Yeşil Hidrojen Ekosistemine Doğru
Fas ve Mısır için Politika Öncelikleri ve Uygulama Stratejileri

Bölüm-2 

Katkıda Bulunanlar 
RES4Africa Vakfı: Dario Garofalo, Paolo Cutrone, Cristiana Lisi AFRY Yönetim Danışmanlığı: Gaia Stigliani, Fabio Giovanni Parisi CESI: Bruno Cova, Silvia Corigliano, Luca Migliorini
Grupo Mercados Energéticos Consultores (GME): Laura Souilla, Francisco Baqueriza, Erick Amkoa
Prysmian Group: İlhan Öztürk, Xavier Vallez
RINA: Laura Severino, Manuela Gussoni, Filippo Cirilli

Aşağıdaki  Rapor orjinal İngilizce versiyonundan  alınarak   Sabri Günaydın ve İlhan Öztürk  tarafından yapay zeka çeviri yazılımları kullanarak Türkçe'ye çeviri yapılmış , kontrol edilerek düzenlenmiştir.Rapor bölümler halinde yayınlanacaktır.

Kaynak: https://res4africa.org/publication/towards-a-green-hydrogen-ecosystem/

 Bu yayın tüm hakları saklı olmak üzere telif hakkıyla korunmaktadır. 

Türkçe çeviride  göreceğiniz olası hataları " iletisim@etp.com.tr "  adresine e-posta göndermenizi rica ederiz. 

Bu raporun ETP Portalımızda yayını ile ilgili bize izin veren RES4 Afrika Vakfı Genel Sekreteri Mr. Roberto Vigotti ile  destek ve kılavuz olan  RES4 Afrika Vakfı İcra Komitesi Üyesi , Prysmian Grubu CCO Export, Güney Avrupa Bölgesi ve Yeni Pazarlar Başkan Yardımcısı  Sn. İlhan Öztürk  teşekkür ederiz. 




2.    Enerji Sektöründe Karbonsuzlaştırma için bir katalizör olarak Yeşil Hidrojen: bir değer zinciri bakış açısı

2.1.    Yeşil hidrojenin enerji dönüşümündeki rolü

Geçmişteki enerji dönüşümleri yeni teknolojilerin ve/veya kaynak keşiflerinin ortaya çıkmasıyla gerçekleşmiştir: odundan kömür ve buhar makinesi, ardından petrol ve içten yanmalı motor gelmiştir. Her iki durumda da bu yeni keşifler mevcut olanların üzerine inşa edilmiş ve onları tamamlamıştır.

Buna karşılık bu yeni geçiş, sera gazı emisyonlarının azaltılması (karbonsuzlaştırma) ihtiyacından doğmakta ve fosil yakıtların düşük emisyonlu teknolojilerle değiştirilmesini gerektirmektedir. Giderek artan sayıda ülke, küresel sıcaklık artışını 1.5°C ile sınırlamak için yüzyılın ortasına kadar net sıfır emisyona ulaşmayı taahhüt etmektedir. Uygarlığımız sanayi, ulaşım, tarım ve evlerde fosil yakıtların kullanımına dayandığı için bu zorluk çok büyüktür. Bu hedefe ulaşmak için ekonominin tüm sektörlerinde ortak çaba ve eylem gerekiyor ve yenilenebilir enerji kaynakları en önemli çözümlerden biri olarak görülüyor.

Şekil 1: Kaynaklarına Göre Dünya Enerji Tüketimi
 

Karbon emisyonlarının azaltılması için konvansiyonel üretimin yenilenebilir enerji kaynaklarıyla değiştirilmesinin, enerji verimliliğinin artırılmasının ve enerji kullanımlarının (elektromobilite, ısıtma ve soğutma gibi) elektrikli hale getirilmesinin büyük önem taşıdığı artık yaygın olarak kabul edilmektedir. Bununla birlikte, tüm sektörler fosil yakıtları elektrikle kolayca değiştiremez; bunlar arasında çelik endüstrisi, çimento, kimyasallar, uzun mesafeli ağır karayolu taşımacılığı, deniz taşımacılığı ve havacılık yer almaktadır.¹⁰

¹⁰ IRENA. 2020. Yeşil Hidrojen: Politika oluşturma için bir rehber

Hidrojen ve türevleri, enerji taşıyıcıları olarak hareket ederek, yenilenebilir elektriğin sürdürülebilir üretimi ile tükenmesi zor sektörler arasında bir bağlantı sağlar.

Şekil 2: Uluslararası Enerji Dönüşümünün Sütunları

Ancak hidrojenin tam potansiyelini gerçekleştirebilmesi için çeşitli engelleri aşması gerekmektedir. Mevcut ana zorluklar hem teknolojik hem de ekonomiktir. Gerçekten de maliyet, karbon yakalama olmaksızın fosil yakıtlardan alternatif üretime (gri veya kahverengi hidrojen) kıyasla henüz rekabetçi değildir. Ayrıca, üretilen hidrojen yerel olarak tüketildiği için hidrojen ticareti için açık bir pazar bulunmamaktadır. Hidrojen depolama ve nakliyesi için altyapı eksikliği, yatırım seviyeleri ve finansman açısından zorluklar yaratmaktadır. Bu engellerin üstesinden gelmek için, teknolojinin gelişiminin her aşamasında özel politikalara ihtiyaç vardır: önce olgunluğa ulaşmak, sonra pazara girmek ve son olarak da sürdürülebilir büyümeyi sağlamak.

