Sürdürülebilirliğin temelinde; temiz havaya, temiz suya, sağlıklı temiz gıdaya ve temiz enerjiye erişim ve erişimin sürekliliği yatar. Sürdürülebilirliğin bu gerekleri yeşil hidrojenin her alanda kullanılması ile sağlanabilecektir. Buna “hidrojen çağı” diyeceğiz.
Hidrojen gazı 1500’lü yıllardan beri bilinmektedir, ancak Lavoisier 1783’te, yandığı zaman su üreten bu gaza hidrojen adını vermiştir. Hidrojenin oksijenle tepkimesi enerji verir, su oluşur. Tersi olarak suyun elektrolizi ile hidrojen kazanılır. Bu yeşil hidrojen; temiz enerji, yeşil enerji kaynağıdır.
Hidrojen, hidrojenize yağların üretiminde 1890'ların sonlarından beri kullanılmaktadır. Bunun yanında hidrojen; birçok kimyasalın üretiminde, organik maddelerin sentetik olarak elde edilmesinde, kömürden benzin üretiminde, petrol rafinerisinde vb. kullanılmaktadır. Bir başka alan olarak, oksijenden arındırılmış ortamda yüksek sıcaklık işlemlerine olanak verir, parlak tavlama, sinterleme vb. gibi. Ben ve benim gibi birçok araştırmacı ve akademisyen de laboratuvar çalışmalarında birçok amaç için hidrojen kullanmıştır. Elbette ki hidrojen, düşük maliyetlerle endüstriyel boyutlarda kazanılabilse, enerji kaynağı olarak ve diğer daha geniş alanlarda kullanılacaktır.
Geçen yarım asır süresinde, hidrojenin birkaç on yıl içinde yaygın olarak kullanılacağı mesajları taşıyan yayınlar, çalıştaylar, söyleşiler yapıldı, yapılmaktadır. Hidrojenin sudan üretilmesinde kullanılan elektrolizör de uzun zamandan beri kullanılmaktadır. Ancak geldiğimiz bu tarihte, “1 kg %80 saf hidrojenin 1 dolar maliyetle üretilebilmesi, bir 10 yıl içinde hedefleniyor.” söylemi vardır. Bu söylem, hidrojenin yaygın üretilmesi ve kullanılması için ilerlenmesi gereken yolun henüz var olduğunu gösteriyor. Paris İklim Anlaşması’nın “karbonsuz yaşam” hedefi doğrultusunda, endüstriyel boyutlarda hidrojenin düşük maliyetle üretilmesi ve kullanılması çalışmalarını ivmelendireceği beklenmelidir.
Paris İklim Anlaşması
İklim değişimini önlemek için 2015‘te Paris İklim Anlaşması imzalanmıştır. Bu anlaşmada hedef, küresel ısınmanın 2 derecenin altında kalmasını sağlamak için, 2050 yılındaki CO2 salımını, 1990 yılındaki CO2 salımının yarısına düşürmektir. Yani hedefe göre, günümüzde kabaca 40 milyar ton olan CO2 salımı 2050 yılında, 1990 yılındaki 22 milyar ton olan değerin yarısı olan 11 milyar tona düşürülecektir. Bu karbon yerine, yeşil enerji kaynağı hidrojen kullanılarak başarılacaktır. Başarı hidrojen çağını getirecektir.
Temiz enerji kaynağı yeşil hidrojenin, hidrokarbon enerji kaynağının ve karbonun yerine kullanılması ile karbon salımının önlenmesi/düşürülmesi, insanlığın umudu olarak, uzun yıllar öncesinden günümüze, hep gündemde olmuştur. Ancak, “CO2 salımını etkili düşürme amacı ile karbondan, hidrokarbondan vazgeçilebilecek mi, yerine hidrojen kullanılabilecek mi?” sorusu hep vardır.
Hidrojen Çağına Ulaşılmasında Temel Konular Nelerdir?
