“Yeşil Hidrojen ve Türkiye’nin Önündeki Fırsatlar” başlıklı yazımızda, yeşil hidrojeni (H₂) ana hatlarıyla tanıtarak, temiz enerjiye geçiş veya karbonsuzlaşma olarak adlandırılan yeni enerji döneminin önemli unsurlarından biri olduğunun altını çizmiştik.

Ayrıca, önemli bir hammadde ve enerji taşıyıcısı ya da vektörü olarak adlandıracağımız H₂^’in yaygın olarak amonyak (NH₃) ve metanol (CH₃OH) üretiminde, başta demir-çelik, petrokimya ve cam olmak üzere sanayide yoğunlukla kullanıldığını ve aslında birincil bir enerji kaynağı olmadığını da belirtmiştik.

Günümüzde çoğunlukla (%70’ler civarında) azot bazlı mineral gübre üretiminde kullanılan NH₃ da bu temiz enerjiye geçiş sürecinde H₂^’in kimyasal türevlerinden biri olarak ağırlıklı bir rol oynayacak. Bunda en önemli etkenler şunlar:

1. Kütlesel olarak birim hacminde en yoğun H₂ içeren taşıyıcısı olması,
2. Konvansiyonel taşıma altyapılarını ve depolama metotlarını kullanarak lojistiğinin ucuz ve kolay yapılabilmesi ve
3. iii) Dünya genelinde 100 yılı aşkın bir süredir yaygın ve güvenilir olarak kullanılması ve bu çerçevede kullanım standartlarının ve güvenlik prosedürlerinin gelişmiş ve yaygın uygulanması.

Temiz NH_3, mevcut kullanımlarının yanı sıra istendiğinde parçalanarak tekrar H₂‘e geri dönüştürülebiliyor. Yüksek sıcaklıkta yoğun ısı gerektiren bu prosesin geliştirilen özel katalizörler vasıtasıyla, düşük sıcaklıklarda ve sadece başlangıçta gerekli tetikleyici dış ısı ihtiyacı ile gerçekleştirilmesi için deneysel çalışmalar yapılıyor. Öte yandan, gemilerde iki veya dört zamanlı içten yanmalı motorlarda ve bazı santrallarda tek başına ya da ana yakıtlara karıştırılarak veya ortaklaşa kullanılarak (kazanlarda veya gaz türbinlerinde) yakılması için pilot çalışmalar ve uygulamalar başladı, başarılı sonuçlar elde edildi; şimdi yaygınlaştırılıyor. Yani mevcut kullanım sahalarına ilave olarak, NH₃ artık hem bir H₂ taşıyıcısı hem de gemi ve termik santrallarda yeni bir yakıt olarak da kullanılabilecek.

Bu yazımda da teknik detaylara girmekten mümkün olduğunca kaçınmaya dikkat ettim.  İlgili okuyucuların ulusal ve küresel ölçekte kolay erişebileceği ayrıntılı birçok değerli sektörel çalışma, akademik yayın ve referans bulunuyor. Ama öncelikle NH₃‘in genel özellikleri ile birlikte temel birim ve tanımlamalarını, uluslararası ölçekte üretim ve tüketim değerlerini ve gelecekteki projeksiyonlarını ana hatlarıyla paylaşmaya çalışacağım.

Temel Bilgiler:

NH₃, hidrojen ve azot atomlarından oluşan, renksiz ama keskin kokulu ve yoğun konsantrasyonları cilt için yakıcı olan inorganik bir kimyasaldır. Atmosferik koşullarda gaz formunda ve uçucudur; ancak LPG’de olduğu gibi nispeten düşük basınçlarda (mesela 10 °C sıcaklıkta 6 bar, 20 °C’de ise 9 bar basınç altında) sıvı halde tutularak, depolanıp saklanabilir. 

Standart koşullarda (20 °C sıcaklık ve 1 atmosfer basınç altında) gaz fazında bir metreküpü yaklaşık 700 gramdır. Erime sıcaklığı -77.73 °C, kaynama sıcaklığı ise -33.33 °C‘dır. Basınç altında sıvılaştırıldığında 21.1 °C‘da yoğunluğu 617.5 kg/m³, -33.33 °C’de ise atmosferik basınçta 696 kg/m³’tür. Parlama sıcaklığı 132 °C olan NH₃’ün özgül kütlesi havadan küçük olduğu için gaz halinde uçucudur; bu nedenle açık alan veya iyi havalandırılan kapalı mahallerde patlama riski çok düşüktür.

Yoğun konsantredeki NH₃ formları oldukça korozif olup, tehlikeli madde sınıfında değerlendirilerek işlenmeli, taşınmalı (elleçleme) ve saklanmalıdır. NH₃, gezegenimizde toprakta ve havada çok seyrek konsantrasyonlarda, ayrıca güneş sistemi içinde de yaygın olarak bulunur. Biyolojik şekilde ölü bitki ya da hayvan atıklarında bulunan NH₃, azot içerikli gübrelerin bir öncüsü olarak, yeryüzündeki canlılar için temel besleyici elementlerden biri olan azotu sağlar. 

