Özet

Bu bölüm, hidrojen (H₂) açısından zengin sentez gazı ve diğer gazların ayrıştırılmalarından sonra nihai olarak %99,999 saflıkta H₂ üretmek için biyokütlenin termokimyasal dönüşümünde gazlaştırma prosesi bünyesinde ilave olarak buharın kullanımına odaklanmaktadır. Clean Energy Enterprices (CEE), organik atıkları bir sentez gazına dönüştürmek için Ways2H teknolojisini geliştiriyor; bu teknolojiden H₂ yakıtı ve karbonatlar gibi proses sonu katı yan ürünler çıkarılıp ortaya çıkan karbondioksit (CO₂) salımları tutuluyor. Atıktan H₂’e dönüştürme teknolojileri, kullanılabilir yakıt ürününü doğrudan değil, dolaylı olarak ve geleneksel enerji üretim tesislerinde, H₂ yakıtlı ulaşım ekipmanlarında ve diğer yakıt dışı amaçlar için temiz, yenilenebilir yakıt olarak kullanılabilecek bir H₂ ürünü olarak üretir. Ways2H tesis tasarımı, atık yakma teknolojilerinin yanı sıra bilinen diğer gazlaştırma işlemleriyle karşılaştırıldığında minimum hava girdisi ve salımlarıyla ve tamamen kapalı döngü içerisinde termal gazlaştırma ve ayrıştırma süreçlerinde H₂ üretir.

Anahtar Kelimeler: Vapoliz, buhar gazlaştırma, hidrojen, CCUS (Carbon Capture&Storage: Karbon yakalama ve depolama), WGSR (Water-Gas Shift Reactor: Su-gaz değiştirme reaktörü), reformer, WHRB (Waste Heat Recovery Boiler: Atık ısı geri kazanım kazanı)

1. Giriş

1.1 Tarihsel Arka Plan

Gazlaştırmayla ilgili bilinen en eski araştırma, 1659'da "karbüratörlü hidrojen" (şimdiki adı metan; yani CH₄) ile deney yapan Thomas Shirley tarafından gerçekleştirildi. Biyokütlenin odun kömürü üretmek için pirolizi belki de gazlaştırmayla ilgili sürecin ilk büyük ölçekli uygulamasıydı. 18. yüzyılın başlarına doğru odunun aşırı kullanımı nedeniyle az bulunur hale gelmesiyle birlikte kömürden piroliz yoluyla kok üretildi, ancak pirolizden elde edilen yan ürün olan kömür gazı (ya da şehir veya havagazı) kullanımına çok az ilgi gösterildi. İlk gelişmeler öncelikle sokak aydınlatması için şehir gazı ihtiyacından ilham aldı. Kömürden elde edilen şehir gazının pek bilinmeyen özellikleri 1773'te İngiliz Kraliyet Cemiyeti'ne gösterildi, ancak zamanın bilim adamları bu faydaları hemen fark edemediler. 1798'de William Murdoch, Soho Dökümhanesi’nin ana binasını aydınlatmak için kömür gazı kullandı ve 1802'de halka açık bir gaz ile aydınlatma gösterisi sunarak yerel halkı hayrete düşürdü. Alman Friedrich Winzer, 1804 yılında kömür gazı aydınlatmasının patentini aldı [1].

1.2 Biyokütle ve Ürünleri

Biyokütle, bitkiler ve hayvanlar gibi canlı türlerden, yani şu anda hayatta olan veya kısa bir süre önce hayatta olan her şeyden oluşur. Bir tohum filizlendiğinde veya bir organizma doğduğunda meydana gelir. Fosil yakıtlardan farklı olarak, biyokütlenin gelişmesi milyonlarca yıl almaz. Bitkiler, atmosferik CO₂'i metabolize etmek ve büyümek için fotosentez yoluyla güneş ışığını kullanır. Hayvanlar biyokütleden besin alarak büyürler. Fosil yakıtlar çoğalmaz, oysa biyokütle çoğalır ve bu nedenle yenilenebilir kabul edilir. Bu, enerji veya kimyasal kaynağı olarak en önemli çekici unsurlarından biridir.

Her yıl, atmosferden CO₂'i emerek fotosentez yoluyla çok miktarda biyokütle büyüyor. Yandığında, bitkilerin yakın zamanda (birkaç yıldan birkaç saate kadar) atmosferden emdiği CO₂ açığa çıkıyor. Dolayısıyla biyokütlenin herhangi bir şekilde yakılması, Dünya'nın (toplam) CO₂ envanterini artırmaz. Bu nedenle biyokütle “karbon nötr” bir yakıt olarak kabul edilir.

Büyük miktardaki biyokütlenin yalnızca %5'i (13,5 milyar metrik ton) enerji üretmek için potansiyel olarak harekete geçirilebilir. Bu miktar halen dünya enerji tüketiminin yaklaşık %26'sını, yani 6 milyar ton petrole eşdeğer bir miktarını karşılayacak kadar büyüktür.

Biyokütle, küçük otlardan devasa ağaçlara, küçük böceklerden büyük hayvan atıklarına ve bunlardan elde edilen ürünlere kadar geniş bir yelpazeyi kapsamaktadır. Hasat edilen biyokütlenin başlıca türleri selülozik esaslı (tahıl dışı) ve nişasta ile şekerdir (tahıl).

Mesela mısır bitkisi gibi hasat edilen bir mahsulün tüm kısımları biyokütledir, ancak meyvesi (mısır) nişastadır, geri kalanı ise ligno-selülozdur. Mahsulden (mısır), fermantasyon yoluyla etanol üretebilir, ancak mısır bitkisinin ligno-selülozik kısmından benzer yakıtların üretilmesi, gazlaştırma veya hidroliz yoluyla daha karmaşık bir süreç gerektirir [1].

1.3 Biyokütlenin Gazlaştırılması

Biyokütlenin gazlaştırılması, iyi kontrol edilen bir oksitleyici ortamda pirolizi ve kısmi oksidasyonunu içerir. H₂, CO (Karbon monoksit), CO₂, H₂O (su) ve diğer hidrokarbon türleri gibi ürünlerin oluşmasına yol açar. Biyokütlenin kurutulması, ısıtılması ve pirolizi için gereken ısı, biyokütlenin kısmi oksidasyonu ile sağlanır. Gazlaştırma, hammadde ve üretilen yakıtlar açısından muazzam bir esneklik sağladığından, yenilenebilir ve karbonsuz enerji üretimi için en umut verici teknoloji olarak kabul edilmektedir. Genel olarak gazlaştırma işlemi, düşük değerli biyokütleyi sentez gazı (H₂ ve CO karışımı) ve değişen miktarlarda CH₄ ve CO₂ içeren gazlı bir karışıma dönüştürür. Ayrıca özellikle düşük sıcaklık aralığında hidrokarbonlar da üretebilir. Oksitleyici maddeler saf oksijen (O₂), hava, buhar, CO₂ veya bunların karışımları olabilir. Sentez gazı bileşimi, gazlaştırma maddesi olarak hava ve buhar kullanılarak değiştirilebilir. Ayrıca CO₂'in varlığı, Ni/Al gibi bir katalizörün varlığında kömür, katran ve CH₄'ü H₂ ve/ya CO'e dönüştürdüğü için H₂ ve CO içeriğini arttırmak için kullanılabilir. Son yıllarda gazlaştırma için kullanılan reaktörlerin türü, ilgili termokimyasal işlemler ve gazlaştırma sırasında üretilen çeşitli gaz ve sıvı yakıtlar ile ilgili çok sayıda çalışma rapor edilmiştir. Sentez gazı, örneğin bir IGCC (Entegre Gazlaştırma Kombine Çevrim) tesisinde ısı ve güç üretmek, H₂ üretmek ve diğer kimyasalları ve F-T (Fischer Tropsch) yakıtları gibi sıvı yakıtları sentezlemek için kullanılabilir. F-T ve diğer ulaşım yakıtlarının üretimi de dahil olmak üzere, sentez gazının kullanımına yönelik çeşitli yollar vardır. Biyokütleden (CH_n) sentez gazı oluşumuyla ilişkili toplu reaksiyonlar aşağıdakileri içerir:

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.

Reaksiyon (1), O₂ varlığında sentez gazı oluşumuna karşılık gelirken reaksiyon (2), iyi bilinen su-gaz-değiştirme reaksiyonudur ve reaksiyon (3), metanın buharla reformasyonuyla ilişkilidir. Reaksiyonlar (2) ve (3), H₂/CO oranını kontrol etmek için kullanılır. Sentez gazından F-T yakıtlarının üretimi, bir katalizör varlığında bir dizi reaksiyonu içerir. Bu prosesin toplu reaksiyonları şu şekilde yazılabilir: 

F-T oluşumu sırasındaki ilk adım, sentez gazının –CH₂- alkil radikallerine ve H₂O'ya dönüştürülmesidir. –CH₂- alkil radikalleri daha sonra bir katalizör reaksiyonunda birleşerek çeşitli zincir uzunluklarında sentetik parafin ve olefin hidrokarbon (HC) yakıtlarını üretir. Oluşan yakıtların miktarı ve türü sıcaklık, basınç, H₂/CO oranı, katalizör türü gibi parametrelerle belirlenmektedir. Genel olarak F-T yakıtları çeşitli katı, sıvı ve gazlı kaynaklardan üretilebilir ve istenilen özelliklere sahip temiz ulaşım yakıtları elde etmek için daha fazla işlenebilir. 

Hammadde veya prosesten bağımsız olarak, F-T yakıtları bir takım arzu edilen özelliklere sahiptir. Örneğin, F-T dizel yakıtları yüksek setan sayısıyla, ultra düşük kükürt ve aromatik içerikle üretilebilir; bunun sonucunda motor performansı artar, partikül kütlesi (PM) emisyonları önemli ölçüde azalır ve olumlu NO_x/PM dengesi sağlanır. Bununla birlikte, bu yakıtlar genellikle zayıf kayganlığa ve daha düşük hacimsel enerji yoğunluğuna sahiptir. Bu yakıtların petrol türevi yakıtlarla harmanlanmasıyla bu eksiklikler giderilebilir. Böylece, biyokütlenin gazlaştırılması sentez gazı üretmek ve daha sonra da bırakılan taşıma yakıtlarını temizlemek için kullanılabilir. F-T yakıt özelliklerinin motor performansı ve emisyonlar üzerindeki etkileri bir dizi araştırmayla rapor edilmiştir [2].

1.4 Gazlaştırma Ortamı ve Gazlaştırma Maddesi Türleri

Gazlaştırma ortamı, daha ağır katı hidrokarbonların, CO ve H₂ gibi düşük molekül ağırlıklı gazlara dönüştürülmesi amacıyla parçalanmasına yardımcı olur. Biyokütlenin gazlaştırılması sürecinde kullanılan, hava, buhar, O₂ ve CO₂ gibi iyi bilinen birkaç gazlaştırma maddesi vardır.

Farklı maddelerin kullanılmasının enerji verimliliği üzerindeki etkisi literatürde kapsamlı bir şekilde incelenmiştir [3, 4]. Örneğin Sharma ve ark. [3], kararlı durum koşulları sağlandığında doymuş buharın takip ettiği aşağı çekişli bir reaktörde biyokütlenin gazlaştırılması süreci üzerine deneysel bir çalışma yürüttüler. İndirgeme bölgesindeki havaya buhar eklemenin H₂ akış hızını arttırdığını belirtmişlerdir. Ismail ve El-Salam [4] yukarı çekişli bir reaktörde biyokütlenin havayla gazlaştırılmasını incelediler ve hem havanın hem de biyokütlenin bir fonksiyonu olan eşdeğerlik oranının sentez gazının bileşimini etkilediğini belirttiler. Eşdeğerlik oranının, gazın CO₂ içeriği ile doğrudan etkileşime girerken, CO ve H₂ konsantrasyonu ile dolaylı bir ilişkiye sahip olduğu sonucuna varmışlardır [3, 4].

1.5 Gazlaştırıcı Türleri

Termokimyasal dönüşümü etkileyen çeşitli biyorafineri reaktörleri vardır; örneğin yukarı çekişli, aşağı çekişli, çapraz çekişli, akışkan yataklı ve sürüklemeli akışlı gazlaştırıcı, üç ana kategoriye ayrılır: (1) hareketli (sabit) yatak ve (2) akışkan yatak ve (3) sürüklemeli akışlı gazlaştırıcı. Burada hareketli yataklı ve akışkan yataklı gazlaştırıcılar tartışılmaktadır.

1.6 Hareketli Yataklı Gazlaştırıcılar

Yukarı çekişli gazlaştırıcılar, hareketli yataklı reaktörlerdeki en basit konfigürasyondur. Geleneksel bir yukarı çekişli gazlaştırıcıda, yakıt üstten beslenirken, sentez gazı üstten çıkar. Gazlaştırıcı madde (hava, O₂, buhar veya bunların karışımı) önceden ısıtılır ve alt kısmındaki bir ızgara aracılığıyla gazlaştırıcıya beslenir.

Aşağı çekişli bir gazlaştırıcıda, biyokütle üstten beslenirken, girilen gazlaştırma maddesi piroliz ürünü ile buluşarak ısı açığa çıkarır. Bundan sonra hem gaz hem de katı ürünler (kömür ve kül) aşağı çekişli gazlaştırıcıda aşağı doğru hareket eder. Burada piroliz gazının bir kısmı gazlaştırma bölgesinin üzerinde yanabilir; alevli piroliz olarak adlandırılan bu olay, piroliz gazının yanması yoluyla endotermik reaksiyonlar için gerekli termal enerjiyi sağlar. Aşağı çekişli bir gazlaştırıcının dezavantajları, gazlaştırma prosesinin ölçeğinin büyütülmesini engelleyen ızgara blokajı, kanal açma ve köprülemedir. Aşağı çekişli gazlaştırıcıdaki hammaddenin nem içeriği, kalitesiz ürünleri ve düşük verimliliği önlemek için %30'u geçmemelidir. Aşağı çekişli bir gazlaştırıcı, düşük katranlı sentez gazı üretmek için faydalıdır ve basit bir çalışma konfigürasyonuna sahiptir. Aşağı çekişli bir gazlaştırıcının sentez gazı, yukarı çekişli bir gazlaştırıcıyla karşılaştırıldığında daha az katranın yanı sıra daha düşük alt ısıl değere sahiptir [5].

1.6.1 Akışkan Yataklı Gazlaştırıcı

Daha önce bahsedilen diğer biyorafineri reaktör türlerinden farklı olarak, akışkan yataklı gazlaştırıcı, bir ısı taşıyıcı ve bir karıştırıcı görevi gören yakıt olmayan granüler katılar (yatak katıları) içerir. Akışkanlaştırma teknikleri bakımından farklılık gösteren iki tip akışkan yatak, dolaşımlı akışkan yatak ve kabarcıklı akışkan yataktır. Kabarcıklı akışkan yatakta, üstten veya yandan beslenen yakıt akışkan yatak boyunca hızlı bir şekilde karıştırılır. Gazlaştırıcı ortam, akışkanlaştırıcı gaz görevi görür ve reaktörün tabanından gönderilir, bu da yakıt parçacıklarının yatak malzemeleriyle daha hızlı karışmasını ve dolayısıyla yakıtın çok daha hızlı ısınmasını sağlar. Kabarcıklı akışkan yataklı gazlaştırıcılarda, sirkülasyonlu tipe göre daha hızlı kuruma ve piroliz işlemleri gerçekleşmektedir. Bu sistemin bir eksikliği, kısmen gazlaşan parçacıkların, gazlaşan katılarla karışması sonucu prosesten çıkabilmesidir. Yanma reaksiyonu akışkan fazda meydana gelir ve bu da verimliliğin düşmesine neden olur [5].

