Hidrojen Ekonomisi Mantıklı mı?
Bölüm-1

Ulf Bossel, Ph.D.

2005 Yılında İsviçre'de gerçekleştirilen  European Fuel Cell Forum (EFCF) 'de yayınlanmış  olan "Hidrojen Ekonomisi Mantıklı mı?"   konulu çok  önemli yazıyı  ETP Portalımızda  yayınlıyor ve  18 yıl sonra   bu konudaki değişiklikleri  okuyucularımız  yorumlarına bırakıyoruz.

ETP Portalımız okuyucuları  yazı ile ilgili görüşlerini ve bu konudaki yazılarını   " iletisim@etp.com.tr "  e-posta adresine   gönderebilirler.

ETP Portalımızda  "Hidrojen Ekonomisi Mantıklı mı?" makalesinin yayın iznini veren  yazarı  Sn. Ulf Bossel'e içtenlikle teşekkür ederiz. 

Hidrojen Ekonomisi Mantıklı mı?
 

Giriş
 

Sürdürülebilir bir enerji geleceğinin kurulması, insanlığın en acil görevlerinden biridir. Fosil kaynakların tükenmesiyle birlikte enerji ekonomisi kimyasal temelden elektrik temeline dönüşecektir. Bu geçiş bir fizik meselesidir, ancak kanıtlanmış teknoloji ve mevcut mühendislik deneyimi faydalı olacaktır. Tamamlanması uzun yıllar alacak bir geçiş sürecini başlatmak için bir an önce harekete geçilmelidir.

Ne yazık ki politikacılar [1], lobi gruplarının  ve çevre aktivistlerinin tavsiyelerini dinliyor gibi görünmektedir ; bunların hepsi nitel fikirler sunmakta, ancak fikirlerini  gerçeklere ve fizik kanunlarına dayandırdıkları neredeyse hiç görülmemektedir. Güvenli ve sürdürülebilir bir enerji geleceği güvenilmez  fikirlere , altatmalara  ve siyasi aktivizme dayandırılamaz; bilimin sağlam temelleri üzerine inşa edilmelidir.


Bu makale kısmen hidrojen destekçilerinin yanlış iddialarına bir yanıt niteliğindedir. İddiaların çoğu doğru olsa da, toplamda fiziğin temel yasalarından biri olan enerjinin korunumu ilkesini gerektiği gibi dikkate almamaktadırlar. Hidrojen yeni bir enerji değil, sadece yapay bir sentetik enerji taşıyıcısıdır. Elektrik ya da doğal gaz gibi yüksek nitelikli enerjiden üretilmesi gerekir. Hidrojen ekonomisi teknolojisi geliştirilmeden ya da uygulamaya konulmadan önce, temel bir sorunun ele alınması gerekmektedir. Hidrojene bağlı olarak tüketiciye ulaştırılacak olan enerji nereden geliyor? Toplumun enerji ihtiyacını karşılamak için asıl enerji kaynağının  ne kadarına ihtiyaç vardır? Dağıtım sisteminde ne kadar enerji kayboluyor? Enerjiyi insanlara ulaştırmanın başka yolları var mı?

Bu sorular ayrıntılı olarak incelenmiştir [2]. Bu yayın, hidrojen ekonomisine ilişkin bu enerji analizinin sonuçlarını temel almaktadır. Sonuçları daha geniş bir bakışa çevirmekte ve hidrojen ekonomisi için yıkıcı sonuçlar çıkarmaktadır.Hidrojen ekonomisi asla mantıklı olmayacaktır.


Sürdürülebilir Enerji Geleceği

Enerji sistemini sürdürülebilir kılmak için iki gerek koşulun  yerine getirilmesi gerekmektedir.

1. Tüm enerji sürdürülebilir şekilde yönetilen yenilenebilir kaynaklardan gelmelidir
2. Enerji en yüksek verimlilikle dağıtılmalı ve kullanılmalıdır.

Bu bağlamda "sürdürülebilir" kelimesi orijinal anlamında kullanılmaktadır. 18. yüzyılın sonlarında Prusya orman idaresi tarafından "bir ormandan asla iki hasat dönemi arasında doğanın yenileyebileceğinden daha fazla odun alınmaması" anlamında sürdürülebilirlik ilkesi oluşturulmuştur. Bu kural insan ve doğa arasındaki tüm etkileşimler için geçerlidir. Enerji alanında, enerji zincirinin girişinde enerjinin toplanması   ve diğer ucunda  tepkime ürünlerinin çevreye salınması söz konusudur. Doğanın  salınma   ya da soğurma yeteneği, jeolojik kaynaklardan enerji kullanımını sınırlamaktadır.