NH₃ oksijenle temas ettiğinde su buharı (H₂O) ve azot oksitler (NO_x) oluşuyor. Azot oksitlerin belli bir konsantrasyondan yüksek olması asit oluşumu nedeniyle çevreye ve canlılara zararlıdır. Eksik yanma sonucu oluşan nitröz oksit (N₂O) ise çok yüksek sera gazı etkisine sahiptir (100 yıllık bir zaman aralığında karbondioksitin “CO₂” 265 misli). ‘Kahkaha gazı’ olarak da adlandırılan bu gaz oksit, 2018 yılında insan eliyle yapılan sera gazi salımlarının %5’ini (2.8 milyar ton CO_2eq “karbondioksit eşdeğeri”) oluşturmuştur. Ayrıca bilhassa topraktaki NH₃ havadaki oksijenle (O₂) ile reaksiyona girerek kezzap olarak da bilinen aşırı reaktif nitrik asitlere de (HNO₃) dönüşebiliyor. 

NH₃‘ın ısıl içeriği diğer benzer kimyasallarla karşılaştırıldığında daha yüksek ama petrol türevi fosil yakıtlardan düşüktür. Üst ısıl değeri (ÜID) 15.4, alt ısıl değeri (AID) ise 12.7 MJ/l (litre). Bu haliyle kıyaslarsak 1 litre NH₃‘ın AID’i BOTAŞ spesifikasyonlarına göre bir metreküp olarak doğal gazın AID’nin %37’sine veya motorinle karşılaştırıldığında da bir litre motorinin AID’nin %30’una tekabül etmektedir.  

Not: 1 MJ (ya da Megajoule) = 1,000 Kilojoule = 1 Milyon Joule = 240 Kcal = 0.28 kWh

NH₃, sülfürik asitin (H₂SO₄) ardından, dünyada en yaygın olarak kullanılan ikinci kimyasal olarak yıllık yaklaşık 200 milyon ton düzeyinde üretililip, tüketiliyor. Çin en büyük üretici ve tüketici olarak toplam küresel üretimin %30’ini tek başına sağlıyor. Üretiminde en yaygın olarak doğal gaz kullanılıyor. Yıllık 175 milyar m³; ki bu da küresel endüstriyel amaçlı doğal gaz tüketiminin %20’sini oluşturuyor.) ve gelişmiş buhar metan reaksiyonu (SMR) teknolojisi ile üretim yapılıyor. Öte yandan yakın zamanda geliştirilen ve proses çıktısında yüksek yoğunlukta CO₂ içerdiği için karbon yakalama oranları yüksek ve maliyetleri de oldukça düşük olan oto-termal reaktör (ATR) teknolojileri de doğal gaz ve biokütle ile katı organik atıklardan NH₃ üretiminde kullanılmaya başlanmıştır. CCUS (Karbon yakalama, kullanımı veya depolaması) teknolojilerinin etkin bir şekilde kullanımında yaygın olarak kullanılacağı düşünülen bu teknolojiden yazının ilerleyen bölümünde tekrar bahsedilecektir. Çin ise NH₃‘ın çok büyük yüzdesini kömürün gazlaştırılması yöntemi ile elde ediyor. Küresel ölçekte NH₃ üretiminde kullanılan toplam kömür ise yıllık 75 milyon ton civarında oluyor. Bu miktar küresel endüstriyel amaçlı kömür tüketiminin %5’i oluyor. Küçük bir miktar NH₃ da petrol türevlerinden veya suyun elektrolizi ile elde edilen H₂ kullanılarak üretiliyor. Bu miktarlar ile NH₃ üretimi için kullanılan enerji küresel birincil enerji tüketiminin %2’sine (yani 8.6 Exajoule/yıl) tekabül ediyor. 

Üretilen NH₃‘ın %70’inden fazlası azot bazlı gübre üretiminde kullanılıyor. Burada, günümüzde küresel nüfusun %50’sinden fazlasının gıda ihtiyacının NH₃ bazlı olanları başta olmak üzere azot içerikli inorganik gübreler sayesinde yetiştirilen tahıl ve diğer yenilebilir bitkilerden sağlandığını ilginç bir bilgi olarak verelim. Bunun dışında kimya ve petrokimya sektörlerinde plastikler, sentetik elyaf ile patlayıcı madde imalatlarında hammadde olarak tüketiliyor.  Küresel ticareti yaygın ve yıllık ihracat miktarı 20 milyon ton ile toplam tüketiminin %10’u düzeyinde oluyor. 200’ün üzerinde (LPG de taşıyabilen) tanker gemi NH₃ nakliyesinde kullanılıyor. Yeni LPG ve kimyasal taşıma tankerleri “amonyağa-hazır” olarak yapılıyor ve 2022 sonu itibari ile tersanelere bunlarda 130 adet yeni sipariş verilmiş durumda. Dünya genelinde 150 adetin üzerindeki liman tesisi NH₃ boşaltması, depolaması ve dağıtım ile sevkiyatı için altyapıya sahip durumda.