1.7 Tipik Gazlaştırıcı Tasarımı

Gazlaştırma, sanayileşmiş dünyada yaklaşık 200 yıldır kullanılan nispeten eski bir teknolojidir. On dokuzuncu yüzyılda, kömür ve turbadan şehir gazı üretildi ve endüstriyel yakıt olarak ve sokak ile ev aydınlatması için belediyelerce gaz kaynağı olarak kullanıldı. Kuzey Amerika'da üretilen ilk gaz tesisi 1816 yılında Baltimore, Maryland'de açıldı. 1920'lerden bu yana gazlaştırma, kimyasalların (metanol, amonyak vb.) sentetik üretimi için kullanılıyor. Petrol fakiri olmak ancak kömür zengini Almanya, sıvı yakıt üretmek için II. Dünya Savaşı sırasında gazlaştırmayı F-T süreciyle birlikte kullandı. F-T üretimi, Alman savaş yakıtı üretiminin tahmini olarak %9'unu ve otomobil yakıt tedarikinin %25'ini oluşturuyordu. Benzer şekilde, büyük kömür rezervlerine sahip ancak petrolü az olan bir başka ülke olan Güney Afrika'da SASOL, 1952 yılında kömür gazlaştırma ve F-T sürecini kullanarak ticari dizel ve benzin üretimine başladı. Gazlaştırma, buharın katı karbonlu bir yakıt veya ham madde içindeki karbonla genel reaksiyon yoluyla reaksiyona girdiği kısmi bir yanma işlemi olarak düşünülebilir:

Bu reaksiyon yüksek sıcaklıklarda (800–1000 °C, 1472–1832 °F) meydana gelir. Bu endotermik bir süreçtir, yani reaksiyon tarafından ısı tüketilir ve bunu desteklemek için bir ısı kaynağına ihtiyaç vardır. Geleneksel bir gazlaştırıcıda bu ısı, gazlaştırma reaksiyonlarını sürdürmek amacıyla istenen gazlaştırma sıcaklığına ulaşmak için yeterli hava veya saf O₂ sağlanarak üretilir. Bu kısmi oksidasyon sürecidir. Bu yanma, yakıtı/hammaddeyi aşağıdaki genel yanma reaksiyonları yoluyla yakar:

İstenilen gazlaştırma sıcaklığı ile gerekli ısıyı üretmek için tüketilen hammadde miktarı arasında doğal bir denge vardır. Kısmi oksidasyon, hammaddeyi “tüketir” ve bu nedenle serbest H₂ üretimi potansiyelini azaltır [5].

İlginçtir ki, yüksek sıcaklıklarda su-gaz değişimi (WGS) reaksiyonu olarak adlandırılan ve iyi bilinen başka bir kimyasal reaksiyon meydana gelir:

Bu, sonunda sağdaki reaksiyon hızının soldaki reaksiyon hızına eşit olduğu bir denge durumuna ulaşacak olan tersinir bir reaksiyondur. CO, H₂O, CO₂ ve H₂'in denge bileşimi mevcut karbon, O₂ ve H₂ miktarının ve sistem sıcaklığının bir fonksiyonudur. Denklem-5'de gösterilen reaksiyon stokiyometrisine göre, eğer CO₂ seçilerek uzaklaştırılabilirse, reaksiyon sağa kayar ve daha fazla H₂ üretilir. Yanma yoluyla CO₂ üretiminin en aza indirilmesi, H₂ üretiminin en üst seviyeye çıkarılmasına yardımcı olur; bu da arzu edilen gazlaştırma sıcaklığı ile bu sıcaklığı korumak için "feda edilen" hammadde miktarı arasındaki ayrılmaz bir değiş tokuşu oluşturur.

CO, H₂O, CO₂ ve H₂'in gaz halindeki karışımına genellikle sentez gazı (sentetik gaz veya singaz olarak da adlandırılır.) adı verilir. Sentez gazını metan, metanol, asetik asit, benzin, dizel, mum vb.'ne dönüştürmek için çeşitli izleyen teknolojiler kullanılır. Sentez gazı ayrıca bir brülörde veya yakıt hücresinde temiz bir şekilde yakılabilir ve H₂ sentez gazından seçici olarak çıkarmak için bir basınç salınımlı soğurum (PSA) işlemi kullanılarak saflaştırılmış H₂ üretilebilir. 

En yaygın gazlaştırıcı türleri Şekil-1'de gösterilmektedir. Bu gazlaştırıcı türlerinin, tüm reaksiyon bölgelerinin tek kapta oluştuğu tek bir reaksiyon kabı içerdiğini dikkate alalım. Tipik bir aşağı çekişli gazlaştırıcı Şekil-1(a)'da gösterilmektedir. Reaktör hacmi, üst kısımdan beslenen taze besleme stokunun, alt kısımda artık kömüre dönüştürüldüğü bir katı yataktan oluşur. Hammadde yerçekiminin etkisi altında reaktörden aşağı doğru hareket eder. Tablo-1, aşağı çekişli bir gazlaştırıcıda meydana gelen reaksiyon bölgelerini ve her bir bölge için sıcaklık aralığını listelemektedir.

Hammadde parçacıkları kurutuldukça, pirolize edildikçe, kısmen yakıldıkça ve gazlaştırıldıkça (indirgendikçe), parçacıkların boyutu küçülür ve yatak yoğunluğu artar. Gazlaştırıcının tepesindeki besleme stoğuyla az miktarda hava verilir. Ancak havanın çoğunluğu yanma bölgesine yönlendirilir. Yanma sonucu açığa çıkan ısı, ışıma ısı transferi yoluyla pirolizi ve kurutmayı kolaylaştırır. Yanma bölgesinden çıkan kömür, gazlaştırma sıcaklıklarına kadar ısıtılır. Sentez gazı katı yatakla eşzamanlı olarak hareket eder ve indirgeme bölgesinden sonra çekilir.

Kül ve kömür yatak ızgarasından düşerek kabın tabanında toplanır.

Tablo-1'de her bölge için reaksiyon ısısı listelenmiştir. Kurutma, piroliz ve indirgeme reaksiyonları çoğunlukla endotermiktir (ısı emilir), yanma bölgesi ise ekzotermiktir (ısı açığa çıkar). Kurutma sıcaklıklarının, ilginç bir şekilde, suyun normal kaynama noktasını (atmosfer basıncında 100 °C) aştığını belirtmeliyiz. Çünkü suyun hammadde liflerinden dışarı itilmesi, suyun buharlaşma ısısından daha fazla enerji gerektiren bir difüzyon işlemidir.

Yukarı çekişli bir gazlaştırıcı, Şekil-1(b), tüm havanın gazlaştırıcının tabanından verilmesi ve üretilen sentez gazının reaktörün tepesinden çıkması dışında aşağı çekişli bir gazlaştırıcıya benzer. Havanın verildiği yerden dolayı yanma ve indirgeme bölgelerinin göreceli konumlarının değiştiğine dikkat edilmelidir. Gazlaştırıcının alt kısmında, artan gazın ısıtılması ve aynı zamanda daha yüksek reaksiyon bölgeleri için ışıma yoluyla ısı sağlanması amacıyla artık gazlaştırma kömürü yanmaktadır.

Akışkan yataklı bir gazlaştırıcı, Şekil-1(c), ısıyı aktarmak ve kabarcıklı veya tamamen akışkanlaştırılmış bir rejimde karıştırmayı kolaylaştırmak için kum gibi yanmaz bir yatak malzemesi kullanır. Hammadde sıcak kumla temas ederek reaktöre girer. Hava ve gelişen sentez gazı, kumun ve hammaddenin yükselmesine neden olacak kadar yüksek bir hızdadır. Hammadde reaktörden yukarı çıktıkça gazlaştırmanın çeşitli aşamalarından geçer. Üretilen sentez gazını akışkanlaştırma ortamından ayırmak için bir gaz-katı siklonu kullanılır. Kabarcıklı yatakta hızlar, kumun çoğunluğunun reaktörün alt yarısında kalacağı şekilde korunur. Tamamen akışkanlaştırılmış bir yatakta, gaz hızı, kumun neredeyse tamamını siklon tarafından geri kazanıldığı ve reaktörün tabanına geri gönderildiği yere taşıyacak kadar yüksektir.

Dolaylı ısıtma, yakıtın (hammaddenin), çok az tüketilmesi veya hiç tüketilmemesine vesile olarak, çoğunun gazlaştırma reaksiyonları için kullanılmasını sağlar. Bununla birlikte, reaktörlerdeki kumun yönetimi, akışı sürdürmek için enerji tüketimini arttırmasının yanı sıra kum ile reaktör duvarı arasındaki temastan kaynaklanan aşınmadan kaynaklanan bakım endişelerini de beraberinde getirdiğinden sorunlu hale gelebilir.

1.8 Gazlaştırıcı Reaksiyon Kimyası

Hammaddenin gazlaştırılmasına yönelik genel bir reaksiyon ağı Şekil-2'de gösterilmektedir. Islak ham madde, yanma bölgesinden gelen sıcak yükselen gazlar ve/veya ışıma ısısı ile kurutulur. Genellikle hammadde, gazlaştırıcıya besleme olarak kullanılmadan önce ağırlıkça %10-20 nem kalıncaya kadar harici olarak kurutulur. Bu kuruluk seviyesinde bünyede kalan su, hammaddenin liflerinde ve ara boşluklarında tutulur. Sıkıca sarılmış liflerden suyun çıkışında difüzyon hızını arttırmak için enerji gereklidir. Bu, kurumanın neden su için normal kaynama noktasının üzerindeki sıcaklıklarda meydana geldiğini açıklar.

Hammaddenin sıcaklığı 150 ila 180 °C'ye yaklaştıkça, ham madde gazlar, katran ve kömür dahil daha küçük moleküler bileşiklere parçalanmaya başlar. Katranlar buhar halindeki aromatik ve fenolik bileşiklerdir. Odun ve tarımsal artıklar için, selüloz ve hemiselülozdaki glikoz ve pentoz halkaları ve lignindeki fenol grupları bu katranları verir. Nihai kömür çoğunlukla karbondan oluşur ve onu katı yakıt olarak karakterize etmek için analiz edilen sabit karbonu temsil eder (yaklaşık analiz).

Piroliz, Şekil-2'de gösterilen reaksiyon ağının ampirik işleminin ötesinde karakterize edilmesi zor olan karmaşık bir dizi termal parçalama reaksiyonunu içerir. Tablo-2'de sunulan genel gazlaştırma (indirgeme) reaksiyonları daha kolay karakterize edilir. Bu reaksiyonlar üç gruptan oluşur: (1) buhar içeren reaksiyonlar, (2) H₂ içeren reaksiyonlar ve (3) CO₂ içeren reaksiyonlar.

Gazlaştırma reaksiyonlarının aslında endotermik (ΔH_rxn > 0) ve ekzotermik (ΔH_rxn < 0) reaksiyonların bir karışımı olduğuna lütfen dikkat edin. Bununla birlikte, dengede, indirgeme bölgesi net endotermiktir.

Tablo-3, C_nH_m(g)'nin katran türlerini temsil ettiği genel yanma (oksidasyon) reaksiyonlarını listelemektedir. Yanma bölgesinde meydana gelen tüm oksidasyon reaksiyonları ekzotermiktir. Yanma ısısı, yerel gaz ve katıların ısıtılmasıyla ve ayrıca gazlaştırıcının diğer bölümlerine ışıma ısısı transferi yoluyla aktarılır.

1.9 Atıktan Hidrojene: Genel Süreç

Karbonlu maddenin H₂‘e dönüşümünü hedefleyen bir işlem, aşağıdakileri içeren (ancak bunlarla sınırlı olmayan) spesifik özelliklerin bir kombinasyonunu gerektirecektir:

• Hammaddenin çok az oksidasyonu veya hiç oksidasyonun olmaması.

• H₂ üretimini en üst düzeye çıkarmak ve katranın kalıcılığını önlemek için sabit, yüksek reaksiyon sıcaklıkları.

• Su buharının kontrollü varlığı.

Tüm atıktan H₂ dönüşüm projeleri, ayırma, boyutlandırma, depolama ve beslemeyi içeren hammadde hazırlama ile başlamalıdır. Besleme stoğunun sıcak süreçten izole edilmesi ve kontrollü bir akışla sürece beslenmesi gerektiğinden, besleme en zoru olabilir, özellikle de eriyebilen ve besleme sisteminde mekanik sorunlara neden olabilen önemli miktarda plastik içerdiğinde bu zorluklar artacaktır.

Hammadde, çeşitli türdeki pirolizörlerden veya gazlaştırıcılardan birine beslenir: akışkan yataklı veya sabit yataklı tip. Bunlar tipik olarak doğrudan yanma yoluyla veya dolaylı olarak kum veya seramik toplar gibi ara termal ortamlar yoluyla 600-650 °C'ye ısıtılır. Yanma, ürünü de içeren hammaddenin bir kısmını açıkça yakar. Dolaylı ısıtma, bir ara ortamın ısıtılmasıyla ilişkili kısmi ısı kayıplarına sahiptir, bu daha sonra ham maddeyi ısıtır ve ısı kayıplarının yanı sıra önemli ek ekipman gerektirdiğinden yatırım tutarını (Capex) artırır. Sentez gazı pirolizörden çıkar ve termal ortam (ısı seyelanı) ile kömür alttan çıkar ve ayrılır. Termal ortam daha sonra ön ısıtıcıya iletilir ve burada proses ısıtıcısından gelen baca gazı ile çapraz değiştirilir, bu da kömürü ve H₂ ayırıcısından gelen çıkış gazını yakar. Kısmi oksidasyon çözümlerinde zorluk, özellikle belediye katı atıkları gibi karmaşık atık karışımlarını işlerken mümkün olduğunca az yanma yan ürünü üretmektir.

Pirolizörden gelen sentez gazı daha sonra tipik olarak sentez gazının bir kısmının oksijen ilavesiyle yakılmasıyla 1.000-1.100 °C'ye dönüştürülür. 1.100 °C'ye reformasyon reaksiyonları meydana gelirken hafif hidrokarbonların, katranların ve ince kömürün bir kısmını kırar.

Dönüştürülen gaz daha sonra bir söndürme tankı, atık ısı kazanı ve yıkayıcı yoluyla gazı soğutmak için arıtılır. Ve daha sonra amonyak, hidrojen siyanür, hidrojen sülfür, hidroklorik asit, karbonil sülfür gibi gazları çıkarmak için bir amin sistemi veya özel temizleyiciler tarafından işlenir. Bu kirletici maddeler giderildikten sonra, dönüştürülen gaz, CO ve CO₂’i nihai ürün olan H₂’den ayırmak için bir Basınç Salınımlı Soğurucu (PSA) aracılığıyla işlenir. PSA'dan H₂ geri kazanımı yaklaşık %72'dir. H₂‘in geri kalan %28'i ve PSA'dan önce reddedilen veya çıkan gaz daha sonra ya sistem içinde dahili olarak ya da gaz motoru gibi ilave üçüncü taraf işlemleri için yeniden kullanılabilir.

2. Ways2H Prosesinin Tanımlanması

2.1 Genel İlkeler

Yukarıda tartışıldığı gibi Ways2H, geçmişteki süreçlerin ve rekabetçi teknolojilerin dezavantajlarının yanı sıra atıktan H₂‘e dönüşüme uygulanabilecek bazı yenilikçi ticari teknolojileri ayrıntılı şekilde dikkate almıştır. Bu teknolojileri Ways2H sürecinin tasarımına uygularken amaç, süreci basitleştirmek, belirli ekipmanları ortadan kaldırmak, işletme giderlerini azaltmak ve H₂ verimini artırmaktı.

Bazı çözümler, hammaddenin dolaylı ısıtılması için ısı taşıyıcılarını kullanır. Bu çözümün birçok avantajı var gibi görünse de proses içerisinde bir ısı taşıyıcı devresinin uygulanması aynı zamanda bir karmaşıklık kaynağıdır; dolayısıyla maliyet artar. Yukarıdaki ısı taşıyıcıları ve akışkan yatak gibi termal ortamların kullanımının ortadan kaldırılması, aşağıdakilere olan ihtiyaçları da ortadan kaldırır:

1. Ortamı proses ısıtıcısından gelen baca gazıyla çapraz değiştiren bir termal ortam ön ısıtıcısı,
2. NO_x emisyonunun ve boşa harcanan enerjinin kaynağı olan bir proses ısıtıcısı veya yakıcının kendisi,
3. Hammaddeyi taşıyan mekanik bir konveyör,
4. Piroliz sonrasında kömürü ortamdan ayırmak için gerekli olan kömür ayırıcı ve konveyör,
5. Pahalı ve karmaşık vana sistemleri,
6. Özet olarak büyük bir sabit sermaye yatırımı (Capex) ve işletme maliyeti (Opex) söz konusudur.

