Güneş-hidrojen enerjisinin geliştirilmesine yönelik beklentiler

Isı ve elektrik enerjisi elde etmenin temelini oluşturan organik yakıtların yakılmasıyla oluşan geleneksel süreç, insan ve çevreye zararlı maddelerle hava kirliliğinin başlıca nedenlerinden biridir. Ayrıca atmosferdeki sera gazı oranının artmasına, dolayısıyla gezegenin küresel sıcaklığının artmasına neden oluyor. Böylece iklimde, çeşitli hayvan türlerinin yaşam alanlarında, orman sınırlarında, permafrost bölgelerinde vb. kaçınılmaz bir değişim meydana gelmektedir [1]. İklim değişikliği 2018 yılında 300'den fazla doğal afete (bunların %93'ü fırtına, orman yangını, gıda sıkıntısı ve kuraklıktı) neden oldu ve 68 milyondan fazla insanı etkiledi. ve yaklaşık 131,7 milyar dolar tutarında muazzam ekonomik hasara yol açtı [2]. Bir diğer önemli sorun ise geleneksel yakıt rezervlerinin sınırlı olması ve tüketiminin sürekli artmasıdır. Fosil kaynakların daha da tükenmesi, bunların maliyetinin giderek artmasına yol açacak, bu da eninde sonunda sanayi ve toplumun gelişmesinde yeni sorunlara neden olacaktır. Bu tür zorluklar, ortaya çıkan sorunlara çözüm olabilecek yenilenebilir enerji kaynaklarına (YEK) olan ilgiyi artırmıştır. Aynı zamanda araştırmacıların öngörülerine göre karbon nötrlüğüne ulaşmak için yenilenebilir enerji kaynaklarının küresel payının 2018-2050 yılları arasında yüzde 14'ten yüzde 74'e çıkması gerekiyor.

Yenilenebilir enerjiye bir bütün olarak baktığımızda 5 ana grup belirleyebiliriz: Güneş enerjisi, hidroelektrik enerji, rüzgar enerjisi, jeotermal enerji ve biyoyakıt kullanımı. Aynı zamanda, bu tür birincil enerjiye dayalı olarak kullanılan tesislerin, diğer şeylerin yanı sıra konumları tarafından belirlenen kendi işletme özellikleri vardır [3]. Pratik açıdan bakıldığında, güneş enerjisinin tek başına kullanımı, insanlığın elektrik ve ısı enerjisine olan ihtiyacını tam olarak karşılayabilir; bu da yenilenebilir enerjinin bu alanını araştırma için en umut verici hale getirir [4].

İnsanlık açısından Güneş, bedava ve tükenmez bir enerji kaynağını temsil eder. Günümüzde yenilenebilir enerjinin bu kolu hızla gelişmektedir (Şekil 1) [2].

Sadece fotovoltaik dönüştürücülerin kullanımına dayalı güneş enerjisi mühendisliğini dikkate aldığımızda, bu teknolojinin geliştirilmesinde iki ana eğilim olduğunu görüyoruz: güneş hücrelerinin maliyetinin düşürülmesi (daha fazla rekabet gücü elde etmek için) ve işletme verimliliğinin artırılması (kurulumların genel boyutlarını ve güneş enerjisi sisteminin maliyetini düşürmek için) [5]. Günümüzde en yaygın güneş paneli türü silikon olanlardır; bunlar modern pazarda en yaygın olarak temsil edilmektedir. Ancak güneş enerjisinin gelişmesiyle birlikte çok sayıda başka tipte güneş hücresi ortaya çıkmış olup, bunlar genellikle üretimlerinde kullanılan malzemelere göre üç jenerasyona ayrılmaktadır. Mevcut sınıflandırmanın daha ayrıntılı açıklaması için [6–9]'a başvurulmalıdır. Birinci nesil, homojen renklendirmeleri ve şekilleriyle (köşeleri eğimli dikdörtgen hücreler) kolayca ayırt edilebilen monokristalin silisyum güneş hücrelerini içerir. Bir diğer türü ise çok sayıda ayrı kristalin bir araya gelmesiyle oluşan, kenarları yuvarlatılmamış dikdörtgen görünümlü polikristalin panellerdir. Bu nesilde galyum arsenit bazlı paneller de yer alıyor; daha etkilidirler ancak pahalı, nadir ve toksik maddeler içermeleri nedeniyle yaygın olarak kullanılmazlar. Ancak silisyum güneş pillerinin üretimi nispeten pahalı bir teknoloji olduğundan, güneş enerjisi dönüştürücülerini üretmenin daha ucuz yöntemlerine yönelik arayışlar başladı.