Fosil yakıtlar ve nükleer (füzyon ve fisyon) enerjinin, enerji zincirinin her iki ucunda da bu kriterleri karşılamadığı açıktır. Kaynaklar sınırlıdır ve jeokarbondioksit veya radyoaktif atık salınımı doğa tarafından soğurulamaz.. Biyokütle kendi başına sürdürülebilir değildir, ancak büyümesi ve toplanması  Avrupa'nın bazı bölgelerindeki ormanlar gibi sürdürülebilir bir şekilde yönetilmelidir. Ayrıca, bazı hidro enerji projelerinin sürdürülebilirliği de sorgulanabilir. Yapay göller yavaş yavaş alüvyonla dolmakta ve zamanla işe yaramaz hale gelmektedir. Ayrıca, verimli vadilerin sular altında kalmasının yol açtığı zarar sürdürülebilirlik ilkesiyle çelişebilir.

Bununla birlikte, çoğu hidroelektrik, güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, okyanus enerjisi veya jeotermal tesis yenilenebilir enerjiyi sürdürülebilir bir şekilde toplamaktadır. Yenilenebilir enerji listesini tamamlamak için sürdürülebilir şekilde yönetilen biyokütle ve organik atıklardan elde edilen enerjiyi de ekleyin. Fosil ve uranyum yataklarının tükenmesinden sonra enerji bu kaynaklardan gelmelidir. İnsanlığın enerji ihtiyacına önemli ölçüde katkıda bulunabilecek başka sürdürülebilir enerji kaynağı yoktur. Ancak, yenilenebilir enerjinin ticari enerji ürünlerine dönüştürülmesi önemsiz değildir. Günümüzün fosil temelli enerji sisteminden, doğadan sürdürülebilir bir şekilde elde edilen fiziksel enerji üzerine kurulu yeni bir platforma geçiş yıllar alacaktır.

Sürdürülebilirliğe geçişin başlangıcı ve hızı şunlara bağlıdır

- Hidroelektrik, rüzgar, güneş, jeotermal ısı ve biyokütlenin varlığı
- Güneş, rüzgar ve biyokütle hasadı için iklim koşulları
- Okyanus enerjisinden yararlanmak için kıyı şeridi boyunca topoloji
- Yenilenebilir enerji tesisleri için arazi ve sahaların varlığı
- Bu tür tesislerin kentsel alanlara yakınlığı
- Enerji verimliliği ve enerji kullanım standartlarının oluşturulması
- Sağlam vizyonlara sahip siyasi liderlik

Ancak geçiş, fosil kaynakların yerel varlığı, geleneksel enerji santrallerinin varlığı veya güçlü ticari çıkarlar nedeniyle de yavaşlayabilir.

İsviçre ve Danimarka gibi fosil kaynakları olmayan ülkeler zaten sürdürülebilirliğe doğru ilerliyor. Suudi Arabistan, ABD veya Rusya gibi zengin fosil yataklarına sahip ülkeler nihayet zorlukların farkına varmaya başladı. Sürdürülebilirlik için küresel bir yol haritası yoktur, ancak yerel durumları yansıtacak bölgesel çözümlere ihtiyaç vardır. Yol haritaları ve uluslararası anlaşmalar öncü ülkelerdeki süreci yavaşlatabilirken, yerleşik enerji ekonomileri
değişiklikleri engelleyebilir.

Yenilenebilir Enerji ve Enerji Piyasası

Günümüzden sürdürülebilir bir enerji tabanına planlı bir geçiş için, doğadan sağlanan yenilenebilir enerjinin özellikleri dikkate alınmalıdır. Hiç kuşkusuz, insanlığın enerji talebi yenilenebilir kaynaklardan karşılanabilir. Güneş, küresel olarak insanlığın enerji ihtiyacını karşılamak için gerekenden binlerce kat daha fazla enerji sağlamaktadır. Ancak meteorolojik dalgalanmalar, iklim bölgelerine göre farklılıklar, yerlerin  elverişliliği vb. göz önünde bulundurulmalı ve yerlere  özgü çözümler bulunmalıdır. Yenilenebilir kaynaklardan elde edilen enerji bazı bölgelerde halihazırda rekabetçidir. Artan petrol fiyatları ve yeşil enerji teknolojilerinin daha da gelişmesiyle cazip sahaların sayısı hızla artmaktadır.