Yakın zamanda değerlendirilen bir diğer süreç türü de plazma gazlaştırmaydı. Bu proseste, ham maddenin gazlaştırılması için gereken ısı, tipik olarak 4.000 °C aralığındaki sıcaklıklara ulaşan bir plazmanın üretilmesi yoluyla sağlanır. Önemli ölçüde yüksek Capex'e ek olarak, bu çözümler, özellikle reaktörlerin geleneksel vapoliz veya piroliz ile karşılaştırıldığında nispeten yüksek sıcaklıklara maruz kalan iç duvarlarının yanı sıra plazma üretimi için ark üreten elektrotlar açısından yüksek bir bakım gerektirir. Grafitten yapılan bu elektrotlar aslında pahalı sarf malzemeleridir.

Ayrıca elbette piyasada ham maddenin ısı kaynağı olarak kısmi oksidasyonu gibi daha geleneksel çözümler kullanan çeşitli işlemler vardır. Odun veya kömür gibi öngörülebilir, stabil besleme stoku akışları için çok etkili olan bu proseslerin, gazlaştırma/piroliz reaktörlerindeki çok düşük sıcaklıklar nedeniyle çoğunlukla katran oluşumunun neden olduğu mekanik olaylarla boğuştuğu iyi bilinen durumlar vardır.

O zaman zorluk, mekanik olarak basit bir konfigürasyonla ham maddenin H₂ üreten bileşenlerini yakmadan tam gazlaştırmayı sağlamak için yeterli ısıyı sağlamaktır. Bir ara ortamın karmaşıklığı ve maliyeti olmadan tam gazlaştırmayı gerçekleştirmek için, termal parçalama reaksiyonlarının (buharlaşma) meydana gelmesi için alternatif bir enerji kaynağı gereklidir. Çözüm, reformer için yüksek sıcaklıkta bir ısı kaynağının seçimine ve daha sonra bu reformerden gelen sıcak sentez gazının buharlaşma için ısı kaynağı olarak kullanılmasına dayanmaktadır. Yaklaşık 1.400 °C'de bir reformasyon sıcaklığı üreten bir cihaz bu amaçla belirlendi.

Ancak zorluk, dönüştürülmüş gazdan gelen ısıyı kullanmak, katı termal ortamın kullanımından kaçınmak ve yine de dönüştürülmüş gazı buharlaştırma işleminde gazdan ayrı tutmaktı. İki teknoloji değerlendirildi: dolaylı olarak ısıtılan bir döner fırın veya dolaylı olarak ısıtılan helezon konveyör. Döner fırınlar tipik olarak katıları bir kimyasal reaksiyonun veya fiziksel değişimin meydana geldiği noktaya kadar ısıtmak için kullanılır; bu durumda fırının sıcaklık kontrolünü kritik hale getiren kurutma, buharlaştırma ve buharlaşma gerçekleşir. Döner fırın, işlenecek malzemenin sıcaklık ve bekletme süresi gereksinimlerini karşılamak üzere özel olarak boyutlandırılmış, dönen bir silindirden (tambur olarak adlandırılır) ve tamburu (bazen fırın olarak da adlandırılır) çevreleyen ceketten oluşur. Fırın, yerçekiminin hammaddenin dönen silindir boyunca hareket etmesine yardımcı olmasını sağlamak için hafif bir açıyla ayarlanır. Mekanik dönme hareketi aynı zamanda ortaya çıkabilecek nihai hammadde kümelenmelerinin kırılmasına da yardımcı olur. Sorun, mekanik dudak tipli contalarda ve fırın ile döner tambur arasındaki köprüde ortaya çıkar. Bu contaların yapımı ve bakımı mekanik olarak zordur. Ayrıca bu contaların sızdırması veya arızalanması, oldukça yanıcı gazların atmosfere sızmasına neden olmuştur [6].

2.2 Prosesin Ana Özellikleri

Vidalı Vapolizer, dolaylı ısıtmalı vidalı konveyörün değiştirilmiş bir versiyonudur. Birkaç avantajı vardır:

1. Başlangıçta hammadde parçalanır ve Vidalı Vapolizer öncesinde hammadde içeriğine uygun şekilde çeşitli mekanik yöntemlerle ön işleme tabi tutulur. Reaksiyon hızı arttırılarak düzgün gazlaştırma elde etmek için besleme stoku birkaç santimetre boyutuna kadar parçalanır.
2. Hammadde, vidanın kendisinin mekanik hareketi ile iyice karıştırılarak buharlaşma prosesine ilave katkı sağlar.
3. Vidalı Vapolizer'e gazlaştırma maddesi olarak buhar eklenir.
4. Dönen vida aynı zamanda ham maddeye olan ısı transferini de arttırır; ayrıca buhar ve ham madde arasındaki reaksiyon verimliliğini yükseltir, bu da verimli gazlaştırmaya yardımcı olur.
5. Besleme stoku vidanın alt kısmında gazlaştırılır ve sentez gazı üst bölgede katı maddelerden ayrılır.
6. Bir emme üfleyici, daha fazla H₂ üreten gazlı reaksiyonlar için sentez gazını Vapolizer'den gaz karıştırıcısına ve dönüştürücüye çeker. Çoğunlukla inorganik yapıda olan ham maddenin dönüştürülmemiş kısmı, vidanın uç kısmından taban külü olarak çıkar.
7. Reformer 1.400 °C çalışma sıcaklığına sahip refrakter astarlıdır. Böyle yüksek bir sıcaklığa, oksi-yakıt yakıcı (OFB) aracılığıyla yakıt olarak üretilen H₂ bir kısmı kullanılarak ulaşılır.
8. Dönüştürücüden gelen 1.400 °C'de dönüştürülmüş gaz, Vapoliz için gazlaştırma enerjisini çok az Capex veya Opex ile sağlar.
9. 1400 °C'de yeniden biçimlendirilmiş sentez gazı, vidalı konveyör tüpünü çevreleyen bir mahfazanın içinden akar. Geleneksel döner contanın kullanıldığı vida mili dışında conta yoktur.
10. Dönüştürülen gaz ile besleme stoğu/Vapogaz arasındaki sıcaklık farkı, herhangi bir ara ortam çözümünden çok daha fazladır.
11. Isının belirli bir kısmını Vidalı Vapolizer'e bıraktıktan sonra yeniden düzenlenen gaz soğutulur, temizlenir, kurutulur ve daha fazla H₂ üretmek için CO’in uzaklaştırıldığı son dönüşüm aşaması olan su-gaz değiştirme reaksiyonuna tabi tutulur. WGSR’ne girmeden önce, WGSR'de daha iyi dönüşüm ve reaksiyon oranları için gazın, özel çalışma sıcaklığı gereksinimine göre 250 ila 300 °C'ye kadar ısıtılması gerekir.
12. Ayırma aşamaları verimi:

1. 1. HT (Yüksek sıcaklık) dönüştürücüsündeki brülörü beslemek için bir kısmı yönlendirilen H₂ ürünü.
   2. Entegre bir mineralizasyon bileşenine gönderilen CO₂. Bu bileşenin çıktısı, kalıcı olarak tutulan ve örneğin inşaat malzemesi olarak veya beton/çimento üretim süreçlerinde kullanılabilen mineralize karbondur (Şekil-3) [6].

Vapolizer'i besleyen organik besleme stoğu, varsa besleme stoğundaki fazla nemi uzaklaştırmak için ilk olarak proses fazlası buharla önceden ısıtılır. Hammadde daha sonra döner bir gaz kilidi aracılığıyla Vapolizer'e girer; bu, yalnızca ham maddeyi Vapolizer'e ölçülü miktarlarla (hassas) beslemekle kalmaz, aynı zamanda Vapolizer'de üretilen gazları da mühürleyerek bunların ham madde hattına geri akmasını engeller. Hammadde Vapolizer'den geçerken, kontrollü bir sıcaklığa maruz bırakılır; bu, ham maddeyi başlangıç ​​ortam sıcaklığından, ara ortam kullanan gazlaştırıcılardan çok daha yüksek olan 850 °C'lik son sıcaklığa kadar kademeli olarak artırır.

850 °C'lik buharlaşma sıcaklığı, 1400° C'de dönüştürülmüş gaz ısısının doğrudan Vapolizer'in ceket muhafazası içinden aktarılmasıyla elde edilir. Bu, hammadde sıcaklığının 850 °C'ye yükseltilmesi sırasında buharlaşma işleminin gerçekleşmesine neden olacaktır. 

Bu noktada, kalan minimum katı karbon fraksiyonu (kömür) ve mineral fraksiyonu (kül) dışında, hammadde tamamen sentez gazına, esas olarak H₂, CO, CO₂ ile CH₄ gibi temel gazlara ve hidroklorik asit, hidrojen siyanür, amonyak, COS (karbonil sülfit) ve hidrojen sülfür gibi az miktarda kirletici maddelere dönüştürülür. Sentez gazı daha sonra, reformasyon işleminin gerektirdiği stokiyometrik olarak daha fazla buharın eklendiği "Gaz karıştırıcısı/Statik Karıştırıcı"dan geçtikten sonra kalan katranlarla birlikte dönüştürücüye akar. Tek atık ürün, katı kömürün ayrışmasından kaynaklanabilecek minimum miktardaki küldür. Bu kül Vidalı Vapolizer'in tabanından alınacaktır.

Sentez gazı ve kömür, Vapogazları ve Vapolizer'den kalan katranı 1.400°C sıcaklıklara maruz bırakan bir OFB içeren reformere girer. Gerektiğinde reformerde ilave buhar takviyesi yapılır. OFB'de stokiyometrik orandaki O₂, H₂ Depolama/H₂ Ayırıcı ürün akışından %99,999 saf H₂ olan yakıtla karıştırılır.

Bu yakıtın yanması, reformerde 2.000 °C'nin üzerinde bir alev sıcaklığı ve 1.400 °C'nin üzerinde ortam sıcaklıkları sağlar. Bu sıcaklıkta, esas olarak metan ve katranların tümü H₂ ve CO’e parçalanır ve H₂ içeriği geleneksel bir dönüştürücüye göre yaklaşık %10 ila 15 oranında artar. Ayrıca amonyak ve hidrojen siyanür gibi kirletici gazlar nitrojen ve suya dönüştürülerek NO_x emisyonları ortadan kaldırılır.

OFB sıcak gazı (yanma ürünleri), özel olarak tasarlanmış bir ağızlık (nozul) aracılığıyla sonik hıza ulaşarak türbülanslı bir jet oluşturur. Bu türbülanslı jet, katran/metan içeren Vapogazlar ile reaktif sıcak buhar arasındaki karışımı artıran muazzam bir sürüklenme cazibesi yaratır. Yüksek sıcaklık ve hızlı karıştırmanın birleşimi jeti son derece reaktif hale getirir. Bu nedenle OFB işlemi, tipik bir reformerde geleneksel oksijen enjeksiyon çözeltilerinin kullanılmasına kıyasla daha iyi sentez gazı üretimi (CO ve H₂ olarak tanımlanır.) verimleri sağlayabilir.

OFB nozulünün doğrudan neden olduğu mevcut karıştırma etkisine ek olarak, Ways2H, aerodinamik prensiplerin yenilikçi kullanımı yoluyla gaz akışı reaktivitesini daha da artıran ve enjekte edilen ve reformera girmeden önce Vapogaz akışıyla birleşen buharın daha iyi bir şekilde karıştırılmasını sağlayan tescilli ve özel bir statik karıştırma bileşeni geliştirmiş ve entegre etmiştir. 

Birleşik dönüştürülmüş gaz ve OFB yanma gazları, dönüştürücüden çıkar ve sıcaklık kontrol valfleri aracılığıyla vapoliz ceketlerinin çeşitli bölümlerine girer. Her bir valf, vapolizin her aşaması için istenen sıcaklığa göre her bir ceket bölümüne 1.400 °C'de dönüştürülmüş gazın akışını kontrol eder. Vapoliz ısıtma ceketlerine giren akış üzerinde, ekstra sıcak dönüştürülmüş gazın ısıtma ceketini atlamasına ve WHRB yönlendirilmesine olanak tanıyan bir kontrol vardır.

Vapoliz ceketlerinden çıktıktan sonra, dönüştürülen gaz ısı geri kazanımı, temizleme ve ayırma aşamasına girer. Vapolizerin ceketinden gelen dönüştürülmüş gaz yaklaşık 1.000 °C'dedir ve Vapolizer, Gaz Karıştırıcı/Statik Karıştırıcı ve yeniden oluşturucuya besleme ve enjeksiyonun ön ısıtılması için proses buharı üreten WHRB’a girer. Dönüştürülmüş gaz daha sonra dönüştürülmüş gazı soğutan bir söndürme tankına girer. Dönüştürülen gaz bunun ardından ikili temizleyiciye girerek gazı daha da soğutur ve kirletici maddelerin uzaklaştırılması işlemi de tamamlanır. Asidik gazların temizlenmesinden sonra, ince bir partikül filtresi (<0,5 mikron) halen mevcut olan tüm partiküllerin giderilmesine yardımcı olur ve bu aşamada gazlar artık asit ve partiküllerden arınmış olacaktır. Bir kompresör, dönüştürülen gaz basıncını artırır ve elektrikli ısıtıcı, WGSR’i beslemek için gereken sıcaklığı artırır.

WGSR, eklenen buhar yardımıyla CO, CO₂ ve H₂ dönüştürmek için kullanılır. Bu adım H₂ üretimini arttırmak için çok faydalıdır.

Gaz daha sonra bir CO₂ ayırıcıya girer ve burada CO₂‘in neredeyse tamamı ayrılır; ve bu CO₂ daha sonra Karbon Yakalama ve Mineralizasyon (CCM) sistemine beslenir. Bu sistem, CO₂‘i çeşitli doğal kaynaklardan ve diğer endüstriyel proseslerden elde edilen yan ürün kaynaklarından Ca+, Mg+, CaO, Ca(OH)₂, MgO, Mg(OH)₂ ile mineralize ederek kalsiyum, sodyum veya magnezyum karbonatlar oluşturur. CCM teknolojisinin geleneksel Karbon Yakalama Depolama (CCS) teknolojisine göre avantajları, CO₂'nin kararlı, depolanabilir ve kullanılabilir bir karbonat bileşiğine dönüştürülmesidir. Nihai olarak, hammaddeden ve ayrıca brülörlerden/gaz motorundan prosese giren tüm karbon, CO₂'e dönüşüp tutulacak ve en sonunda karbonat olarak mineralleşerek tüm prosesi tam bir karbon yutağı haline getirecektir.

Bu aşamada gaz, artık CO₂ içermez ve büyük ölçüde hidrojen H₂, CO, nitrojen (N₂) ve eser miktarda Hidrojen Sülfitler (H₂S) vb. diğer kükürt bileşiklerini içerir. Bu gaz karışımının tamamı, daha fazla kükürt giderimi ve 50 ppb'nin altında konsantrasyon gerektiren H₂ Ayırıcı yoluyla işlenecek şekilde ayarlanmıştır. Kükürt mevcudiyeti sınırına ulaşmak için, Kükürt Ayırıcı tarafından işlenmeden önce kükürtlerin giderilmesi için bir kükürt giderme sistemi kullanılır.

Sıcak şekillendirilmiş gaz ısı kaynağı, Vidalı Vapolizer'in sıcaklığını 850°C'ye çıkarmak ve bu seviyeleri korumak için yeterli değilse, OFB nozulü, 1.400 °C'de dönüştürülmüş gaz üretmek için %99,99 H₂ kullanır; bu da Vidalı Vapolizer'de ham maddenin gazlaştırılması için enerji sağlar ve yardımcı yakıcı (gerekiyorsa), prosesten çıkan çıkış gazlarını veya atık gazları kullanır.

Halen esas olarak CO, H₂ ve N₂ içeren H₂ Ayırıcı sisteminden çıkan bir egzoz vardır. Bu egzoz akışı gerekirse Vidalı Vapolizer için yardımcı brülör tarafından kullanılabilir ve gerekmediği takdirde, bu akış Gaz motoru veya SOFC (Katı oksitli yakıt hücresi) vasıtasıyla elektrik üretmek üzere kullanılabilir ve yukarıda belirtildiği üzere gibi elektrik üretim sisteminin egzozu da içerdiği CO₂’in mineralizasyonu için tekrar CCM sistemine yönlendirilir [6].