Yoğun fosil bazlı hammadde ve yine fosil bazlı proses enerji girdisi kullanması nedeniyle amonyak üretimi küresel bazda en yüksek CO₂ emisyonu oluşturan endüstriyel ve kimyasal ürünlerin başında geliyor. Ton NH₃ başına ortalama 2.4 ton CO₂ salımı ile en yoğun karbon emisyonuna sahip emtialardan biri olarak, NH₃ her yıl atmosfere doğrudan 450 milyon ton ve dolaylı olarak 170 milyon ton CO₂ verilmesine sebep oluyor (Karbon emisyon yoğunluğu demir-çelikte 1.2, çimentoda ise 0.6 ton CO₂/ton ürün). Dolaylı salımların iki büyük nedeni, NH₃ prosesinde gerekli elektriğin üretimi için termik santrallardan yapılan CO₂ emisyonları ve CO₂ kullanılarak NH₃’tan üretilen ürenin toprakta yaptığı reaksiyonlarla içeriği CO₂‘ini gene atmosfere salması sebepleriyle oluyor.  

NH₃ küresel olarak yaygın kullanılan ticari bir kimyasal olmasının yanında, etkin bir düşük emisyonlu H₂ taşıyıcısı ve potansiyel bir yakıt olarak temiz enerjiye geçişte önemli bir ürün olarak ciddi fırsatlar sunuyor. Diğer düşük ya da sıfır karbon içeren alternatif yakıtlarla ve kimyasallarla beraber bu geçişlerin hızlı ve etkin bir şekilde olabilmesi için şu 5 kriterin beraber oluşması gerekiyor: 

1. Ölçeklenebilirlik (Ya da ticari ve büyük kapasitelerin fizibıl olarak makul sürelerde kurulabilmesi),
2. Tüketim noktalarında öngörülebilir ve makul ürün/yakıt fiyatları,
3. Uygun kurulum maliyetleri (Capex), 
4. Sera gazları salımını önemli ölçekte engelleme potansiyeli, 
5. Hacimsel enerji yoğunluğunun uygulanabilir şekilde yüksek olması. 

NH₃, 2030’a kadar önümüzdeki 7 yıllık dönemde gelişmeler şekillenerek netleşecek olmakla birlikte, bu 5 kriteri de şu an sağlayabilen yegâne düşük karbonlu veya karbonsuz alternatif yakıt olarak en büyük potansiyele sahip adaylardan biri olarak göze çarpıyor.

Karbonsuz yakıtlarla enerji üretimini ve bilhassa nakliye sektöründe kullanımını yaygınlaştırma amacı güden girişim şirketi “Amogy”nin “Guidelinehouse Insights”a yaptırdığı bir çalışmada, düşük karbonlu veya karbonsuz alternatif yakıtlar arasında yapılan bir karşılaştırmayı aşağıda paylaşıyorum:

NH₃ hacimsel enerji yoğunluğu dışında tüm parametrelerde en iyiler içerisinde yer alıyor. Kullanılacak tahrik unsuruna (bilhassa doğrudan NH₃ beslemeli yakıt hücrelerinin ticari olarak uygulanabilirliğin sağlanması halinde) göre değişiklikler olabileceğini de belirterek, kara ulaşımı ve nakliyesinde küçük binek araçları dışında tüm segmentlerde, deniz nakliyesinde gemilerde alternatif yakıt olarak yaygın şekilde kullanılabileceğini şimdiden öngörebiliriz. Havacılık sektöründe özel bazı uygulamalar dışında yaygın kullanımı ise pek mümkün görülmüyor. Endüstriyel amaçlı ve elektrik başta olmak üzere enerji üretiminde de ciddi bir seçenek olacağı da aşikâr gözüküyor.

Düşük ve Sıfır Karbon Salımlı Amonyak Üretim Teknolojileri:

İlk NH₃ üretimi 20. yüzyılın başlarında oldukça yoğun enerji girdisi olan ve verimsiz elektrik ark metoduyla başlamış. Ama arkasından geliştirilen Haber-Bosch yöntemi prosesi hemen hemen hiç değişmeden geliştirilerek bugünkü üretim teknolojilerine evirilmiş. Ürün ve proses için gerekli enerji girdileri de nerede ise teorik olarak mümkün olabilecek en düşük seviyelere yaklaşmış.