Rüzgar enerjisi tüm kıtaların rüzgarlı bölgelerinde cazip hale gelmiştir. Yenilenebilir kaynaklardan elde edilen enerji için küresel bir dağıtım sorunu yoktur. Yenilenebilir enerji insanların yaşadığı her yerde mevcuttur: Chicago bölgesinde ("City Windy") rüzgar, Arizona'da güneş, Amerika Birleşik Devletleri'nin doğu bölgelerinde orman biyokütlesi.

Bununla birlikte, biyokütle haricinde, yenilenebilir enerji fiziksel enerji olarak, bir kısmı ısı olarak, ancak büyük bir kısmı elektrik olarak toplanır. Aşağıdaki derlemeyi göz önünde bulundurun:

Günümüzde enerjinin yaklaşık %80'i kimyasal ve sadece %20'si fiziksel kaynaklardan elde edilirken, gelecekte bunun tam tersi olacaktır. Yaklaşık %80'i elektrik enerjisi veya düşük sıcaklıkta ısı olarak toplanacak ve yaklaşık %20'si organik kaynaklardan elde edilebilecektir.

İlk bakışta enerji spektrumundaki belirgin farklılıklar ürkütücü görünmektedir. Ancak daha yakından bakıldığında, gelecekteki enerji arzının tüketicilerin enerji talebiyle çok daha iyi eşleştiği ortaya çıkmaktadır. İnsanlar sadece gıda için kimyasal enerjiye ihtiyaç duymaktadır.

Diğer tüm enerji hizmetleri fiziksel enerji şeklinde sağlanmaktadır:arabaların hareketi, sıcak veya soğuk iç mekan iklimlendirme, yemek pişirmek için , yapay aydınlatma, iletişim vb. Günümüzde bu fiziksel enerji ihtiyaçlarını karşılamak için kimyasal enerji dönüştürülmektedir. Gelecekte elektrik, insanların konforunu ve yaşam standardını sağlamak için doğrudan kullanılabilir. Neyse ki, enerji hizmetlerine yönelik tüketici ihtiyaçları, günümüzün kimyasal enerji dünyasına kıyasla sürdürülebilir bir enerjide daha iyi karşılanmaktadır.

Kimyasal enerjiden elektriğe geçiş, diğer yöndeki bir değişimden kesinlikle çok daha az zordur. Köklü bir kimyasal enerji geleneğinden ayrılıp, aynı derecede köklü bir başka elektrik enerjisi toplumuna geçmemiz gerekiyor. James Watt ve Carnot'nun mirasını devam ettirmek için elektrik kullanımını kademeli olarak yaygınlaştırmak, elektrikten kimyasal enerji yaratmaktan kesinlikle daha kolaydır. Kuşkusuz, enerji son kullanım teknolojilerinin ve tüketici alışkanlıklarının sürdürülebilir bir geleceğin temel enerjisi olan elektriğe uyarlanması gerekmektedir.


Enerji Sisteminin Tersine Çevrilmesi

Sürdürülebilir bir gelecekte elektrik enerjisinin hakimiyeti ve kimyasal enerjinin nispeten zayıf konumu nedeniyle, enerji  sağlama  sistemimiz önemli değişikliklere uğrayacaktır.

Günümüz enerji sistemine kömür, petrol ve gaz gibi kimyasal taşıyıcılar hakimdir. Elektrik ve ulaşım enerjisi, termik santraller, ısı motorları veya yakıt hücreleri aracılığıyla kimyasal enerjiden elde edilmektedir. Son iki yüzyıl boyunca bilim insanları ve mühendisler büyüleyici termal enerji dönüşüm cihazları ve ilgili teoriler geliştirmişlerdir. Petrol kuyularından otoyollarda araç kullanmaya kadar günümüz ekonomisinin büyük bir kısmı, fosil kökenli kimyasal enerjinin fiziksel nitelikteki enerji hizmetlerine dönüştürülmesiyle doğrudan ilişkilidir.

Fosil rezervlerinin tükenmesiyle birlikte kimyasal enerji dönüşümü dönemi de sona erecektir. Bu gelişme geri döndürülemez. Politika, enerji savaşları ya da hidrojen gibi sentetik enerji taşıyıcılarının devreye sokulmasıyla sadece yavaşlatılabilir, ancak asla durdurulamaz. Gelecekle yüzleşmek ve ona hazırlanmak zorundayız.

