Hidrojen
Geçmişte hidrojene ilgi duyulan birkaç dalga olmuştur. Bunlara çoğunlukla petrol fiyatlarındaki şoklar, en yüksek petrol talebi veya hava kirliliği ile ilgili endişeler ve alternatif yakıt araştırmaları neden oldu. Hidrojen, farklı tedarik zincirlerine, üreticilere ve pazarlara sahip başka bir enerji taşıyıcısı sağlayarak enerji güvenliğine katkıda bulunabilir; bu, enerji karışımını çeşitlendirebilir ve sistemin esnekliğini artırabilir. Hidrojen, yakıt hücrelerinde kullanıldığında sudan başka hiçbir emisyon olmaksızın hava kirliliğini de azaltabilir. Bir endüstriyel hammaddeden bir enerji taşıyıcısı olarak geliştirmek için gereken büyük yatırım göz önüne alındığında, ekonomik büyümeyi ve iş yaratmayı teşvik edebilir.
Enerji dönüşümü, elektrik üretiminde fosil yakıtlardan güneş ve rüzgar gibi yenilenebilir kaynaklara, daha fazla enerji verimliliğine ve arabalardan binalarda ısıtma ve soğutmaya kadar enerji kullanımının yaygın olarak elektrifikasyonuna büyük bir geçiş gerektiriyor.
Yeşil hidrojen, büyüyen ve sürdürülebilir yenilenebilir elektrik üretimi ile elektriklendirilmesi zor sektörler arasında bir bağlantı sağlar. Hidrojen genel olarak elektrik şebekelerinden uzak veya yüksek enerji yoğunluğu gerektiren uygulamalar için uygun bir enerji taşıyıcısıdır ve bir dizi sentetik yakıt ve hammadde üretmek için kimyasal reaksiyonlar için bir hammadde görevi görebilir.
Yeşil hidrojenin ek faydaları şunları içerir: değişken yenilenebilir enerjinin (VRE) daha fazla dağıtımını destekleyen ek sistem esnekliği ve depolama potansiyeli; enerji güvenliğine katkı; azaltılmış hava kirliliği; ve ekonomik büyüme ve istihdam yaratma ve endüstriyel rekabet gücü gibi diğer sosyo-ekonomik faydalar.
Yeşil hidrojen birçok farklı uygulamada kullanılabilen bir enerji taşıyıcısıdır (Şekil 1). Ancak, gerçek kullanımı hala çok sınırlıdır. Her yıl dünya çapında yaklaşık 120 milyon ton hidrojen üretiliyor ve bunun üçte ikisi saf hidrojen ve üçte biri diğer gazlarla karışım halinde. Hidrojen çıkışı çoğunlukla ham petrol rafinerisi ve amonyak ve metanol sentezi için kullanılır ve bunlar birlikte birleşik saf ve karışık hidrojen talebinin neredeyse %75'ini temsil eder.
Günümüzün hidrojen üretimi, çoğunlukla, üretimin %95'ini oluşturan doğal gaz ve kömüre dayanmaktadır. Elektroliz, klor üretiminin bir yan ürünü olarak küresel hidrojenin yaklaşık %5'ini üretir.
Şekil 1, Enerji sistemi genelinde yeşil hidrojen üretimi, dönüşümü ve son kullanımları
Hidrojen birden fazla proses ve enerji kaynağı ile üretilebilir; tartışmayı kolaylaştırmak için bir renk kodu terminolojisi yaygın olarak kullanılmaktadır (Şekil 2).
Şekil 2 Seçilmiş hidrojen tonları
Yeşil hidrojen, hem fosil yakıtlarla hem de hidrojenin diğer tonlarıyla rekabet eder. Bu nedenle, yeşil hidrojenin maliyetini belirleyen faktörleri anlamak önemlidir.
Yeşil hidrojenin üretim maliyeti, elektrolizörlerin yatırım maliyetine, elektrolizörün gerçekte ne kadar kullanıldığının bir ölçüsü olan kapasite faktörüne ve yenilenebilir enerjiden üretilen elektriğin maliyetine bağlıdır.