Yeşil hidrojeni yaygın kullanan hidrojen çağına ulaşabilmek için üç büyük temel konuda ilerlemenin sağlanması gerekir.
1 - Hidrojenin düşük maliyetlerle endüstriyel boyutlarda üretilmesi,
2 - Hidrojenin taşınması ve depolanması,
3 - Yaşamın, endüstrinin, sanayinin hidrojen kullanımına uyumlu hale getirilmesi.
İlerlemenin sağlanması gereken konuların en önemlisi ilk sıradakidir. Hidrojen hidrokarbonlardan da üretilebilir. Bu sera gazı çıkaran üretimin ürünüdür, mavi hidrojendir. Sera gazı çıkarmadan üretilen yeşil hidrojen suyun elektrolizi ile üretilen hidrojendir. Suyun dokuzda biri hidrojendir. Elektrolizde verim düşüktür, enerji tüketimi yüksektir. Yeşil hidrojenin kullanımının yaygınlaşabilmesi için yenilenebilir enerji kullanarak endüstriyel boyutlarda düşük maliyetle üretilmesi gerekmektedir.
Yeşil hidrojenin üretiminde kullanılacak yenilenebilir enerjiler ağırlıklı olarak kuzey kuşaktaki rüzgâr enerjisi ve güneşli güney kuşaktaki güneş enerjisi ve hidroelektrik enerjisi olacaktır. Güneş kuşağında güneşi takiple üretilecek yenilenebilir enerji ile hidrojenin üretilmesi önemlidir. Bu şekilde üretilecek yeşil hidrojenin maliyetindeki düşüşler hızlı talep artışını getirecek ve talepleri karşılamak için gerekli olan üretim yatırımını teşvik edecektir. Yatırımlarla hidrojen üretiminin hacmi artacak, kullanımı yaygınlaşacaktır. Bu hidrojen çağıdır.
Hidrojenin taşınmasında ve depolanmasında altyapının mevcut olduğu belirtilmelidir. Mevcut doğal gaz taşıma sistemleri kullanılabilecektir. Dillendirilen stratejiye göre enerji sağlama amacı ile kullanılacak hidrojen, önce doğal gaza belli oranlarda karıştırılarak taşınacak ve kullanılacaktır. Bu konuda ülkemizde de çalışmalar ve uygulamalar vardır. Hidrojenin doğal gazdan hafif ve küçük gaz olması nedeni ile doğal gaz taşıma ve depolama sistemlerinde bazı değişikliklerin yapılması gerekebilir. Hidrojenin çelik malzemelerde “hidrojen kırılganlığı” yaratabilen özelliği göz önünde bulundurarak hem taşıma hem de depolama çelik donanımlarında “hidrojen kırılganlığından” sakınmak için gerekli önlemler alınmalıdır.
Karbon Kullanan Teknolojilerden Vazgeçmek Kolay Mı?
Gelelim hidrojenin yaşamımızda, endüstride, sanayide kullanılmasına. Hidrojenin yakma sistemlerinde kullanılması, yeşil hidrojenin düşük maliyetle üretilmesinin paralelinde yaygınlaşabilir. Yaşamda ve endüstride ısı kaynağı olarak hidrokarbon yerine kullanılır. Ancak prosesin teknolojisi gereği hidrokarbon kullanan sanayide radikal değişime ihtiyaç olacaktır. Özellikle kömür kullanan metalurji sanayiinde çok önemli değişimler ve dönüşümler gerekecektir. Büyük sorular vardır. Bunlardan biri; CO2 salımı yüksek kömür/kok kullanarak üretim yapan yüksek fırınlı çelik üretim sürecinden nasıl vazgeçilecektir.