2.2.    Farklı teknoloji seçeneklerinden, yenilenebilir enerji kaynaklarından ve bataryalardan yararlanma

GH2 değer zinciri yapılandırmalarına genel bakış

Hidrojen vektörünün elektrik ekosisteminin sınırlarına dâhil edilmesi, "sektörler arası bağlantı" kavramında dolaylı olarak mevcut olan yüksek düzeyde bir karmaşıklığı beraberinde getirmektedir. Bu bağlamda, GH2üretimi, taşımacılığı ve tüketimi için iki grupta dört farklı uygulama şeması öngörmek mümkündür:

A.    Şebekeden bağımsız
•    Merkezi Olmayan

B.    Elektrik şebekesi ile bağlantı
•    Merkezi Olmayan
•    Elektrik nakli
•    Hidrojen taşınması

Uygulanabilecek yapılandırma türü büyük ölçüde enerji sisteminin bulunduğu bölgesel bağlama, özelliklerine, düzenleyici çerçeveye ve kullanım amacına bağlıdır. Aşağıda farklı yapılandırmalar, ilgili avantaj ve dezavantajlarıyla birlikte açıklanmaktadır.

Merkezi olmayan şebekeden bağımsız senaryo  
Bu senaryo, elektrolizörlerin ve YEK(RES) enerji santrallerinin her ikisinin de hidrojen talep alanlarına yakın kurulduğunu varsaymaktadır. Bu şebekeden bağımsız senaryoda, YEK enerji santralleri şebekeye bağlı değildir ve hidrojen talebini karşılamak için potansiyel olarak batarya ve hidrojen depolama sistemleriyle birlikte yenilenebilir kurulu kapasitede önemli bir aşırı büyüklük gereklidir. Son olarak, şebekeye bağlantının olmaması, elektrolizör ve batarya tüketimini aştığında yenilenebilir üretimin kısılmasına neden olmaktadır. Maliyetler ve fizibilite açısından, merkezi olmayan şebekeden bağımsız senaryo yalnızca belirli bağlamlarda (örneğin, AB dışı ülkelerdeki uzak bölgeler) uygulanabilir olarak düşünülmelidir.
 

Şekil 3 Merkezi olmayan şebekeden bağımsız senaryo

Kaynak: CESI açıklaması
 

Merkezi olmayan şebeke bağlantılı senaryo 
Bu senaryoda elektrolizörlerin ve YEK'in tüketim merkezlerinde, aynı yerde olduğu varsayılmaktadır, ancak bu yapılandırmada yenilenebilir enerji santralleri şebekeye bağlıdır. Ayrıca bu senaryoda, YEK kapasite faktörü, birincil yenilenebilir kaynakların potansiyeli için optimum olmayabilecek talep alanlarının konumuna bağlıdır ve bunun sonucunda kurulu YEK kapasitesini artırmaya zorlanma riski vardır.
 

Şekil 4 Merkezi olmayan şebeke bağlantılı senaryo




 

Şekil 5 Şebekeye bağlı elektrik nakli senaryosu

Kaynak: CESI açıklaması

 

Şebekeye bağlı hidrojen taşıma senaryosu  
Elektrolizörler ve YEK enerji santralleri aynı yerde kurulur ve hidrojen, potansiyel olarak farklı bölgelerde bulunan talep sahalarına farklı taşıma araçlarıyla tedarik edilir. Bu senaryoda, elektrolizörlerden talep sahalarına hidrojen iletimi için ek maliyet, en uygun YEK(RES) sahalarından yararlanma olasılığı ile telafi edilmektedir.

Şekil 6 Şebekeye bağlı hidrojen taşıma senaryosu
 

Kaynak: CESI açıklaması



Şekil 7 Yeşil Hidrojen için uygulama yapılandırmasının özeti


Kaynak: CESI açıklaması


 

Yeşil hidrojen üretiminde temel bir bileşen: yenilenebilir enerji kaynakları

GH2üretiminin artırılması, başta güneş ve rüzgâr olmak üzere YEK için sağlam ve büyüyen bir pazar olmadan gerçekleştirilemez. Güneş enerjisinin muazzam potansiyeli ve maliyet liderliği, diğer tüm enerji üretim teknolojilerinden daha büyük bir pay almaya devam edeceğini ve küresel enerji geçişine daha fazla öncülük edeceğini göstermektedir. Yenilenebilir enerjiye geçiş hareketinin öncüsü olan güneş enerjisi, 2022 yılında 2021 yılına göre yüzde 24 artışla 1.289 TWh üretmiştir (Şekil 8). Rüzgâr, yüzde 16'lık büyüme oranıyla küresel elektrik üretiminde en hızlı büyüyen ikinci teknolojidir. Bu arada, en kirli elektrik üretim kaynağı olan kömürden üretilen elektrik yüzde 1 oranında artarken, gazla çalışan elektrik marjinal olarak azaldı ve nükleer elektrik yüzde 5 oranında azaldı.

 

    Şekil 8: 2021'den 2022'ye Elektrik Üretimi Büyüme oranı, teknolojiye göre



Kaynak: SolarPower Europe (2023)

 

 

Yenilenebilir kapasite ilavelerine yönelik genel eğilim, küresel enerji krizi ve politika desteğinin de etkisiyle son yıllarda sürekli olarak artış göstermiştir. 2022'deki toplam yenilenebilir kapasite ilaveleri geçen yıla göre 56 GW daha yüksektir ve 2021'deki 306 GW'a göre yüzde 18'lik bir artış göstermiştir. Güneş PV'sinin 2022'deki artışı, 2020'de 95,3 GW'tan 2021'de 93,6'ya ve 2022'de 77,6 GW'a düşen yıllık rüzgâr kurulumlarındaki düşüşü fazlasıyla karşıladı. Ancak bu olumlu gelişmeleri bir perspektifte tutmak önemlidir.