Haber-Bosch yönteminde, basit bir anlatımla, sudan elektrolizle ya da fosil bazlı yakıtlar veya biokütle kırılarak elde edilen H₂ ile havadan üretilen azot (N₂) yüksek sıcaklık ve basınç ortamında bir katalizör (demir) vasıtasıyla sentezlenerek NH₃ üretiliyor. Hem enerji hem de hammadde olarak fosil bazlı girdilerin kullanılması durumunda CO₂ emisyonları da oldukça yoğun bir proses olarak yüzyılı aşkın bir süredir bu yöntem dünya genelinde çok yaygın olarak kullanılıyor.

Ama ürün için gerekli H₂‘i, havadan N₂’ı ayrıştırmayı ve proses için enerjiyi yenilenebilir veya temiz kaynaklardan sağlarsak düşük ya da sıfır karbonlu temiz üretebiliriz.

Elektroliz yoluyla elde edeceğimiz H₂’nin CO₂ yoğunluğu tamamı ile girdi elektriğin hangi yolla üretildiğine bağlı oluyor. Burada sadece hidrolik, rüzgâr, güneş ya da jeotermal gibi yenilenebilir enerji kaynakları ya da nükleer santrallarda üretilen elektrik kullanıldığında sıfıra yakın CO₂ salımı içeren H₂’i üretebiliyoruz. Şayet N₂’u da bu kaynaklardan sağlanan elektrik ile üretir, ayrıca sentezleme için gerekli elektrik ve diğer enerji girdilerini de temiz kaynaklardan sağlarsak neticede sıfır salımlı NH₃ üretmiş olacağız.

En yaygın olarak STR (buhar metan reaksiyonu ya da reformu) metodu kullanılarak doğal gazdan, ikinci olarak da gazlaştırma yoluyla kömürden NH₃ üretildiğini belirtmiştik. Her iki fosil kaynak ve proses enerji girdileri neticesinde yoğun karbon emisyonları oluşuyordu. Şayet oluşan bu CO₂‘leri CCS metotları kullanarak yakalayıp kalıcı şekilde depolayabilirsek bu yöntemle üretilen NH₃ da sıfıra yakın karbon içerikli olabilecek.

Proses sırasında ya da enerji üretiminde ortaya çıkan CO₂ emisyonlarını basit bir sınıflandırmayla ikiye ayırabiliriz:

1. Hacimsel olarak yoğun (derişik)
2. Düşük yoğunlukta (seyreltik) CO₂ salımları

Bir kazanda buhar ya da kızgın su/yağ eldesi ya da içten yanmalı motor veya gaz türbini gibi bir tahrik unsurunda elektrik üretimi için olsun fosil yakıtlar zaten hacimsel bazda neredeyse %80’i N₂ olan hava ile stokiyometrik ihtiyaçtan fazla oranlarda karıştırılarak yakıldığında, yanma sonrası oluşan egzozda CO₂ oldukça seyrek miktarlarda bulunuyor. Keza yeni ve gelişmiş SMR proseslerine haiz Haber-Bosch sentezlerinde hava ayrıştırma ünitesinde (ASU) N₂ üreterek NH₃ reaktörüne vermek yerine, doğrudan havanın çok yüksek sıcaklıklarda kırılması ile N₂ açığa çıkarılarak sonrasında sentezleme yapılıyor. Burada da reaksiyon sonrasında nispeten seyreltik CO₂ oluşuyor. Öte yandan CCS teknolojileri, ne kadar derişik ise CO₂’i o kadar yüksek oranlarda ve düşük maliyetlerle yakalayabiliyor. Seyreltik CO₂‘leri yüksek yakalama oranları ile tutmak hem teknolojik zorluklar içeriyor hem de oldukça yüksek maliyetlerle yapılabiliyor. Bu nedenle gelişmiş SMR içeren üretim prosesleri çıkışındaki CO₂ emisyonlarının yüksek oranlarda tutulması teknolojik ve ekonomik zorluklar getirebiliyor. Öte yandan, hammadde dışında dış enerji girdileri çok daha düşük olan ATR (oto-termal reformu) teknolojileri ile H₂ üreten ve ASU’dan gelen N₂’u da kullanarak sentezleme yapan Haber-Bosch sentezlerinde CO₂ çıkışları oldukça yoğun oluyor ve düşük maliyetlerle yüksek oranlarda yakalanabiliyor.

Haber-Bosch üretim yönteminin hammadde formunda ve proses için gerekli toplam enerji girdi ihtiyacının yüksek olduğunu söylemiştik. SMR yönteminde bu enerjinin belirli bir kısmı atık ısı olarak geri kazanılarak başka amaçlarla kullanılabiliyor ya da bir buhar türbini vasıtasıyla elektriğe dönüştürülerek prosesin elektrik ihtiyaçlarının karşılanmasına katkı sağlayabiliyor. ATR zaten kendi enerji ihtiyacını azami oranlarda karşılayacak şekilde tasarlandığından geri kazanılacak ehemmiyetli miktarlarda atık ısı içermiyor. Uluslararası Enerji Ajansı (IEA) tarafından 2021 sonunda hazırlanan “Amonyak Teknolojileri Yol Haritası” raporunda küresel ölçekte yaygın kullanılan ve önümüzdeki süreçte temiz NH₃ üretiminde ön plana çıkması beklenilen üretim teknolojilerinin enerji kullanımları hammadde, yakıt (ısı) ve elektrik sınıflandırması ile brüt ve net olarak çıkarılmış, ayrıca bu teknolojiler kullanılarak üretilen NH₃‘in ürün CO₂ yoğunlukları da aşağıdaki şekilde tablolanarak verilmiş:

Mevcut kurulu NH₃ üretim teknolojilerinin toplam yıllık üretim miktarları içindeki ağırlıkları, tesis yaşları ve tesislerin donanımlarının iyileştirilmesi ve/ya genel olarak modernizasyonu imkânları ile yukarıdaki tablo verileri dikkate alınarak incelendiğinde, aşağıdaki bilgilerle de derlenerek, şu sonuçlar çıkarılabilir:

• Dünya genelinde çalışan NH₃ üretim tesisi sayısı 550 civarında olup, toplam kurulu kapasiteleri 250 Milyon ton/yıl düzeyindedir.
• Ortalama tesis yaşı 25 yıl civarındadır. Ancak yaşlı tesisler bilhassa Avrupa (ortalaması 40 ve üzeri yaşta) ve Kuzey Amerika ile kısmen Rusya ve eski SSCB ülkelerinde kuruludur.
• Çin ile Hindistan basta olmak üzere Güney Asya ve Asya Pasifik ile Afrika ve Güney Amerika’da nispeten yeni NH₃ tesisleri çalışmaktadır. Çin’in ortalama tesis yaşı takribi 12’dir ve oldukça gençtir.
• NH₃ tesislerinin teknik ömürleri 20-30 yıl aralığındadır ve donanım iyileştirmesi ve genel modernizasyon çalışmaları ile ömürler kolaylıkla 50 yıla çıkartılabilmektedir.
• SMR ve kömür gazlaştırma tesislerinde proses kriterleri nispeten esnek olduğundan rahatlıkla modernizasyon yapılarak CCS teknolojileri de entegre edilebilir.
• ATR’ler ise daha rijit teknolojilerdir. Ancak toplam kurulu güç içerisinde payları mevcut halde düşüktür. Yine CCS entegrasyonu yapılabilir.
• SMR, ATR ile kömür ve biokütle gazlaştırma teknolojilerinde 200-1,200 bin ton/yıl üretim kapasiteleri yaygın olarak kurulurken, elektrolizli teknolojilerde kapasiteler 10-510 bin ton/ yıl aralığındadır.
• Metan pirolizi umut vadeden sıfır karbon salımlı bir teknoloji olmakla beraber çıktısı olan karbonun (karbon siyahı) hangi miktarlara kadar ticari ölçekte değerlendirilebileceği soru işaretidir. Yoksa yüksek enerji yoğunluğu içeren pahalı bir proses olarak uygulaması sınırlı kalacaktır.

1. Doğal gaz girdili yeni yapılacak tesisler için ATR teknolojileri tercih edilecektir. Keza yeni biokütleden NH₃ üretim tesislerinin de çoğunlukla bu teknolojileri kullanacağını öngörebiliriz. İlave ASU ünitelerinin kurulması (yüzdesel olarak düşük olmakla beraber) ek capex ve opex maliyetleri getirecektir. Ancak proses için çok daha az harici yakıt takviyesine ihtiyacı olması ve yüksek karbon yakalama oranlarını çok daha düşük capex ve opex maliyetleri ile sağlaması, ATR’leri, temiz NH₃ üretiminde SMR teknolojilerine nazaran bir adım öne çıkarmaktadır.
2. Kömürden gazlaştırma yoluyla NH₃ üretimi küresel ölçekte oransal olarak azalmakla beraber, Çin ve Hindistan gibi birincil enerji ihtiyacında yerli kaynak olarak kömürü stratejik açılardan öne çıkaran ülkelerde sürecektir. Ancak buralarda da kömürden yeni NH₃ üretim tesislerin yapımının azalacağını ve mevcut tesislerden entegre edilebilir olanlarının da öncelikli olarak CCS sistemleri ile donatılacağını beklemekteyiz.
3. Elektroliz vasıtasıyla yenilenebilir elektrik kullanılarak temiz NH₃ üretimi Batı’dan başlayarak tüm dünyada hızla artacaktır. Ancak bu artışın uzun bir süre için Devlet destekli olması (teşvik ve sübvansiyonlarla) kaçınılmazdır. Doğrudan değişken yenilenebilir elektrikle (VRE) beslenen elektrolizli NH₃ tesislerinin kapasite kullanım oranları (KKO) çok düşük kaldığından ekonomik performansları da oldukça düşmektedir. Ulusal şebekeden VRE kaynaklı düşük karbon yoğunluklu elektrik alınarak KKO’lar arttırılabilir. Ancak bu halde hem iletim ve dağıtım şebekelerinin kapasitelerinin ehemmiyetli düzeyde büyütülmesi hem de ilave şebeke ölçekli elektrik batarya ve/ya H₂ depolama kapasitelerinin oluşturulması gerekecektir. Bu da ciddi bir yatırım bütçesi ihtiyacı doğururken, yapım sürelerinin, bilhassa Batı’da, uzun yıllara yayılması kaçınılmaz olacaktır.
4. Listede yer almayan ve laboratuvar ölçekli çalışmaları süren bazı yeni NH₃ üretim teknolojilerinin ticari ölçekte uygulamaya geçmesi oyun değiştirici olabilir. Bunlardan en önemlileri hem elektrolizör hem de yakıt hücresi olarak kullanılabilecek girdi ve çıktısı NH₃ olan çift yönlü katı oksit elektrolizör (SOEC) elektrokimyasal teknolojileri, elektrikli SMR teknolojileri, düşük sıcaklıkta katalitik sentezleme teknolojisi ve biyolojik enzimler vasıtasıyla atmosferdeki hava ve sudan NH₃ üretimidir.