Gelecek neye benziyor? Sürdürülebilir enerji geleceğinin belki de %80'i yenilenebilir kaynaklardan elde edilen elektrik enerjisinden oluşacaktır. Yenilenebilir elektrik, var olan  ve yeni elektrik hatları aracılığıyla doğrudan kullanıcıya iletilecektir. Kimyasal enerji elektrikten, örneğin suyun elektrolizi yoluyla elde edilmelidir. Bu nedenle, elektrikten elde edilen   hidrojenin termik santraller veya yakıt hücreleri tarafından tekrar elektriğe dönüştürülmesi olası değildir. Yenilenebilir elektrik yavaş yavaş fosil yakıtların yerini alacaktır.

Elektrik, enerji sistemimizin temeli haline gelecektir. İyi elektriği buhar santrallerinde kullanılmak üzere hidrojene dönüştürerek kimyasal enerji teknolojilerine devam etmek mantıklı değildir.

Enerji sisteminin tersine dönmesi tüm enerji dünyamızı etkileyecek ve enerji sistemimizi değiştirecektir. Birçok kimyasal enerji dönüşüm teknolojisi kullanılmaz hale gelebilir. Kömür, petrol ya da gazla çalışan enerji santralleri ve içten yanmalı motorların "yakıtı tükenecek". Elektrikli ısı pompaları gerçek enerji çarpanları haline gelecektir. Carnot kayıpları olmadan, enerji sisteminin genel verimliliği %50'ye ulaşabilir. Verimli elektrik iletimi ve cihazları, verimsiz kimyasal enerji dönüşüm ve dağıtım teknolojilerinin yerini alacaktır. Yeşil elektrik, verimli bir enerji dağıtımı ve kullanımı ile birleştiğinde, sürdürülebilir bir enerji dünyasının temelini oluşturacaktır. İyileştirilmiş genel verimlilik sayesinde, artan enerji hizmetleri talebi bile yenilenebilir kaynaklardan karşılanabilecektir.

Kimyasal enerjiden elektrik enerjisi temeline geçiş, detaylı bir şekilde analiz edilemeyecek kadar karmaşıktır. Değişim ihtiyacıyla yüzleşmeli ve maliyetler ve ekonomik sonuçlar hakkında sonuçsuz tartışmalara girmeden işe koyulmalıyız. Gelecekteki yenilenebilir elektriğin maliyeti, kömürü amorti edilmiş, ancak verimsiz ve kirli termik santrallerde elektriğe dönüştürerek üretilen elektriğin bugünkü maliyeti ile karşılaştırılamaz. Gelecekteki seçenekler birbirleriyle karşılaştırılabilir. Ayrıca, yenilenebilir enerji sahalarının uygunluğu da dikkatle değerlendirilmelidir. Ancak bu haliyle yenilenebilir enerji sonsuza kadar bedava iken, petrol ve gaz fiyatları talep ve tükenmeyle birlikte yükselmektedir. Bu teze göre, optimize edilmiş ve kalıcı yenilenebilir enerji ekipmanına  yapılan yatırımlar eninde sonunda son derece kârlı hale gelmelidir.

Enerji Stratejisi Seçenekleri

Sürdürülebilir enerjinin tüketiciye ulaştırılması için iki ana seçenek bulunmaktadır. Her ikisi de "jeokarbon" içermez, dolayısıyla çevresel olarak temizdir. Her ikisi de yenilenebilir elektrikle başlar ve enerji kullanıcılarına aynı enerji hizmetlerini sağlar. Bu seçenekler sadece temel enerji, kimyasal veya elektrik seçimi açısından farklılık .

Şu anda tercih edilen ve daha uygun olan seçenek kimyasal enerji tabanını korumaktır. Fosil yakıtların yerini sentetik hidrojen alır ve enerji işi her zamanki gibi devam eder. Petrol şirketleri hidrojen tedarikçileri haline gelir, yol kenarındaki yakıt istasyonları benzin yerine hidrojen pompalar ve arabalar hidrojen ve yakıt hücreleriyle çalışır. "Hidrojen ekonomisi" olarak adlandırılan bu seçenek kesinlikle gerçekleştirilebilir. Gerekli teknoloji mevcuttur ya da zaman içinde geliştirilebilir.

