uzun bir yolun olduğunu unutmamak gerekir. Dünya Kaynakları Enstitüsü’nün verdiği sayılara göre, hidrojenin %95’i fosil yakıtlardan, genellikle buhar metan reformasyonu (SMR) adı verilen bir süreçle üretilmektedir; bu süreç, suyun yüksek sıcaklıklarda ısıtılarak doğal gazla reaksiyona girmesi ve hidrojen ile karbondioksit (CO2) üretmesiyle gerçekleşir. Bu süreç hâlâ önemli miktarda sera gazı yaymakta ve kilogram hidrojen başına 10‑14 kilogram CO2 eşdeğeri (kg CO2e/kg H2) salmaktadır; bu, bir galon benzin üretip yakmanın karbon emisyonuna benzer bir miktardır.

Temiz hidrojen üretim yöntemleri, bu tür yöntemlerden kurtulmamıza yardımcı olmalıdır. Geçiş, hızlı ancak sürdürülebilir yöntemlerle gerçekleşmelidir.

Sürdürülebilirliğe odaklanan en iyi temiz enerji hisse senetlerinin listesi için buraya tıklayın.