2.3 Ways2H Proses Ekipmanı

Yukarıdaki süreci başarmak için Ways2H, tasarım sınırları dahilinde çalıştırılan, ticari olarak kanıtlanmış bir dizi süreç veya bileşenden yararlanır.

Vapolizin ilk aşaması, ısıtmalı şaftsız vidalı bir konveyör olan Vapolizer'de gerçekleşir.

Bir besleme stoku girişi, Reformer'a bir Vapogaz çıkışı, besleme stokunun inorganik kül kısmı için bir alt çıkış, konveyörü çevreleyen bir ısıtma ceketi ve bir harici motora sahip tipik Vapolizer’dir.

Vapolizer'den gelen sıcak gaz daha sonra Reformer'a girer ve burada doğrudan alevle 1.400 °C'ye ısıtılır. Reformer'dan çıkan 1.400°C'lik gaz daha sonra Vapolizer ceketinden geçerek ham maddeyi dolaylı olarak 850 °C'ye ısıtır ve ham maddenin esas olarak H₂, CO₂, CO ve CH₄’dan oluşan temel gazlara buharlaştırılmasını sağlar. 850 °C’deki Vapogaz sıcaklığı, dönüştürücüden cekete doğru gaz akışıyla kontrol edilir. Ways2H’ın 850 °C’deki Vapogazı sektördeki tipik 600 °C piroliz gazından çok daha sıcaktır; ve katran ve kömürün daha eksiksiz gazlaştırılmasını sağlar. (Şekil 4).

Burada gösterilen konveyör vidasının ana işlevi, düzgün karıştırma, kümelenmeleri kırarak ufalama ve konveyör tüpünden hammaddeye daha iyi ısı transferi sağlamak için organik besleme stoğunu konveyör tüpü boyunca hareket ettirmektir. Bu uygulamalarda imalat malzemeleri, Nitronic 60 veya Inconel 625 tipi alaşımlarla 1000 °C'nin üzerindeki sıcaklıklara dayanacak şekilde tasarlanmıştır. Bunun gibi konveyörler, piroliz ve kalsinasyon endüstrileri de dahil olmak üzere birçok benzer uygulama bünyesinde kullanılmaktadır.

Daha sonraki işlemlerden önce, yüksek sıcaklıktaki Vapogaz, 1 mikron boyutunun üzerindeki parçacıkları uzaklaştırmak amacıyla Partikül Filtresi’nden geçirilir. Partikül Filtresi, çeşitli tedarikçiler tarafından sağlanan metalik ağ tipi bir filtredir. Vapolizin ikinci aşaması, Vapogazın ve ilave buharın statik karıştırıcılar yoluyla enjekte edildiği bir Gaz Reaktöründe gerçekleşir. Gaz Reaktörü, belirli gaz reaksiyonlarının meydana gelmesi için yeterli kalma süresine izin verecek şekilde boyutlandırılmıştır.

Vapolizin üçüncü ve son aşaması Reformer'da gerçekleşir.

Reformer hemen hemen tüm petrol endüstrilerinde kullanılan bir işlemdir. Gaz dönüştürücüler, hedeflenen ürünün en yüksek konsantrasyonunu elde etmek için ham gazı şu veya bu şekilde işler. Buhar dönüştürücüler, ham madde olarak CH₄ (doğal gaz) kullanıldığı H₂ üretimi için mevcut ana yoldur. Bu yönüyle de bilinen, yaygın olarak kullanılan bir teknolojidir.

Ways2H Vapoliz işleminin üçüncü ve son aşamasında, Vapolizer'den gelen Vapogaz, belirli gaz reaksiyonlarının oluşmasını sağlamak için Yüksek Sıcaklık Reformer'ına geçer. Ways2H Reformer’ı, Vapolizer ceketine giren 1.400 °C'lik egzoz gazını elde etmek için, nihai olarak üretilen H₂‘in küçük bir kısmını oksijenle yakan, böylece çok daha yüksek sıcaklıklara ulaşan ve CH₄’ın hidrojene parçalanmasını sağlayan ticari boyutlu bir oksi-yakıt yakıcı kullanır.

Yüksek sıcaklıktaki alev Vapogaz'ı 1.400 °C'nin üzerine ısıtır; bu adımdan itibaren buna Sıcak Reform Gazı adı verilir. Sıcak Reform Gazı daha sonra Vapolizer'in ceketinden geçerek termal enerji kullanımında optimum verimlilik sağlar.

Proses artık Vapoliz aşamalarını tamamlamış olup Reform Gazı arıtma ve ayırma işlemlerine başlamaktadır. İlk aşama, gazın soğutulması ve çeşitli gaz reaksiyonları için buhar üretilmesidir.

Sıcak Reform Gazı Vapolizer ceketinden geçtikten sonra sıcaklığı 1.000 °C civarındadır. Daha sonra geleneksel bir WHRB’a girer. Kazan, Vapolizer, Reformer ve WGSR’a enjekte edilecek buharı üretir. Buhar aslında bu kaplarda meydana gelen reaksiyonlar için ilave bir H₂ kaynağıdır. Ayrıca sonraki işlemler için gaz soğutulur.

WHRB konsepti zaten bilinen ve kanıtlanmış bir teknolojidir. Dünya çapında birçok WHRB tasarımcısı/üreticisi/tedarikçisi bulunmaktadır.

Soğutulan gaz daha sonra standart bir İkili Yıkayıcı’ya geçer ve bu, ham maddeye eser bileşenler olarak eklenen HCl, NH₃ (amonyak), HCN ve COS gibi düşük seviyelerdeki kirletici maddeleri giderir. Gazın aşağı akışlı sistemlerde etkili bir şekilde ayrılmasını sağlamak ve akış aşağı sistemlerdeki ortamı veya membranları kirletmemek veya zehirlememek için bu eser elementlerin çıkarılması gerekir. Gaz Yıkayıcılar yaygın olarak bulunan sistemlerdir ve proses gazımızdaki kirleticilerin konsantrasyonuna bağlı olarak ihtiyacımıza göre seçilecektir.

Vidalı Vapolizer'den Gaz Yıkayıcı'lara kadar tüm sistem hafif vakum altında çalıştırılmaktadır. Gaz Yıkayıcı’nın ucundaki bir ID (cebri çekiş) fanı/emme fanı, ID fanı/emme fanı çıkışına kadar gaz akışını ve basıncını korumaktan sorumludur.

ID Fanı/Emme fanları, pervane bazlı motor tahrikli fanlardır ve hız, çeşitli proseslerdeki çeşitli diferansiyel basınç noktaları tarafından kontrol edilir. Ways2H proses gazına ve çalışma gereksinimlerine göre iyi tasarlanmış bu tip ID fanlar yaygın olarak mevcuttur.

Arıtılan gaz daha sonra tipik bir çift etkili pistonlu kompresörle basınçlandırılır ve WGSR’a girmeden önce ısı eşanjöründe ısıtılır. WGSR'nin verimli çalışması için belirli bir basınç ve sıcaklık gerekir.

WGSR, NH₃, hidrokarbonlar, metanol ve H₂ üretimi için yaygın olarak kullanılan endüstriyel bir reaksiyondur. H₂ üretiminde, CO‘i CO₂’e ve ilave H₂‘e dönüştürmek için CO, belirli bir katalizör ortamında buharla karıştırılır. Katalizörü zehirleyebilecek kirletici maddeler giderildikten sonra, hala önemli miktarda CO konsantrasyonuna sahip olan Ways2H prosesi bünyesindeki Reform Gazı, minimum enerji tüketimiyle ehemmiyetli miktarda daha fazla hidrojen üretmek üzere işlenir.

Reform Gazı WGSR'den geçtikten sonra çoğunlukla CO₂, H₂, hammaddeden gelen N₂ ve eser miktardaki kükürt bazlı kirleticilerden oluşur. Gazın H₂‘e saflaştırılmasındaki bir sonraki adım CO₂’in ayrılmasıdır.

Basınç Salınımlı Soğurum (PSA) veya Vakumlu Basınç Salınımlı Soğurum (VPSA) veya ticari olarak kanıtlanmış ve mevcut diğer membran ve soğurum teknolojileri, bazı gaz türlerini, türün moleküler özelliklerine ve soğurucu malzemeye olan ilgisine göre basınç/vakum/normal basınç altındaki gaz karışımından ayırmak için kullanılan bir tekniğin iyi bilinen iki çeşididir. Ortam sıcaklığına yakın sıcaklıkta çalışır ve gazları ayırmak için yaygın olarak kullanılan başka bir işlem olan dondurucu (kriyojenik) damıtmadan önemli ölçüde farklıdır.

Ways2H, CO₂‘in uzaklaştırılması veya ayrılması için en yüksek verimlilik için kanıtlanmış CO₂ ayırıcı teknolojilerini kullanır. Ayrılan CO₂ daha sonra daha sonra bahsedilecek olan CCUS sistemine akar.

CO₂ ayırıcısından gelen tutucu gaz öncelikle H₂, hammaddeden gelen N₂ ve az miktarda CO₂ ve CO‘tir. Yakıt hücresi sınıfı H₂‘in nihai ayrılmasından önce, H₂’deki ayırma membranları içindeki paladyumun zehirlenmesini önlemek için yıkayıcıda giderilmeyen kükürt bileşiklerinin çıkarılması gerekir.

H₂‘in, arıtılmış gazdan ayrılmadan önce, WGSR'den öncesi kullanılan şartlandırma işlemine benzer şekilde, ikinci bir çift etkili pistonlu kompresör ve ısı eşanjörü kullanılarak basınçlandırılması ve ısıtılması gerekir.

Yakıt hücresi kalitesinde H₂ üretimindeki son adım, WGSR ve CO₂ ayırıcılarından kalan ham madde ve az miktardaki CO₂ ve CO‘ten kaynaklanan N₂‘i uzaklaştırmaktır. Yakıt hücresi sınıfı H₂‘i elde etmek için arıtılmış besleme gazları ticari bir paladyum membrandan geçirilir.

Ways2H sürecinin son ana ürünü, CO₂ Ayırıcısı’ndan ayrılan CO₂ ‘in Karbon Yakalama Kullanımı ve Depolamasıdır (CCUS). CO₂ daha sonra karbonun karbonat/katı forma ayrılması için mineralizasyon prosesine gönderilir.

Sonuç olarak, Ways2H, benzersiz bir sıcaklık ve sıralı profilde çalışan geleneksel, endüstriyel olarak kanıtlanmış ve ticari olarak temin edilebilen ekipmanı kullanarak, günde bir kuru ton organik atığın, günde yaklaşık 150 kg'lık yakıt hücresi kalitesinde H₂ olarak net çıktıya dönüştürülmesini başarır. [6].

3. Ekonomi

Hammadde girdisi esas alınarak hesaplandığında H₂ üretim verimi açısından özellikle umut verici performansları gösteren prosesin teknik yönleri yukarıda özetlenmiştir.

Çözümün ekonomik olarak konuşlandırılıp işletilememesi durumunda teknik performans pek fazla fayda sağlamaz. Bu meyanda, çözümün ekonomik fizibilitesini tahmin etmek için iki ana göstergeye odaklanmayı seçtik; bunlardan biri, projenin İç Kârlılık Oranı (Internal Rate of Return “IRR”) olarak ifade edilen genel ekonomik performanstır. Diğer performans göstergesi ise H₂ üretim maliyetidir. Aşağıdaki tahmin, Amerika Birleşik Devletleri kıtasındaki genel bir tesiste inşa edilen ve işletilen bir sistemi temel almaktadır ve temel Capex ve Opex sayıları aşağıda verilmiştir.

3.1 Yatırım/Sabit Sermaye Harcamaları (Capex)

Aşağıdaki Tablo-4, tam kapsamlı devreye alınmış ve anahtar teslimi bir tesisin ana maliyet unsurlarını özetlemektedir. Proje kapsamı (tesis çalışma sahası sınırları), işlenmiş hammadde enjeksiyonu ile başlar ve koşullandırması dahil olmayacak şekilde ürün (H₂ ve yan ürünler) çıkışıyla biter.

3.2 İşletme Harcamaları (Opex)

Çoğu endüstriyel proseste olduğu gibi tesisin çalışması için birden fazla şebeke bağlantısına ihtiyaç vardır. Aşağıdaki Tablo-5 sistem operasyonları için dikkate alınan tüm maliyetleri özetlemektedir. Alternatif bir konfigürasyonda tesisin kendi elektriğini üretmek ve bu şekilde şebekeden bağımsız çalışabilmek için dahili bir sabit yakıt hücresi ile donatılabileceğini belirtmek elzemdir. Opex'in önemli bir kısmının CO₂ mineralizasyon işlemlerinde, özellikle öncül tedarikinde yer aldığını da belirtmekte fayda vardır.

3.3 Genel Ekonomik Performans

Genel ekonomik performans, bir araya gelerek belirli bir iş modeli ve kârlılık hesaplaması sağlayan çeşitli eşzamanlı faktörlere dayanan karmaşık bir hesaplamadır. Her özel proje, kamu hizmetleri fiyatları, hammadde tedarik (negatif*) maliyeti, lojistik maliyetleri gibi yerel koşullar temelinde, ürünler ve yan ürün satış fiyatlarıyla birlikte değerlendirilmelidir.

*Çeviri Notu: ABD ve birçok Avrupa ülkesinde bilhassa atık ve belediye çöplerinin düzenlemelere uygun bir şekilde bertaraf edilmesi için belediyeler ve ilgili firma ve kuruluşlar tarafından atığı alan firmalara ücret (tipping or gateway fees) ödenmektedir.  

3.3.1 Hidrojen Üretim Maliyeti

H₂ bu çözümlerin ana çıktısı ve amacıdır. Her ne kadar bu H₂ muhtemelen kullanım veya nakliye için sıkıştırılacak olsa da mevcut hesaplama, sıkıştırmadan önceki H₂ baz üretimine dayanmaktadır ancak PEMFC uyumlu kalitede (PEM tipi yakıt hücrelerinde yakılabilecek saflıkta) teslim edilmektedir.

Atıktan H₂‘e sistemlerinin (örneğin elektrolitik H₂’in aksine) temel özelliği, gelir akışlarının çeşitliliğinde yatmaktadır. Yönetilmesi daha karmaşık olmakla birlikte, bir parametredeki gelir değişikliklerinin genel operasyonlar üzerinde daha az etkisi olacağından, bunlar aynı zamanda operasyon riskinin azaltılmasına da yardımcı olur. Muhasebeleştirilen diğer gelir akışları önem sırasına göre şöyledir:

• Mineralize CO₂ (bu örnekte kalsiyum karbonat)

• Karbon kredileri

• Atık bertaraf etme/işleme ücretleri (tipping or gateway fees)

Örnek olarak Tablo-6, atık ücretleri ve karbon kredisi değişimlerine dayalı olarak ve 25 yıllık bir işletme dönemi üzerinden hesaplanan H₂ üretim maliyetinin hassasiyet analizini göstermektedir.

ABD kıtasındaki ortalama ağırlıksız atık ücreti 54,17 ABD Doları ($) olarak hesaplanmaktadır. Kolaylık olması açısından bu rakamı 50$'a yuvarladık. Benzer şekilde küresel ölçekte 170'in üzerinde karbon kredisi hesaplama türü ve esası mevcuttur. Dünya Bankası [7] 2021'de 40 ila 80 $ arasında bir aralık belirtiyor. Biz 60 dolarlık bir ortalama fiyat seçtik. Bu kombinasyon, sıkıştırma hariç, kg başına 0,19 $'lık bir hidrojen üretim maliyetiyle sonuçlanır [6].

3.3.2 IRR= İç Kârlılık Oranı

Maliyetler yukarıdaki Opex tablosunda açıklanmıştır. Ayrıca, bir projenin nihai ekonomik modeli ve kârlılığı değerlendirilirken Capex amortismanı, proje finansman maliyetleri ve vergiler gibi diğer maliyetlerin de dikkate alınması gerekir. Aşağıdaki Tablo-7, standart bir proje mali portresine ilişkin özet bir genel bakış sunmaktadır.

Tablonun alt satırında gösterildiği gibi, operasyonlar 20 yıl boyunca %31'lik bir IRR ile sonuçlanmaktadır [6].