2020 yılına kadar, bir alkalin elektrolizör için yatırım maliyeti kilovat (kW) başına yaklaşık 750-800 USD'dir. Yeşil hidrojen tesisinin kapasite faktörü, %10'un altında (yılda 876 tam yük saatinden az) gibi düşükse, bu yatırım maliyetleri birkaç birim hidrojen arasında dağıtılır ve bu da hidrojen maliyetleri 5-6 USD/kg'dır. veya daha yüksek, elektrolizör sıfır fiyatlı elektrikle çalışıyor olsa bile. Buna karşılık, gri hidrojenin maliyeti yaklaşık 1-2 ABD Doları/kg hidrojendir (doğal gazın gigajoule [GJ] başına yaklaşık 1,9 - 5,5 ABD Doları fiyat aralığı dikkate alındığında). Ancak yük faktörleri daha yüksekse, yatırım maliyetleri kg başına yeşil hidrojen maliyetine daha küçük bir katkı sağlar. Bu nedenle, tesis yük faktörü arttıkça, kg başına nihai hidrojen üretim maliyetine elektrolizör yatırım maliyeti katkısı düşer ve elektrik fiyatı daha ilgili bir maliyet bileşeni haline gelir.
Belirli bir elektrik fiyatında, hidrojenin nihai maliyetindeki elektrik bileşeni, sürecin verimliliğine bağlıdır. Örneğin, 0,65'lik bir elektrolizör verimliliği ve megavat saat (MWh) başına 20 ABD Doları elektrik fiyatı ile, toplam maliyetin elektrik bileşeni, 1 ABD Doları/kg'a eşdeğer 30 ABD Doları/MWh hidrojene çıkacaktır.
Günümüzün nispeten yüksek elektrolizör maliyetleri göz önüne alındığında, gri hidrojen ile karşılaştırılabilir fiyatlarla yeşil hidrojen üretmek için düşük maliyetli elektrik (20 USD/MWh düzeyinde) gereklidir. Yeşil hidrojen üreticilerinin amacı, şimdi farklı stratejiler kullanarak bu maliyetleri azaltmaktır (IRENA, yakında). Elektrolizörlerin maliyetleri düştüğünde, uygun maliyetli yeşil hidrojen üretmek için daha yüksek maliyetli yenilenebilir elektrik kullanmak mümkün olacaktır.
Hidrojenin taşınması ek maliyetler oluşturur. Taşıma maliyetleri, taşınan hacmin, mesafenin ve enerji taşıyıcısının bir fonksiyonudur. Düşük hacimlerde, bir kamyonda 1.000 km sıkıştırılmış hidrojen taşıma maliyeti 3.5 USD/kg civarındadır. Büyük hacimler için, yeşil amonyak nakliyesi en düşük maliyetli seçenektir ve yalnızca 0,15 USD/kg hidrojen ekler (dönüşüm maliyetleri, yani çatlama dikkate alınmadan). Kısa mesafelerde büyük boru hatları (günde yaklaşık 2.000 ton) kullanılarak benzer düşük maliyetler elde edilebilir. Boru hattı ile hidrojen taşımacılığı, elektrikle aynı enerjiyi taşımanın maliyetinin onda biri olabilir.
Bugünün maliyeti ve performansı, tüm elektrolizör teknolojileri için aynı değildir (bkz. Tablo 1). Alkali ve PEM elektrolizörler en gelişmiş ve halihazırda ticari olanlardır ve her teknolojinin kendi rekabet avantajı vardır. Alkali elektrolizörler en düşük kurulum maliyetine sahipken, PEM elektrolizörleri daha yüksek akım yoğunluğu ve çıkış basıncı ile birlikte çok daha küçük bir ayak izine sahiptir. Bu arada, katı oksit en yüksek elektriksel verime sahiptir. Hücre yığını, elektrolizör tesisi ayak izinin yalnızca bir parçası olduğu için, alkaline kıyasla PEM için yaklaşık %60'lık bir azaltılmış yığın ayak izi, tesis ayak izinde %20-24'lük bir azalma anlamına gelir ve tahmini ayak izi 8 hektar (ha) PEM kullanan 1 GW'lık bir tesis için -13 ha, alkalin kullanılan 10 ha-17 ha. Yeniliklerin ve farklı elektroliz teknolojilerinin toplu olarak yaygınlaştırılmasının benzer maliyetlere yakınlaşmayı sağlaması nedeniyle maliyet ve performanstaki boşlukların zamanla daralması bekleniyor.