Güneş enerjisi, toplam elektrik talebine hala küçük bir katkıda bulunmakta olup, bir önceki yıl yüzde 3,7 olan küresel elektrik üretiminin 2022'de sadece yüzde 4,5'ini oluşturmaktadır (Şekil 9). Hala nispeten küçük olmasına rağmen, net bir büyüme ivmesi gözlemlenmektedir - güneş enerjisinin payı 2021'deki yüzde 0,5 puan veya yüzde 16'ya kıyasla 2022'de yüzde 0,8 puan veya yüzde 22 artmıştır. Bu, 2021'deki yüzde 24,6'lık paya kıyasla yaklaşık yüzde 3'lük bir büyümeyi temsil eden ve toplu olarak dünya elektrik üretiminin yaklaşık yüzde 25,4'ünü sağlayan diğer yenilenebilir kaynakların büyümesinden çok daha hızlıdır. Yenilenemeyen kaynaklar yüzde 70,1'lik pay ile baskın konumunu korumuştur. Bununla birlikte, 2022'de payları azalmış ve tüm zamanların en düşük seviyesine inmiştir.
 

Şekil 9: Küresel enerji payı olarak Güneş Enerjisi ve Yenilenebilir Enerji 2017-2022
 

Kaynak: SolarPower Europe (2023)
 

Şekil 10: Küresel toplam Solar PV pazar senaryoları tahmini 2023 -– 2027

Kaynak: SolarPower Europe (2023)


 

Güneş enerjisinden farklı ama umut verici bir tablo da rüzgârla ilgili. Rüzgâr enerjisi sektörü 2022 yılında güçlü bir büyüme yılı yaşamıştır. Küresel çapta toplam 78 GW yeni rüzgâr kapasitesi eklenmiş ve 2022 yılı yeni kapasite ilaveleri açısından şimdiye kadarki en iyi üçüncü yıl olmuştur. Bu, toplam kurulu küresel rüzgâr kapasitesini 906 GW'a çıkararak bir önceki yıla göre yüzde 9'luk bir büyüme oranını temsil etti.
 
2023 ve sonrası için görünüm son derece olumludur. Tahminlere göre 2023 yılı, dünya genelinde 100 GW'ın üzerinde yeni rüzgâr kapasitesinin eklendiği ilk yıl olacak ve bu yıl için öngörülen büyüme oranı yüzde 15 olacak. Projeksiyonlara göre, 2023-2027 yılları arasında toplam yeni rüzgâr kapasitesi ilavelerinin yılda ortalama 136 GW olması ve 5 yıllık dönemde toplam 680 GW'a ulaşması beklenmektedir.

Yakın vadede büyümeye yön veren başlıca pazarlar arasında 2022 yılında küresel kapasite artışının yüzde 71'ini oluşturan Çin, ABD, Brezilya, Almanya ve İsveç yer almaktadır. Bununla birlikte, Afrika, Orta Doğu ve Latin Amerika'daki gelişmekte olan pazarların da önümüzdeki yıllarda büyümeye önemli ölçüde katkıda bulunması bekleniyor. 2023-2030 yılları için öngörülen toplam yeni kapasite, Avrupa'daki enerji reformları ve Çin gibi büyük pazarların yenilenebilir enerji taahhütlerini genişletmesi gibi faktörler nedeniyle önceki tahminlere kıyasla yüzde 13 oranında yukarı yönlü revize edilmiştir.

Genel olarak, 2030 yılına kadar beklenen sürekli güçlü yıllık büyüme oranlarıyla, rüzgâr enerjisi endüstrisi küresel olarak sürekli bir genişleme dönemine giriyor gibi görünmektedir. Öngörüler doğru çıkarsa, artan rüzgâr kapasitesi önümüzdeki yıllarda dünyanın yenilenebilir enerjiye geçişinde önemli bir rol oynayacaktır.

Kuzey Amerika'da, önümüzdeki beş yıl içinde 60 GW'lık karasal rüzgâr kapasitesinin eklenmesi beklenmektedir; bunun yüzde 92'si ABD'de, geri kalanı ise Kanada'da olacaktır. Avrupa'da, Almanya, İspanya, İngiltere, Fransa, İtalya ve Türkiye gibi yerleşik pazarlar güçlü bir büyüme yaşamaktadır ve bu da 2024'ten itibaren Avrupa karasal rüzgâr pazarının canlanacağına işaret etmektedir. Afrika/Orta Doğu'da, önümüzdeki beş yıl içinde Güney Afrika, Mısır, Suudi Arabistan ve Fas'ın önemli katkılarıyla toplam 17 GW'lık yeni kapasite beklenmektedir. Latin Amerika'da önümüzdeki beş yıl içinde 26,5 GW'lık karasal rüzgâr kapasitesinin eklenmesi öngörülürken, Brezilya, Şili ve Kolombiya başı çekmektedir.

2027'ye kadar yüzde 31 ve önümüzdeki on yılın başına kadar yüzde 12'lik yıllık bileşik ortalama büyüme oranıyla, yeni deniz üstürüzgâr kurulumlarının 2026'da 30 GW ve 2030'da 50 GW kilometre taşlarını geçmesi bekleniyor. GWEC Market Intelligence, önümüzdeki on yıl içinde (2023-2032) 380 GW'tan fazla yeni offshore rüzgâr kapasitesinin eklenmesini ve 2032 yılı sonunda toplam offshore rüzgâr kapasitesinin 447 GW'a ulaşmasını bekliyor. Ancak, yakın vadeli zorluklar nedeniyle bu öngörülen yeni hacmin yalnızca üçte biri ilk yarıda (2023-2027) eklenecektir. Yıllık deniz üstürüzgâr kurulum kapasitesinin 2022'de 8,8 GW iken 2028'de dört katına çıkması ve 2032'de 60 GW'ı geçerek küresel yeni kurulumlar içindeki payını 2022'de yüzde 11'den 2032'de yüzde 30'a çıkarması beklenmektedir.