Düşük ve Sıfır Karbon Salımlı Amonyağın Global Karbonsuzlaşma Sürecinde Yaygın Kullanım Alanları Nereler Olacak?

NH₃’ın gübre üretiminde hammadde olarak kullanımı miktar olarak, verimli tarım uygulamalarının bilhassa gelişmekte olan ülkelerde yaygınlaşması ve bu çerçevede etkin gübreleme yapılması sayesinde, sınırlı artacaktır. Ancak diğer endüstriyel uygulamalarda kullanımı büyüyen nüfus ve gelir artışına paralel olarak düzgün bir artış gösterecektir.   

Düşük ve sıfır karbon salımlı NH₃’ın kullanımındaki en önemli gaye CO₂ basta olmak üzere sera gazı emisyonlarını düşürmek ve mümkün olduğunca sıfırlamak olduğu için ilk etapta mevcut kullanım alanlarında fosil yakıt bazlı NH₃’ı ikame edecek. Bu çerçevede, ilk başta gübre üretimi olmak üzere hammadde olarak kullanıldığı kimya endüstrisi ile diğer endüstriyel uygulamalarda kademeli olarak temiz NH₃ yerini almaya başlayacak. Bu kademeli geçiş için eşik yıllara göre yapılan çeşitli projeksiyon öngörülerine göre, 2030 yılında temiz NH₃ kullanımı yıllık 12 milyon ton (mtpa), 2050 yılında da (NZE= Net Sıfır Emisyon senaryosuna göre) 420 mtpa olmaktadır (Argus Media / IEA). 2030 yılında çoğunlukla fosil bazlı NH₃’ı ikame etmesi öngörülen temiz NH₃’nın 2050 yılındaki tüketiminin büyük çoğunluğunun ise temiz H₂ taşıyıcısı ve petrol türevi yakıtlara alternatif olarak kullanımından kaynaklanması beklenmektedir.      

Öte yandan içerdiği çeşitli avantajlarından dolayı, NH₃ iyi bir H₂ taşıyıcısı olarak bilhassa temiz (yeşil veya mavi) H₂’in uzak mesafelere boru hatları, büyük çaplı kara ile deniz yolu nakliyesinde ön plana çıkmaya başladı. Bu avantajları karşılaştırmalı olarak aşağıdaki tabloda görebiliriz:

CH₃OH alternatifini karbon içeriği nedeni ile şu an için dikkate almazsak, H₂’in uzak mesafelere yüksek miktarlarda, güvenilir ve ekonomik şekilde taşınması için üç seçenek ön plana çıkıyor: 1) Sıvı H₂ (LH₂) 2) LOHC (Sıvı organik hidrojen taşıyıcı) ve 3) NH₃. Kural ve prosedürlere uygun şekilde elleçlendiginde, depolamaları ve nakliyeleri güvenli olan bu alternatif üç taşıyıcı içinde NH₃’ün diğerlerine nazaran bariz üstünlükleri var. Bunlar: i) Oluşum ve dönüşümleri için harcanan toplam “net” birim enerji en düşük, ii) Taşıma ve depolama altyapısı hâlihazırda var ve çok düşük maliyetlere adaptasyonlar yapılabilir ve büyütülebilir, iii) H₂’e dönüştürülmeden de doğrudan kullanılacağı mevcut ve yüksek hacimli bir pazarı var, iv) Geliştirilen teknolojilere bakıldığında LOHC’e nazaran pratik bir şekilde ve daha az enerji harcanarak tekrar H₂’e çevrilebilecek.