Bu soruna çözüm olarak, çeşitli tipte ince film güneş hücrelerini içeren ikinci nesil dönüştürücüler geliştirildi. Bunlar da alt tabakanın kaplandığı fotovoltaik malzemeye göre sınıflandırılırlar: kadmiyum tellür (CdTe), amorf silisyum (a-Si), bakır indiyum diselenür (CIS), bakır indiyum galyum selenyum (CIGS) güneş hücreleri. Bu güneş panelleri üretimi daha ucuzdur, esnek bir yapıya sahiptir ve gölgelenmeden ve yüksek sıcaklıklardan daha az etkilenir. Ancak bunların en büyük dezavantajı, verimlerinin nispeten düşük olmasıdır; bu durum, üçüncü nesil güneş hücrelerinin çeşitli geliştirmelere konu olmasına yol açmıştır.

Üçüncü nesil, tandem güneş panellerinin yanı sıra boya duyarlı güneş hücreleri gibi daha yeni tip dönüştürücüleri de içeriyor; kuantum nokta güneş pilleri; perovskit güneş panelleri; organik güneş panelleri; Bakır çinko kalay sülfür (CZTS) güneş pilleri. Bu jenerasyonun gelişme beklentileri, sınırsız erişime sahip çevre dostu malzemelere dayalı büyük ölçekli elektrik üretimi için ekonomik olarak uygulanabilir olacak uzun vadeli bir teknolojinin geliştirilmesine bağlıdır. Uluslararası yatırımlar ve verimliliği artırmayı, maliyetleri düşürmeyi ve üretimi büyük ölçekte büyütmeyi hedefleyen araştırmalar, bu avantajların birçoğunu haklı çıkarabilir. ABD Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı'nın güncellenmiş araştırması, yukarıda açıklanan tüm güneş hücresi nesillerinin 1975'ten 2024'e kadar gelişimini izlememize olanak sağlıyor. (Şekil 2) [8].

Şekil 2'den anlaşılacağı üzere fotovoltaik dönüştürücülerin verimliliği her yıl artarken, modüllerin alanları azalmaktadır. Çok kavşaklı güneş hücreleri şu anda en yüksek verimliliğe (%48'den fazla) sahiptir. Üçüncü nesil (yeni ortaya çıkan PV) yeni tip fotovoltaik dönüştürücülerin de hızla geliştiğini gözlemlemek mümkündür. Bu tür cihazlara dayalı yenilenebilir enerji kaynaklarının mevcut elektrik şebekesine entegrasyonu, işletiminin istikrarını, güvenilirliğini ve verimliliğini sağlamak için çözülmesi gereken bir dizi sorunu beraberinde getirir. Asıl sorun, güneş enerjisi arzının sürekli olmaması ve dolayısıyla güneş enerjisi santralinin gücünün hava şartlarına ve diğer faktörlere bağlı olarak büyük oranda dalgalanabilmesidir. Ayrıca şebekeye ne kadar fazla yenilenebilir enerji kaynağı entegre edilirse, enerji sisteminin istikrarının sağlanması da o kadar zorlaşıyor.

Belirlenen soruna olası bir çözüm, enerji depolama sistemlerinin kullanılması ve bunlara dayalı kapasite rezervasyon algoritmalarının uygulanması olabilir. Bu alanda özellikle sorunun çözümünde büyük potansiyel taşıyan hidrojen enerjisinin üzerinde durulması gerekiyor.

Hidrojen, çevre dostu bir yakıt olarak sağladığı avantajlar nedeniyle günümüzde çeşitli endüstrilerin karbonsuzlaştırılması için bir çözüm olarak değerlendirilmektedir. Yakıldığında karbondioksit emisyonu üretmez, bu da onu düşük karbonlu bir ekonomi geliştirmek için önemli bir araç haline getirir. Ayrıca benzinle kıyaslandığında yaklaşık 3 kat daha yüksek kütlesel yanma ısısına sahiptir ve kolayca tutuşur [10]. Suyun elektrolizi esasına dayanan yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak üretilen hidrojen, genellikle “yeşil” hidrojen olarak sınıflandırılır. Bu teknoloji, ekonominin çeşitli sektörlerinin yenilenebilir enerji kaynaklarıyla birleştirilmesine yardımcı oluyor ve alternatif enerjinin ve üretim teknolojilerinin genel gelişimi, bu tür "yeşil" hidrojenin maliyetini giderek azaltıyor (Şekil 3) [11].