Avrupa, on yıllardır kümülatif deniz üstürüzgâr kurulumu açısından dünyanın en büyük bölgesel deniz üstürüzgâr pazarı olmuştur. Ancak son beş yılda Çin'deki güçlü büyüme nedeniyle 2022 yılında bu unvanı Asya Pasifik'e kaptırmıştır. APAC'ın toplam deniz üstürüzgâr kurulumlarındaki lider konumunun önümüzdeki on yıl içinde (2023-2032) zorlanması pek olası değildir, ancak Avrupa muhtemelen 
 
2030'dan itibaren yeni kurulumlar için en büyük pazar haline gelecektir. İklim değişikliğiyle mücadele ederken petrol ve doğalgaza olan enerji bağımlılığını azaltmaya yönelik ikili hedef, Avrupa'nın yıllık deniz üstürüzgâr enerjisi kurulumlarını 2027'de 10 GW ve 2030'da 25 GW kilometre taşının ötesine taşıyacaktır. Kuzey Amerika 2032 yılına kadar üçüncü en büyük offshore (açık deniz) rüzgâr pazarı olmaya devam edecek ve onu Latin Amerika izleyecektir. Tahmin dönemi boyunca Afrika ve Orta Doğu bölgelerinde offshore rüzgâr kurulumu beklenmemektedir.

Deniz üstürüzgâr türbini naselleri ile ilgili olarak, kurulumlar kara rüzgârına kıyasla daha yoğundur ve Avrupa ve APAC bölgesi küresel kurulumların yüzde 99'undan fazlasını oluşturmaktadır. Çin, bir kısmı batılı bir türbin orijinal donanım üreticisine (OEM) ait olmak üzere yıllık 16 GW'a varan montaj kapasitesi ile önde gelen deniz üstütürbin nasel üretim merkezidir.
  Açıklama Nasel yatay eksenli rüzgâr türbininin gövde kısmını oluşturmaktadır. İçerisinde çeşitli sistem elemanlarını barındıran bu kısım sistemin beyni niteliğindedir. Elektriğin üretildiği, düzenlendiği bu kısım aynı zamanda rüzgâr türbini için tüm kontrolünün yapıldığı yerdir.

Şekil 11: Yeni offshore()  kurulumları, küresel (MW)

Kaynak: GWEC (2023)
 

Elektrolizör teknolojilerine genel bakış

GH2 tedarik zincirinde, elektrolizörler kilit bileşenlerdir ve performansları ve maliyetleri, karbonsuz hidrojene geçişin iş modellerini ve karlılığını etkilemektedir. Bu nedenle, burada elektrolizör teknolojileri ve performansları hakkında bir hatırlatma sunulmaktadır. Elektroliz, suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için elektrik kullanma sürecidir. Bu reaksiyon elektrolizör adı verilen bir ünitede gerçekleşir (Şekil 12).

Elektrolizörlerin boyutları, küçük ölçekli dağıtılmış hidrojen üretimi için çok uygun olan küçük, cihaz boyutundaki donanımlardan, doğrudan yenilenebilir veya sera gazı yaymayan diğer elektrik üretim biçimlerine bağlanabilecek büyük ölçekli, merkezi üretim tesislerine kadar değişebilir.
 

Şekil 12 Elektroliz işlemi

,

Kaynak: ENERGY.GOV (nd)

 

Yakıt hücreleri gibi, elektrolizörler de bir elektrolit ile ayrılmış bir anot ve bir katottan oluşur. Başlıca dört tip elektrolizör vardır; hâlihazırda piyasada bulunan iki tip, alkali elektrolizörler, proton değişim membranı elektrolizörleri ve şu anda Ar-Ge aşamasında olan iki tip, katı oksit elektrolizörleri ve anyon değişim membranı. Bunlar çalışma sıcaklığı ve basıncı, elektrolit türü ve kullanılan malzemeler açısından farklılık göstermektedir. Temel özellikleri aşağıda özetlenmiştir.

Alkali Elektrolizörler (AEL) 
Alkali elektrolizörler, hidroksit iyonlarının (OH-) elektrolit boyunca katottan anoda taşınması ve katot tarafında hidrojen üretilmesi yoluyla çalışır. Elektrolizörler, uzun yıllardır piyasada bulunan bir tür elektrolit olan sodyum veya potasyum hidroksitin sıvı alkali çözeltisini kullanır.

AEL, değerli metallere ihtiyaç duymadan hidrojen üretme yeteneği ve orta sıcaklıklarda çalışması gibi çeşitli avantajlar sunmaktadır. Başlıca dezavantajı, Ohmik kayba ve verimliliğin düşmesine yol açabilecek elektrolit sıvı sızıntısı potansiyelidir.¹¹

AEL'lerin ömrü 30 yıldır, ancak elektrotları değiştirmek, yeniden etkinleştirmek ve diyaframları değiştirmek için her 7-15 yılda bir tam bakıma ihtiyaçları vardır.¹²
Yakın zamanda yeni basınçlı anyon değişim membranı (AEM) sistemleri oluşturulmuştur. Bu sistemler proton değişim membranı (PEM) elektrolizi gibi diğer teknolojilerle rekabet edebilir çünkü güç girişindeki değişikliklere daha iyi yanıt verebilirler. Bu da onları yenilenebilir enerji ile birlikte kullanım için ideal hale getirmektedir.<sup>13

11</sup> Vincent & Bessarabob. 2018. Anyon değişim membranı elektrolizi ile düşük maliyetli hidrojen üretimi: Bir inceleme.
¹² Ibid
¹³ DNV. 2022. Yeşil Hidrojen Üretimi