Birim hacim ve kütlesinde taşıdığı enerji (H₂) yoğunluğu en yüksek alternatif olması ayrıca depolama seçeneklerinde de NH₃’ı ön plana çıkarıyor. Uzun süreler hiçbir sızıntı ve kayıp yaşanmadan yer üstünde borularda (line-pack) ve tanklarda ve bazı yeraltı depolama uygulamalarında saklanabiliyor. Fertilizer Europe (Avrupa Gübre Birliği) tarafından geçen sene yapılan bir çalışma bünyesinde elektrik batarya uygulamalarını da içeren diğer alternatiflerle depolama süreleri ve ortalama maliyetleri beraber gösteren karşılaştırmalı bir infografiği aşağıda inceleyebilirsiniz:   

Bu infografikten görüleceği üzere, bilhassa 24 saat ve daha uzun dönemli enerji depolamalarında NH₃, LOHC ve H₂ ile beraber yegâne teknik çözüm olmakta, ancak maliyetler dikkate alındığında -spesifik projelere göre değişiklik olabilmekle beraber- genel olarak bariz bir avantaj sağlamaktadır.

Türkiye’nin Mevcut Amonyak Üretimi, Düşük ve Sıfır Karbon Salımlı Amonyak Üretim ve İhraç İmkânları:

Türkiye’de bugün itibari ile özel sektöre ait 4 kuruluş tarafından NH₃ üretimi yapılmaktadır. Kuruluş web sitelerinden yapılan araştırmada toplam kurulu kapasitenin 850 bin ton/yıl civarında olduğu görülmüştür. Ancak üretim teknolojileri ve yıllık fiili üretim miktarları hakkında net bir bilgi bulunamamıştır; doğal gaz kaynaklı SMR oldukları tahmin edilmektedir. 2020 yılında ağırlıklı olarak Rusya, Ukrayna, Romanya ve Bulgaristan’dan olmak üzere toplam 1.4 milyon ton NH₃ ithal edilmiş olup, 2022’den itibaren doğal gaz fiyatlarının ciddi artış göstermesi nedeniyle yurt içi üretimlerin daha da düştüğünü ve ihtiyacın büyük çoğunluğunun, bilhassa Rusya üzerinden, ucuz ithalatla karşılandığını tahmin ediyoruz.

Her hâlükârda ülkemizin ehemmiyetli bir NH₃ üretim ve tüketim altyapısı bulunuyor. Yerli doğal gaz miktarları arttığında, özellikle konut tüketimlerinin azaldığı bahar ve yaz aylarında, CCS entegrasyonları da yapılan, mevcut üretim tesislerine doğal gazın yönlendirilerek, düşük karbon salımlı NH₃ üretimi yapılması ve böylece öncelikle iç ihtiyaçlar karşılanarak ciddi karbon kredileri kazanılması tercih edilebilir.

Temiz H₂ üretiminde olduğu gibi, ihraç amaçlı yeni yenilenebilir elektrik kapasitelerinin oluşturularak sıfır karbon emisyonlu NH₃ üretiminde kullanılması önümüzdeki 10 yıllık bir süre için çok cazip olmayacaktır. Sıfır emisyonlu yenilenebilir elektriği öncelikle -dönüşümlerle kayıplar yaşamadan- doğrudan mevcut ihtiyaçlarımız için ve elektrikli araçlarda kullanabilir ve böylece ithal fosil yakıtlardan başlayarak karbon ayak izimizi küçültmek üzere fosil yakıtlı elektrik üretimlerini ve ulaşımda kullanılan akaryakıtları ikame ederek verimli ve etkin bir şekilde tüketebiliriz.

Organik katı (evsel) atıklar ile diğer biyojenik atıklardan ATR teknolojileri kullanılarak sıfır karbon emisyonuna sahip NH₃ üretimi temiz H₂‘de olduğu gibi Türkiye için önemli bir ihracat fırsatı getiriyor. Öncelikle sevkiyat altyapısına sahip endüstrileşmiş ve yoğun yerleşime haiz (İstanbul, Kocaeli, İzmir, Bursa ve Adana gibi) şehirlerimizde bu tür tesisleri kurabilirsek hem evsel ve endüstriyel organik ve fosil bazlı atıkları CO₂ emisyonlarını da tutarak çevreye zarar vermeyecek ve en verimli şekilde NH₃‘a dönüştürerek bertaraf ve yüksek katma değerle Avrupa’ya ihraç edebiliriz. Ön değerlendirmelerimizde, bu kurgu ile yıllık minimum 5 milyon ton sıfır karbon ayak izine sahip NH₃ üretilebileceğini görüyoruz.

Çift yönlü SOEC’ler yeni teknolojiler içerisinde en yüksek potansiyele sahip oyun değiştiriciler olabilir. Böylece uygun kapasitelerde NH₃ depolama hacimleri ile şebekeyle sürekli bağlı olarak yüksek kapasite kullanım oranlarında çalışacak büyük ölçekli birleşik elektrik santrali ve batarya üniteleri kurulabileceği gibi, ücra bölgelerde ada modunda VRE kaynaklı kesintisiz çalışabilecek münferit santral uygulamaları uygun maliyetlerde ve etkin şekilde geliştirilebilir. Bu konfigürasyonlar ayrıca mikrogrid uygulamalarına da adapte edilerek şebekeden bağımsız işlediği durumlarda emre amadeliği ve güvenirliliği yükseltebilir.