4. Sonuç

Özetle, Ways2H tarafından tasarlanan Buhar Uyarımlı Vapoliz işlemi aşağıdakileri yapar:

1. CCUS dahil olmak üzere tamamen entegre bir Atıktan H₂‘e çözümü olmasına rağmen, süreç önemli sayıda pahalı ve karmaşık ekipmanı ortadan kaldırır. Bunun doğrudan etkisi çokludur:
2. Capex’te önemli azalma.
3. Opex'te önemli bir azalma ile beraber ısıl verimliliğinde artış.
4. Piyasada bulunan değiştirilmiş teknolojileri kullanarak daha çok güvenilirlik.
5. Yüksek sıcaklıkta buharlaşma kullanımından ve WGSR ilavesiyle birlikte yeniden biçimlendirmeden elde edilen H₂ genel üretim verimini arttırır, işletme ekonomisini önemli ölçüde iyileştirir.

Çok kesitli bölgelerin spesifik kombinasyonu ile buharlaşma sıcaklığı gradyanı ve genel seviye üzerinde mükemmel kontrol sağlanır.

Satış ve önemli karbon kredileri için karbonatlara mineralizasyon amacıyla konsantre bir CO₂ kaynağı sağlanır.

Benzer uygulamalarda kanıtlanmış teknolojilerin kullanılmasıyla karakterize edilir. Ways2H sürecinde bunların birleşik kullanımı benzersizdir.

Ortalama parametreler altında çalışan genel bir sistem, ticari operasyonlar için sahada konuşlandırıldığında, (ABD ölçeği ve koşullarında) kg başına 0,19 US$ maliyetle ve %31'lik genel İç Kârlılık Oranı ile H₂ üretecektir (Şekil-5 ve -6).

Referanslar

[1] Basu P. Biomass Gasification and Pyrolysis – Practical Design. Academic Press; 2010. pp. 1-5

[2] Bundschuh J. Technologies for Converting Biomass to Useful Energy. Vol. 4. Toowoomba, Australia: University of Southern Queensland (USQ); 2013. p. 10

[3] Sharma S, Sheth PN. Air–steam biomass gasification: Experiments, modeling and simulation. Energy Conversion and Management. 2016;110: 307-318

[4] Ismail TM, El-Salam MA. Parametric studies on biomass gasification process on updraft gasifier high temperature air gasification. Applied Thermal Engineering. 2017;112:1460-1473

[5] Mazaheri N. Modeling the Gasification Process of Wood-Char Biomass. Ste-Anne-de-Bellevue, QC, Canada: Department of Bioresource Engineering, McGill University; 2018. pp. 7-10

[6] Ways2H [Internet]. Available from: http://www.ways2h.com [Accessed: January 11, 2024] [7] World Bank. State and Trends of Carbon Pricing 2021. Washington, DC: World Bank; 2021. Available from: http://hdl.handle.net/10986/35620

Dijital Dönüşüm, günümüz iş dünyasında organizasyonların rekabet avantajı elde etmelerini ve sürdürülebilir bir büyüme sağlamalarını hedefleyen kapsamlı bir strateji olarak öne çıkmaktadır. Geleneksel iş modellerinin yerini hızla dijital süreçlerin aldığı bu dönemde, işletmelerin rekabet gücünü artırmak ve müşteri deneyimini iyileştirmek için dijital teknolojileri etkin bir şekilde kullanmaları kaçınılmaz hale gelmiştir. Dijital Dönüşüm, iş süreçlerini daha verimli hale getirmenin yanı sıra, müşteri taleplerine daha hızlı yanıt verebilmek, inovasyonu teşvik etmek ve operasyonel esnekliği artırmak amacıyla işletmelerin bütün alanlarını kucaklayan bir dönüşüm sürecidir.

Bu kapsamlı dönüşüm süreci, organizasyonların geleneksel yapılarını ve iş modellerini gözden geçirmelerini gerektirir. İş süreçlerinin dijitalleşmesi, veri analitiği, yapay zeka, bulut bilişim ve nesnelerin interneti gibi teknolojik yenilikleri içerir. Bu sayede, işletmeler müşteri beklentilerini anlayabilir, veri odaklı kararlar alabilir ve hızla değişen pazar koşullarına uyum sağlayabilirler. Ancak, başarılı bir dijital dönüşüm süreci için sadece teknolojik altyapının güçlendirilmesi yeterli değildir. Aynı zamanda, çalışanların dijital becerilerini geliştirmek, organizasyon kültürünü değiştirmek ve sürekli inovasyonu teşvik etmek de önemlidir. Bu nedenle, Dijital Dönüşüm sadece bir teknoloji geçişi değil, aynı zamanda bir organizasyonel dönüşümü de ifade eder.

Uygulamalı dijital dönüşüm/gelişim proje yönetimi, organizasyonun mevcut durumundan dijitalleşmiş ve daha etkili bir duruma geçiş sürecini yönetmeyi içerir. Bu süreci başarılı bir şekilde yönetebilmek için izlenecek temel adımlar aşağıda sıralanmıştır:

1. Belirleme ve Planlama:
   1. Vizyon ve Hedeflerin Belirlenmesi: Dijital dönüşüm projenizin neden gerekli olduğunu ve neleri başarmayı amaçladığınızı belirleyin.
   2. Proje Kapsamının Tanımlanması: Hangi alanlarda dijital dönüşüm yapılacağını belirleyin ve projenin sınırlarını çizin.
   3. Ekip ve Kaynak Planlaması: Proje için gerekli ekipleri oluşturun, yetkinlikleri belirleyin ve kaynakları planlayın.
2. Risk Analizi ve Yönetimi:
   1. Risk Analizi: Projenizle ilgili olası riskleri belirleyin.
   2. Risk Yönetimi Planı: Her risk için bir plan oluşturun ve bu risklere karşı alınacak önlemleri belirleyin.
3. Dijital Strateji Oluşturma:
   1. Dijital Strateji Geliştirme: Mevcut durumu değerlendirin ve dijital dönüşümünüzü destekleyecek bir strateji oluşturun.
   2. Teknoloji Seçimi: Gerekli teknolojik altyapı ve araçları belirleyin.
4. Eğitim ve İletişim:
   1. Personel Eğitimi: İş gücünü dijital dönüşüme hazırlamak için eğitim programları düzenleyin.
   2. İletişim Planı: İlgili taraflar arasında etkili iletişim sağlamak için bir iletişim planı oluşturun.
5. Pilot Proje Uygulama:
   1. Küçük Çaplı Deneme (Pilot Proje): Dijital dönüşümü küçük bir ölçekte uygulayarak, sistemi test edin ve başarıyı ölçün.
   2. Geri Bildirim Toplama: Pilot projeden elde edilen geri bildirimleri değerlendirin ve gerekirse stratejide ayarlamalar yapın.
6. Ana Proje Uygulama:
   1. Aşamalı Uygulama: Dijital dönüşümü aşamalı olarak uygulayın, bu süreçte sürekli geri bildirim alın.
   2. Proje İlerlemesini İzleme: Proje ilerlemesini düzenli olarak izleyin ve düzenli raporlarla ilgili tarafları bilgilendirin.
7. Performans Değerlendirmesi ve Sürekli İyileştirme:
   1. Performans Ölçümü: Dijital dönüşümün başarısını ölçmek için belirlenen performans ölçütlerini kullanın.
   2. Sürekli İyileştirme: Elde edilen verilerle sürekli iyileştirme stratejileri geliştirin ve uygulayın.
8. Sonlandırma ve Devam Etme:
   1. Projenin Sonlandırılması: Proje tamamlandığında, başarıları ve öğrenilen dersleri değerlendirin.
   2. Devam Eden Destek ve Bakım: Yeni dijital altyapının bakımını sağlayın ve ihtiyaçlar doğrultusunda güncelleştirmeleri yapın.

Dijital Dönüşüm, iş dünyasında köklü değişimlere öncülük ederek organizasyonları daha rekabetçi ve yenilikçi hale getirmeyi amaçlayan bir evrim sürecidir. Bu süreç, işletmelerin geleneksel iş modellerini terk edip dijital teknolojileri etkin bir şekilde benimsemelerini gerektirir. Başarılı bir Dijital Dönüşüm, sadece teknolojik altyapının güçlendirilmesini değil, aynı zamanda çalışanların dijital becerilerini artırarak, sürekli öğrenmeyi teşvik ederek ve inovasyonu destekleyerek organizasyon kültürünü dönüştürmeyi içerir. Bu evrim, müşteri memnuniyetini artırmanın yanı sıra, operasyonel süreçleri daha verimli hale getirme ve gelecekteki zorluklara daha etkin bir şekilde yanıt verebilme kapasitesini artırma potansiyeli taşır. Dolayısıyla, Dijital Dönüşüm, sadece günümüz iş dünyasının vazgeçilmez bir gerekliliği olmakla kalmayıp, aynı zamanda organizasyonların geleceğe yönelik hazırlıklarını şekillendiren bir stratejik yaklaşımı temsil etmektedir.

Günümüzde işletmeler, rekabet avantajını sürdürmek ve sürdürülebilir başarı elde etmek adına dijital dönüşüme odaklanmaktadır. Dijital dönüşüm, iş süreçlerindeki manuel işlemleri otomatize ederek operasyonel verimliliği artırır. İşletmeler, süreçlerini daha hızlı ve hatasız bir şekilde yönetebilir, bu da üretkenliği artırır ve rekabet avantajı sağlar.

Dijital teknolojilerin etkili bir şekilde kullanılması, işletmelere maliyet avantajı sağlar. Örneğin, bulut tabanlı çözümlerle altyapı maliyetleri düşer ve enerji verimliliği sağlanabilir. Bu da işletmelerin daha sürdürülebilir ve ekonomik bir şekilde faaliyet göstermelerine yardımcı olur.

Dijital dönüşüm, müşteri ile etkileşimi geliştirmek ve müşteri memnuniyetini artırmak için önemli bir araçtır. Kişiselleştirilmiş hizmetler, online satış kanalları ve hızlı müşteri geri bildirimleri sayesinde müşteri deneyimi iyileştirilir.

Dijital dönüşüm sürecinde karşılaşılan zorluklar, başarı için birer fırsat olarak görülmelidir. E Plato Teknoloji olarak, işletmelere bu zorlukların üstesinden gelmelerine yardımcı olacak stratejiler sunuyoruz. Ekip eğitimi, uyum sağlama süreçleri ve teknoloji entegrasyonunda uzmanlıkla destek sağlıyoruz.

Dijital dönüşümü başlatmak için doğru adımları atmaya başlarken, stratejik bir planlama önemlidir. İş süreçlerinin analizi, mevcut teknoloji altyapısının değerlendirilmesi ve uygun teknoloji seçimleri, başarılı bir dijital dönüşüm için kritik unsurlardır.

E Plato Teknolojileri olarak, işletmelerin dijital dönüşüm yolculuğunda yanlarında duruyor; dijital dönüşüm stratejileri konusunda rehberlik ederken, iş süreçlerini optimize etme ve uygun teknoloji seçimi konularında da destek sağlıyoruz.

Dijital dönüşüm, günümüz iş dünyasında hızla değişen rekabet koşulları ve teknolojik ilerlemelerle başa çıkabilmek adına bir zorunluluk haline gelmiştir. Organizasyonların geleneksel iş modellerini modern teknoloji ve süreçlerle entegre ederek daha verimli, esnek ve müşteri odaklı hale gelmelerini amaçlayan dijital dönüşüm projeleri, iş dünyasında yeni bir paradigmaya doğru evrilmektedir. Başarılı bir dijital dönüşüm projesinin anahtarı, sadece teknolojik yeniliklere odaklanmakla kalmayıp aynı zamanda organizasyonun kültüründen, liderlik anlayışına ve çalışanların adaptasyon yeteneklerine kadar geniş bir perspektifi kapsamaktadır.

Üst düzey yönetimden temel çalışanlara kadar tüm paydaşların bu dönüşüme tam destek sağlaması, net bir vizyon ve somut hedeflerin belirlenmesi, teknolojik altyapının güçlendirilmesi, çalışanların eğitimi, müşteri odaklılık, sürekli iyileştirme ve risk yönetimi gibi faktörler, bir dijital dönüşüm projesinin başarılı olabilmesi için kritik öneme sahiptir. Bu unsurların birleşimi, organizasyonların dinamik iş dünyasına ayak uydurabilmeleri ve sürdürülebilir bir rekabet avantajı elde edebilmeleri adına önemli bir rehberlik sağlamaktadır.

Başarılı bir dijital dönüşüm projesi için önemli anahtar faktörler aşağıda sıralanmıştır:

1. Üst Yönetim Desteği: Dijital dönüşüm projelerinin başarısı için üst düzey yönetimin tam destek sağlaması kritiktir. Proje vizyonunu anlamaları ve projenin önemini kavramaları gerekir.
2. Net Vizyon ve Hedefler: Projenin net bir vizyona ve somut hedeflere dayanması önemlidir. Projenin neden yapılacağı, ne hedeflendiği ve nasıl başarılacağı açık olmalıdır.
3. Çalışan Katılımı ve Eğitimi: Çalışanların dijital dönüşüme katılımı ve bu süreçte eğitilmesi gerekmektedir. Çalışanların yeni teknolojileri ve süreçleri benimsemeleri için desteklenmeleri gerekir.
4. Teknolojik Altyapı ve Entegrasyon: Başarılı bir dijital dönüşüm, güçlü bir teknolojik altyapı ve sistem entegrasyonu gerektirir. Yeni teknolojilerin mevcut sistemlere entegre edilebilir olması önemlidir.
5. Veri Güvenliği ve Uyumluluk: Dijital dönüşüm projeleri sırasında veri güvenliği ve uyumluluk gereklerine uygunluk büyük bir öneme sahiptir.
6. Esneklik ve Adaptasyon Yeteneği: Teknolojik değişimlere hızlı bir şekilde adapte olabilme yeteneği, dijital dönüşüm sürecinin başarılı olması için gereklidir.
7. Müşteri Odaklılık: Dijital dönüşüm projeleri müşteri deneyimini artırmayı hedeflemelidir. Müşteri geri bildirimleri ve ihtiyaçları proje planlamasında mutlaka dikkate alınmalıdır.
8. Sürekli İyileştirme ve İnovasyon: Dijital dönüşüm bir süreçtir; sürekli iyileştirme ve inovasyonu içermelidir. Değişen teknolojilere ve iş ihtiyaçlarına hızlı bir şekilde adapte olabilmek önemlidir.
9. Risk Yönetimi: Proje süresince ortaya çıkabilecek risklerin belirlenmesi, değerlendirilmesi ve etkili bir şekilde yönetilmesi gerekmektedir.
10. Ölçüm ve Analitik Yetenekler: Dijital dönüşümün başarısını ölçmek için uygun metriklerin belirlenmesi ve sürekli olarak performansın analiz edilmesi başarının en önemli kriterlerindendir.

Dijitalleşme, geleneksel iş süreçlerini, hizmetlerini ve ürünlerini dijital teknolojilerle dönüştürme sürecidir. Dijital Dönüşüm ise, işletmelerin daha hızlı, verimli ve rekabetçi olmalarını sağlayacak insan-teknoloji-süreç yapılanmalarını yeni bir bakışla (yeni iş modeliyle) hayata geçirme sanatıdır. Bu dönüşüm, işletmelerin fiziksel ortamdan dijital bir platforma geçişini içerir ve genellikle veri analitiği, yapay zeka, bulut bilişim ve diğer dijital teknolojilerin kullanılmasını gerektirir.

Firmalar, Müşteri Deneyimini artırarak, Organizasyon Yapısını dayanıklı hale getirerek, Operasyonel Süreçleri sürekli iyileştirerek ve Teknolojik Altyapıları geliştirerek yeni iş modellerine uyum sağlamak zorundadır. Ancak bu şekilde hayatta kalmayı sürdürebilirler. Önümüzdeki 5 sene içinde global dünya firmaları (Almanya, Japonya, ABD, Kore, Singapur vve Çin başta olmak üzere) Dijital Dönüşüm gereklerine uyum sağlamayı hedeflemişlerdir. Ne yazık ki ülkemiz dijital dönüşüm konusunda yeterli adımları atabilmiş değildir. Ülkemizdeki firmaların Dijital Olgunluk Değerlendirme çalışmalarında aldığı not 5 üzerinden ortalama 3,5 düzeyindedir. Bu durumu daha iyi hale getirmek için;

1. Müşterilerine daha iyi hizmet sunmaya, daha iyi müşteri deneyimi ve sadakati sağlamaya önem vererek müşteri memnuniyetini artırmalı,
2. Rakiplerine göre dijitalleşmiş iş süreçleri ile daha hızlı ve etkili çalışma ortamlarını oluşturarak rekabet avantajı sağlamalı,
3. Dijital teknolojiler yardımıyla otonom süreçlerle insan hatalarını azaltarak ve maliyet tasarrufu sağlayarak verimliliği artırmalı ve
4. Büyük veri analitiği ile işletmelerin stratejik kararlar almasını kolaylaştıracak değerli bilgiler oluşturmalıdır.

