Rüzgar enerjisi ile yeşil hidrojen üretimi

Endüstriyel devrimden bu yana enerjiye duyulan ihtiyaç gittikçe artış göstermiştir. Bu artışı karşılayabilmek için kullanılan enerjinin büyük bir çoğunluğu hidrokarbon tabanlı fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. Ancak bu kaynağın atmosferde CO₂ ve diğer sera gazlarının (GHG) seviyelerinde büyük bir artışa neden olması ve bunun da küresel ısınmaya yol açmasından dolayı yenilenebilir enerji kaynakları arayışına girilmiştir. Bu arayış sonucunda varılan yer, hidrojen (H₂) dir. Hidrojen bazlı enerji depolama sistemleri (HydESS), çevre koşullarını olumsuz etkilemeyen yeşil bir yenilenebilir enerji depolama kaynağı olarak görülmüştür. Ayrıca HydESS %100 yenilenebilir enerji doğrultusunda sektörü yönlendirmektedir. Bu durum hidrojen ekonomisi adıyla da bilinmektedir.

Hidrojen, fosil yakıtlar ve yenilenebilir enerji kaynakları dahil olmak üzere çeşitli hammaddeler, yollar ve teknolojiler kullanılarak geniş bir kaynak yelpazesinden üretilebilirliğe sahiptir.¹ Bu kaynakların en önemlisi, sudur. 

Araştırmacılar, açık deniz (off-shore) rüzgar türbinleri tarafından üretilen elektriği kullanarak suyu ayrıştırıp temiz hidrojen üretimini amaçlamaktadır. Bu hidrojen üretim şekli özellikle ABD Atlantik Kıyısı ve Meksika Körfezi’nde ekonomik açıdan rasyonel görülmektedir.²

Rüzgardan hidrojene sistemlerin çeşitli getirileri endüstride ilgi çekici konular arasında yer almaktadır. Bu tür getiriler ile, şu anda yalnızca %8,5’luk kısmının yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlandığı Amerika Birleşik Devletleri enerji gereksinimini, 2050 yılına kadar net sıfır emisyona ulaşması beklenmektedir. Bu konu ABD Enerji Bakanlığı‘nın (DOE) Yüzer Açık Deniz Rüzgar Enerjisi Hedefi (DOE’nin hedefi temiz hidrojen maliyetini 1 dolar/kg-H₂‘ye düşürmektir.) gibi hükümet girişimleriyle desteklenmektedir. Araştırmacılar yaptığı çalışmada 2025, 2030 ve 2035 yıllarında açık deniz rüzgar enerjisinden hidrojen üretiminin bir teknik-ekonomik analizini yapmak için bir vaka çalışmasının simülasyonları ve kullanımını anlatmaktadır. Ancak bu çalışma açık deniz rüzgar sektörünün sermaye yoğun proje olması, enerji iletiminde sınırlamalar ve enerji üretiminde değişkenlik gibi zorlukları beraberinde getirmektedir.

Çeşitli zorluklara yönelik olası çözüm şekli yenilenebilir enerji ile çalışan suyun elektrolizi yoluyla düşük karbonlu veya temiz H₂ üretimi olarak benimsenmiştir. Düşük karbonlu hidrojen, enerji iletim altyapısına olan bağımlılığı boru hatlarını alternatif enerji taşıma yöntemi olarak kullanarak azaltmakta ve aynı zamanda toplu enerji depolama olanağı sunarak değişkenliği hafifletmektedir. Ayrıca, temiz hidrojenin açık deniz rüzgar enerjisi ile entegre edilmesi, rüzgar enerjisi teşviklerinden yararlanmanın yanı sıra, Enflasyon Düşürme Yasası (IRA) kapsamında sağlanan ek vergi avantajlarını da sağlayarak düşük karbonlu hidrojen teknolojisinin performansını artırıp maliyetleri düşürmeyi amaçlamaktadır. 

Araştırmacılar yaptıkları çalışmada 2 farklı yöntem ve 4 ayrı ABD kıyı bölgesi belirlemiştir. Bu bölgeler New York, Maine, Meksika Körfezleri ve Kaliforniya olarak sıralanmıştır. Birinci yöntem açık deniz rüzgar santralinin elektrik üretimine ve üretilen bu elektriğin yüksek gerilim kablolarıyla karada yer alan tesise iletimi sonucu elektrolizörün tatlı sudan hidrojen üretmesine dayanırken, ikinci yöntem hidrojenin açık deniz rüzgar santrali sahasında tuzdan arındırılmış deniz suyundan ayrıştırılıp boru hatlarıyla kıyıya taşınarak depolanmasına dayanan ve ek ekipman barındırmak için denizde daha fazla alt yapı gerektiren bir yaklaşım olarak belirlenmiştir. 4 ayrı bölge seçiminin ana sebebi ise, Kaliforniya ve Maine Körfezi gibi yüksek derinlikli kıyı sahalarında rüzgar türbinlerinin yüzen mekanizma üzerine inşasını gerektirirken Meksika Körfezi ve New York Körfezi gibi sahaların daha az derinliğe sahip olup buradaki türbinlerin inşasının okyanus zeminine yapılabilmesinden kaynaklanmaktadır. Yüksek derinlikli bölgeler DOE’nin hidrojen üreticileri ile tüketicilerini birbirine bağlayacak Bölgesel Temiz Hidrojen Merkezlerinden en az birine yakın olmasıyla çeşitlilik sağlarken daha az derinlikli bölgelerde hidrojen kıyıda yeraltı borularında, kaya kovuklarında veya tuz mağaralarında depolanabilmektedir. Bu iki farklı inşa şekli çeşitli yaptırımlara sahiptir ve bu yüzden araştırmaya daha verimli bir karşılaştırma sağlamıştır.

Sonuç olarak rüzgar sistemi, elektrik iletimi ve hidrojen sisteminin tamamını içeren seviyelendirilmiş hidrojen maliyetinin (LCOH), daha yüksek rüzgar kapasitesi nedeniyle New York Körfezi’nde en düşük olabileceğini öngörmüştür. Meksika Körfezi ikinci en düşük rakama sahiptir. Hidrojenin depolanacağı yerin seçimi maliyeti önemli ölçüde etkilemekte, mağaralar kullanılarak hesaplanan LCOH’de %20 ila %30 arasında bir düşüş görülmektedir. Öngörülen politika teşvikleri de maliyetleri daha da düşüren bir faktör olarak bilinmektedir.³

Araştırmacılar bu çalışma ile sürdürülebilir enerji üretimi ve depolanmasında büyük rol oynayacağı öngörülen hidrojeni, rüzgardan hidrojene sistem ile bağdaştırarak çeşitli sonuçlar elde etmeyi başarmıştır. Elde edilen bu sonuçlardan da yola çıkılarak söylenebilir ki yeşil enerji için hidrojen, farklı sistemlere entegrasyonların geliştirilmesiyle geleceğin sürdürülebilir kalkınmasına oldukça fayda sağlayacaktır.

Kaynaklar

1. Dawood, F., Anda, M., & Shafiullah, G. M. (2020). Hydrogen production for energy: An overview. International Journal of Hydrogen Energy, 45(7), 3847-3869.
2. https://techxplore.com/news/2024-07-offshore-turbines-path-hydrogen-production.html
3. Brunik, K., Thomas, J. J., Clark, C. E., Duffy, P., Kotarbinski, M., Kee, J., … & King, J. (2024, June). Potential for large-scale deployment of offshore wind-to-hydrogen systems in the United States. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 2767, No. 6, p. 062017). IOP Publishing.

Nehir Atabay