Geleneksel hava elektrolizörleri 0,6 MPa kadar düşük basınçlarda çalışırken, basınçlı elektrolizörler 0,6 ila 3 MPa arasındaki basınçlarda hidrojen üretebilir. Ayrıca, laboratuvar koşullarında 20 MPa'ya kadar basınçlar belgelenmiştir. Basınçlı elektrolizin bir diğer avantajı da hidrojeni depolama basıncı seviyelerine sıkıştırmak için daha az enerji gerektirmesidir.¹⁴

Proton Değişim Membranı Elektrolizörleri (PEM) 
Bir proton değişim membranı (PEM) elektrolizöründe, elektrolit katı özel bir plastik malzemedir. Su anotta reaksiyona girerek oksijen ve pozitif yüklü hidrojen iyonları (protonlar) oluşturur. Elektronlar harici bir devre üzerinden akar ve hidrojen iyonları seçici olarak PEM üzerinden katoda doğru hareket eder. Katotta, hidrojen iyonları harici devreden gelen elektronlarla birleşerek hidrojen gazı oluşturur.

PEM elektrolizi son 10 yılda önemli ilerlemeler kaydetmiştir ve artık hidrojen üretmek için sıklıkla kullanılmaktadır.¹⁵ Ticari PEM elektrolizörleri, ek arıtma donanımına ihtiyaç duymadan küçük ölçekli endüstriyel uygulamalar için yüzde 99,99 saflıkta hidrojen üretebilmektedir. Verimlilikleri yüzde 56 ila yüzde 68 arasında değişmekte ve 50 ila 80 °C arasında çalışmaktadırlar.

PEM, diğer elektrolizör türlerine göre çeşitli avantajlar sağlar. Bu avantajlar arasında güç girişindeki değişikliklere tepki olarak hızlı bir şekilde ölçek büyütme ve küçültme yeteneği, küçük omik kayıp, yüksek basınçlarda çalışabilme ve yüksek voltajlarda iyi performans, yüksek akım yoğunluğu, üretilen gazların saflığı ve mevcut olmayan kostik elektrolit nedeniyle güvenlik sayılabilir. Elektrolitin asidik yapısı ve elektrotların metalik yüzeyleri nedeniyle, PEM ayrıca geleneksel proseslerden daha yüksek oranda hidrojen ve oksijen üretir. Buna ek olarak PEM, anot hava basıncında çalışırken katodik bölgelerde yüksek basınçta çalışabilir, bu da yanıcı karışım üretimi olasılığını azaltır. Ayrıca, PEM çok kompakttır, kalabalık bölgelerde potansiyel uygulamaya izin verir ve yakıt ikmal istasyonlarında merkezi olmayan üretim ve depolama için yüksek basınçlı hidrojen oluşturabilir. PEM, uygun şekilde inşa edildiği takdirde sıfır yük ile tam yükün yüzde 160'ı arasında çalışabilir ve geçici olarak aşırı yüklenmeye izin verir.¹⁶

PEM elektrolizinin ana dezavantajı, yüksek voltajda ve asidik bir çözeltide membran ve soy metal elektrotlar (platin ve iridyum) için gereken daha yüksek sermaye harcamalarıdır. Ayrıca AEL'den daha düşük hidrojen çıkışına ve daha kısa kullanım ömrüne sahiptir.

Katı Oksit Elektrolizörler (SOEC) 
Yüksek sıcaklıklarda negatif yüklü oksijen iyonlarını (O2-) seçici olarak ileten elektrolit olarak katı seramik bir malzeme kullanan katı oksit elektrolizörleri,  hidrojeni biraz farklı bir şekilde üretir.

Katottaki buhar dış devreden gelen elektronlarla birleşerek hidrojen gazı ve negatif yüklü oksijen iyonları oluşturur. Oksijen iyonları katı seramik membrandan geçer ve anotta reaksiyona girerek oksijen gazı oluşturur ve harici devre için elektron üretir.

SOEC'lerin çalışması için gereken sıcaklıklar 650°C ile 1000°C arasında değişir ve sıvı su yerine buhar kullanırlar. SOEC elektrolizörü, nükleer reaktörler, jeotermal enerji veya güneş termal enerjisi gibi yüksek sıcaklıkta bir ısı kaynağı mevcut olduğunda kullanılabilir. Etkili bir şekilde çalışmak için sistem yüksek sıcaklıkta bir girişe ihtiyaç duyar; sıcaklık arttıkça elektroliz için daha az elektrik enerjisi gerekir. Teoriye göre SOEC'ler elektrik ihtiyacını yüzde 25'e kadar azaltabilir ve 1000°C'de buhar elektroliziyle hidrojen üretmek için gereken enerjinin yüzde 40'ına kadarını sağlayabilir.

¹⁴ Bhandari, Trudewind, & Zapp. 2014. Elektroliz yoluyla hidrojen üretiminin yaşam döngüsü değerlendirmesi: Bir inceleme.
¹⁵ DNV. 2022. Yeşil Hidrojen Üretimi
¹⁶ Bhandari, Trudewind, & Zapp. 2014. Elektroliz yoluyla hidrojen üretiminin yaşam döngüsü değerlendirmesi: Bir inceleme.
IEA. 2019. Hidrojenin Geleceği

Anyon Değiştirici Membranlar (AEM) 
Hidroksit iyonlarını (OH-, anyon değişim membranı olarak adlandırılır) ileten yarı geçirgen bir membran kullanırlar. PEM'den farklı olarak, asil metal katalizör gerektirmezler, ancak örnek olarak Ni, Fe, Co veya Mn bazlı asil olmayan, düşük maliyetli katalizörler kullanabilirler. Ayrıca, acı su ve atık su da dâhil olmak üzere çeşitli su kaynaklarıyla yüksek verimlilik elde edebilirler. Teknoloji umut vericidir, ancak hala araştırma ve geliştirme aşamasındadır; başlıca zorluklardan biri, PEM'den yaklaşık 10 kat daha az bir kullanım ömrüne sahip olan membranın düşük süresidir.