Dijital Dönüşüm için ön şart çalışanlarımızın düşünce yapılarını değiştirmekten geçer. Yani insanlarımızın kabul etmediği ya da sahiplenmediği değişimler süreklilik kazanmaz. Yönetim gurusu olarak bilinen Peter F. Drucker bu durumu şu sözlerle ifade etmiştir: “Kültür, stratejiyi kahvaltıda yer!”.

Dijital Dönüşümün amacı, firmanın, Endüstri 4.0 kapsamında, stratejik/yönetimsel, organizasyonel ve operasyonel çalışma koşullarının güncel fotoğrafını çekerek Mevcut Durum Analizini (Kurumsal Dijital Karne) yapmak, elde edilecek bulgular, öneriler ve çözümlerle hedeflenen menzile ulaşmak için öncelikli projelerin hayata geçirilmesini sağlamak ve bu yenilikçi anlayışı sürekli kılmaktır.

Günümüzde, global ölçekte, yapılan Dijital Dönüşüm projelerinin 2/3’ü başarısız olmaktadır. Bunun nedenleri; firma içinde dağınık fikirlerin oluşması, süreçlerle ilgili gerçek ihtiyaçların bilinmemesi, dokümantasyonu gerektiren becerilerin eksikliği ve proje yapma yetkinliğine sahip yeterli insan kaynağının bulunmayışı yanında en önemlisi yönetimin desteğinin yokluğudur. Başarılı bir Dijital Dönüşüm Projesi için sırasıyla iyi bir kılavuza, kapsamlı bir işletme analizine, öncelikleri ve önemi belirleyecek bir yol haritasına ve dijital kurum kültürünü destekleyecek bir altyapıya sahip olmak gerekir.

Netice olarak, Dijital Dönüşüm; veri odaklı bir çalışma sistematiği ile üretimde verimliliği, süreçlerde optimizasyonu, insan iletişimlerinde kaliteyi artırmanın yanı sıra meydana gelen problemlere/durumlara karşı çok daha hızlı ve doğru karar alınmasını sağlar. 

Hidrojen, artık temiz enerjiye geçiş veya karbonsuzlaşma olarak adlandırılan yeni sürecin ayrılmaz dört ayağından biri. Diğer üçü; enerji verimliliği, yenilenebilir enerji ve yenilenebilir enerji tabanlı elektrifikasyon olarak sıralanıyor. Hidrojen, bu üç unsurla iç içe ve an itibari ile sektörümüzün popüler ilgi odağı konumunda. Uzun yıllar boyunca uçuk bir fikir olarak değerlendirilmesine rağmen, hidrojeni saf ve yoğun bir enerji taşıyıcısı/vektörü ve depolama unsuru olarak biliyoruz. Ama küresel ısınmanın artan olumsuz etkileri ile beraber, bilhassa son beş yılda, başta gelişmiş ve sanayileşmiş ülkeler olmak üzere ulusal, bölgesel ve küresel ölçeklerde fosil yakıtları temiz hidrojen ile değiştirme sürecinin hızlı bir startı verildi. Pandeminin ve özellikle Rusya’nın Ukrayna’yı işgalinin ardından Avrupa’ya doğal gaz akışının kesilmesi ile beraber süreç depara kalktı.

Hızlı başlangıca rağmen, fosil yakıtlardan hidrojene geçiş o kadar çabuk, açık ve kolay olmayacak. Öncelikle uluslararası ve ulusal destek arkaya alınsa ve finansman sağlansa da temiz hidrojen ve hidrojen bazlı alternatif yakıtların uçtan uca kurgularının, hedeflenen teknolojik hazırlık seviyelerine ulaşması zaman alacak. Düzenlemelerde, standartlarda ve sertifikasyon süreçlerinde ülkeler ve bölgeler arasında ciddi farklılıklar var ve kısa süre içerisinde uluslararası bir standart ve norm getirmek mümkün gözükmüyor. Zaten kısa ve orta vadede öncelikli hedef de standartlarda ve sertifikasyon süreçlerinde asgari bir uyumla beraber ahengi sağlamak. Küresel ölçekte ticari bir meta haline gelmesi de vakit alacak; uluslararası ticareti ilk aşamalarda doğrudan ve ikili anlaşmalarla yapılacak. Emtia olmadan da ticari hacminin bir petrol, doğal gaz veya kömür kadar derinlik kazanması hemen beklenmemeli. Zaman verilerek uluslararası kuruluş ve organizasyonlar vasıtasıyla titiz çalışmaların yapılması, belirlenecek yöntemlere ve alınacak kararlara küresel ölçekte ülkelerin çoğunluğunun ve kilit üretim ve tüketim bölgelerinin katılması gerekiyor. Ama hidrojen teknolojisi ve kurgusu artık sektörümüzün yeni ve önemli bir unsuru ve bu aşamadan sonra bir geri dönüş de beklenmemeli…

Bu noktada asıl irdelenerek cevaplanması gereken soru şu olmalı: Yatırımcılarımız “Temiz/Düşük salımlı/Yeşil ya da Mavi” hidrojenin teknolojik hızlı gelişimine paralel bir şekilde endüstriyel büyük ölçekli üretiminin ve emtia olarak uluslararası boyutta ticaretinin yol haritasını, bugünden öngörebilir ve en doğru pozisyonları alabilir mi?

Bu yazının mümkün olduğunca teknik içerik ve jargondan uzak olmasını, elzem olmadıkça rakamlardan kaçınmayı ve nihayetinde rahat okunmasını hedefledim. Merak edenlerin ulusal ve küresel ölçekte kolay erişebileceği değerli ve doyurucu birçok ayrıntılı sektörel çalışma, akademik yayın ve referans var. Ancak yine de hidrojenin genel özellikleri ile birlikte temel birim ve tanımlamalarından, uluslararası ölçekte üretim ve tüketim değerlerinden ve gelecek projeksiyonlarından ana hatlarıyla bahsetmek istiyorum. Ki; yazının amacını içeren bölümler, okuyucu tarafından net bir şekilde anlaşılarak yorumlanabilsin. Rakamları akılda kolay kalacak şekilde yuvarlayarak, teknik açıklamaları da mümkün olduğunca basite indirgeyerek ama anlaşılır şekilde vermeye gayret edeceğim.

Temel Bilgiler:

Hidrojen (H₂) evrenin büyük çoğunluğunu oluşturan, dünyamızda hep başka elementlerle bileşik olarak bulunan renksiz, kokusuz ve tatsız, oldukça yanıcı ve çok çok hafif bir madde. Tek başına molekül halinde ve standart koşullarda gaz fazında bulunuyor. Kütlesel bazda kimyasal enerjisi en yüksek element. Ama yoğunluğu çok düşük olduğundan taşıma, depolama ve kullanımında fiziksel ve kimyasal yöntemlerle farklı formlara dönüştürmemiz ve bunları da hassas bir şekilde yönetmemiz gerekiyor.

Standart koşullarda (20 °C sıcaklık ve 1 atmosfer basınç altında) bir metreküpü (Sm³) sadece 84 gram. Mesela, gene oldukça hafif sayılabilecek doğal gazın standart koşullarda kütlesel yoğunluğu 680 g/Sm³’tür. Yani H₂ zaten hafif bir hidrokarbon olan doğal gazdan 8 kat daha hafiftir. 700 bar(g) basınçta sıkıştırdığımızda bir m³’ü 44 kg geliyor. -253 °C’da sıvılaştırdığımızda sıvı hidrojenin (LH₂) bir m³’ü 71 kg oluyor. Henüz geliştirme safhasında olan sıvı organik hidrojen taşıyıcılara (LOHC) yedirdiğimiz zaman da 1 m³’ünde, LOHC’nin toplam 1,100 kg civarında olan ağırlığı ile beraber, ortalama 55 kg taşıyabiliyoruz. Amonyağa (NH₃) dönüştürürsek de 1,000 kg’ının içerisinde yaklaşık 175 kg H₂ kimyasal olarak bağlanmış halde bulunuyor.

H₂ oksijenle temas edip yandığında sadece su buharı (H₂O) oluşuyor. Isıl içeriği kütlesel olarak çok yüksek. Üst ısıl değeri (ÜID) 142, alt ısıl değeri (AID) ise 120 MJ/kg. Bu haliyle kütlesel bazda kıyaslama yaparsak AID’i BOTAŞ speklerine göre doğal gazın AID’nin yaklaşık 3.5 katı. Ama hacimsel ısıl değeri olarak karşılaştırırsak da çok düşük. Doğalgazın AID’nin sadece yaklaşık 3/10’u kadar. Elektrik üretimi ile endüstriyel ve yüksek sıcaklıkta buhar ve ısı üretiminde termodinamik ve ısı dengesi hesaplamaları, AID’ler üzerinden yapılır. Ancak düşük sıcaklıkta çalışan yakıt hücrelerinde ve kimya ile petrokimya sektörlerinde hammadde olarak kullanımında H₂‘nin ÜID dikkate alınabilir.

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

H₂, çok yanıcı bir molekül. Havada yanma aralığı hacimsel olarak %4-75 bandında. Yani kapalı bir ortamda çok seyrek ya da çok yoğun bir şekilde bulunmuyorsa bir şekilde alev alabilir. Yanması çok hızlı ve alevi görünür değil. Bu nedenle üretimi, nakliye ve depolaması ile son kullanımında azami özen gösterilmesi ve sadece H₂’e özel teknolojilerin kullanılması gerekiyor. Bu teknolojiler mevcut, olgunlaşmış durumda ve güvenilir.

En bilineni, elektroliz yoluyla sudan üretilmesi olmak üzere, H₂‘nin çeşitli üretim metotları var ve bunların neticesinde H₂ farklı saflıklarda üretiliyor. Tabii üretiminin akabinde, ilave yatırım ve işletme maliyetlerine katlanılarak, saflaştırma teknolojileri vasıtasıyla ürünün saflığını yükseltmek mümkün. Yakıt hücrelerinin teknolojik olarak geldikleri seviyede, sorunsuz ve kesintisiz elektrik üretmeleri için yüksek saflıkta H₂ kullanılıyor. %99.99 ve üstü. Ancak daha düşük saflıkta çalışabilecek yakıt hücre teknoloji ve sistemleri halihazırda geliştiriliyor. Endüstriyel uygulamalarda genelde %99 ve üstü saflık istenmekle beraber, H₂‘i hammadde olarak %90 ve üzerinde saflıkta kullanabilecek prosesler de var. Ama ikili anlaşmalar dışında bölgesel bir pazar bünyesinde de olsa emtia şeklinde genel bir ticareti planlanıyorsa, yüksek saflıktaki ürünün satış imkânı ve fiyatı daha fazla olacaktır.

2022 sonu itibarı ile küresel ölçekte 95 milyon ton H₂ üretilmiş ve kullanılmış. Bunun takribi %62’si doğal gazdan, %21’i ise kömürden, sırasıyla buhar metan reformu (BMR) ve gazlaştırma teknolojileri (GT) kullanılarak üretilmiş. Kalanı ise yan ürün olarak endüstriyel proseslerden elde edilmiş. Ayrıca kimya (klor alkali gibi) ve petrokimya (naftanın parçalanması gibi) sektörlerinin kendi üretim proseslerinde yan ve eş ürün olarak üretimi var. Bunun da yıllık yaklaşık 30 milyon ton düzeyinde olduğu tahmin ediliyor ve üretim mahallinde enerjiye dönüştürülerek (elektrik ve/ya ısı) ya da mevcut proseslerde doğrudan hammadde olarak tüketiliyor. Yaygın olarak amonyak ve metanol üretiminde ve başta demir-çelik, petrokimya ve cam olmak üzere sanayide yoğunlukla kullanılıyor.

Şu anda düşük emisyonlu H₂’in (yenilenebilir elektrikten elektrolizle ve karbondioksiti tutularak doğal gazdan üretilen) payı yıllık toplam üretimin %1’inden az ama Uluslararası Enerji Ajansının (UEA) net sıfır karbon (NSK) senaryosuna göre 2030’da 70 milyon ton/yıl mertebelerine yükselebilecek. Gene NSK senaryosu bazında 2050 yılında küresel üretim ve tüketiminin 420 milyon ton/yıl düzeylerine ulaşması bekleniyor.

NH₃ de ticari bir kimyasal ve aynı zamanda kararlı bir H₂ taşıyıcısı olarak temiz enerjiye geçişte önemli bir ürün olarak karşımıza çıkıyor. 2022’de küresel NH₃ tüketimi 190 milyon ton civarında olmuş. NH₃ gübre üretimi başta olmak üzere kimya sektöründe ve sanayide yoğun olarak kullanılan önemli bir hammadde ve emtia. Ayrıca gemi motorları ile bazı kömürlü santrallarda alternatif ve/ya karışım yakıt olarak kullanılması gündemde. Birçok başarılı test ve deneme çalışmaları tamamlandı. Kısa süre içinde buralarda yaygın şekilde kullanılmasını bekliyoruz. Bu nedenle düşük emisyonlu H₂ ile beraber düşük emisyonlu NH₃ üretim ve ticaretinin ön mühendislik çalışmalarında beraber değerlendirilmesi doğru olacaktır.

Yeşil ya da Mavi, Temiz veya Düşük Salımlı/Karbonlu Hidrojen: Ne Kadar Yeşil ve Mavi, Temiz ve Düşük Salımlı?

H₂’in küresel temiz enerjiye geçiş sürecinde fosil yakıtlara alternatif olarak kullanımı gittikçe artan bir şekilde gündeme geldiğinde, çok da isabetli bir şekilde, önce kolay anlaşılabilecek ve akılda tutulabilecek şekilde hammaddelerine, üretim girdilerine (yenilenebilir elektrik gibi) ve teknolojilerine göre renklerle çoklu tanımlamaları yapıldı. Yeşil, mavi, gri, turkuaz ve pembe gibi…

Bu yazıda kullanacağımız “yeşil hidrojen” tamamen yenilenebilir elektrikten elektroliz yoluyla ya da biyojenik organik atıklardan (mesela evsel katı atıklar, orman ve tarım/hayvancılık atıkları gibi) üretilen H₂‘i tanımlıyor. Elektroliz teknolojileri de ilerliyor ve daha verimli ve yüksek üretim faktörlerine sahip elektrolizörler geliştiriliyor. Günümüzde yaklaşık 10 kg saf sudan ortalama 50 kWh elektrik harcanarak 1 kg H₂ üretiliyor.

“Mavi hidrojen” ise fosil yakıtlardan klasik üretim teknolojileri (buhar metan reformu, gazlaştırma, vd.) kullanılarak üretiliyor. Ama üretim esnasında çıkan karbondioksit (CO₂) tutularak kalıcı şekilde saklanıyor veya döngüsel olarak sürekli kullanılıyor (CCUS teknolojileri). Eş zamanlı olarak, karbon ayak izinin yoğunluğuna bağlı olarak temiz, düşük salımlı/karbonlu ve çevreci gibi yine renklerde olduğu gibi aslında geniş ve soyut tanımlamalar da kamuoyuna nihai hedef olan “karbon ayak izi taşımayan” H₂‘i sınıflandırarak tanıtmak için genel kavramlar halinde kullanılmaya başlanmış.

Artık temiz H₂‘i küresel ölçekte tanımaya başladık ve ne amaçla hangi şekilde fosil yakıtların yerine kullanmak istediğimizi biliyoruz. Bundan sonraki aşamada hem teknik hem de ticari uygulama ve faaliyetlerde kullanmak ve referans olarak değerlendirmek için somut, açık ve karşılaştırmaya uygun birimlerde ve standartlarda tanımlamamız lazım. Bu da ancak birim kütle veya birim enerji bazında olabilir.