Elektrolizör yığından (suyun hidrojen ve oksijene ayrılmasının gerçekleştiği yer) ve güç kaynağı, su temini ve saflaştırma, sıkıştırma, muhtemelen elektrik ve hidrojen tamponları ve hidrojen işlemeyi içeren tesis dengesinden oluşur. Her iki bileşen de benzer maliyet paylarına sahip oldukları için maliyet açısından önemlidir. Yakın dönemli maliyet düşürme için en büyük potansiyel, tesisin bu dengesindedir; bunlar arasında önemli ödünleşimler olduğundan, yığın maliyetini azaltmak ve performansını ve dayanıklılığını artırmak için AR-GE gereklidir.
Alkali ve PEM yığınlarının esnekliği, rüzgar ve güneşteki dalgalanmaları takip etmek için yeterlidir. Ancak sistemin esnekliği yığından ziyade tesisin dengesi (örn. kompresörler) ile sınırlıdır. Ayrıca, ilgili çok kısa vadeli zaman ölçeklerinde (yani saniye altı) esneklik, temel sistem değerleri toplu enerji depolamasında yattığından, elektrolizörler için temel değer önerisi değildir. Bu, üretim değişkenliğini, gaz altyapısında (örn.
Tüm boyutlarda daha iyi performans gösteren tek bir elektrolizör teknolojisi yoktur. Geleceğin teknoloji karışımı, her bir özel uygulamada teknolojik gelişmelere ve farklı teknolojiler ve sistem tasarımlarına daha iyi uyum sağlanmasına yol açan, kilit teknolojiler ve üreticiler arasındaki yeniliğe ve rekabete bağlı olacaktır.
Su ve arazi kullanımı ölçek büyütmenin önündeki engelleri temsil etmez. Su stresi olan yerlerde, hidrojen üretimi için su kaynağı stratejilerde açıkça dikkate alınmalı ve proje planlamasında daha fazla detaylandırılmalıdır. Deniz suyuna erişimin mevcut olduğu yerlerde, yerel faydalar sağlamak için potansiyel olarak çok amaçlı tuzdan arındırma tesislerini devreye alarak maliyet ve verimlilik üzerinde sınırlı etki ile tuzdan arındırma kullanılabilir. 1 GW'lık bir tesis yaklaşık 0,17 kilometrekarelik (km2) bir alanı kaplayabilir, bu da 1000 GW elektrolizin Manhattan'a (New York) eşdeğer bir alanı kaplayacağı anlamına gelir.
Su elektrolizörleri, su moleküllerini bir elektrik akımı geçirerek hidrojen ve oksijene bölmek için kullanılan elektrokimyasal cihazlardır. Üç düzeyde parçalanabilirler (bkz. Şekil 4):
Hücre, elektrolizörün çekirdeğidir ve elektrokimyasal sürecin gerçekleştiği yerdir. Bir sıvı elektrolite daldırılmış veya katı bir elektrolit membrana bitişik iki elektrottan (anot ve katot), iki gözenekli taşıma katmanından (reaktanların taşınmasını ve ürünlerin uzaklaştırılmasını kolaylaştıran) ve mekanik destek sağlayan bipolar plakalardan oluşur. ve akışı dağıtın.
Yığın, seri bağlanmış birden fazla hücre, ara parçalar (iki zıt elektrot arasındaki yalıtım malzemesi), contalar, çerçeveler (mekanik destek) ve uç plakaları (sızıntıları önlemek ve sıvıları toplamak için) içeren daha geniş bir kapsama sahiptir.
Sistem seviyesi (veya tesisin dengesi), soğutma, hidrojenin işlenmesi (örn. saflık ve sıkıştırma için), elektrik girdisinin dönüştürülmesi (örn. transformatör ve doğrultucu), su kaynağının işlenmesi (örn. deiyonizasyon) ve ekipmanları içerecek şekilde yığının ötesine geçer. gaz çıkışı (örn. oksijen).
Arıtılmış su, sirkülasyon pompaları kullanılarak veya ayrıca yerçekimi ile sisteme beslenir. Su daha sonra bipolar plakalardan ve gözenekli taşıma katmanlarından akarak elektrotlara ulaşır. Elektrotta su, iyonların (tipik olarak H+ veya OH-) sıvı veya katı bir membran elektrolitinden geçmesiyle oksijen ve hidrojene bölünür. Her iki elektrot arasındaki zar veya diyafram, üretilen gazları (hidrojen ve oksijen) ayrı tutmaktan ve bunların karışımından kaçınmaktan da sorumludur. Bu genel ilke yüzyıllardır aynı kalmıştır, ancak teknoloji, William Nicholson ve Anthony Carlisle'ın 1800'de ilk geliştirmesinden bu yana gelişmiştir.