NH₃’ın içten yanmalı motorlarda yakıt olarak kullanımı için motorların yanma teknolojisi ve sistemlerinde ciddi değişiklikler yapılması gerekiyor. Düşük setan numarası ve düşük alev hızı olması sebebiyle bilhassa yüksek devirli ve stokiyometrik hava içeriği ile yanmanın gerçekleştiği (yakıt-hava karışım oranı “1” civarında) ufak benzinli (kıvılcım ateşlemeli, Otto çevrimli) motorlarda bu dönüşümler oldukça zor. Ama düşük devirli ve büyük yanma odalarına sahip (sıkıştırma ateşlemeli, Dizel çevrimli) iki zamanlı motorlarda adaptasyon daha başarılı şekilde yapılabiliyor. NH₃, bir pilot yakıtın öncelikle ön yanma odasında tutuşturulması ve burada oluşan alev huzmesi ile yakılıyor. Pilot yakıt genelde motorin olmakla beraber, cüzi de olsa sera gazı emisyonlarına yol açması nedeniyle yerine H₂’nin de kullanılması için çalışmalar yapılıyor. OEM’ler tarafından 2024’ten başlayarak gemilerde %100 NH₃ yakabilecek yeni iki zamanlı motorların teslimatlarının yapılması, 2026’dan itibaren de eski motorlarda standart dizayn ve donanımlarla, gerekli tadilatların yapılarak dönüşümlerin gerçekleştirilmesi planlanıyor.   

İki ve 4 zamanlı içten yanmalı motor teknolojilerinin en yaygın kullanıldığı deniz taşımacılığında, 2022 yılı itibari ile, 100 binin üzerinde okyanus-aşan büyük gemi (tankerler, konteyner ile kuru yük taşıma gemileri) seyrüsefer yapıyor ve yıllık 300 milyon ton civarında petrol türevi yakıt tüketiliyor. Avrupa Birliği’nin (AB) FuelEU girişimi çerçevesinde gemilerin AB sularında 2025 yılında %2, 2050 de ise %80 nispetinde yeşil H₂ kullanması teşvik ediliyor. Ki bunun da büyük oranda temiz H₂ kullanılarak üretilen düşük veya sıfır karbon salımlı NH₃ vasıtasıyla gerçekleştirilmesi bekleniyor. Yani düşük ya da sıfır karbonlu NH₃‘ın deniz taşımacılığında yaygın kullanımının başlaması ile ciddi bir üretim kapasitesi oluşturulması gerekiyor. Nitekim, küresel deniz güzergahlarının önemli geçiş noktalarında, mesela  Süveyş Kanalı’nda, düşük ya da sıfır karbonlu NH₃ ikmali yapılması için projeler geliştirilmeye başladı.   

Gaz türbinlerinde doğrudan NH₃ yakılması için birçok türbin imalatçısı firma (OEM), Devlet kuruluşları ve enstitüler ile kendi aralarında ortaklaşa ulusal ve uluslararası ölçekte çalışmalar yapıyor. Nispeten küçük güçlerdeki uçak türbini türevi (aeroderivative) türbinlerde ana yakıtlarla karışım olarak yapılan bu pilot çalışmalar büyük kurulu güçlerdeki endüstriyel tip türbinlerde ise yüzde yüz NH₃ kullanılarak deneniyor. Ayrıca ana yakıtla karıştırılarak kazanlarda yakılması da pilot uygulamalarla test ediliyor. Burada iki hususun aşılması gerekiyor: i) Enerji yoğunluğu nispeten düşük olan NH₃’ın mevcut yakma sistemleri girişinde hacimsel debisinin artırılması ve bunun yanma odalarındaki ve tahrik sistemlerindeki termodinamik ve mukavemet etkilerinin minimize edilmesi, ii) Yanma havasından kaynaklı olanlarına ilave olarak NH₃ içeriğindeki N₂ kaynaklı çevreye ve atmosfere zararlı NO_x emisyonlarının da ortadan kaldırılması. OEM’ler bunu yanma öncesi ve yanma sırasında önlemek için yeni teknolojiler geliştirerek, gerekli yeni ekipman kullanımı ve adaptasyonu çalışmalarını test ediyorlar. Her hâlükârda, gene yakıt NH₃ kullanılarak, egzoz çıkışlarındaki NO_x emisyonları, uzun yıllardır yaygın olarak kullanılan SCRler (Seçici Katalitik Reaktör) vasıtasıyla nispeten düşük ve makul ilave işletme maliyetlerine katlanılarak temizlenebilir.