Bu konularda kafalar karışıktır. Paris İklim Anlaşması’nın hedeflerine ulaşılamamanın yaptırımları vardır. Yaptırımın özeti; Kirleten Öder (Polluter Pays). Yani karbon salımının ticareti yapılacaktır. “Carbon Tax – Karbon Vergisi“ olacaktır. Sınırda Karbon Vergisi. Yaptırımlar başlamıştır. Uluslararası ticaret konusu emtianın üretimindeki CO2 salım miktarı sorgulanmaktadır. Belgesi ile ticaretinin yapılması başlanmıştır.
Karbon kullanan teknolojilerden vazgeçmek nasıl olacaktır? Şu anda “vazgeçiliyor” haberleri, verimsiz çalışan eski tesislerin yıkılması ile ilgili rutin yapılan işlemlerdir. Elbette ki verimsizlik yeşil dönüşüme engeldir. Çevreye uyumlu ve sürdürülebilir kalkınma enerjide ve üretimde verimi gerektirir.
Sera gazları ve sera gazlarının küresel ısınmaya etkisi yıllardır bilinen bir gerçektir. Ancak sera gazı yayan proseslerin kurulması ve geliştirilmesi farklı düzeylerde desteklenmiştir. Bunlar “ileriyi görememek” olarak değerlendirilebilir mi? Gelinen bu aşamada, yılların birikimi karbon kullanan teknolojilerden vazgeçilecek. Bu nasıl olacak? Birçok metalurjik proseste karbon yerine hidrojenin kullanılması mümkün değildir. Teknolojilerin köklü olarak değişmesi gerekir.
Çin, %33 oranla dünyada en fazla CO2 salan ülkedir. Çin dünyada üretilen çeliğin %52’sini, yani yılda bir milyar ton çelik üretmektedir. Üretimde kullandığı teknoloji yüksek CO2 salan teknolojidir. Kısa zaman içerisinde kömür/kok kullanarak üretim yapan yüksek fırın teknolojisinden vazgeçerek yeşil hidrojen kullanan teknolojiye geçmesi mümkün değildir. Şu anda bazı “vazgeçiliyor” haberleri gerçekleri yansıtmamaktadır. Bunlar, verimsiz çalışan eski tesislerin devreden çıkarılması ile ilgili rutin yapılan işlemlerin haberleridir. Radikal dönüşüm kömür/kok kullanarak üretim yapan teknolojilerden vazgeçmektir. Bu nasıl olacak?
Günümüzde Kullanılan Yaygın Üretim Teknolojisi ile Yeşil Çelik Üretilemez
Yeşil yapının imalatında kullanılan yapısal çeliğin yeşil üretimle üretilmiş olması gerekir. Sadece yapısal çelik değil, CO2 salımının azaltılması için bütün çelik kalitelerinin kömür/kok kullanarak değil, yeşil hidrojen kullanarak üretilmesi gerekir. Bu nasıl olacak?
Çeliği yeşil üretmek için, üretiminde kömür veya hidrokarbon yerine hidrojen kullanılmalıdır. Bu da günümüzde yaygın üretimin yolu olan yüksek fırın teknolojisini kullanan üretim yolundan vazgeçilmesi ile sağlanabilir.
Yüksek fırın teknolojisi CO2 salımı yüksek olan bir teknolojidir. Kömür/kok kullanarak demir cevherinden sıvı ham demir üretir. Ton sıvı ham demir üretimi için kullanılan kabaca 450 kg kokta bulunan karbon, CO2 salımı olarak çevresel sorun yaratır.
Yüksek fırın teknolojisinde kömür/kok yerine hidrojen etkili olarak kullanılamaz. Yüksek fırında başlangıç temel hammaddeler demir oksitli şarj malzemeleri ve koktur. Düşey, ters akışlı sistem olan yüksek fırındaki süreci kok, koktaki C ve oluşan CO yönetir. Karbon kaynağı olarak şarj edilen kok, demirli şarj malzemelerinin yığın yoğunluğunu düşürür ve ayrıca şarja yastık görevi yapar ve şarjın askıda kalmasını sağlar. Dolayısıyla fırında karbon yerine (kok yerine) hidrojenin kullanılması, şarjın özelliklerini ve ayrıca CO‘in yerine H2‘nin geçmesi ile gazın özelliklerini değiştirir.