Şekil 3, Farklı seviyelerde su elektrolizörlerinin temel bileşenleri
ELEKTROLİSER TEKNOLOJİLERİ
Su elektrolizi prensibi basittir, ancak çeşitli fizikokimyasal ve elektrokimyasal yönlere dayalı farklı teknolojik varyasyonların oluşturulmasına izin verir. Elektrolizörler tipik olarak dört ana teknolojiye ayrılır. Bunlar, farklı malzeme ve bileşenlerin seçimini yönlendirecek olan elektrolit ve çalışma sıcaklığına göre ayırt edilir.Piyasada bulunan tüm elektroliz hücre tiplerinin prensipleri Şekil 6'da gösterilmektedir. Her bir teknoloji içinde birçok varyasyon mevcuttur ve en radikal farklılıklar hücre tasarımı, bileşenler içindeki varyasyon ve teknolojik olgunluk derecesi ile ilgilidir.
Katı oksit ve anyon değişim membranı (AEM) yüksek potansiyele sahiptir, ancak çok daha az olgun teknolojilerdir ve yalnızca birkaç şirket ve orijinal ekipman üreticisi (OEM) bunların üretimine ve ticarileştirilmesine dahil olur. Bunlar çoğunlukla Avrupa'da yerleşiktir.
Dört tip elektrolizör vardır: Alkalin ve polimer elektrolit membran (PEM) halihazırda ticari iken, artık laboratuvar ölçeğinde olan anyon değişim membranı (AEM) ve katı oksit, ileriye doğru büyük bir adım vaat ediyor.
Şekil 4, Ticari olarak temin edilebilen farklı elektroliz teknolojileri türleri.
Tablo 2, dört tip elektrolizör için çalışma koşullarını ve en önemli bileşenleri özetlemektedir. Renkli hücreler, farklı üreticilerden veya Ar-Ge kurumlarından önemli farklılıklar gösteren koşulları veya bileşenleri temsil eder. Bu açıdan, AEM ve katı oksit türleri için net olan daha az olgun teknolojiler hakkında bir fikir verir.
Yeşil hidrojen üretimi için su kullanımı
Yeşil hidrojen üretimi, bir elektrolizörde hidrojen ve oksijeni sudan ayırmak için ana hammadde olarak suyu ve bir enerji kaynağı olarak yenilenebilir elektriği kullanır.Su, mümkün olduğu kadar saf, bu nedenle önemli bir girdidir. Gereken saflık seviyesi teknolojiye bağlı olarak değişmekle birlikte, tuzdan arındırılmış deniz suyundan başlayarak su arıtmanın maliyeti marjinaldir (1 ABD Doları/metreküp (m3) suyun çok altındadır). Bununla birlikte, sudaki safsızlıklar, elektrolizör yığınının ömrü üzerinde büyük bir etkiye sahip olacaktır ve bu da, elektrolizörün hidrojen maliyetinde yıllık gelirini artırarak hidrojen maliyetini etkileyebilir. Tuzdan arındırma maliyetlerine ek olarak, elektrolizör yığınında herhangi bir su arıtma ihtiyacı ek maliyetler (örneğin deiyonizer) gerektirir. Bunlar, gereken saflık seviyesine bağlı olarak potansiyel olarak önemli hale gelebilir, ancak genel olarak 1 ABD Doları/m3 civarında veya 0,01 ABD Doları/kg H2'den az kaldıklarından, hidrojenin genel maliyeti üzerinde hala düşük etkiye sahiptirler.
Su kullanımı, elektrolizi ölçeklendirmeye engel değildir. Su stresi olan yerlerde bile, deniz suyunu tuzdan arındırma, maliyet veya verimlilik açısından sınırlı cezalarla kullanılabilir.