İkinci seçenek, günümüzün kimyasal enerji tabanından elektrik enerjisi tabanına kontrollü bir geçiştir. Yenilenebilir enerji elektrik olarak insanlara ulaştırılır. Gerekli teknoloji mevcuttur veya zaman içinde geliştirilebilir. "Elektron ekonomisi" olarak adlandırılan bu seçenek kesinlikle gerçekleştirilebilir.

Her iki seçenek de ek araştırma ve geliştirme gerektirmektedir. Elektronlar için olduğu gibi hidrojen için de yeni depolama teknolojilerine ihtiyaç vardır.

Ancak hidrojen altyapısının sıfırdan inşa edilmesi gerekirken, elektrik şebekesinin dünyanın birçok yerinde sadece mütevazı bir genişletmeye ihtiyacı vardır. Aslında elektron seçeneği günümüz enerji teknolojisine çok daha yakın olabilir ve bu nedenle hidrojen seçeneğine göre çok daha kolay uygulanabilir.

Basit bir ifadeyle, bir "hidrojen ekonomisi" bir "elektron ekonomisi" ile rekabet etmek zorundadır. Her iki seçenek de insanlara yenilenebilir elektrik sağlar, ancak farklı enerji taşıyıcıları kullanır. Kazanan, enerji kaynağı ile enerji hizmetleri arasında daha az enerji kaybı olan seçenek olacaktır. Durum aşağıdaki resimde gösterilmektedir. Hidrojen ve elektrik arasındaki rekabet, yenilenebilir kaynak ve son kullanım arasındaki ilgili genel enerji verimliliği tarafından belirlenir.

Şekil 1:Sürdürülebilir bir enerji geleceğinde enerji dağıtım seçenekleri



Bundan sonraki bölümde " Hidrojen Ekonomisi Efsanesi, Bir Hidrojen Ekonomisi İçindeki Enerji Kayıpları, Yanıtlanması Gereken İki Soru, Şimdi'den Sürdürülebilirliğe, Tüketici Tepkisi Sonuçlar " haftaya yayınlanacaktır..
 

Kaynaklar:

[1]    "The Hydrogen Economy", Jeremy Rifkin, Penguin Putman, 2002
[2]    "Hidrojen Ekonomisinin Geleceği, Parlak mı Kasvetli mi?" Ulf Bossel Baldur Eliasson ve Gordon Taylor, Nisan 2003, www.efcf.com/reports)



Yazar:
Ulf Bossel
1936 yılında Almanya'da doğdu, Darmstadt (Almanya) ve Zürih'teki İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü'nde Makine Mühendisliği okudu ve 1961 yılında Diploma Derecesini (akışkanlar mekaniği, termodinamik) aldı. Brown Boveri'de kısa bir çalışma döneminin ardından Berkeley'deki Kaliforniya Üniversitesi'nde lisansüstü eğitimine devam etti ve 1968 yılında uzay aerodinamiği alanındaki deneysel araştırmalarıyla doktora derecesini aldı. Syracuse Üniversitesi'nde iki yıl Yardımcı Doçent olarak çalıştıktan sonra Göttingen'deki DLR'de serbest moleküler akış araştırma grubunu yönetmek üzere Almanya'ya döndü. 1976'da güneş enerjisi için bu alandan ayrıldı, Alman Güneş Enerjisi Derneği'nin kurucusu ve ilk başkanı oldu ve yenilenebilir enerji teknolojileri için kendi Ar-Ge danışmanlık firmasını kurdu. 1986 yılında Brown Boveri, İsviçre'deki yeni teknoloji grubuna katılmasını istedi. 1987'de yakıt hücrelerine dahil oldu ve daha sonra ABB'nin dünya çapındaki yakıt hücresi geliştirme çabalarının direktörlüğünü yaptı.ABB'nin kaynaklarını daha geleneksel enerji teknolojilerinin geliştirilmesine yoğunlaştırma kararından sonra, serbest yakıt hücresi danışmanı olarak çalışmaya başladı,1994'te Ulf Bossel, Lucerne'de yıllık uluslararası toplantıları olan, oldukça tanınan bir uluslararası konferans serisi olan Avrupa Yakıt Pili Forumu'nu yarattı. 13 başarılı etkinliğin ardından, 2010 yılında konferans sorumluluklarını İsviçreli yakıt hücresi bilim adamlarından oluşan daha genç bir ekibe devretti. Şu anda tamamen ALMUS AG'de yakıt hücresi ürünlerinin geliştirilmesiyle ilgileniyor.