Yüksek fırın gibi düşey, ters akış sistemli metal üretim proseslerinde hidrojen, CO‘in fizikokimyasal anlamda indirgeme işlevini yerine getirirken, yoğunluğunun çok düşük olması nedeni ile aerodinamik yönden gerekliliği sağlayamaz. Şarjın askıda kalmasını ve düzenli akışını sağlayamaz. Konu ile ilgisi olan bazı gazların yoğunlukları ve hidrojen ile karşılaştırılması Tablo 1‘de verilmiştir. Görüleceği gibi H2‘in yoğunluğu çok düşüktür ve yüksek fırın gazların yoğunlukları H2‘den en az 13 kat yüksektir.
Tablo 1. Yüksek fırınla ilgili bazı gazların yoğunluğu ve hidrojen ile karşılaştırılması.
Bir hidrokarbon olan kömürün ve kokun içeriğinden ve tüyerlerden enjekte edilen su buharından gelen hidrojen, belli oranlarda yüksek fırın içi gazında vardır. Fırın içi gazında bulunan bu hidrojen demirli şarjın indirgenmesini artırır.
Hidrojen indirgeyici olarak CO‘den daha üstündür. Wüstitin (FeO) indirgenmesinde H2‘den yararlanma faktörü CO‘den yararlanma faktöründen yüksektir (ηH2=%37, ηCO=%30). Bu karşılaştırma kapsamında, 900 oC‘de wüstit/demir dengesine göre indirgeme tepkimeleri aşağıdaki şekilde yazılabilir.
FeO + 3.3 CO = Fe + 2.3CO + CO2
FeO + 2.7 H2 = Fe + 1.7 H2 + H2O
Bu eşitliklere göre aynı miktar wüstit oksijeni 1 kg H2 veya 7.2 kg karbondan kazanılan CO tarafından giderilebilir.
Anlaşılacağı gibi demir üretiminde, yani demir oksitlerin indirgenmesinde hidrojen CO‘den üstündür. Ancak yüksek fırında karbon (ve kok) yerine hidrojenin kullanılması fırının aerodinamiğini bozar.
Yüksek fırında kullanılan şarj malzemelerinin ortalama yığın yoğunlukları göz önüne alındığında, üretilen sıvı ham demirin tonu başına yaklaşık 450 kg kok kullanan bir yüksek fırında, şarj hacminin yaklaşık yarısının kok olacağı anlaşılır. Şarj hacminin yarısı olan kok, demirli şarj maddeleri yoğunluğunun kabaca 1/4 ‘üne sahiptir. Bu özelliği nedeni ile de demirli şarja yastık görevi yaparak şarjın askıda kalmasını ve şarjın düzenli akışını sağlar.
Yüksek fırına şarj edilen kokun kendisi indirgendir ve yüksek fırında kritik gaz olan indirgeyici CO oluşumunu sağlar. Fırının gövdesinde fırın gazının kabaca %40‘a yakını CO‘dir, gerisi azottur. Karbon salımını azaltmak amacı ile karbon yerine temiz enerji kaynağı hidrojenin kullanılması durumunda, şarjdaki kok oranı azalır, şarjın aktif ağırlığı artar. Fırın gazında da hidrojen oranı artar ve hidrojenin yaklaşık 1/13 oranla düşük yoğunluğu nedeniyle, şarjın kaldırma kuvveti düşer.
Bu açıklamaları özetlemek gerekirse, yüksek fırında karbon yerine, indirgen olarak CO‘den daha üstün olan temiz enerji kaynağı hidrojenin kullanılması durumunda, kullanılan miktarlara bağlı olarak;
(a) Şarjın yoğunluğu artacaktır.