Tablo 1 Elektrolizörlerin özellikleri

Kaynak: IRENA (2020)
 

Elektrolizör teknolojileri esneklik açısından da farklı yeteneklere sahiptir. PEM elektrolizörleri diğer teknolojilere göre çok daha fazla esnekliğe sahiptir. Bu özellikle, Alkalin için 1-10 dakika ve SOEC için <60 dakika ile karşılaştırıldığında, 1 saniye ile 5 dakika arasında değişen soğuk başlatma ve kapatma süreleri ile ilgili olarak dikkate değerdir. PEM elektrolizörleri ayrıca elektrik tüketimlerini saniyede yüzde 100 oranında artırabilir / azaltabilir. Yani, bekleme modundan nominal kapasiteye bir saniyede geçebilirler. Bu, aşağıdakilerle karşılaştırılır
Alkalin elektrolizörler için saniyede yüzde 0,2 - 20. Son olarak, PEM elektrolizörleri nominal kapasitelerinin yüzde 0 -160'ı arasında değişen en geniş çalışma aralığına sahiptir. Bu, Alkalin için yüzde 10-110 ve SOEC için yüzde 20-125 ile karşılaştırılır. PEM elektrolizörlerinin kısmi yükteki verimliliği de AEL'den daha yüksektir.

Elektrolizörlerin esnekliği, yüksek dalgalanmalı VRES'ten (rüzgâr ve güneş gibi) enerji emme kabiliyetleriyle doğrudan ilişkilidir, böylece kesinti ve maliyetlerini azaltır.    
PEM'in önümüzdeki yıllarda kullanılacak en önemli teknoloji olarak görülmesinin nedenlerinden biri de budur.

Daha esnek elektrolizörler BESS kullanımını önleyebilir veya sınırlayabilir ve bunun yerine fazla enerjiyi depolamak için hidrojen depolama teknolojilerini kullanabilir.

Depolama teknolojilerine genel bakış: BESS vs H2 depolama

Hidrojen fiziksel olarak gaz ya da sıvı olarak depolanabilir. Hidrojenin gaz olarak depolanması tipik olarak yüksek basınçlı tanklar (350-700 bar tank basıncı) veya yeraltı depolaması gerektirir.¹⁷ Hidrojenin sıvı olarak depolanması kriyojenik sıcaklıklar gerektirir çünkü hidrojenin bir atmosfer basınçtaki kaynama noktası -252,8°C'dir. Hidrojen ayrıca katıların yüzeylerinde (adsorpsiyon yoluyla) veya katıların içinde (absorpsiyon yoluyla) depolanabilir.

Hidrojenin yüksek basınçlı bir gaz olarak depolanması, hızlı dolum ve yüksek deşarj oranları avantajı sunmaktadır.¹⁸ Hidrojen depolama için basınçlı kapların kullanımı 1880 yılına kadar uzanmaktadır ve bu kaplar, yapıları ve malzemeleri ile karakterize edilen farklı tiplerle gelişmiştir. Tank tipleri arasında karbon çeliği veya düşük alaşımlı çelik gibi metallerden yapılmış Tip I, metal astarlı ve kompozit Tip II, ince bir metal astarı çevreleyen kompozit Tip III ve kompozitle çevrelenmiş polimer astarlı Tip IV bulunmaktadır (Şekil 13).

Şekil 13: Dört Tip Tank

Kaynak: Kishk (2022)
 

¹⁷ Kishk. 2022. Hidrojen Üretimi ve Dağıtımında En Son Teknolojiler
¹⁸ Ibid 

BESS, enerji ve güç kapasiteleri açısından hidrojen depolamaya göre farklı teknolojik özelliklere sahiptir ve bu da onları eşzamanlı teknolojilerden ziyade tamamlayıcı teknolojiler haline getirebilir. Her ikisi de iki farklı hedefle elektrolizörlerle etkili bir şekilde birleştirilebilir: hidrojen depolama, daha yüksek enerji hacimleri olasılığı sayesinde, hem VRES kullanılabilirliği hem de hidrojen talebinin uzun vadeli ve mevsimsel dalgalanmaları için kullanılabilir. Yüksek güç yoğunluğuna sahip BESS, VRES'in kısa vadeli dalgalanmalarını azaltmak ve elektrolizörlerin optimum yükleme koşullarında kullanılmasına izin vermek için kullanılabilir. Bu nedenle, hangi depolama türünün kullanılacağına dair spesifik seçim büyük ölçüde elektrolizörleri beslemek için mevcut RES üretiminin türüne, teknolojisine ve aynı zamanda istikrarlı bir hidrojen arzı gerektirebilecek talep tesislerine bağlıdır. Elektrolizör, güç sistemi ihtiyaç duyduğunda esneklik sağlayarak yan hizmet piyasasına katılabilirse depolama, hidrojen tesisleri için ek gelir anlamına da gelebilir: hizmet sunumu için verilen ödül, daha iyi bir rekabet seviyesine ulaşarak toplam LCOH'yi düşürebilir.

Tüm bu faktörler, ilgili projeye göre en uygun çözümü bulmak için ilgili maliyetlerle birlikte dikkate alınmalıdır. Tablo 2, günümüzde en yaygın BESS teknolojisi olan hidrojen depolama ve Lityum-İyon BESS'in temel özelliklerini bildirmektedir.

Tablo 2: Depolama özellikleri

Kaynak: A.T. Kearney Enerji Dönüşümü Enstitüsü'ne (2023) dayanan CESI analizi

Bundan sonraki bölüme "GH2 gelişimini mümkün kılan bir çerçevenin tasarlanması: stratejiler, politikalar, düzenlemeler ve özel sektör katılımı, Pazara giden yolun finansmanı " ile devam edilecektir. 