Yakıt olarak hidrojen üretmenin yüksek maliyetine rağmen [12], kombine güneş-hidrojen enerjisi kavramı giderek daha fazla popülerlik kazanıyor. Bu sistem, gelen güneş enerjisinin bir kısmının hidrojen üretimine dönüştürülmesini ve hem güneş enerjisinin hem de depolanmış hidrojenin yakıt olarak kullanılmasını öneriyor. Bu yöntemin avantajı, “Güçten gaza” (P2G) teknolojisi kullanılarak güneşli olmayan saatlerde yükü karşılamak için güneş enerjisinin ara birikiminin sağlanabilmesidir [13]. P2G teknolojisi, elektrik enerjisinin kimyasal olarak bağlı gaz halindeki enerjiye (genellikle hidrojen veya metan) dönüştürülmesini kullanır; bu, elektrik enerjisinin aksine depolanması ve daha sonra kullanılması için uygundur. Aynı zamanda bu teknoloji çeşitli tüketim tesislerinin doğalgaza olan ihtiyacının azaltılmasına da olanak sağlıyor. Sabatier reaksiyonuna (formül 1) göre biriken hidrojenden metanın da elde edilebileceğini belirtmekte fayda var [14].

4H2 + CO2 = CH4 + 2H2O

Güneş-hidrojen enerjisi olarak adlandırılan kavramın gelişimi bağlamında son dönemde hayata geçirilen bazı başarılı projeleri vurgulamak mümkündür. Bunlar arasında şunlar yer almaktadır: FH2R (Şekil 4, a) – Japonya'daki en büyük hidrojen üretim tesisi (üretim için güneş panelleri kullanan 10 MW'lık bir hidrojen üretim tesisine sahiptir) ve yılda 600 milyon kWh üretim kapasitesine sahip olan Çin'deki Sinopec tesisi (Şekil 4, b) (güneş enerjisi santralleri kullanarak) [15].

Rusya'da da bu alanda araştırmalar aktif olarak yürütülüyor, ancak hidrojen üretimi için birincil enerjinin kullanımına yönelik hafif bir odaklanma söz konusu. Yakıt ve Enerji Kompleksi Merkez Sevk Ofisi'nin internet sitesinde 17 Nisan 2024'te yayınlanan bilgiye göre, Rusya Federasyonu 2030 yılına kadar küresel hidrojen pazarının %20'sini ele geçirmeyi hedefliyor. Aynı zamanda, hidrojen enerjisinin geliştirilmesinin temel ön koşullarının karbonsuzlaştırma ve karbonsuz kaynaklara geçiş olacağı bildiriliyor. Bu bağlamda Rusya Enerji Bakanlığı, küresel enerji dönüşümü bağlamında ülke ekonomisinin rekabet gücünün sağlanmasının yanı sıra hidrojen enerjisi alanında yerli teknolojilerin geliştirilmesinin gerekliliğinden söz ediyor. Kaliningrad Bölgesi'nde rüzgar enerjisinin dönüşümüne dayalı yenilenebilir enerji kullanılarak "yeşil" hidrojen üretimi yapılmasının planlandığı belirtiliyor. Krasnodar Bölgesi'nde yılda 13 tona kadar "yeşil" hidrojen üretmeyi planlayan LUKOIL'in açıklaması dikkat çekici. Aynı zamanda bu amaçla ne tür enerji kullanılacağı da bildirilmemiştir [16]. Ülkemizde yenilenebilir enerji kaynaklarının enerji dengesi yapısında güneş enerjisinin, örneğin hidro veya rüzgar enerjisi kadar gelişmiş olmadığı göz önüne alındığında, daha önce ele alınan yabancı projelere benzer şekilde, önemli teknik potansiyele sahip olmasına rağmen, güneş enerjisine dayalı büyük ölçekli bir “yeşil” hidrojen üretiminin varlığından söz etmek zordur. Bu durum, “yeşil” hidrojen üretimi bağlamında fotovoltaik santrallerin kapasitesinin korunmasının uygun olup olmadığı hususunda ele alınan konunun güncelliğini ortaya koymaktadır.