(b) Gazın kaldırma gücü düşecektir.
Yüksek fırında hidrojen kullanılmasının neden olduğu bu iki etki, yüksek fırının aerodinamiğini aynı doğrultuda ve kullanılan hidrojen miktarına ve azaltılan kok miktarına paralel olarak bozacaktır. Fırının gaz hacminin ve tepe basıncının arttırılması ve iyi hazırlanmış şarjın kullanılması, fırının bozulan aerodinamiğinin düzelmesine katkısı olsa da, fırının yapısı ve dengesi, ancak sınırlı miktardaki kokun azaltılabilmesine izin verir. Bu da yüksek fırında karbon yerine hidrojenin kullanılmasının ve kokun azaltılmasının çok sınırlı seviyede mümkün olabileceğini ve dolayısıyla karbonsuz üretim hedefinde, pratik olarak herhangi bir anlamın olmadığını açıklar. Sonuç olarak, yüksek fırına hidrojen enjekte edilerek üretim yapılamaz.
Tablo 2. CO ile H
2‘in karşılaştırmalı olarak bazı özellikleri.
Temiz enerji kaynağı hidrojenin ve CO‘in bazı özellikleri Tablo 2 ‘de verilmiştir. Görüleceği gibi aynı hacimdeki CO ile H2‘nin yanma ısıları birbirine yakındır. H2‘nin yoğunluğunun düşük olması nedeni ile yoğunluk oranı ile uyumlu olarak, kg başına yanma ısısı yüksektir.
Yeşil Hidrojen ile Çelik Üretmek Mümkündür
Cevherden çelik üretme sürecinde kullanılan teknolojilerde, şarjın askıda olmasını gerektiren yüksek fırın teknolojisi yerine, yine bir düşey fırında akışkan yatak sistemi ile “katı halde indirgeme teknolojisinde” hidrojen kullanılabilir. Bu doğrudan indirgeme (direkt indirgenmiş demir (DRI) üretim) teknolojisinin ilki, doğal gaz kullanan bir proses olarak, 1957 yılında kurulmuştur. Günümüzde dünyada yılda 100 milyon ton kadar bir kapasite ve üretim vardır. Üretimin yapıldığı ülkelerin başında 30 milyon ton ile İran gelmektedir. İran’ı; Rusya, Hindistan, S. Arabistan, Meksika, Mısır, Amerika, Arap Emirlikleri ve Cezayir izlemektedir. Bu ülkeler yılda 3 milyon tonun üzerinde üretim yapan ülkelerdir. Daha düşük miktarda üretim yapan ülkeler de vardır. Türkiye’de üretim tesisi yoktur ve üretim yapılmamaktadır.
DRI üretiminde baskın teknoloji MIDREX ve HLY ile anılan ve doğal gazla çalışan düşey fırınlı teknolojilerdir. Yaygın kullanılan hammadde demir cevheri peletleridir. 1000 oC gibi görece yüksek olmayan sıcaklıklarda, katı halde, FexOy + yH2 (veya yCO) = xFe + yH2O (veya yCO2) reaksiyonu ile DRI (Direct Reduced Iron) veya HBI (Hot Briquetted Iron) olarak doğrudan indirgenmiş demir veya bunların sıcak briketi olan demirli ürünler üretilir. HBI taşımaya daha uygun ticari üründür.
Günümüz DRI üretim teknolojisinde yaygın olarak mavi enerji olarak ifade edilen doğal gaz ve doğal gazdan dönüştürülen indirgeyici gazlar kullanılmaktadır. Yeşil üretim olmayan bu üretimde sınırlı da olsa karbon emisyonu vardır. Üretimde doğal gaz yerine hidrojenin kullanılması durumunda karbon salımı olmayacaktır. DRI üretim teknolojisi şematik olarak Şekil 1‘de verilmiştir. Görüleceği gibi, indirgeyici gaz olarak, doğal gaz ve diğer hidrokarbon gazlar kullanılabileceği gibi yeşil enerji hidrojen de kullanılabilmektedir.