Kısaltmalar Listesi

Kaynaklar:

1.    Afrika Düzenleme Okulu (ASR). 2022. COP27 Afrika'da Yeşil Hidrojenin gelişimini hızlandırdı mı? [çevrimiçi] Erişim adresi: https://fsr.eui.eu/has-cop27-accelerated-the- development-of-green-hydrogen-in- africa/#:~:text=Africa%20has%2040%25%20of%20the,the20world's%20green%20h ydrogen%20market. [Erişim tarihi 6 Kasım 2023]
2.    AFRY, RINA. 2023. Körfez'den Avrupa'ya hidrojen boru hattı: kullanım durumu ve fizibilite değerlendirmeleri [çevrimiçi] Erişim adresi: https://afry.com/sites/default/files/2023- 06/3355_afry_and_rina_joint_discussion_paper_hydrogen_pipeline_from_the_gulf_to_euro pe_use_case_and_feasibility_considerations_june_2023.pdf [Erişim tarihi: 7 Kasım 2023]
3.    Bhandari, Trudewind, & Zapp. 2014. Elektroliz yoluyla hidrojen üretiminin yaşam döngüsü değerlendirmesi:     Areview    [çevrimiçi]    Mevcut    https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S095965261300509X [Erişim tarihi: 6 Kasım 2023]
4.    DNV. 2022. Yeşil Hidrojen Üretimi [çevrimiçi] Şu adresten erişilebilir: https://www.dnv.com/about/statistics-and-insights/hydrogen.html [Erişim tarihi 6
Kasım 2023]
5.    Mısır Petrol ve Gaz. 2023. Yeşil Hidrojen Stratejisi: Boosting Private Sector Contribution to Green Energy [online] Available at: https://egyptoil-gas.com/features/green-hydrogen- strategy-boosting-private-sector-contribution-to-green- energy/#:~:text=In%20May%202023%2C%20Egyptian%20Minister,projects%20and%20their%20related%20ventures. [Erişim tarihi 7 Kasım 2023]
6.    Energypost.eu. 2023. Yenilenebilir Hidrojenin Küresel Olarak Finanse Edilmesi: 2030'a kadar sadece ihtiyaçlar
150 milyar dolar/yıl [çevrimiçi] Erişim adresi: https://energypost.eu/financing-renewable-hydrogen- globally-ramp-up-to-2030-only-needs-150bn-year/ [Erişim tarihi: 6 Kasım 2023]
7.    Avrupa Komisyonu (EC). 2022. COP27: AB ve Mısır temiz     enerjiye geçiş konusunda işbirliğini arttırıyor    [çevrimiçi]    Mevcut    https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/IP_22_6925 [Erişim tarihi: 6
Kasım 2023]
8.    Avrupa Komisyonu (EC). Nd. Yenilenebilir enerji hedefleri [çevrimiçi] Erişim adresi: https://energy.ec.europa.eu/topics/renewable-energy/renewable-energy-directive- targets-and-rules/renewable-energy-targets_tr
9.    Yeşil Hidrojen Organizasyonu. 2022. Afrika'nın Yeşil Hidrojen Potansiyeli [çevrimiçi] Şu adresten erişilebilir: https://climatechampions.unfccc.int/wp-content/uploads/2022/11/AGHA-Green- Hydrogen-Potential-v2_Final.pdf [Erişim tarihi 6 Kasım 2023]
10.    Hidrojen Konseyi. 2022. Net sıfır için hidrojen [çevrimiçi] Şu adresten erişilebilir: https://hydrogencouncil.com/wp-content/uploads/2021/11/Hydrogen-for-Net-Zero.pdf [Erişim tarihi 6 Kasım 2023]
11.    Uluslararası Enerji Ajansı (IEA). 2022. World Energy Outlook [online] Available at: https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 [Accessed 6 November 2023]
12.    Uluslararası Enerji Ajansı (IEA). 2019. The Future of Hydrogen [online] Available at: https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen [Accessed 6 November 2023]
 