Tabiatın kendiliğinden açığa çıkardığı ve insan eliyle doğrudan ya da dolaylı şekilde yaratılarak atmosferde sera etkisi yapan birçok organik veya yapay gazlar olmakla beraber, bunların üçü yüksek oranda pay sahibi: CO₂, Metan (CH₄) ve nitröz oksit veya diğer adıyla azot protoksit (N₂O). Hacim veya kütlesel boyutlarda en büyük oranda CO₂ bulunduğundan literatürde diğerleri CO₂ eşdeğeri olarak veriliyor. Hesaplaması da bu gazların atmosferde 100 yıl kaldıkları zaman yaratacakları sera gazı etki faktörü (Küresel Isınma Faktörü “KIF”) üzerinden yapılıyor. 1 kg CO₂’in faktör etkisi 1 olarak alındığında, 1 kg CH₄ için bu 28, 1 kg N₂O içinse 265 misli olarak hesaplamalarda kullanılıyor.

Bu gazların belli bir karışımının KIF’ne göre toplamları CO₂ kütle (kg) eşdeğeri CO_2e kısaltması ile gösteriliyor ve kütle (kg) ile enerji (GJ “bin MJ” ya da MWh “bin kWH”) olarak, birim H₂ başına oransal şekilde veriliyor. Böylece üretilen H₂‘in taşıdığı karbon içeriğini göstermek üzere kullanılacak standart birimler şunlar oluyor: “kgCO_2e/kgH₂” ile “kgCO_2e/GJ” veya “kgCO_2e/MWh”.

UEA’nın 2023 yılı Küresel Hidrojen Raporu’nda halihazırda yapılan H₂ üretimleri için kullanılan hammaddelere, üretim girdi ve teknolojilerine göre salınım yoğunlukları “kgCO_2e/kgH₂” olarak şöyle veriliyor;

Doğalgazdan BMR ile 10-13

Doğalgazdan BMR + CCUS ile birlikte 1.5-6.2

Kömürden GT ile 22-26

Kömürden GT + CCUS ile birlikte 2.6-6.3

Şebeke Elektriğinden Elektroliz ile 25

Biyokütleden* CCUS olmaksızın 3.5

Biyokütleden CCUS ile birlikte -22

*Evsel katı atıklar ile orman ve tarım/hayvancılık atıkları gibi kısa rotasyonlu ve biyojenik organik atıklar

Tabii bu hesaplamalarda, çok sayıda kabuller yapılmış ve çeşitli istatistiksel verilerin ortalamaları kullanılıyor. Doğal gaz ve kömürden H₂ üretiminde alt ve üst sınırların konulması doğal gazın çıkarılması ve kömürün madenciliği ile sonrasında arıtılması, işlenmesi ve iletimi ile nakliyesi sırasında ortaya çıkan (ve CH₄ de içeren) emisyonlarının bölge ve kullanılan teknolojiye göre belli aralıklarda değişen bu ortalamalarının ilave edilmesinden kaynaklanıyor. Bu nedenle CCUS teknolojileri kullanılarak prosesten çıkan CO₂‘in büyük bir kısmı yakalanıp kalıcı şekilde saklansa dahi hammaddelerin üretimi, işlenmesi ve iletimi esnasında çıkan bu emisyonlar H₂‘in emisyon yoğunluğu değerinin üzerinde kalıyor.

Çalışmamda, şebeke elektriği için 500 g CO₂/kWh ortalama bir karbon emisyon yoğunluğu değerini baz aldım. Bu değer, şebeke elektriğini büyük oranlarda yenilenebilir kaynaklardan üreten Norveç, İsveç ya da İzlanda gibi ülkelerde çok düşükken; Çin, Polonya, Güney Afrika veya Hindistan gibi büyük oranda kömürden karşılayan ülkelerde daha yüksek olacaktır. Keza elektriğinin büyük kısmını nükleer santrallardan elde eden Fransa’da şebeke elektriğinin karbon emisyon yoğunluğu nispeten düşüktür. Öte yandan H₂, fotovoltaik güneş panellerinden, rüzgâr ya da jeotermal santrallerinden ve diğer yenilenebilir kaynaklardan üretilen elektrik vasıtasıyla elektroliz yoluyla elde edilirse, bunun üretim faktöründen kaynaklanan emisyon yoğunluğu (kgCO_2e/kgH₂) sıfır olacaktır. Ancak elektrik iletim ve dağıtım şebekelerinin kayıpları ve şebekelerin işletmesi sırasındaki elektik tüketimleri için salınan birim emisyon miktarı, standart ve normların içeriğine göre hesaba katılabilecektir. Belki de bu nedenle Avrupa Birliği biraz teşvik biraz da sınırlama ile elektroliz ünitelerinin mümkün olduğunca yenilenebilir elektrik üretim tesisleri ile beraber ve aynı mahalde kurulmasını istiyor. Böylece hem iletim ve dağıtım kayıplarından hem de yenilenebilir elektrik üretimi ile elektrolizörde tüketimi arasında belli dönemlerde yapılabilecek mahsuplaşmanın getirebileceği (ve aslında daha fazla olan CO_2e emisyonunu olduğundan düşük gösterebilecek) boşluklardan kaçınarak, elektrik üretimi ile elektrolizörlerde tüketimin eş zamanlılığını garanti altına almak istiyorlar. Bataryalar gibi teknik ve ticari olarak uygulanabilir bir ünite sisteme entegre edilmedikçe, bu pek mümkün değil. Bu üniteler eklenirse, yatırım maliyetini ehemmiyetli bir oranda artırır. Eklenmezse de elektrolizörlerin kurulu güçlerinin oldukça altında bir kapasite kullanımı ile verimsiz çalışmalarına yol açar.

Biyokütlede ortaya çıkan birim emisyon yoğunluğu değeri, biyokütle kaynaklı değil ve biyokütlenin toplanması, elleçlenmesi ve taşınması sırasında harcanan enerji ve üretiminde kullanılan elektrik veya fosil yakıtlar sebebiyle yapılan salımlar nedeniyle oluşuyor. Ama bir CCUS teknolojisi ile H₂ üretimi sırasında oluşan CO₂‘in tutulması ve uzun süreli saklanması halinde, aslında büyük bir miktarda CO₂‘i de atmosferdeki doğal çevriminden çekmiş oluyorsunuz. Bu nedenle değer eksi oluyor.

Bu rakamlara, H₂ üretimi yapacak tesislerin kurulumu ve kullanılan makine, ekipman ve bunun gibi unsurların imalatı sırasında çıkan CO_2e dahil değil. Keza, mesela şebekeden elektrik alınıyorsa santrallar ile iletim ve dağıtım şebekesinin kurulumu ve donanımlarının imalatı sırasında çıkan emisyonlar da katılmıyor. Miktarları, teknik ve ekonomik ömürlerine göre yıllara dağıtıldığında, oldukça düşük çıkıyor. Ayrıca çok fazla kabul ve istisna yapılması gerekiyor; yani hesaplamaları biraz karışık ve sübjektif değerlendirmeler içerebiliyor. Ama ilerleyen süreçte hacimler büyüyüp H₂ ticareti arttıkça bilhassa yeni düşük emisyonlu üretim tesis ve altyapıları için hesaplama metodolojileri oluşturulup dikkate alınacaktır.

Takdir edilecektir ki, bu kadar fazla alternatif ve kabul altında bir renk ya da düşük salım gibi soyut kavramlarla H₂‘in içerdiği net emisyon yoğunluğu miktarını göstermek mümkün değil. Ötesinde, yeşil kabul edilen iki ayrı elektroliz üretimi bile şebeke kayıpları ve eş zamanlı mahsuplaşma farklılıkları sebebiyle ciddi farklar içerebilecek kgCO_2e/kgH₂ değerlerine sahip olabilecektir. Yani, bu haliyle yetkili standart kuruluşları ve denetleyici otoriteler emisyon takiplerini basit ve etkin bir şekilde ve adil (ayrımsız bir uygulama ile) yapamazlar. Ayrıca, iki taraflı olarak belli dönemler için yapılan anlaşmalarda, belki yakın bir gelecekte sorun yaratmasa dahi, bu soyutlukta H₂‘in spot ve tezgâh üstü piyasalarda ardışık alım satımları zor olur ve neticesinde emtia olarak ticari derinlik de sağlanamaz.

UEA, Ekonomide Hidrojen ve Yakıt Hücreleri için Uluslararası Ortaklık (IPHE) ile ortaklaşa olarak Uluslararası Standartlar Organizasyonu (ISO) vasıtasıyla oldukça yeni bir çalışma başlattı. Çalışma taslağının mevcut ISO 14687 kodu altında içeriğinin genişletilmesiyle 2023 yılı sonunda tamamlanarak UEA ve IPHE ile diğer ilgili paydaşlarla beraber değerlendirilmesi ve 2025’in başında yayınlanarak yürürlüğe girmesi planlanıyor. Öte yandan ISO/DTS 19870 koduyla H₂ teknolojileri ile tüketim noktasına kadar üretimi, şartlandırılması ve nakliyesi ile alakalı seragazı salınımlarını tespit eden bir metodolojiyi de çok yeni yayınladı. UEA, bu süreç sonuçlanıp H₂‘in emisyon salınım standartları oluşturuluncaya kadar en düşük emisyon dilimi olan “A”dan başlayarak “I”ya kadar dilimler halinde giden bir ölçeği önerdi. Ölçek kgCO_2e/kgH₂ birimi üzerinden “A” klasmanı için 0-0.5 aralığından başlayarak “I” klasmanı aralığı olan 5.5-7’de sonlanıyor. Bu şekilde sayısal ölçekte ve kademeli emisyon sınıflandırılması yapılmasının daha net ve mutlak bir karşılaştırma ve değerlendirme yapılmasına imkân vereceğini belirtiliyor.

Hidrojenin Üretimi ve Pazarlaması için Uçtan Uca Kurgulama ve Tüm Adımlarda Emisyon Yoğunluğunun Hesaplanması Gerekiyor: Zorluklar ve İmkanlar

Peki, düşük emisyonlu H₂ ekosistemine girmeye niyetli yatırımcılar, küresel ölçekte düzenlemeler norm halinde netleşmeden ve ortak standartlar belirlenmeden, nasıl bir kurgu ve hazırlık ile yatırım planı yapmalı?

Teknoloji seçimi, enerji ve malzeme akışları ile beraber ön projelendirmesi, emisyon yoğunluğu hesaplamaları, potansiyel alıcıların ve ticari satış koşullarının belirlenmesi için sıfırdan ne şekilde başlanabilir?

Ön etüt çalışmalarında, proje uygulamaya geçtiğinde üretici, nakliyeci ya da son kullanıcıların sorumluluk sınırlarının nasıl ve hangi taraflarda olacağına bakılmaksızın kesinlikle en baştan uçtan uca kurgulamanın yapılması şart.

Bu kurgulama, temel olarak aşağıdaki unsurları içermeli:

• Hammadde ya da elektriğin girdi olarak üretim noktalarından temini, işlenmesi, elleçlenmesi ve H₂ üretim mahalline taşınması,
• Yan ve eş ürünlerle beraber üretiminin yapılması,
• Katı, sıvı ve -üretimden çıkacak CO₂‘in yakalanarak kalıcı saklanması dahil – gaz atıklarının kontrolü, depolanması, başka proseslerde kullanılması veya bertaraf edilmesi,
• H₂‘in fiziksel değişimle depolanması (sıkıştırma veya sıvılaştırma) ya da kimyasal yolla farklı ürün ve içeriklere dönüştürülmesi (NH₃, LOHC ile H₂-bazlı sentetik yakıtlar),
• H₂‘in veya H₂-bazlı ürünlerin tüketim mahalline nakli,
• Tüketim mahallinde H₂ veya H₂-bazlı ürünler olarak depolanması,
• H₂-bazlı ürünlerden H₂‘in tekrar parçalanarak ayrıştırılması ve geri kazanılması.

Bu aşamalarını hepsinin bir akış içerisinde teker teker ve ardışık olarak değerlendirilmesi, emisyon yoğunluğu hesaplamaları ile atık yönetimi ve çevresel etki değerlendirmelerinin yapılması gerekiyor.

İlave olarak bu aşamaların her birindeki emisyon yoğunluğu hesaplamalarının yapılacak kabul ve öngörüler ile birlikte detaylı bir metodolojisinin oluşturularak kayda geçirilmesi önem arz ediyor. Böylece ileride standartların belirlenerek düzenleme normlarının oluşturulması durumunda ilgili ulusal ve uluslararası yetkili kurum ve kuruluşların inceleme, onay ile denetim süreçlerine belki yapılacak birkaç rötuş ve ince ayarlama ile hazır olunabilecek. Her bir aşamadaki emisyon yoğunluğu değerinin kolay takibi için blok-zincir vasıtasıyla dağıtık hesaplama kayıt teknolojisinin (distributed ledger) alt yapısının şimdiden oluşturulması büyük avantaj getirecektir. Şöyle ki; hem aşamalardaki sorumluluklarının taraflara dağıtımında ne alınıp ne verileceği kolay ve hızlı bir şekilde belirlenip anlık takip edilebileceğinden, gerekebilecek revize dizayn ve emisyon yoğunluğu hesaplamalarını da içerecek teklif hazırlıkları ve fiyatlandırmaları çabuk yapılacak hem de ürünün çeşitli aşamaları üzerinden opsiyonlu şekilde pazarlama faaliyetlerinin baştan ve daha geniş bir potansiyel alıcı ortamında yapılabilmesini sağlayacaktır.

H₂‘in üretiminde kullanılacak elektrik ve hammaddelerin kendi üretimleri ile H₂‘in üretimi ve sonrasında depolama ve nakliyesi öncesinde yapılacak fiziksel ve kimyasal hazırlıklarındaki proses ve teknolojiler muazzam bir enerji optimizasyonu ortamı yaratıyor. Birleşik elektrik ve ısı (kojenerasyon hatta trijenerasyon) uygulamaları adapte edilebilir, tesis lokasyonunun seçimi buna özel belirlenerek, mesela faal bir elektrik santralının atık ısısı kullanılabilir ya da bu santrala veya endüstriyel ya da merkezi ısıtma gibi tüketim noktalarına proseslerden kaynaklanan atık ısı ile fazla elektrik temin edilebilir ve bu şekilde toplam sistem verimliliği en azami seviyeye çekilebilir ve ekonomik getiri artırılabilir. Bu sayede iki önemli avantaj sağlanabilir:

1. Şebeke elektriğinin kullanımı ya da fosil yakıtlardan ısı temini bir şekilde kaçınılmaz ise, bu minimize edilerek H₂‘in emisyon yoğunluğu mümkün olduğunca düşük seviyelerde tutulabilir.
2. Bütünsel olarak işletme gelirleri artırılırken, maliyetler verimlilik yoluyla düşürülebilir.

Bir örnek olarak, üretilen H₂‘in LOHC vasıtasıyla tüketim mahalline taşınacağını varsayalım. H₂‘i LOHC’ye dönüştürme işlemi (hidrojenasyon) katalizörler vasıtasıyla ısıveren bir reaksiyon sonucunda yapılıyor. Her kg H₂ için yaklaşık 200 °C sıcaklıkta 10 kWh lik bir ısı oluşuyor. Eğer bu ısıyı ihtiyacı olan bünye içi ve dışı bir tüketim noktasında değerlendirebilirsek, bir verim ve ekonomik kazanç sağlayabiliriz. Keza teslimat noktasında tersine ısıalan bir reaksiyonla (ters hidrojenasyon) bu kez kg başına yaklaşık 300 °C sıcaklıkta 11 kWh ısı vererek H₂’i tekrar açığa çıkarıyoruz. Şayet bu ısıyı her hâlükârda soğutma amaçlı olarak döngüsünden atacak yakınlardaki bir termik santral gibi farklı enerji üretim noktasından uygun koşullarda temin edebilirsek, ilave enerji kaybı ve ciddi bir ek maliyet yükü olmayacak.