Proseste üretilen DRI (ve HBI) Elektrik Ark Fırınında (EAF) çeliğe dönüştürülmektedir. EAF‘de de yenilenebilir elektrik enerjinin kullanılması ile yeşil çelik üretilir.
Şekil 1. Şematik olarak DRI üretim teknolojisi.
Esasen, doğal gaz ve diğer hidrokarbonlarda da hidrojen vardır. Doğal gazın dönüştürülmesi ile CO ve H2 karışımı olan indirgeyici gaz kazanılır ve bu gaz karışımı demir cevherlerinin katı halde indirgenmesinde kullanılır. Şekil 2‘de DRI üretilen bir düşey fırının şematik kesiti ve temel reaksiyonları verilmiştir. Görüleceği gibi uygulaması olan proseste H2‘de kullanılmaktadır. Ancak bu H2, bir hidrokarbon olan ve mavi enerji olarak adlandırılan doğal gazdan üretilmektedir. Bu sistemde CO2 salımı vardır.
Şekil 2. DRI üretilen bir düşey fırının şematik kesiti ve temel reaksiyonları.
DRI üretim teknolojilerinde doğal gaz yerine hidrojenin kullanılması durumunda karbon salımı olmayacaktır. Yeşil hidrojenin düşük maliyetle endüstriyel ölçekte üretimin gerçekleşmesi durumunda DRI üretiminde yeşil H2 kullanılmasında herhangi bir sorun beklenmemelidir. Yani hidrojen çağında yeni yeni tesisler kurularak yeşil çelik üretilebilecektir. Bu, dünyadaki karbon salımı çok önemli miktarda düşürecektir.
Strateji Belli Mi?
Türkiye, Paris İklim Anlaşması’nı ilk imzalayan ülkelerden biridir. Ancak, çelik üretim teknolojisinin nasıl evrileceği konusunda strateji belli değildir. Eskiyen kömür/kok kullanarak üretim yapan yüksek fırınların aynı teknoloji ile yenilendiğini, yeşil hidrojen kullanan teknolojiye dönüştürülmediğini görüyoruz. Yani, Paris İklim Anlaşması stratejileri doğrultusunda radikal bir dönüşümün eylemini görmüyoruz. Bunun yanında, ilgili kuruluşlardaki karar vericilerin de “Kullanabileceğimiz hidrojen var mi ki dönüştürelim.” diye söylendiklerini de duyuyoruz. Buradan anlaşılacak olan, sanayinin düşük maliyetli yeşil hidrojene güvenli şekilde eriştikten sonra dönüşümü düşüneceğidir. Yeşil hidrojen yoksa dönüşüm olmaz. Anlaşmanın, 1997‘de imzalanan Kyoto Protokolü gibi etkinliğini yitirmesi elbette arzu edilmez.
Hidrojenin endüstriyel kullanıma uygun maliyette ve miktarda üretilmesinde ilerleme beklenirken ve gelişmeler izlenirken, Paris İklim Anlaşması hedefi doğrultusunda, güncel durumla ilgili olarak yapılabilecek şeyler de olmalıdır. Emisyon karbonu tutmak ve emisyon karbonu başka bir malzemenin üretiminde kullanmak gibi.
Uzatmanın anlamı yok. Dev petrol şirketleri hidrojen teknolojilerine, rüzgâr ve güneş enerjisine yatırım yapmaktadır. Türkiye de Türkiye’deki şirketler de yatırım yapmalıdır. Paris İklim Anlaşmasını ilk imzalayan ülkelerden biriyiz. Heyecan yaratan yatırımları duymuyoruz. Temiz ve yeşil enerjinin kaynağı sudur. Teknolojisine erişen, yatırım yapan enerji sorununu kökten çözecektir.