13.    Uluslararası Enerji Ajansı (IEA). 2021. Amonyak Teknolojisi Yol Haritası [çevrimiçi] Available at: https://www.iea.org/reports/ammonia-technology-roadmap [Accessed 6 November 2023]
14.    Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı (IRENA). 2022. Hydrogen [online] Available at: https://www.irena.org/Energy-Transition/Technology/Hydrogen [Accessed 6 November 2023]
15.    Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı (IRENA). 2022. 1,5°C İklim Hedefine Ulaşmak için Küresel Hidrojen Ticareti: 2050 Ticaret Görünümü ve İzlenecek Yol [çevrimiçi] Erişim adresi: https://www.irena.org/publications/2022/Jul/Global-Hydrogen-Trade-Outlook [Erişim tarihi: 6 Kasım 2023]
16.    Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı (IRENA). 2020. Yeşil Hidrojen: Politika oluşturma için bir rehber    [çevrimiçi]    Availableat    :    https://www.irena.org/-
/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Nov/IRENA_Green_hydrogen_policy_20 20.pdf [Erişim tarihi 6 Kasım 2023]
17.    Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı (IRENA). 2021. İnovasyon Görünümü: Yenilenebilir Amonyak    [çevrimiçi]    Mevcut    https://www.irena.org/publications/2022/May/Innovation-Outlook-Renewable- Amonyak [Erişim tarihi: 6 Kasım 2023]
18.    Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı (IRENA).    2023. Yenilenebilir enerji için planlama ve beklentiler    :     Kuzey     Afrika        [çevrimiçi]    Mevcut    https://www.irena.org/Publications/2023/Jan/Planning-and-prospects-for-renewable- power-North-Africa [Erişim tarihi: 7 Kasım 2023]
19.    Fas Krallığı. 2021. Feuille de route Hydrogène vert [çevrimiçi] Erişim adresi: https://www.mem.gov.ma/Lists/Lst_rapports/Attachments/36/Feuille%20de%20route
20de%20hydrog%C3%A8ne%20vert.pdf [Erişim tarihi 7 Kasım 2023]
20.    Kishk. 2022. Hidrojen Üretimi ve Dağıtımında Son Durum ve Teknolojiler [çevrimiçi] Erişim adresi: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/119406 [Erişim tarihi: 6 Kasım 2023]
21.    MAP ECOLOGY (Agence Marocaine de presse). 2022. COP 27: Faslı ve İsrailli şirketler Fas'ta yeşil hidrojen üretimi için anlaşma imzaladı    [çevrimiçi] Erişim adresi: https://mapecology.ma/en/event/cop-27-two-moroccan-israeli-companies-ink- agreement-produce-green-hydrogen-morocco/ [Erişim tarihi: 6 Kasım 2023]
22.    MASDAR. Abu Dabi Sürdürülebilirlik Haftası (ADSW). 2022. Afrika'nın yeşil enerji devrimi. Afrika'nın kullanılmayan yenilenebilir kaynaklarını açığa çıkarmada hidrojenin rolü. [çevrimiçi] Erişim adresi: https://www.lemoci.com/wp-content/uploads/2022/11/Report-Africas-Green-Energy- Revolution-3.pdf [Erişim tarihi: 6 Kasım 2023]
23.    Metanol Enstitüsü. 2020. Metanol: Geleceğe Hazır Bir Yakıt Metanol Enstitüsü için Hazırlanmış Bir Astar    [çevrimiçi]    Availableat    :    https://www.methanol.org/wp- content/uploads/2020/03/Future-Fuel-Strategies-Methanol-Automotive-Fuel- Primer.pdf [Erişim tarihi 6 Kasım 2023]
24.    Mohamed Sayed. 2022. Mısır'da Yeşil Hidrojen Girişimleri ve Zorluklar [çevrimiçi] Şu adresten erişilebilir: https://www.linkedin.com/pulse/green-hydrogen-initiatives-challenges- egypt-mohamed-sayed-msc-pmp [Erişim tarihi 6 Kasım 2023]
 
25.    Panagiotis Kosmopoulos, Stelios Kazadzis, Hesham El-Askary. 2018. Mısır Güneş Atlası [online]    Mevcut    http://www.nrea.gov.eg/Content/files/SOLAR%20ATLAS%202018%20digital1.pdf [Erişim tarihi: 7 Kasım 2023]
26.    RES4Africa. 2022. Fas'ta Yeşil Hidrojen: Ulusal Yol Haritasını uygulamak için Politika Önerileri [çevrimiçi] Şu adresten erişilebilir: https://res4africa.org/wp- content/uploads/2023/04/GreenHydrogenMorocco_RES4Med_July2022.pdf [Erişim tarihi 7 Kasım 2023]
27.    S&P Global. 2023. Amonyak Pazarı 2050'ye Kadar Üçe Katlanacak ve Büyümenin Neredeyse Tamamı Düşük Karbonlu Arzdan Kaynaklanacak [çevrimiçi] Erişim adresi: https://press.spglobal.com/2023-07-11- Ammonia-Market-to-Triple-by-2050-with-Nearly-All-Growth-Coming-from-Low-Carbon- Supply [Erişim tarihi: 6 Kasım 2023]
28.    UNIDO. 2023. Mısır'da düşük karbonlu hidrojen üretimi, talebi, iş modelleri ve     değer zincirinin değerlendirilmesi    [çevrimiçi]    Mevcut    https://www.unido.org/sites/default/files/files/2023-06/Low-Carbon-Hydrogen- Assessments-in-Egypt-Highlights-UNIDO.pdf?_token=536161970 [Erişim tarihi: 7 Kasım 2023]
29.    Vincent & Bessarabob. 2018. Anyon değişim membranı elektrolizi ile düşük maliyetli hidrojen üretimi:     Areview    [çevrimiçi]    Mevcut    https://ideas.repec.org/a/eee/rensus/v81y2018ip2p1690-1704.html [Erişim tarihi: 6 Kasım 2023]
30.    Dünya Çelik Birliği. 2022. World Steel in Figures [online] Available at: https://worldsteel.org/steel-topics/statistics/world-steel-in-figures-2022/ [Accessed 6 November 2023]
 
Katkıda Bulunanlar

RES4 Afrika Vakfı: Dario Garofalo, Paolo Cutrone, Cristiana Lisi AFRY
Yönetim Danışmanlığı: Gaia Stigliani, Fabio Giovanni Parisi CESI: Bruno Cova, Silvia Corigliano, Luca Migliorini
Grupo Mercados Energéticos Consultores (GME): Laura Souilla, Francisco Baqueriza, Erick Amkoa
Prysmian Group: İlhan Öztürk, Xavier Vallez
RINA: Laura Severino, Manuela Gussoni, Filippo Cirilli

Bu raporu okumak ve katkıda bulunmak için zaman ayıran tüm ortaklara ve uzmanlara özel teşekkürler: Enel Green Power: Filippo Bartoloni, Hammi Ibtissem, David Armaroli, Tommaso Grisi RES4 Afrika Vakfı: Rima Jreich

Bu belge RES4 Afrika Vakfı'nın bağımsız bir analizi olarak hazırlanmıştır. Bu belge ile ilgili olarak (ihmal dâhil) hiçbir sorumluluk kabul etmiyoruz. 

RES4Africa Vakfı ve ortakları

© 2023 RES4Africa Foundation. Tüm hakları saklıdır.