LH₂ de, misal, -253 °C’da ciddi bir soğuk termodinamik enerji içeriyor. Yoğun bir elektrik enerjisi harcanarak sıvılaştırılan LH₂ bir kere soğuk çevrime girdikten sonra planlı ve dikkatli bir kurgu ile nakliyesi ve depolanması safhalarında ve tekrar gazlaştırılıncaya kadar bu soğuk enerjiden azami ölçüde yararlanabilinir. Mesela soğuk hava depoları gibi mahallerde gazlaştırılırken, soğuk ısısı faydalı ısı olarak kullanılabilir. Ya da gazlaştırma sırasında tekrar belli bir miktar elektrik üretilebilir. Böylece gene uçtan uca ve toplam sistem verimliliği olabilecek azami yüksek düzeyde tutulurken ekonomik getiri sağlanır ve ürün H₂‘in emisyon yoğunluğunun artmasına izin verilmez.

Doğal gaz, kömür ile biyokütleden H₂ üretimi sürecinde de kojenerasyon uygulamaları için geniş imkanlar bulunuyor. Yapılması gereken, bünye içinde prosesler sırasında oluşacak fazla ısıyı kullanacak veya ihtiyaç olan ısıyı verecek bir iç dizaynı en baştan oluşturmak ya da hala fazla veya ihtiyaç olması durumunda harici tüketim veya üretim noktalarını tespit ederek bu lokasyonlara uygun genel bir dizayn geliştirmek. Bu H₂‘in fiziksel veya kimyasal dönüşümü ve teslim noktasında tekrar geri dönüşümü safhaları için de geçerli. Yüksek verimle elektrik ve ısı üretimi yapabilen, santral ve proseslerinden çıkan emisyonları tutarak, bertaraf edip saklayabilen ve elektrik ile (sıcak ya da soğuk) ısı alıp verebilen büyük sanayi kompleksleri H₂ üretim veya teslimat tesislerinin yanlarına kurulabilecekleri hedef lokasyonlar olarak sanki ön plana çıkıyor.

Elektrolizler ve yakıt hücrelerinde de reaksiyonlar sonucu oluşan bir miktar ısı çıkışı var. Mevcut teknolojilerde yüksek sıcaklıklar olmadığı için sınırlı bir şekilde ve ısıtma amaçlı değerlendirilebilir. Ancak deneme safhasında olan ve birkaç yıl içerisinde ticari uygulamalarının yaygınlaşacağı öngörülen katı oksit elektrolizör (SOEC) veya yakıt hücreleri (SOFC) de yukarıda verilen çerçevede enerji optimizasyonu çalışmalarında çok yönlü olarak değerlendirilebilir.

Avrupa’ya Düşük Emisyonlu Hidrojen İhracatı: Ülkemizin önündeki büyük bir fırsat

Avrupa Birliği (AB), karbonsuzlaşma hedefleri sürecinde enerji verimliliği, yenilenebilir enerjilerin ağırlığının artırılması ve elektrifikasyon süreçleri ile beraber düşük emisyonlu H₂ kullanımını gündemine almakla kalmadı, düzenlemelerini de yaparak aksiyonların bir takvim çerçevesinde alınması için hedefleri de ortaya koydu. Bu kapsamda Yenilenebilir Enerji Direktifini (RED II) 2018’de yürürlüğe soktu ve enerji portföyü içerisinde yenilenebilir ve temiz enerji teknolojilerinin ağırlığının artması için sürekli ilaveler yapıyor. Öte yandan Rusya’nın Ukrayna’yı işgali sonrası başta doğal gaz olmak üzere fosil bazlı yakıtların tedarik güvenliğinde sıkıntı yaşayan ve maliyetleri misli şekilde artan AB, 2022 yılında da RePowerEu programını uygulamaya aldı. Tüm bu düzenleme ve planlar çerçevesinde, 2030’a kadar AB bünyesinde yıllık en az 10 milyon ton düşük emisyonlu H₂ üretim kapasitesinin oluşturularak üretimin piyasalara verilmesi ve gene Birlik dışındaki ülkelerden 10 milyon ton/yıl düşük emisyonlu H₂ ithalatının yapılması için gerekli fiziki altyapının tamamlanması ve alım bağlantılarının yapılması gerekiyor.

10 milyon ton/yıl’lık bir düşük emisyonlu H₂ ithalat miktarı oldukça büyük bir hacim. Isıl eşdeğerinden bir karşılaştırma yapılırsa, yıllık yaklaşık 35 milyar Sm³ doğal gaza tekabül ediyor. Ki doğrudan kimyasal ve petrokimyasal ürünlerin imalatında da kullanılabileceği için farklı hesaplamalarla alternatifi olacağı doğal gaz ya da ham petrol türevi hammaddelere nazaran daha yüksek eşdeğer miktarlar bulunabilir.

Emisyon yoğunluğu 0.5 kgCO_2e/kgH₂’in altında (A klasman) olan H₂‘in CIF teslim bedeli olarak düşünürsek, bugün için takribi 100 milyar Euro düzeyinde bir yıllık toplam satış meblağından bahsediyoruz. Tabii teknolojilerin daha da gelişerek verimlerinin artmasıyla ve ölçek ekonomisi sayesinde maliyetler ve satış rakamları ileride düşecek ama gene de çok cazip bir pazar coğrafi olarak yanı başımızda duruyor.

AB an itibarı ile bu ithalatın belli bir miktarını Afrika, Avusturalya ve Güney Amerika’dan getirmek üzere bağlantılara geçti ve projeler geliştirmeye başladı. Buralarda kıyılara büyük güneş ve rüzgâr santralları kurup üreteceği yenilenebilir elektriği elektroliz yoluyla H₂‘e çevirmek ve Avrupa’ya göndermek istiyor. Ayrıca Körfez ülkeleri ve S.Arabistan ile de dirsek temasında. Bu bölgede de yenilenebilir elektrik üzerinden üretimi söz konusu olmakla beraber ağırlıklı olarak doğalgazdan CCUS vasıtasıyla ve karbonu tutularak elde edilen H₂‘in getirilmesi planlanıyor.

Ancak bir sorun var. Avrupa an itibarı ile fosil yakıtlardan üretilen H₂‘i, CO₂‘i tutulup saklansa ve düşük emisyon yoğunluğuna sahip olsa da, istemiyor. Düzenlemelerde bu tür H₂‘ler (şimdilik) dışarıda tutuldu. Biyokütleden üretimler için bir sınır yok ama uçtan uca üretimleri boyunca emisyon detaylarını ve sürdürülebilirlik kriterlerine uygunluklarını çok sıkı bir şekilde kontrol ederek izleyeceklerini öngörebiliriz. Tahminim; bu sınırlamalar ithal yoluyla alınacak H₂ hedeflerini tutturmada kendilerine ayak bağı olacak. Bir süre sonra iddialı emisyon yoğunluğu limitleri ve ağır sürdürülebilirlik kriterleri konularak mavi olarak tabir ettiğimiz bu H₂‘i de portföylerine sokacaklarını düşünüyorum.

Türkiye olarak biz bu cezbedici pazardan ne kadarlık bir payı nasıl alabiliriz?

Coğrafi yakınlığımız, boru hatları ve denizyoluyla uzun mesafelere büyük hacimlerle, kara ve demir yollarıyla ise kısa mesafelere daha küçük tonajlarda taşıma imkânımız göz önüne alındığında, ilk başta yıllık 1 milyon tonluk bir satış hacmini herhalde hedefleyebiliriz. Peki hangi yollarla ve ekonomik ve rekabet edebilir teknolojilerle bu H₂‘i üretebiliriz? Yenilenebilir elektrikten elektroliz metodu akla en yatkın geliyor ama öyle mi? Fosil yakıtların ithalatına çok ciddi miktarda döviz ödeyen ve tedariklerinde de stratejik olarak dışa bağımlı olan ülkemiz, ulusal elektrik üretiminde yenilenebilir elektriğin payını belli bir mertebeye getirmeden, yaratılacak (ilave) katma değerler belki ilk yıllarda fazla olsa dahi, bu elektriği H₂ üretiminde değil kendi ulusal elektrik tüketiminde kullanmak isteyecektir. Belli bir miktar yenilenebilir elektrik tabii ki ihracat amaçlı H₂ üretiminde kullanılabilir ama bu hedeflenen hacim içerisinde ufak bir pay alabilir. Öte yandan, bizim doğal gaz ve petrol rezervlerimiz ve üretim değerlerimiz henüz düşük ve zaten Avrupa da şu an bu yöntemi istemiyor. Yani bunların temiz teknolojiler kullanılarak H₂‘e dönüştürülmesi söz konusu değil. Ehemmiyetli miktarlarda linyit rezervlerimiz var. Kömürden GT ve CCUS yöntemi ile düşük emisyonlu üretim düşünülebilir. Fakat bunların ölçek ekonomisi nedeniyle büyük boyutlarda yapılabilmesi gerekiyor. Ciddi bir finansman ihtiyacı gerekecek; Batı’dan bu konjonktürde ne kadar temiz ve çevresi olsa da kömür teknolojileri için destek alamayız. İnşa süreleri de oldukça uzun olacak. Ayrıca bu kadar yüksek miktardaki CO₂‘i saklayacak uygun yer altı jeolojisinin varlığını da dikkate almak lazım. Nükleer santrallerin elektriğinden H₂ üretimi, serbest ve atıl elektrik üretim kapasitesi oluşup, elektrik üretim maliyetlerinin ve tesis amortismanlarının tamamlanarak, düşük seviyelerine inmesine kadar mümkün ve ekonomik olmayacaktır.

Ancak bilhassa, çeşitli biyokütle ile belediye evsel/organik katı atıklarını değerlendirerek ehemmiyetli bir hacim yaratmayı hedefleyebiliriz. Neden ve ne şekilde?:

• Biyojenik organik katı atıklardan iyi bir projelendirme ile sıfır ve hatta altında emisyon yoğunluğuna sahip çok değerli H₂ üretebiliriz.
• Bunu sağlayacak piroliz, termoliz ve gazlaştırma gibi teknolojik hazırlık seviyeleri yüksek, pilot uygulamalarını başarıyla geçmiş, hatta endüstriyel seviyede deneyim kazanmış tescilli teknolojiler mevcut.
• Prosesden çıkan CO₂‘i yeraltında saklamanın yanı sıra, mesela termik santralların uçucu küllerini kullanarak, kalıcı ve güvenli bir şekilde katı maddelere dönüştürebilir hatta inşaat faaliyetlerinde kullanılabilecek faydalı ürünler haline getirebiliriz. Bu tür teknolojiler pilot uygulamalarını başarıyla tamamladı, tescillendi ve büyük ölçekli ticari uygulamalara geçiliyor.
• İlerleyen safhalarda ve mevcut projeler amortisman sürelerini tamamlayıp yatırımlar kendini geri ödediğinde, mevcut atık sahalarından çıkan, arıtma ile yanma sürecinde ciddi CH₄ kaçaklarını barındıran ve atmosfere hala CO₂ bırakarak gaz motorlarında nispeten düşük çevrim verimlerinde elektriğe dönüştürülen çöp gazlarını da gazlaştırma tekniklerini kullanarak, çok düşük emisyon yoğunluğuna sahip değerli H₂’e dönüştürebiliriz.
• Türkiye’nin yıllık organik evsel katı atıklarının 12-15 milyon ton mertebesinde olduğu tahmin ediliyor. Bundan da yıllık bir milyon ton mertebesinde temiz H₂ üretilmesi mümkün. Tabii ilk olarak nispeten büyük yerleşimlerin halihazırda değerlendirilemeyen organik katı atıklarından başlanması uygun olacaktır. Ama bilhassa coğrafi olarak birbirlerine yakın çoklu yerleşimlerin organik katı atıklarını bir tesis bünyesinde değerlendirecek kümelenmeler de (organik katı atık H₂ üretimi çiftlikleri) sağlanabilir.
• Evsel organik katı atıkların yanı sıra sanayi, tarım/hayvancılık ve orman kaynaklı biyojenik organik katı atıklar da aynı şekilde değerlendirilebilir. Ayrıca, kendi enerjilerini sağlayan teknolojiler olduğundan geri dönüşümü olmayan ya da geri dönüşüm için ayrıştırılamayan enerji içeriği yüksek plastik ile kağıtlar da bu proseslerde enerji girdisi olarak kullanılabilir ve aynı zamanda atık olarak bertaraf edilmeleri çevreye zarar vermeden gerçekleştirilebilir.
• Bu teknolojilerin bünyesindeki makine, ekipman ve ünitelerinin çoğunun imalatları ülkemizde yerli olarak yapılabilir. Atıkların en efektif ve verimli şekilde toplanarak elleçlenmesi ile H₂‘in fiziksel ve/ya kimyasal dönüşümü, depolanması, nakliyesi ve nihai tüketim noktalarında geri dönüşümü hususlarında kazanılacak tecrübe ve birikimler kullanılarak hinterlandımızdan başlayarak uluslararası düzeyde yeni projeler geliştirilebilir ve komple anahtar teslimi taahhütler alınabilir.
• Yukarıda bahsedildiği üzere uçtan uca bir projelendirmesinin ve emisyon yoğunluğu ön hesaplamalarının tamamlanmasının ardından potansiyel alıcılarla bire bir görüşmeler ve orta ve uzun vadeli alım anlaşmaları yapılabilecektir. Bu alım anlaşmaları tesislerin kurulumu için dış finans imkânını da beraberinde getirecektir.

Nasıl Başlayabiliriz? Yapılması Gerekenler ve Beklenilen Destekler:

Küresel olarak ülkeler bazında şu anda çeşitli emisyon yoğunluğu ve sürdürülebilirlik kriterine sahip düzenleme ile standartlar bazlı 14 tane mevzuat var. Her an yenileri çıkabilir ve mevcutlarda belirgin değişiklikler olabilir. Bu nedenle UEA ile IPHE’nin desteğinde ISO tarafından geliştirilen standartlar oluşturularak küresel ölçekte geçerlilik kazanıncaya kadar öncelikle yukarıda belirttiğimiz uçtan uca tüm aşamaları içeren çalışmalar sıfıra yakın bir emisyon yoğunluğu hedeflenerek yapılmalı. Burada, projeleri geliştirecek özel sektör firmaları, üniversiteler ve enstitülüler başta olmak üzere ilgili kamu kurumları ve kuruluşları ile yakın bir iş birliği içerisinde ve beraber çalışmalı ve küresel gelişmelerin de paralelinde ulusal H₂ düzenlemelerini oluşturulmalı ve milli standartları çıkarılmalıdır.

Kurulduğu lokasyona bakılmaksızın tüm düşük emisyonlu H₂ üretim ve ihracatı projelerine “stratejik öneme sahip proje” sıfatıyla en yüksek dereceden teşvik verilmelidir.

Yatırımcıların ürün H₂‘in boru hatları ile taşınması seçeneğini de değerlendirebilmesi için ulusal iletim ve/ya bölgesel dağıtım şebekesi üzerinden sisteme katılması için teknik koşullar belirlenerek “H₂-katkılı Doğal Gaz Şebekesi İşletme Yönetmeliği” hazırlanmalı ve giriş, çıkış ve işletme koşulları belirlenmelidir. Ayrıca H₂-katkılı doğal gaz ticareti kapsamında, interkonnektör hatlar vasıtasıyla yurtdışına ihracatını da içerecek şekilde, mülkiyet transferleri başta olmak üzere diğer temel usul ve esasları da oluşturulmalıdır.

Üniversite ve enstitüler ile sanayi iş birliğini desteklemek üzere, Devlet teşvik amaçlı yatırımcıların bu kuruluşların laboratuvar ve tesislerinde yaptıracakları analiz ve uygulamalı ar-ge çalışmalarının maliyetlerini belli bir oranda karşılamalıdır.

İhtiyaç olması halinde H₂ tesisleri için kıyı şeridinde, ilerideki muhtemel kapasite artırımlarını karşılayacak ve NH₃ tesisi gibi bir ilave tesislerin gerektireceği alanlar ile tam teşekküllü depolama ünitelerini ve büyük tankerlerin de yanaşabileceği iskelesini de içerecek şekilde (tercihen Hazine’nin mülkiyetinden) öncelikli arazi tahsis edilmelidir. Doğrudan ihraç altyapısı ve lojistik ayağı da olacak böyle bir kompleksin kurulması durumunda, ileri safhalarda Türkiye’nin çeşitli noktalarında tamamen yenilenebilir kaynaklardan üretilen düşük emisyonlu elektrolitik H₂ de burada toplanıp aynı altyapı üzerinden ihraç edilebilecektir.

Enerji IQ’nun 7 Aralık 2023 tarih ve 568 Nolu sayısında yayınlanmıştır.