Tipik bir şebekeye bağlı güneş-hidrojen kombinasyon sistemi (Şekil 5), bir güneş fotovoltaik sistemi, bir su elektrolizörü, bir hidrojen gazı depolama tankı ve bir yakıt hücresinden oluşur. Fotovoltaik sistem ve yakıt hücrelerinin çıkışları, elektrik akımını yükün ihtiyaç duyduğu forma dönüştürmek için dönüştürücülere bağlanır. Fazla fotovoltaik enerji, "yeşil" hidrojen üretmek için bir elektrolizöre beslenir ve daha sonra yedek kullanım için özel bir basınçlı tankta depolanır. Depolanan hidrojen gazı daha sonra yakıt hücresi tarafından elektrik enerjisine dönüştürülerek, PV üretiminin mümkün olmadığı saatlerde yük ihtiyacının karşılanması sağlanıyor. Üretim ve tüketim arasındaki enerji dengesinin sağlanması amacıyla, elektrik şebekesinin yalnızca fotovoltaik tesisler ve yakıt hücrelerinden elde edilen yenilenebilir enerji üretimiyle karşılanamayan kalan yükleri karşılayacak şekilde bağlanmasına izin verilmektedir. Böylece önerilen birleşik yapılandırma, yeşil enerjinin tedarik hacmini artırırken ve şebeke elektriği tedarik gereksinimlerini azaltırken enerji tüketim güvenliğini ve güç sistemi operasyon güvenilirliğini sağlayabilir [17].

Otonom birleşik güneş-hidrojen sisteminin bir örneği Şekil 6'da gösterilmektedir. Gündüzleri, ev için mevcut güç kaynakları, bir fotovoltaik güneş paneli dizisinden gelen güneş enerjisi ve çalışma sırasında bir hidrojen tankından hidrojen tüketen bir yakıt hücresi yığınından gelen enerjidir. Güneş enerjisi mevcut olduğunda elektrolizör kullanılarak hidrojen üretilir. Bu durumda, gün batımından sonra yakıt hücresi yığını, böyle bir hibrit sistemde mevcut tek güç kaynağı olmaya devam etmektedir [18].

Bu doğrultuda uygulanan başarılı bir proje, halihazırda bir konut binası için %100 otonom enerji tedariki sağlıyor [19]. Binanın tüm çatısı, kurulu elektrik kapasitesi 20 kW, yıllık verimi ise yaklaşık 20 kWh olan fotovoltaik panellerle kaplıdır. Yazın hidrojen formunda depolanan elektrik enerjisi kışın yakıt hücreleri tarafından tüketiliyor. Hidrojen, 32 bar basınç altında özel tanklarda depolanıyor. Sonuç olarak böyle bir sistem, konut binasının tam özerkliğinin sağlanmasını mümkün kılmıştır.

Günümüzde yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgi artmış olup, bu durum enerji kapasitelerinin üretiminin karbonsuzlaştırılması ve hidrokarbon kaynaklarının tüketim payının azaltılması isteğiyle açıklanmaktadır. Çok sayıda bilgi kaynağının analizi, yenilenebilir kaynakların çeşitliliği arasında güneş enerjisinin yüksek bir gelişme hızına sahip olduğunu, fotovoltaik dönüştürücüler kullanılarak elektrik üretme maliyetinin her geçen yıl azalarak giderek hidroelektrik enerjisine yaklaştığını göstermektedir. Bu başarılar büyük ölçüde fotovoltaik teknolojilerinin teknik optimizasyonundan kaynaklanmaktadır; bu sayede fotovoltaik dönüştürücülerin verimliliği önemli ölçüde neredeyse %49'a çıkarılabilmektedir.

Fotovoltaik santrallerin elektrik kapasitesinin rezerve edilmesi sorununun çözümü ve günümüzde pek çok ülke tarafından geliştirme stratejisi onaylanan ve giderek yaygınlaşan hidrojen enerjisine yönelme bağlamında, hidrojenin enerji depolama yöntemi olarak kullanımı büyük pratik önem kazanmaktadır. Bu nitelikteki pilot projelerin analizi, hidrojen yedekleme fikrinin sadece teorik bir temele değil, aynı zamanda pratik uygulamaya da sahip olduğunu ileri sürmemizi sağlar. Şimdilik en büyük sınırlayıcı etken, bu tür çözümlerin hayata geçirilmesinin maliyetidir.