Saf, stokiyometrik bir perspektiften, 1 kg hidrojen girdi olarak 9 kg su gerektirir. Bununla birlikte, prosesteki bazı verimsizlikler nedeniyle, tipik su tüketimi ile su demineralizasyon prosesi dikkate alındığında, oran hidrojenin kilosu başına 18 kg ile 24 kg arasında değişebilir. En büyük su tüketimi aslında yukarı yöndedir ve elektrolizör PV ile birleştiğinde en yüksek seviyededir. PV'den gelen yeşil hidrojen için su tüketimi, güneş ışınımına, kullanım ömrüne ve silikon içeriğine bağlı olarak, kg hidrojen başına 22 ila 126 kg su arasında değişebilir. Su kıtlığı, su kullanımını bölgedeki su ikmali ile karşılaştırdığından, bir bölgeye oldukça özgüdür, bu nedenle su sıkıntısı çeken bölgelerde hidrojen üretimi olduğunda yerel etki değerlendirmelerine ihtiyaç vardır. Orta nokta düzeyinde su kullanımının etkisini değerlendirmeye yönelik yöntemlerden biri, UNEP-SETAC Yaşam Döngüsü Girişimi'nin bir çalışma grubu tarafından geliştirilen Kalan Mevcut Su (FARKINDA) yöntemidir.
Hidrojen üretiminin su mevcudiyeti üzerindeki etkisi açısından, tuzdan arındırılmış deniz suyunun kullanıldığı varsayımı olduğu sürece, bu açıkça bir sorun değildir. Tercih edilen su kaynağı tatlı su ise, termik santraller için mevcut tatlı su tüketimi ile bir karşılaştırma yapılabilir. Yılda 8.000 saat boyunca %75 verimlilikle çalışan çok büyük 1 GW'lık bir elektrolizör düşünüldüğünde, yıllık hidrojen üretimi 0.15 milyon ton hidrojen ve 3 milyon ton su olacaktır (bir kilo hidrojen başına 20 kg su kullanıldığını varsayarsak) . Bu, kişi başına 45 m³ su tüketimi ile küçük bir şehrin (yaklaşık 70 000 nüfuslu) su tüketimine tekabül etmektedir. Bunun kabul edilebilirliği, tesisin bulunduğu yerdeki su mevcudiyetine bağlı olacaktır; tuzdan arındırma, özellikle su stresi olan bölgelerde, tesisin tasarımının bir parçası olmak için önemli bir seçenek olmaya devam etmektedir. Hacimler su stresi olan bölgeler için önemli olabileceğinden, büyük ölçekli hidrojen üretimi için su kaynağı, hidrojen stratejilerinde açık bir şekilde hesaba katılmalıdır. Bununla birlikte, tuzdan arındırma, hidrojen üretimi ve diğer kullanımlar (örneğin insan tüketimi ve tarım) için ortaklaşa kullanılabilir ve hidrojen üretimi, su sıkıntısı çeken bölgelerde çok amaçlı tuzdan arındırma tesislerinin kurulmasını sağlayarak su arzını artırmaya yardımcı olur.
IRENA Küresel Yenilenebilir Enerji Görünümü'nün Dönüşen Enerji Senaryosunda beklenen 19 exajoule (EJ) yeşil hidrojen (yaklaşık 160 megaton [Mt]) için, 2050'de yılda yaklaşık 3 milyar m3 suya ihtiyacımız olacak. Bu, suyun %0,08'i. Mevcut küresel tatlı su tüketimi. Tatlı su, çok sayıda enerji dışı kullanım (örneğin tarım) için kullanıldığından, daha iyi bir karşılaştırma, termoelektrik santrallerin mevcut tüketimidir; bu, önemli ölçüde daha yüksektir: örneğin, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki termik santrallerin tahmini su tüketimi. 2030 referans durumu 5,8 milyar m3 idi. Karbonsuzlaştırmanın daha hızlı olduğu ve hidrojenin daha büyük bir rol oynadığı daha iddialı senaryolar için bile, toplam su talebi, küresel su tüketimine kıyasla nispeten küçük olacaktır. Ek olarak, yakıt hücrelerinde ulaşım amacıyla veya nihayetinde yeniden elektrifikasyon için kullanılan üretilen herhangi bir yeşil hidrojen, özellikle sabit uygulamalarda, ekonomik olarak mümkün olduğunda geri kazanılabilen ultra saf su üretecektir.
Yeşil hidrojen için elektrolizör besleme suyu için ultra saf su üretimi